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2019-2020年高中物理《力的等效和替代》教案 粵教版必修1 從容說課 先從科學的角度讓學生理解力的圖示和力的示意圖的區(qū)別，讓學生從科學的表示法表示一個力。進而從生活的等效的概念以及歷史史實讓學生理解等效與替代的概念；繼而讓學生自主探究得出力的合成與分解的關系，為下一節(jié)明確合力與分力的關系打好基礎. 三維目標 知識與技能 （1）了解力的圖示法,區(qū)別力的圖示和力的示意圖. （2）理解力的合成與分解本質上是從作用效果相等的角度進行力的相互替代. 過程與方法 （1）在實驗過程中學會探究合力與分力的關系. （2）在制作示力的合成與分解示教儀的過程中,進一步理解合力與分力的關系. 力的圖示與力的示意圖是不同的，本節(jié)書中后面要用力的圖示處理實驗結果，因此教師在教學中要對此加以引導，讓學生用科學的方法將力表示出來。對于力的示意圖和力的圖示，學生并不一定引起重視，教師要引導學生學會用科學的方法表述一個力。這為后面的實驗探究打好基礎。力的等效主要是要讓學生清楚研究一個具體的問題時所采用科學的方法，同時明白如何去等效的概念。力的替代與力的等效合為一體，共同構成等效替代的思想。進一步理解科學研究的方法，同時為力的合成和分解作準備。 教學中教師要做好實驗，如有可能應該讓學生自己動手操作。同時教師還可以讓學生自己說明結果，學生的結果不一樣說明可以有不同的替代，為下一節(jié)力的分解作好鋪墊。學生可以在自主找規(guī)律的過程中體會到學習的樂趣。實驗結果在誤差范圍內是準確的。 情感態(tài)度與價值觀 通過力的等效替代，使學生領略跨學科知識結合的奇妙，同時領會科學探究中嚴謹、務實的精神和態(tài)度. 教學重點：探究合力與分力的關系。 教學難點：探究合力與分力的關系。 教學用具：彈簧秤、刻度尺等。 課時安排 1課時 教學過程 [引入新課] 師：通常物體都會受到多個力的作用，許多情況下這些力的作用可以與某個力作用產生同樣的效果。例如，一輛小汽車陷進了泥坑，需要十幾個人連推帶拉才能把它從泥坑中拉出來，如果用另一輛汽車用繩子牽一下，就可以把它從泥坑中拉出來，這時一輛汽車的牽引和十幾個人的作用力是怎能樣的關系呢？ 生：是等效的。 師：人們在實踐中認識到了力的等效性，逐步找到了力之間相互等效替代的規(guī)律，今天我們就要來共同探討一個新的課題——力的等效和替代。 [新課教學] 1、力的圖示 師：力是有大小的，力的大小用什么來測量？在國際單位制中，力的單位是什么？符號是什么？ 生：力的大小用測力計來測量，力的單位為牛頓，符號為N。 師：僅說一個力多大(是多少N)能不能完整地表達了這個力？ 生：不能。 師：該如何進行描述呢？ 生：包括力的大小、力的方向和力的作用點。 師：怎樣來表示力呢？ 生：思考、討論并總結“ 方法一：可以用語言把一個力的大小、方向和作用點敘述出來； 方法二：可以用力的圖示法來表示力； 方法三：可以用力的示意圖來表示力。 師：具體如何用力的圖示來表示力呢？ 生：力的圖示。為了形象地表達一個力，可以用一條帶箭頭的線段(有向線段)來表示： 線段的長短表示力的大小；箭頭指向表示力的方向；箭尾(或箭頭)常畫在力的作用點上(在有些問題中為了方便，常把物體用一個點代表)。 例1 (教師做)：卡車對拖車的牽引力F的大小是xxN，方向水平向右，作出力F的圖示。 步驟：選一標度(依題而定其大小)：如用1cm長的線段表示500N的力。 