力学问题讨论1:重力和重量
创始人
2024-11-02 15:22:06
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Part1什么是重力

观点1重力是指地球对物体施加的引力,其方向恒指向地心(或竖直向下),大小等于物体的质量与重力加速度的乘积。

观点2由于地球在自转,因此做受力分析时, 地面参考系上的物体应引入惯性离心力,其大小为 ,方向与地轴垂直指向外,其中 为地球的半径, 为地球自转角速度, 为物体所处纬度。在地面参考系看,静止于水平地面上的物体处于平衡状态,其受到的地球引力 、惯性离心力 和地面支持力的合力为零。我们理解的重力,应该是一个与支持力等大反向的力。按照这种理解,重力应该是地球引力和惯性离心力的合力,如下左图所示,即

观点3以地心为原点,坐标轴指向恒星的参考系( 地心参考系),地球上所有物体都随着地球绕地轴做圆周运动,其向心力可以认为是引力的其中一个分力,另一个分力与地面支持力平衡。这就是说:重力是引力的一个分力,如上右图。

对比理解后面两个观点都考虑了地球的自转,只是用不同参考系分析罢了。第一个观点则略有不同,相比之下,大小之差在 以内,但概念上看却有很大区别。为了避免分歧,教材上都把重力定义为“ 由于地球吸引而使物体受到的力”。

牛三的困难考虑到在经典力学体系中,惯性离心力并不是一个“真实的力”,所以惯性离心力和重力(即引力的另一个分力)不存在反作用力,这使得牛顿第三定律遇到了困难。这时,我们再去说“地球对我的重力是 ,我对地球的重力也是 ”,似乎就有点不妥了。这个问题,大家怎么看?

Part2什么是重量

日常生活中,我们经常混用重量和质量。第三届国际计量大会讨论了这个问题,并声明:重量一词表示的量与力的性质相同、重量是物体质量与重力加速度的乘积、物体的标准重量是物体质量与标准重力加速度( )的乘积。

在《中华人民共和国法定计量单位》的说明中指出:日常生活中,重量实际上是物体质量的同义词,如购买重量为 的糖果,就是购买质量为 的糖果。

在物理学科内,我们通常采用前一种说法,即重量指的是物体所受重力的大小,而非日常生活中的说法。

Part3航天员受到重力吗

空间站近似看成绕地球做匀速圆周运动,空间站里的宇航员处于完全失重状态,他们感受不到重力的存在而漂浮在空间站中。那么,空间站里漂浮着的航天员,他们是否受到重力的作用呢?如果有,他们受到的重力是否和在地面受到重力一样大?

不少的高考训练题中会出现类似的问题,即:高度为 处的飞船,其受到的重力是多少?等等。

如果我们认为重力即引力,则可以容易做出计算:

其中 表示地球的质量, 表示物体的质量, 表示地球的半径, 可以认为是高度为 处的重力加速度。

然而,这种理解和我们之前讨论重力本质是不一致的。如果我们认为,重力是引力和惯性离心力的合力,那么我们可以认为:在空间站参考系中,由于空间站的公转而引入的惯性离心力与地球对航天员的引力平衡,航天员受到这两个力的合力为零,即重力为零。基于这个观点,我们可以认识到:

-1-由于一些其它影响因素,引力和惯性离心力不能完全平衡,空间站内的环境为“微重力环境”。

-2-航天员的非完全失重,是感受不到引力,而非感受不到重力,因为空间站环境为(近似)零重力环境。

-3-不能理解为高度为 处的重力加速度,而要重新命名为“引力加速度”。

Part4声明和往期

由本人知识有限,上面内容仅代表 个人观点,欢迎大家加入讨论交流。又因为做事时常不够细心,错漏在所难免,欢迎大家批评指正。

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