自由落体运动定义的探讨

董友军

自由落体运动,是高中物理学中一个重要的概念.在物理学中,突出问题的主要方面,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,是研究物理问题常用的方法.自由落体运动就是采用这种物理思维而抽象出来的一种匀变速直线运动.高中阶段要求学生必须掌握自由落体的运动规律,并能够灵活运用.每年的高考物理,自由落体运动也总是出现在试题中.不过自由落体运动在现实中是不存在的,因为现实生活中,物体总会受到空气阻力,所以自由落体运动是理想化的物理模型.如果空气阻力的作用比较小,可以忽略,物体的下落就可以近似看做自由落体运动.我查阅了所有保留的物理教科书,人教版各次出版的教科书对自由落体运动的定义如下:

人教社1995年10月第2版1998年4月第3次印刷的高级中学课本《物理 第一册(必修)》对自由落体运动的定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动.

人教社2000年2月第2版2001年4月第1次印刷的全日制普通高级中学教科书(实验修订本 必修)《物理 第一册》对自由落体运动的定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动.

人教社2003年6月第1版2004年5月第4次印刷的全日制普通高级中学教科书(必修)《物理 第一册》对自由落体运动的定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动.

人教社2004年5月第1版2004年7月第1次印刷的普通高中课程标准实验教科书《物理1 必修》对自由落体运动的定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动.

现在我校高一级学生使用的是人教社编著的普通高中课程标准实验教科书《物理1 必修》,是2006年12月第2版2009年7月第7次印刷,教科书中对自由落体运动的定义如下:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动.

从以上可以看出,至少15年以来,人教社出了5版高中物理教科书,但对自由落体运动的定义一直沿用1995年高级中学课本《物理 第一册(必修)》的定义,而且人教社教科书对自由落体运动的定义,似乎也影响了其它出版社的教科书.

广东教育出版社2004年6月第1版2004年6月第1次印刷的普通高中课程标准实验教科书《物理 (必修1)》对自由落体运动的定义:物体仅作重力的作用下,从静止开始下落的运动,叫做自由落体运动.

上海科技教育出版社2004年6月编2007年5月修订的普通高中课程标准实验教科书《物理 共同必修1》对自由落体运动的定义:物理学中,把物体只在重力作用下从静止开始下落的运动叫自由落体运动.

所有出版社的教科书定义自由落体运动都说是“从静止开始下落”,但我认为这样定义自由落体运动是不严谨的,其原因分析如下.

1. 物理学中,何谓静止?2006年12月第2版2009年7月第7次印刷人民教育出版社编写的普通高中课程标准实验教科书《物理1 必修》第三章第7节——用牛顿定律解决问题(二)指出:“如果一个物体在力的作用下保持静止或匀速直线运动状态,我们就说这个物体处于平衡状态”,“牛顿第二定律告诉我们,当物体所受合力为0时,加速度为0,物体将保持静止或匀速直线运动状态.因此,在共点力作用下物体的平衡条件是合力为0”.从这两句可以得出,静止是指同时满足速度为0和加速度为0,只有速度为0,而加速度不为0 ,就不是静止.

2. 教科书所表述的自由落体运动必须同时具备两个条件:①全程(包含起点和终点)只受到重力,不受其它力;②从静止开始下落,即起点是静止的.

3. 从动力学方面分析定义:从条件②可知,物体在起点处于静止,即表示物体在起点处于平衡状态,由平衡条件可得,物体必须还受到一个大小等于重力,方向跟重力相反的外力,才能保证合力为0,这就是说,在起点不是只受到重力,这明显与条件①相互矛盾.

4. 从运动学方面分析定义:从条件①可知,物体全程只受到重力,即全程的加速度为g,也就包括起点和终点的加速度为g,而由条件②可知,起点物体是静止,即物体的加速度为0,故可以得出条件①和条件②互相冲突.

5. 从教科书过程分析定义:(以我校2009年高一年级学生使用的人教版教科书为例)教科书先叙述一重物挂在线上,把线剪断,在重力作用下,重物沿竖直方向下落;再叙述从手中释放的石块,在重力作用下也沿竖直方向下落;接着又安排演示实验,让金属片、小羽毛、小软木塞、小玻璃球等放到抽出空气的玻璃筒中,当把玻璃筒倒立过来,观察物体下落情况;最后得出自由落体运动的定义.粗看这三个实验,以为物体从静止开始下落,细看却并非如此:第一个实验要细分为线剪断前和剪断后,线剪断前,重物还挂在线上,重物此时处于静止,线剪断后,重物就不是静止,而重物下落是从线剪断后开始下落,即表示重物不是从静止开始下落;第二个实验也要细分为释放石头前和释放石头后,释放石头前,石头还在手中,石头此时处于静止,释放石头后,石头就不是静止状态,而石头下落就是从释放石头后开始下落,即表示石头不是从静止开始下落;第三个演示实验,下落状态不明显,说从静止开始下落,显得武断而不严密.教科书在对自由落体运动下了定义以后,接着再演示用打点计时器测量重物下落的加速度,最后还加上一句“许许多多事实表明,自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动”,这更加使学生误认为静止就是初速度为0,延续了学生的错误思维,不利于学生认知的矫正和发展.

从以上分析可以看出,满足教科书自由落体运动定义的两个条件,相互矛盾、相互冲突,而且定义的过程不细化、不严密,故人教版对自由落体运动的定义是不严谨的.我认为自由落体运动的定义应该如下表述才正确:物体只在重力作用下,从速度为0开始下落的运动,叫做自由落体运动.这样的定义,指出自由落体运动必须同时具备两个条件是:①起点速度为0,而不是静止状态;②全程只受到重力,包含起点也只受到重力而不受其它力.从而不会出现自相矛盾,确保了对自由落体运动定义的正确性、严谨性和权威性.

责任编辑 罗 峰