從力F的作用點O向右水平畫一線段四倍于標度(4cm)，然后畫上箭頭(圖1)： 例2(學生做)：作出下列力的圖示：(可同時出三個題，全班分三組，每組做一個題，并分別選一個學生在黑板上做。) ①物體受250N的重力。 ②用細線拴一個物體，并用400N的力豎直上提物體。 ③水平向左踢足球，用力大小為1000N。 答案： 說明：①選不同標度(單位)，力的圖示線段的長短可不同； ②標度的選取要有利于作圖示。 師：上述三例的受力物體和施力物體分別是什么？ 生：①分別為物體和地球；②物體和細線；③腳和球。 師：回憶初中所學過的知識。力的作用效果是什么？ 生：力的作用效果是使物體發(fā)生形變；改變物體的運動狀態(tài)。 (可利用已有的彈簧秤等演示，總結上述兩方面效果。) 今后我們將定量地研究力的作用效果。 教師小結：力不但有大小，而且有方向。大小、方向和作用點常稱為力的三要素。 力的圖示是形象地表述一個力的方法，不要忘記定標度。力的圖示要正確反映力的三要素。 2、力的等效 教師介紹馬德堡半球實驗：1654年，在德國的馬德堡市，有人做了一個轟動一時的實驗。在實驗中，把兩個空心銅制半球合在一起，抽去球中的空氣后，用兩支馬隊向相反方向拉這兩個半球。結果，當兩支馬隊各增加到8匹馬時，才將它們拉開。這就是著名的馬德堡半球實驗。 師：如果用兩頭大象來代替兩支馬隊，這兩個半球也能被拉開。這說明了什么？ 生：說明了從力的作用效果上看，一頭大象的拉力與8匹馬的拉力是相同的。 討論與交流 兩個小孩共同提起一桶水和一個大人單獨提起一桶水，效果相同嗎？ 參考答案：相同。 3、力的替代 師：已知同一直線上的兩個力F1、F2的大小分別為2N、3N，如果F1、F2的方向相同，那以它們的合力大小是多少？合力沿什么方向？ 生：5N，方向與F1、F2的方向相同。 師：如果F1、F2的方向相反，那么它們的合力大小是多少？合力沿什么方向？ 生：1N，方向與較大的那個力的方向相同。 師：同一直線上兩個力的合力，與兩個力的大小、方向兩個因素有關。這就是初中所學的“同一直線上二力的合成?！痹诂F(xiàn)實生活中，有這樣的例子：兩位同學沿不同方向共同用力提住一袋土石，解放軍戰(zhàn)士一人也能提住同一袋土石。 學生閱讀課文總結得出： 如果一個力的作用效果與另外幾個力的共同作用效果相同，那么這個力與另外幾個力可以相互替代，這個力稱為另外幾個力的合力，另外幾個力可以稱為這個力的分力。在物理學中，通常從作用效果相同這一觀點出發(fā)，根據(jù)具體情況進行力的替代，稱為力的合成與分解。 實驗探究1 尋找等效力 〖實驗步驟〗 C D O ⑴ 器材的選?。喝鐖D所示的演示儀、 彈簧秤、橡皮筋、細繩、鉤碼若干,印有間隔相等的同心圓的紙足量. （2）用兩根細繩系著橡皮筋的一端, 橡皮筋的另一端固定在儀器頂端的小釘上,調節(jié)器材上的兩個滑輪的距離,使之便于操作. （3）分別在細繩下懸掛鉤碼若干,并把細繩置于滑輪上 (注意使橡皮筋、細繩在同一豎直平面上).記錄兩繩上懸掛鉤碼的數(shù)量和兩繩與紙邊的交點C、D. （4）待橡皮筋伸長且穩(wěn)定后把印有同心圓的紙置于橡皮筋與細繩的后面,并使同心圓的圓心O和橡皮筋與細繩的結點重合.并用圖釘固定紙片. （5）卸去鉤碼,直接用一個彈簧秤拉細繩(注意使橡皮筋、細繩、彈簧秤在同一豎直平面上), O J O C D J 使結點也伸長至圓心O處,記錄彈簧秤的讀數(shù)和繩與紙邊的交點J. （6）取下紙片,作射線OC、OD、OJ,并用力的圖示法作出三個力(力的比例線段以三個矢量的長度都不超出紙邊為宜). （7）相鄰箭頭用虛線相連,構成一個由兩個三角形組成的四邊形. （8）觀察這個四邊形的特點(若誤差不大,這個四邊形是平行四邊形,合力在其對角線上). （9）改變砝碼的數(shù)量,重復上述實驗.