摘 要：高中物理课程是高中学段课程体系的重要组成部分，对于学生的学习和成长有着极其重要的作用。重力场强度是高中物理中的基础知识，所谓的重力场强度也被称为“重力加速度”，就是指地球表面以及附近单位质量的质点所承受的重力。文章对重力场强度在高中物理中的应用进行研究，从重力场强度的概念出发，分析重力场强度的应用以及重力场强度高端备课的内容以及教学启示，以此来提升高中物理的教学质量和教学水平。
关键词：重力场强度;高中物理;应用研究
一、 引言
据调查研究，随着我国航天事业的发展，航天领域受到了越来越多的关注，其对于我国的社会发展与经济建设有着十分重要的作用。而且随着我国航天领域技术水平的快速发展，我国物理高考题目也发生了一定的变化，航天领域与万有引力知识点相结合的考题，逐渐成为物理高考的热点。我分析了近10年的全国物理高考题目，考查航天领域与万有引力知识的题型比较丰富。比如，2012年的物理高考试卷第21题，就提供了与万有引力知识相关的解题背景：已知质量分布均匀的地壳对于壳内物理的万有引力为0。要想得分，学生就需要根据试卷中所提供的题目信息来进行答题。有一些学生可能没有办法理解题目的信息，找不到相关的知识点。因此，在这一背景下，对重力场强度在高中物理中的应用进行研究是非常有必要的。
二、 重力场强度的概念
库仑定律主要讲的是电荷之间相互作用的知識和概念，而万有引力定律生动形象地描述了各个质量之间相互作用的规律。库仑定律和万有引力定律的数学表达式相似，都在一定程度上体现出一种力的大小与距离平方之间是一种反比例关系。当然静电力并不要求电荷与电荷之间要直接接触，其主要通过电场来实现传递目的。万有引力定律的表达形式与其非常相似，各个质量之间想要发生相互作用，也不需要直接接触，其都是通过引力场来相互作用的。再比如，地球表面以及其附近的物体都会受到地球引力的吸引，通过地球重力场来相互作用。
为了更好让人们感知到电场的强弱，一些物理学家提出了重力场强度的概念。在重力知识体系中，重力加速度占有非常重要的地位。高等教育物理教材研究的更多是电场的内容，但是对于重力场的研究力度不够，研究成果也比较少。笔者认为这可能是由于在高中学段已经研究过重力场相关的知识点，在大学阶段就没有必要再进行研究了。但是高中物理教材简单提出了重力场这一抽象的概念，并没有要求学生进行深入分析研究。大学物理教师在实际教学的过程中，可以利用高斯定理表示均匀带电球体内部以及周围的电场强度，而且教材中对于电场以及电场强度都有了细致的描述。但高中物理教材和大学物理教材，都没有详细阐述重力场强度的知识，甚至毫不夸张地说这部分知识还是空白。但是库仑定律与万有引力定律都满足力的大小与距离的平方呈反比的定律，而且其数学表达有着极强的相似性。如果将电荷的密度替换为地球的密度，将库仑常量替换为万有引力常数，最后将电场强度替换为重力场强度，就可以得出重力场强度的计算公式。用R来表示地球的半径，用G来表示万有引力常数，用ρ来表示地球的密度，用g来表示重力场强度大小，具体公式如下：
三、 重力场强度在高中物理中的应用研究
当我们利用库仑定律推出重力场计算公式时，所有的重力场应用难题都能够得到有效的解决。具体的重力场强度题型主要有以下几种：
题型1 假如地球是一个质量均匀分布的实心球体，地球的半径用R来表示，地球的球心用O来表示。地球球心O为坐标原点，建立一个特殊的直线坐标系，用g来表示x轴上重力加速度的大小，而用gO来表示地球表面处重力加速度大小，并画出相应的变化关系图。
由重力场计算公式可知，当重力场强度小于半径的时候，重力加速度与距离成正比;当到达某一临界点，重力场强度等于地球半径的时候，重力加速度与距离成反比。
题型2 假设地球是一个质量均匀分布的实心球体，用R来表示地球的半径，在地理上有一个深度为d的矿井。求矿井底部和地球表面处的重力加速度大小之比。
高中生在解题的过程中，可以将题目中的相关数据代入重力场强度的计算公式中，然后得出矿井底部和地球表面处的重力加速度大小之间的比例关系，等于地球半径减去矿井的深度/地球半径。
