高中物理中,重力勢能是一個十分重要而又是學生難于理解的概念之一,尤其是“重力勢能是地球和物體所共有的”這個觀點更難于理解。
一部分學生想不通:mg明明是物體受到的重力,h明明是物體的高度,為什么偏偏要說mgh是地球和物體所共有的呢?還有一部分學生,雖能接受這個觀點,但卻說不出道理來,實際上并未理解這個觀點。面對學生的疑問,筆者對“重力勢能是地球和物體所共有”這個問題,談點自己的看法,謹供讀者參考。
首先,mg中的確包含有地球的屬性量,m是物體的質(zhì)量,是物體自身的固有屬性,與地球無關。但g則完全是地球自身固有屬性量,而與物體無關。根據(jù)萬有引力定律有: 在此基礎上,可以看出重力勢能的表達式實際為:
很明顯,在以上表達式中,M是地球的質(zhì)量,是地球自身的屬性,R是地球的半徑,h是物體相對于地面的高度。可見,重力勢能是地球和物體所共有的。表達式(1)清楚地表明了這一點。
還可進一步指出,地球之所以吸引物體,是因為地球周圍存在一種特殊物質(zhì)———————地球自己產(chǎn)生的引力場,其實g就是表示地球引力場的性質(zhì)的物理量。Ep的表達式(1)和中學使用的mgh只是對地球表面附近(h< 下面,再從重力勢能的轉(zhuǎn)化角度來說明這一問題。 一個有代表性的問題,即自由落體運動,習慣上可對物體列機械能守恒方程: 由此求出物體著地時速度的大小 ,這是大家公認的,由于 是物體單獨具有的,與地球無關,只是認為mgh是物體單獨具有的,才可能使方程(2)成立。這樣,好像就可以為“重力勢能是地球和物體所共有”的觀點找到一個證據(jù)。事實上,這是一種誤解,方程(2)僅僅是近似成立。這個問題的嚴格求解,應該如下: 用V表示地球運動的速度,v表示物體著地的速度,對物體和地球組成的系統(tǒng)列機械能守恒方程: 由于m< 推而廣之,在所涉及到重力勢能的機械能守恒定律方程中,都一定是包括地球在內(nèi)的物體系而言的,這里再次說明mgh是地球和物體所共有的。 (作者單位:甘肅慶城縣隴東中學)