第一节 重力 基本相互作用
安吉高级中学 杨兴国
一．教学目标
1．知识与技能
（1）了解力是物体对物体的作用，力的作用是相互的，认识力能使物体发生形变或使物体的运动状态发生改变。
（2）知道力的三要素，会画力的图示和力的示意图。
（3）知道重力的方向以及重力的大小与物体质量的关系。
（4）知道物体重心的含义。
（5）知道重力产生的原因及其定义。
（6）了解四种基本相互作用。
2．过程与方法
（1）知道人类认识力的作用是从力的作用产生的效果开始的。
（2）能通过探究活动体验力的作用效果与力的大小、方向、作用点三个因素。
（3）能通过多个实验现象归纳得出力的作用是相互的。
（4）自己动手，通过找不规则薄板重心的实验锻炼自己的动手能力。
（5）通过“重心”概念的引入渗透“等效代换”的物理方法。
3．情感态度与价值观
（1）通过实例激发学生对科学的求知欲，激励探索与创新的意识。
（2）通过实验培养学生的团结协作精神。
（3）通过本节课的学习，培养全面观察、分析问题的能力。
二、教学内容剖析
1．本节课的地位和作用
本节讲述的是有关“力”的基础知识，是学习静力学和动力学所必需的预备知识。
2．本节课教学重点
（1）力的概念、图示以及力的 作用效果；（2）重力的概念及对重心的理解。
3．本节课教学难点
（1）力的概念；（2）重力的概念和位置。
三．教学思路和方法
力是物理学的一个基本概念，也是生活中经常使用的一个名词。作为前者，它是物体之间相互作用的一种抽象，作为后者，它是物体间相互作用的一种表现。如能从推、拉、提、压的表现来认识力，更能符合学生的直观感受，看的见，摸得着。
本节可采用学生举例、讨论、致意、质疑、实验，教师总结、归纳的教学方法。
四．教学准备
多媒体课件、长方形木块、海绵、铅片、橡皮条、直尺、已知质量的砝码，重垂线、铅笔、质量均匀的纸板等。
五．课堂教学设计
●引入
（一）生活实例11、足球赛场上：①运动员踢足球；②守门员接球；③运动员头顶球现象：球的运动状态发生了变化，即速度变化了。2、火箭发射现象：火箭的运动的越来越快，也即速度变化了。小结一：这些物体受到了力的作用。3、用手拉橡皮条或挤压海绵（演示）。（类似的例子很多）
现象：形状或体积发生了变化（即物体发生了形变）小结二：这些物体受到了力的作用。简要分析：以上各例受力物体均受到其它物体的作用，故我们可以认为物体间发生作用时就有力的存在。●新课知识
（二）力的基本知识1、力的定义：力是物体与物体之间的相互作用。①没有物体就没有力，只有一个物体也不存在力。
②一个力只存在于两个物体之间。名曰：受力物体和施力物体
它们是相对而言的，即受力物体同时是施力物体。③相互作用不等于相互接触。
2、力的作用效果：使物体运动状态发生改变或产生形变。3、力（force）的单位：牛顿（newton），简称“牛”，符号“N ”4、力是矢量：有大小和方向。（三）力的图示1、作用：形象的描述一个力。2、力的特点，即力的三要素：大小、方向、作用点。3、力的图示：用一根带箭头的线段来表示一个力。规定：
①线段的长短表示力大小②箭头的方向表示力的方向③箭头（或箭尾）表示力的作用点
4、注意：
①在作力的图示时，要选择一个力的单位标度。②力的示意图：只需画出力的作用点和方向。（平常我基本上是作力示意图）例1：下列关于力的说法中正确的是（ ）A、射出枪口的子弹，能打到很远，是因为子弹离开枪口后受到一个推力的作用。B、甲用力把乙推倒，说明甲对乙有力作用，乙对甲没有力的作用。C、只有有生命或有动力的物体才会施力，无生命或无动力的物体只会受到力。D、任何一个物体，一定既是受力物体，也是施力物体。（四）重力（gravity）
在地球附近，任何物体由于重力
的作用，总要落到地面上。1、定义：由于地球对物体的吸引而使物体受到的力。①重力不等同于地球的吸引力②重力的方向并不一定指向地心
2、讨论：重力的基本知识①重力大小：用测力计测出用公式计算：G=mg②重力的方向：竖直向下（或垂直水平面向下）③重力作用点：物体的重心（center of gravity）
讨论：重心的确定a、物理方法：等效代换b、一般情况：质量分布均匀，形状规则物体的重心是其几何中心。
一般物体重心位置和物体形状与质量分布有关。
薄板的重心可由“二次悬挂法”找到。例2：关于重心，下列说法正确的是（ ）
A、重心就是物体内最重的点
B、物体的重心一定在物体上
C、用线竖直悬挂的物体静止时，线的方向一定通过重心D、物体重心位置可能随物体形状改变而变化（五）四种基本作用（请同学看书P56）回答：1、哪四种基本作用及特点
①万有引力：存在于一切物体之间，其强度随距离的增大而减小。②电磁相互作用：存在于电荷之间和磁体之间。③强相互作用和弱相互作用：存在的范围很小，它们的作用范围只有10-15m，但是弱相互作用的强度只有强相互作用的10-12倍 。．●课外小知识（见附一）