题型3 假设地球是一个质量均匀分布的实心球体，在地球内挖出一个球形的内切空腔，如图所示。有一个小球从A点抛下，请问这个小球在球形内切空腔上的运动轨迹。
经过仔细审题，我们可以得出该题主要包括了两个矢量，如图所示：
将相关题目数据代入重力场强度计算公式，可得：
由上可知，球形的内切空腔的重力场强度是一个常量，所以小球在球形内切空腔上所做的都是匀加速直线运动。然后由题意可知，假设地球是一个质量均匀分布的实心球体，对于质量均匀分布的地壳来说，其对物体的万有引力为0，如果将重力场看作静电场，想要快速解答这一题，学生必须明确一点，那就是电荷的电场力也是0，再套入公式，就可以得到问题的答案，其实这里的电场力为0，也就是所谓的静电屏蔽。
四、 重力场强度的高端备课
对于高中生来说，重力场强度的概念比较抽象，难以理解，属于重难点知识。重力场强度主要是描述重力场强弱的一种物理量。学生在学习高中物理知识过程中，对于重力知识点的掌握比较好，但是很少有学生能够全面掌握重力场强度，这就使得学生很难理解电场强度与电磁场的概念。为了解决好这一问题，高中物理教师在实际教学的过程中，要精心设计教学活动，结合高端备课的理念，深入研究物理教材，将重力场强度引入高端备课。
（一）备课过程
场的概念比较抽象，虽然我们身处重力场，但不同学生对于重力的感受也各不相同。因此教师在课堂上可以引导学生利用重力大小，来描述重力场的强弱，这与学生的日常生活有紧密的联系。教师在课堂上可以根据学生的实际情况，抛出问题：能否用物体的受力大小来表示重力场的强弱？根据这一设计思路，教师可以引导学生结合自己的日常生活经验，理解所有物体所受到的重力都来源于地心对于物体的吸引力，如果某一物体离地心越近，则该物体所受到的重力就越大，所以其重力场也应该越来越强。
高中物理教师在实际教学的过程中，应该选择相同质量的物体所受的重力，来表示重力场的强弱。如果将两个质量不相等的物体进行比较，所得出的结果也是没有意义的。什么是同样的标准呢？简单来说，就是使得两个位置的物体质量相同，为了实现这一目的，最好的办法就是把物体的重力和信息数据相除，使得质量标准转为“一千克”，用G/m。经过亲自比较可以得出离地心越近的单位质量物体，比离地心远的单位质量物理所受的重力大的结论。这一结论符合学生日常生活经验，但是G/m这一比值究竟代表什么实际物理意义呢？能不能反映重力场的强弱呢？
为了更好地揭示这一比值背后的物理意义，应该将不同质量的物体放置在不同的位置进行比较研究，具体结果如表1所示：
经大量调查研究，这一比值在同一地点的重力场为常量，与重力的发展没有实际的关系。这个时候，研究重力场强弱的新思路也有了一定的变化。本来我们想用物体所受重力的大小来表示重力场的强弱，但是经过大量的研究，居然得到了一个常量，与物体所受重力大小无关。因此我们就用这个常量来表示所谓的重力场强度，用g来表示，利用这个常量，就可以反映重力场的强弱。g值越大，表示重力场越强;g值越小，表示重力场越弱。由此，我们可以发现重力场强度是重力场的一种本质属性，而且g是一个常量值，并不会随物体所受重力大小的改变而改变。当然在这一过程中，值得注意的一点是g受地球维度及其高度的影响。在同一维度下，物体放置的越高，则重力场越弱;在同一高度下，物体放置的维度越高，则重力场越强。
综合所学的物理知識，可知重力加速度与重力场强度在数值上是相等的，因此我们可以利用重力加速度的计算公式来描述同一维度下，随着海拔高度的增加，重力场强弱的变化，使得学生更好地理解重力场强度的知识点。在实际教学的过程中，教师提供同一纬度，同一质量的物体随海拔高度的变化而产生的重力场强度值，并引导学生画出相应的图像，具体如下图所示：
由图可知，在同一纬度下，重力场的强度随着海拔的升高而逐渐降低，但是数据信息变化的幅度不大。这也是在中学物理计算过程中，g值为9.8N/kg的真正原因。
（二）备课启示
