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赵凯华:概念的形成是首要的,然后才是名称——谈“重力”的定义

编辑人语:物理学的大厦由一块一块的砖头有机地构建起来,物理学的概念就是砖头。学习物理学首先要深刻理解概念,建立物理图像。赵凯华先生2011年1月发表于《物理教学》的这篇文章,通过辨析重力和重量等名称,强调重力这个概念是精确的、普适的,尽管在地球上不同地方同一个物体经受的重力有所不同。在物理的教学中,特别是中学物理的教学中,常常有把活生生的物理变成名词解释的做法,必须摒弃这一做法。经赵先生同意,本期微信号再现这篇教学“小文”。(感谢鞠国兴老师推荐本文,感谢刘全慧老师执笔编辑人语。)

 

撰文 | 赵凯华 (北京大学)

 

“重量”是“重力”的大小,这一点没有分歧,然而“重力”的定义却五花八门,似乎是众说纷纭。如(A)重力就是地球的万有引力;(B)重力是引力的一个分力;[1](C)随地球一起转动的物体所表现出受地心的引力;[2]

(D)物体在特定参考系中的重量为使该物体在此参考系中获得其加速度等于当地自由落体加速度的力;[3]

 

等等。在英文里与“重力”和“万有引力”对应的词是 gravity和gravitation。翻翻我手头的英文字典,在牛津字典上gravity的解释是force of attraction between any two objects,esp that force which attracts objects towards the centre of the earth。而 gravitation的解释是gravity。按上面的解释,前半句说gravity是万有引力,后半句说它特指地心引力,而gravitation的意思和gravity是一样的。如果把中文里的重力和gravity对应的话,上述(A)是对的,(C)与之相容,而(D)中没有说引起自由落体加速度的力是否是地心引力,可认为这是一种不同的定义,它更普遍,而在一定的条件下与其他说法是相容的。唯一与大家不相容的是说法(B)。
 

如何判断以上各种说法哪个对,或者说哪个更好?我们认为概念是发展的,语义会随着时代变化,而且不同语境下一个词的含义也可以不同。我们认为,物理教学中概念的形成是首要的,然后才是名称。
 

在讨论天体之间的相互作用时,通常使用 gravitation,讨论地球对其上物体的作用时,通常使用gravity,所以在中文里把二者区分开来,前者译为万有引力,或引力,后者译为地心引力,或重力。这里除“重力”一词外其他都没有什么歧义。

 

通常说一个物体的重量,都是在地球表面称的,即采用的是地面参考系。这个参考系是随地球转的,故而不是惯性系。在非惯性系里物体要受到惯性力,作用到旋转参考系里静止物体上的惯性力只有离心力,通常称得物体的重量是地心引力与惯性离心力合力的大小。如果说重量是重力的大小,则重力就是“地心引力与惯性离心力的合力”,上列定义(A)就不对了。我们也可以说重力就是地心引力,而地心引力与惯性离心力的合力是“表观重力”。这样一来,它的大小就应该叫做“表观重量”了。然而平常说的“重量”就是这里的“表观重量”,并没有什么不含惯性离心力的“重量”。所以“重量”总是“表观”的,“表观”二字是多余的,谁也不那么叫。在这种语境下,“表观重力”中的“表观”二字也省了,这时可认为“重力”是“表观重力”的简称,它包含惯性离心力。有关“重力”一词的矛盾主要来自这一点,即除地心引力外它是否还包含惯性力。在不同的语境下可以有不同的理解。在区分天体相互作用和地心引力时,以及与弹性力、摩擦力并列谈“常见的力”时,不必强调“重力”包含惯性力,在讨论物体的重量时“重力”必须包含惯性力。
 

现在回过来评论本文开头列出的“重力”的各种定义。定义(A)已经议论过了。重力是地心引力与惯性离心力的合力,而不是它的分力,定义(B)肯定是不对的。(D)出自国家标准“力学的量和单位 (GB31023-93) ”,它是“重量”的定义。此定义没有规定“特定参考系”一定是地面参考系,故可适用于火车、飞机或宇宙飞船上,所以它比定义(C)要广泛。在宇宙飞船上的自由落体加速度等于0,故任何物体的重量等于0,即完全失重。这个定义是严格的,它虽没有说明自由落体加速度由什么力决定,但它肯定包含了惯性离心力。相形对比之下,定义(C)中的表述“所表现出受地心的引力”就显得模棱两可了。地心引力怎么“表现”?它是否把惯性离心力一起表现出来?所以定义(C)是不可取的。
 

这一矛盾在教学中怎样处理?在大学课程里讲非惯性系和惯性力,不存在问题。在中学里过去大纲规定不讲非惯性系和惯性力,于是编造各种说法以便把矛盾回避掉,结果反而越讲越乱。我们认为,讲物理时不必像数学中的公理化体系那样,未曾讲到的内容绝对不能提。我们建议,在中学物理课里可以这样讲“重力”:重力原指地表物体所受的地心引力。但地球的自转还要给物体一个离心力(约占1/200),包括离心力影响的重力称为“表观重力”,常简称“重力”。这里提到的离心力,学生在现实生活中已有粗略的概念,不必回避。
 

我过去长年教大学物理课,近年来接触中学课,发现我们的中学课爱死抠名词,这是大学课里没有的现象。这现象与现行大量的选择题有关。许多选择题考的就是名词的定义,靠死记硬背就可以回答,完全看不出学生对概念理解得是否正确。我国人长期受到的教育,凡事只能一分为二,没有中间道路,是非标准是黑白性的。殊不知物理名词的含义与历史沿革和语境有关,是发展的,是可以变通的,往往没有唯一绝对正确的。试想,如果有人出一道关于重力的选择题,选项如上述(A)、(B)、(C)、(D),学生怎样选才算对?选择题往往把深入思考的学生考住,而头脑简单的学生可以蒙对。我是非常反对多出选择题的!

 

参考文献

[1]人民教育出版社物理室编. 高中物理第一册·教师教学用书,北京:人民教育出版社,2003.[2]冯海燕. 辨析重力与万有引力的关系. 物理通报,2010(4):81-82.[3]国家标准力学的量和单位”(GB31023-93).
 

本文经授权转载自微信公众号“物理与工程”,原题目为《北大赵凯华老师:概念的形成是首要的,然后才是名称——谈“重力”的定义》。

 



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