课件9张PPT。重力 基本相互作用 杨兴国
安吉高级中学一、生活实例①运动员踢足球②守门员接球 ③运动员头顶球2、火箭发射现象：球的
运动状态发
生了变化，即
速度变化了。现象：火箭的运
动的越来越快，
也即速度变化了。小结一：这些物体受到了力的作用。3、用手拉橡皮条或挤压海绵（演示）类似的例子很多现象：形状或体积发生了变化（即物体发生了形变）小结二：这些物体受到了力的作用。简要分析：以上各例受力物体均受到其它物体的作用，
故我们可以认为物体间发生作用时就有力
的存在。1、力的定义：力是物体与物体之间的相互作用。①没有物体就没有力，只有一个物体也不存在力。②一个力只存在于两个物体之间。名曰：受力物体和施力物体它们是相对而言的，即受力物体同时是施力物体。③相互作用不等于相互接触。2、力的作用效果：使物体运动状态发生改变或产生形变。3、力（force）的单位：牛顿（newton），简称“牛”，
符号“N ””4、力是矢量：有大小和方向。二、力的基本知识三、力的图示1、作用：形象的描述一个力。3、力的图示：用一根带箭头的线段来表示一个力。4、注意：
①在作力的图示时，要选择一个力的单位标度。②力的示意图：只需画出力的作用点和方向。 （平常我基本上是作力示意图）例1：下列关于力的说法中正确的是（ ）
A、射出枪口的子弹，能打到很远，是因为子弹离开枪口
后受到一个推力的作用。
B、甲用力把乙推倒，说明甲对乙有力作用，乙对甲没有
力的作用。
C、只有有生命或有动力的物体才会施力，无生命或无动
力的物体只会受到力。
D、任何一个物体，一定既是受力物体，也是施力物体。四、重力（ gravity ）在地球附近，任何物
体由于重力的作用，
总要落到地面上。1、定义：由于地球对物体的吸引而使物体受到的力。①重力不等同于地球的吸引力②重力的方向并不一定指向地心2、讨论：重力的基本知识用测力计测出用公式计算：G=mg②重力的方向：竖直向下（或垂直水平面向下）③重力作用点：物体的重心（center of gravity）讨论：重心的确定a、物理方法：等效代换例2：关于重心，下列说法正确的是（ ）
A、重心就是物体内最重的点
B、物体的重心一定在物体上
C、用线竖直悬挂的物体静止时，线的方向一定通过重心D、物体重心位置可能随物体形状改变而变化五、四种基本作用（请同学看书P56）回答：1、哪四种基本作用及特点①万有引力：存在于一切物体之间，其强度随距离的
增大而减小。②电磁相互作用：存在于电荷之间和磁体之间。③强相互作用和弱相互作用：存在的范围很小，它们的作用范围只有10-15m，但是弱相互作用的强度只有强相互作用的10-12倍 。“粒子物理标准模型”之父格拉肖
2005年11月11日，中国科学院爱因斯坦讲座教授，“粒子物理标准模型”之父格拉肖（Sheldon Lee Glashow l932-）教授（美国哈佛大学和波士顿大学）应邀来高能所访问，并做了题为“Comments about Particle Physics in China”的精彩报告。
格拉肖是世界著名的理论物理学家, 美国科学院院士。他1932年12月5日生于纽约，1954年毕业于康奈尔大学，1958年在哈佛大学获得博士学位，1958-1960年在哥本哈根工作。1966年到哈佛大学任教，1967年起任教授。主要研究领域是基本粒子和量子场论。1976年获奥本海默奖，1979年与S．温伯格、A．萨拉姆共同获得诺贝尔物理学奖，1991年获Erice科学和平奖。
上个世纪60年代初，格拉肖在规范场理论的基础上讨论过弱相互作用和电磁相互作用统一的问题，预言了中性弱流的存在，但没有能够从理论上得到有静止质量的中间玻色子。1975年，他和合作者一起在电弱统一理论和量子色动力学的基础上，提出了把弱相互作用、电磁相互作用、强相互作用统一起来的大统一理论，在基本粒子和场论的理论研究以及宇宙学的研究中都有较大的影响。正是由于这些成就，他与S.温伯格、A.萨拉姆共同获得了1979年诺贝尔物理学奖。
粒子物理标准模型堪称是二十世纪物理学取得的最重大成就之一。格拉肖教授是粒子物理标准模型奠基人之一，也是大统一理论的开创者，他还成功地预言了粲夸克的存在。科学家们经过多年的探索发现，世界上所有的物质都是由百十种不同的元素构成的，而元素又都由不同数目的质子、中子和电子组成，而质子、中子又有内部结构，它们由夸克组成（左图：一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成），而 介子是由夸克和反夸克组成。质子、中子、介子、轻子、光子等统称为基本粒子，而基本粒子之间的相互转化是因为存在着引力、电磁力、弱力和强力4种自然力的相互作用。其中，几乎所有的粒子之间都存在引力，但电磁力只存在于带电粒子之间。?