一是在高中物理教学的过程中，一定要关注物理知识的本质。在学习重力相关知识点的时候，一定要帮助学生区分重力常量、重力加速度以及重力场强度的概念。虽然这三个值在数学意义上是相等的，但是却表示着不同的物理含义。重力常量是指一个物体的重力与质量的比，它表示为一个物理系数，其单位是N/kg，而一个物体的重力加速度是指物体在受力情况下具有的加速度，也被称之为自由落体加速度，用g来表示。根据曾经学过的牛顿第二定律知识可知，一个物体所受的重力等于物体自由落体加速度与质量的乘积。重力场强度主要是用来表示重力场强弱的物理量，是某一物体在某一质点中所受到的重力，其与电场强度属于同一类型的物理概念，也就是上文中所提到的库仑定律，而且利用库仑定律，推出了重力场的计算公式。学生在学习这一知识点的过程中，一定要理解这三个物理概念所表示的物理含义，这样才能够真正理解其物理本质，在解答相关物理题型的过程中才能够更好地应用。
二是在高中物理教学的过程中，一定要选择科学合理的教学方法。由于有些物理知识点或者概念比较抽象，高中物理教师在实际教学的过程中，可以利用数据比较的方法，这样能够帮助学生实现正向迁移的目的，一定要尽量避免物理学习负向迁移的情况。以文中提到的重力场高端备课为例，在学习重力场这一知识点之前，学生已经学过了重力常量、重力加速度的知识以及比值定义法建构密度的概念，这些知识能够帮助学生更好地理解重力场强度的物理本质，从而促进学生形成正向的物理知识迁移。除此之外，在选取同一标准的物体，在不同纬度、海拔中比较重力场强弱时，应该利用好除法这一工具。这就意味着学生在构建物理概念的过程中，只是利用除法这一工具将物体所受的重力放置于统一标准下进行比较，并不是单纯地去比较物体所受重力与物体质量的比。物体的质量能够有效比较某一物体在特定的重力场中所受到的重力大小的标准量，而重力与质量的比仅仅是为了反映重力场的强弱。在实际教学的过程中，高中物理教师只有让学生深刻认识到这一点，才能让学生走出知识误区。
三是在高中物理教学的过程中，教师一定要根据物理教学的特点以及教学内容来设计相关的教学活动。学生在学习重力场强度知识的时候，教师除了要帮助学生明确一些基本的物理知识概念外，还要引导学生分析影响重力场强弱的主要因素，一定要注重物理教学的细节。当学生掌握了基本的物理概念后，他们已经了解到重力场强度是由地球所产生的引力强度以及地球自转所产生的惯性离心力的向量和，因此重力场的强弱与地球的维度与物体放置的海拔高度有着密切的关系，其也成为影响重力场强弱的重要影响因素。笔者在实际教学的过程中，引导学生画出相关的数据图像，使得三者之间的关系形式生动形象地呈现在学生面前，促使学生更好掌握这一知识点。这不仅有利于完善重力场强度的知识体系，而且还能够帮助学生更加系统地了解重力强度知识点，对于这一知识点有更深的感知，完善学生的知识认知结构。
五、 结语
综上所述，重力场相关知识点是高中物理知识体系的重要组成部分。笔者利用库仑定律类比出重力场强度的计算公式，帮助学生更好地掌握这一知识点。同时，对于重力强度的备课过程进行了一定的研究，在备课的过程中，教师一定要研究物理知识的本质和物理教学的特点，选择科学合理的教学策略和教学方法。
参考文献：
[1]王淳.重力场、静电场、磁场的对比[J].中学生数理化：自主招生，2019（10）：112-113.
[2]鲍永新.静电场与重力场（引力场）类比研究促进物理观念建构[J].中学物理教学参考，2019（11）：336-337.
[3]陈苏畅，王洪娜.重力场和静电场的比较学习[J].考试周刊，2017（7）：152-153.
[4]周晓薇.静电场与重力场的比较[J].科教文汇：下旬刊，2019（3）：177-178.
[5]蒲天旺.静电场与重力场的类比研究[J].甘肃教育，2018（1）：191-192.
[6]孟召虎，李举辉，何路，李元昊，叶雷，许胜，张勤雄.重力场在支护锚固角度控制中的研究与应用[J].建筑施工，2020（1）：306-307.
[7]鲍永新.引导学生建立知识结构助力理解迁移：以“振动和波”知识结构建构的单元教学设计为例[J].物理教师，2017（1）：298-299.
作者简介：
武红改，甘肃省兰州市，甘肃省兰州市第二十七中学。
