董友軍

自由落體運(yùn)動(dòng),是高中物理學(xué)中一個(gè)重要的概念.在物理學(xué)中,突出問(wèn)題的主要方面,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,是研究物理問(wèn)題常用的方法.自由落體運(yùn)動(dòng)就是采用這種物理思維而抽象出來(lái)的一種勻變速直線運(yùn)動(dòng).高中階段要求學(xué)生必須掌握自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并能夠靈活運(yùn)用.每年的高考物理,自由落體運(yùn)動(dòng)也總是出現(xiàn)在試題中.不過(guò)自由落體運(yùn)動(dòng)在現(xiàn)實(shí)中是不存在的,因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中,物體總會(huì)受到空氣阻力,所以自由落體運(yùn)動(dòng)是理想化的物理模型.如果空氣阻力的作用比較小,可以忽略,物體的下落就可以近似看做自由落體運(yùn)動(dòng).我查閱了所有保留的物理教科書,人教版各次出版的教科書對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義如下:

人教社1995年10月第2版1998年4月第3次印刷的高級(jí)中學(xué)課本《物理 第一冊(cè)(必修)》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).

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級(jí)中學(xué)教科書(實(shí)驗(yàn)修訂本 必修)《物理 第一冊(cè)》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).

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級(jí)中學(xué)教科書(必修)《物理 第一冊(cè)》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).

人教社2004年5月第1版2004年7月第1次印刷的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理1 必修》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).

現(xiàn)在我校高一級(jí)學(xué)生使用的是人教社編著的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理1 必修》,是2006年12月第2版2009年7月第7次印刷,教科書中對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義如下:物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).

從以上可以看出,至少15年以來(lái),人教社出了5版高中物理教科書,但對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義一直沿用1995年高級(jí)中學(xué)課本《物理 第一冊(cè)(必修)》的定義,而且人教社教科書對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義,似乎也影響了其它出版社的教科書.

廣東教育出版社2004年6月第1版2004年6月第1次印刷的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理 (必修1)》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義:物體僅作重力的作用下,從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).

上?？萍冀逃霭嫔?004年6月編2007年5月修訂的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理 共同必修1》對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義:物理學(xué)中,把物體只在重力作用下從靜止開始下落的運(yùn)動(dòng)叫自由落體運(yùn)動(dòng).

所有出版社的教科書定義自由落體運(yùn)動(dòng)都說(shuō)是“從靜止開始下落”,但我認(rèn)為這樣定義自由落體運(yùn)動(dòng)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?其原因分析如下.

1. 物理學(xué)中,何謂靜止?2006年12月第2版2009年7月第7次印刷人民教育出版社編寫的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理1 必修》第三章第7節(jié)——用牛頓定律解決問(wèn)題(二)指出:“如果一個(gè)物體在力的作用下保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),我們就說(shuō)這個(gè)物體處于平衡狀態(tài)”,“牛頓第二定律告訴我們,當(dāng)物體所受合力為0時(shí),加速度為0,物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).因此,在共點(diǎn)力作用下物體的平衡條件是合力為0”.從這兩句可以得出,靜止是指同時(shí)滿足速度為0和加速度為0,只有速度為0,而加速度不為0 ,就不是靜止.

2. 教科書所表述的自由落體運(yùn)動(dòng)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:①全程(包含起點(diǎn)和終點(diǎn))只受到重力,不受其它力;②從靜止開始下落,即起點(diǎn)是靜止的.

3. 從動(dòng)力學(xué)方面分析定義:從條件②可知,物體在起點(diǎn)處于靜止,即表示物體在起點(diǎn)處于平衡狀態(tài),由平衡條件可得,物體必須還受到一個(gè)大小等于重力,方向跟重力相反的外力,才能保證合力為0,這就是說(shuō),在起點(diǎn)不是只受到重力,這明顯與條件①相互矛盾.

4. 從運(yùn)動(dòng)學(xué)方面分析定義:從條件①可知,物體全程只受到重力,即全程的加速度為g,也就包括起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度為g,而由條件②可知,起點(diǎn)物體是靜止,即物體的加速度為0,故可以得出條件①和條件②互相沖突.

5. 從教科書過(guò)程分析定義:(以我校2009年高一年級(jí)學(xué)生使用的人教版教科書為例)教科書先敘述一重物掛在線上,把線剪斷,在重力作用下,重物沿豎直方向下落;再敘述從手中釋放的石塊,在重力作用下也沿豎直方向下落;接著又安排演示實(shí)驗(yàn),讓金屬片、小羽毛、小軟木塞、小玻璃球等放到抽出空氣的玻璃筒中,當(dāng)把玻璃筒倒立過(guò)來(lái),觀察物體下落情況;最后得出自由落體運(yùn)動(dòng)的定義.粗看這三個(gè)實(shí)驗(yàn),以為物體從靜止開始下落,細(xì)看卻并非如此:第一個(gè)實(shí)驗(yàn)要細(xì)分為線剪斷前和剪斷后,線剪斷前,重物還掛在線上,重物此時(shí)處于靜止,線剪斷后,重物就不是靜止,而重物下落是從線剪斷后開始下落,即表示重物不是從靜止開始下落;第二個(gè)實(shí)驗(yàn)也要細(xì)分為釋放石頭前和釋放石頭后,釋放石頭前,石頭還在手中,石頭此時(shí)處于靜止,釋放石頭后,石頭就不是靜止?fàn)顟B(tài),而石頭下落就是從釋放石頭后開始下落,即表示石頭不是從靜止開始下落;第三個(gè)演示實(shí)驗(yàn),下落狀態(tài)不明顯,說(shuō)從靜止開始下落,顯得武斷而不嚴(yán)密.教科書在對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)下了定義以后,接著再演示用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量重物下落的加速度,最后還加上一句“許許多多事實(shí)表明,自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)”,這更加使學(xué)生誤認(rèn)為靜止就是初速度為0,延續(xù)了學(xué)生的錯(cuò)誤思維,不利于學(xué)生認(rèn)知的矯正和發(fā)展.

從以上分析可以看出,滿足教科書自由落體運(yùn)動(dòng)定義的兩個(gè)條件,相互矛盾、相互沖突,而且定義的過(guò)程不細(xì)化、不嚴(yán)密,故人教版對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的定義是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?我認(rèn)為自由落體運(yùn)動(dòng)的定義應(yīng)該如下表述才正確:物體只在重力作用下,從速度為0開始下落的運(yùn)動(dòng),叫做自由落體運(yùn)動(dòng).這樣的定義,指出自由落體運(yùn)動(dòng)必須同時(shí)具備兩個(gè)條件是:①起點(diǎn)速度為0,而不是靜止?fàn)顟B(tài);②全程只受到重力,包含起點(diǎn)也只受到重力而不受其它力.從而不會(huì)出現(xiàn)自相矛盾,確保了對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)定義的正確性、嚴(yán)謹(jǐn)性和權(quán)威性.

責(zé)任編輯 羅 峰