这4种力之间有何关系？物理学家们一直力图找到把它们统一起来的途径。?格拉肖（右图）是最早涉足弱力和电磁力统一研究领域的。?弱力的强度只有电磁力的千分之一，它们是完全不同的两种自然力，1961年，
格拉肖提出：弱力和电磁力的虽然似乎没有相似之处，但可以从用数学方式对这两种自然力的描述中看出它们在某些方面的相似性，弱力和电磁力的统一并不是没有可能的。格拉肖巧妙地运用"规范场"的方法，搭起了统一弱力和电磁力的框架。非阿贝耳规范场论是杨振宁和密耳斯（RL.Mills）在1954年提出的。但格拉肖没办法解释的是：弱力的作用非常微小，传递弱力的粒子却很重，它的质量约为质子质量的几十倍到百倍。为何"传递子"具有那么巨大的质量呢??
温伯格（S.Weinberg，1933-）（左图）是格拉肖的同事，在研究自然力的统一问题时也遇到了同样的问题。?温伯格注意到英国物理学家赫格斯在一篇论文中的论述：可以利用真空的某些性质，使本来没有质量的规范场，体面地获得质量。?温伯格受到很大启发，运用这种思路在1967年成功地把弱力和电磁力统一起来。与此同时，巴基斯坦物理学家萨拉姆（A.Salam，1926-1996）（右图）的研究也获得了类似的结果。?他们阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的，计算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系
这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持，所以当时这个模型并末引起人们的足够重视。1973年，欧洲核子中心和美国费米实验室在气泡室实验中相继发现了弱中性流（左图），人们才开始重视此模型。
三位科学家创立了弱电统一原理：弱力和电磁力实际上是同一种力--电弱力的不同表现，1979年，他们共同获得了诺贝尔物理学奖（右图）。
科学家致力于验证这一理论的研究，要在实验中寻找产生弱作用传播子W±和Z0，有两个条件是必须具备的：一是对撞的粒子必须具有足够高的能量，以便有可能产生重质量粒子W±和Z0；另一是碰撞的次数必须足够多，才会有机会观测到极为罕见的特殊情况。前者是鲁比亚的功劳，后者是范德梅尔的功劳。
鲁比亚（Carlo Rubbia, 1934-）（左图）和范德梅尔（Simon Van Der Meer, 1925-）（右图）因在发现弱作用传播子W±和Z0的大规模实验方案中所起的决定性作用，共同分享了1984年度诺贝尔物理学奖。
鲁比亚建议将欧洲核子研究中心（CERN）最大的质子同步加速器（SPS）作为正反质子的储存环。质子束和反质子束在储存环中沿相反方向作环形运动，然后在特定位置相互碰撞。在SPS存储环的周边上安排有两个碰撞点，碰撞点周围装有巨大的探测系统，可以记录碰撞生成的粒子的信息，从而进行寻找弱作用传播子W±和Z的实验。范德梅尔提出了随机冷却的方法，可以使粒子束得到“冷却”，提高束流密度，进而提高对撞机的亮度，使实验发现W±和Z0粒子成为可能。1983年1月20-21日，在CERN这台质子—反质子对撞机上工作的两个实验组分别宣布发现了W±——特性与弱电统一理论所期待的完全相符的规范粒子。由于产生Z0的机会要比产生W±的机会小10倍，在花费4个月时间后想办法将加速器束流的亮度提高了10倍。1983年5月4日，鲁比亚领导的实验组终于找到了Z0的第一个事例。W±和Z°粒子的发现及其性质最终确定了弱电统一理论的正确性，对揭示弱作用本质有重大意义。
目前，粒子物理研究已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器的建造，将为粒子物理实验研究提供更有力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类、性质、以及可能的内部结构。
超对称大统一理论（电磁作用、弱作用和强作用统一起来）近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的超对称大统一模型中，也包含近120个参数，表明这种理论还包含着大量的现象性的成分，它还要走相当长的一段路，才能成为一个有效的理论。
