淺析重力與地球引力的相關(guān)問題

吳高年

[摘要]概念教學(xué)是物理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)之一，學(xué)生只有準確地理解物理基本概念，才能理解物理原理，掌握知識要點，進行科學(xué)探究及實際應(yīng)用。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，在講重力和地球引力的關(guān)系時，總是有不少學(xué)生疑惑不解。文章就重力與地球引力的相關(guān)問題進行分析探討。

[關(guān)鍵詞]重力;地球引力;關(guān)系

[中圖分類號]G633.7? [文獻標識碼]A? [文章編號]1674-6058（2020）02-0051-01

一、重力的定義

（1）現(xiàn)行高中物理教材人教版必修1對重力的定義是：“由于地球的吸引而使物體受到的力叫作重力。”鄭永令等編著的《力學(xué)》中直接說，重力就是地球與物體的萬有引力?！?/p>

（2）現(xiàn)行人教版高中物理教師教學(xué)用書中明確指出重力是引力的一個分力?！?/p>

（3）漆安慎等編著的《普通物理學(xué)教程·力學(xué)》指出：“質(zhì)點重力為地球引力與離心慣性力的合力。”

（4）梁紹榮等編著的《普通物理學(xué)第一分冊·力學(xué)》對重力的定義采用靜力學(xué)的方法：“重力是物體相對于水平面靜止的物體所受支持力的平衡力。”

顯然，重力的本源是地球引力，在地球附近的物體都受重力。筆者認為，以上幾種觀點都是正確的，并不相互矛盾，而且本質(zhì)上是一致的、統(tǒng)一的。產(chǎn)生分歧的根源在于選擇什么樣的參考系來考查重力，包括怎樣看待地球A轉(zhuǎn)對重力的影響。下面就重力與萬有引力的相關(guān)問題進行論述。

二、重力與地球引力的關(guān)系分析

1.不考慮地球的自轉(zhuǎn)，在地球慣性系中分析

不考慮地球的自轉(zhuǎn)，地球本身就是一個慣性系。此時，可以認為地球就是一個質(zhì)量分布均勻的球體。我們來分析一下地面上任一位置相對于地面靜止的物體的受力情況，如圖1所示，某物體靜止放置在測力計上，其受到兩個力的作用，一個是測力計的支持力F_N，另一個就是地球引力F_引。根據(jù)二力平衡原理，此時地球引力與測力計的支持力平衡。而從測量的角度看，重力與測力計的支持力平衡，即重力與地球引力大小相等。另一方面，由于把地球看作球體，認為地球的質(zhì)量分布均勻，那么與地表切面垂直向下的方向正好指向地心，即重力的方向指向地心，與地球引力的方向相同。因此，在地球慣性系中，物體所受重力就是地球?qū)ξ矬w的引力。

2.考慮地球自轉(zhuǎn)，在地球上非慣性系中分析

考慮地球自轉(zhuǎn)的影響，那么地球是一個繞地軸轉(zhuǎn)動的非慣性系。由于牛頓運動定律只對慣性系成立，對非慣性系不成立。在實際問題中常常需要在非慣性系中觀察和處理力學(xué)問題，為了能在非慣性系中沿用牛頓運動定律的形式，引進“慣性力”這一概念。所謂慣性力是在非慣性系中的觀察者因參考系本身的加速度而感受到的額外的力。在地球非慣性系中，用測力計測量重力時，物體的受力情況是怎么樣的呢？

如圖2所示，物體受地球引力F_引、測力計支持力F_N和離心慣性力F_離三個力的作用而相對地面靜止（兩極除外）。根據(jù)力的平衡原理，地球引力和離心慣性力的合力與測力計的支持力平衡。而從測量的角度看，重力與測力計的支持力平衡，即重力與地球引力和離心慣性力的合力相等。因此，當考慮地球自轉(zhuǎn)時，在地球非慣性系中，物體所受重力就是地球引力與離心慣性力的合力。由受力分析圖可以看出，重力與地球引力的大小和方向都不同了，隨著物體位置的變化，物體所受離心慣性力的大小和方向都發(fā)生變化，所以重力也會隨位置的變化而變化。除了赤道和兩極外，其他位置重力的方向都偏離了地球引力的方向，不再指向地心。

3.在地球外的慣性系中分析

在地球外的慣性系中觀察測力計測量重力時，物體的受力情況又如何呢？如圖3所示，由于地球的自轉(zhuǎn)，放置在測力計上的物體受地球引力F_引和測力計支持力F_N作用，這兩個力的合力垂直指向地軸，提供向心力，使物體繞地軸做近似勻速圓周運動（兩極除外）。為了方便理解，我們也可以把地球引力F_引按作用效果分解為兩個分力：一個分力充當物體做勻速圓周運動所需要的向心力F_向，它的效果是使物體沿圓形軌道運動;另一個分力就是重力G，它的效果是使物體獲得重量，即重力與地球引力的一個分力相等。因此，當考慮地球自轉(zhuǎn)時，在地球外的慣性系中分析，物體所受重力是地球引力的一個分力。由受力分析圖可知，隨著物體所處位置的不同，物體做圓周運動的半徑也不同，所需要的向心力大小也不同，因而重力也會隨位置的變化而變化。除了赤道和兩極外，其他位置重力的方向都與地球引力方向發(fā)生了偏離，不再指向地心。