若有時間,也可改變兩滑輪的距離(即改變兩分力的夾角)重復上述實驗. 說明：本實驗中的同心圓紙是可以移動的，同心圓的為了最終得出力的大小關系而設計的，紙能移動是為了在實驗中方便找出圓心O的地方，縮短實驗的時間。 學生可能得出的結論：以表示兩個分力的線段為鄰邊作一個平行四邊形,則這個平行四邊形中表示兩分力的線段所夾的對角線表示合力的大小和方向. 建議：讓同學匯報實驗中得到的結論.結論不一定要與上面的結論一致，教師要讓學生有成就感。在下一節(jié)的學習中教師會直接給結論。 實驗探究2 驗證力的平行四邊形定則 實驗目的 驗證互成角度的兩個共點力合成的平行四邊形定則， 實驗原理 結點受三個共點力作用處于平衡狀態(tài)，則F1、F2之合力必與橡皮條拉力平衡，改用一個拉力F/使結點仍到O點，則F/必與F1、F2的合力等效，以F1、F2 為鄰邊作平行四邊形求出合力F，比較F/與F的大小和方向，以驗證互成角度的兩個力合成時的平行四邊形定則． 實驗器材 方木板，白板，彈簧秤(兩只)，三角板，刻度尺，圖釘(幾個)，細芯鉛筆，橡皮條，細繩套(兩個)。 彈簧秤測力原理是根據(jù)胡克定律．其適用范圍是在彈性限度內，刻度是0～5N，分度值0.1N，因拉桿和鉤的質量較大，且零點是在豎直情況下校準的，因此水平使用時要重新調零點，彈簧的伸長方向要和所測拉力方向一致，彈簧、指針、拉桿都不要與刻度板和刻度板末端的限位卡發(fā)生摩擦． 實驗步驟 1．用圖釘把白紙釘在放于水平桌面的方木板上． 2．用圖釘把橡皮條的一端固定在A點，橡皮條的另一端拴上兩個細繩套． 3．用兩只彈簧秤分別鉤住細繩套，互成角度地拉橡皮條，將結點拉到某一位置，記錄兩彈簧秤的讀數(shù)，用鉛筆描下O點的位置及此時兩條細繩套的方向． 4．用鉛筆和刻度尺從結點O沿兩條細繩方向畫直線，按選定的標度作出這兩只彈簧秤的讀數(shù)F1、F2的圖示，并以F1和F2為鄰邊用刻度尺和三角板作平行四邊形，過O點畫平行四邊形的對角線，即為合力F的圖示． 5．只用一只彈簧秤鉤住細繩套，把橡皮條的結點拉到同樣的位置O，記下彈簧 秤的讀數(shù)F/和細繩的方向，用刻度尺從O點按4中選定的標度沿記錄的方向作出 這只彈簧秤的拉力F/的圖示． 6．比較力F/與用平行四邊形定則求出的合力F的大小和方向，得出結論． 7．改變兩個力F1、F2的大小和夾角，重復實驗兩次． 注意事項 1．同一實驗中的兩只彈簧秤的選取方法是：將兩只彈簧秤鉤好后對拉，若兩只彈簧秤在拉的過程中，讀數(shù)相同，則可選，若不同，應另換，直至相同為止，使用時彈簧秤與板面平行． 2．在滿足合力不超時彈簧秤量程及橡皮條形變不超過彈性限度的條件下，應使拉力盡量大一些，以減小誤差． 3．畫力的圖示時，應選定恰當?shù)臉硕龋M量使圖畫得大一些，但也不要太大而畫出紙外．要嚴格按力的圖示要求和幾何作圖法作出合力． 4．在同一次實驗中，橡皮條拉長的結點O位置一定要相同． 5．由作圖法得到的F和實際測量得到的F/，不可能完全符合，但在誤差允許范圍內可認為F和F/符合即可． 誤差分析 本實驗誤差的主要來源除彈簧秤本身的誤差外，還出現(xiàn)讀數(shù)誤差，作圖誤差，因此，讀數(shù)時眼睛一定要正視，要按有效數(shù)字正確讀數(shù)和記錄，兩力的邊一定要平行．兩個分力F1、F2間夾角θ越大，用平行四邊形作圖得出的合力F的誤差△F也越大，所以實驗中不要把θ取得太大．雖然如此，實驗必有誤差，我們要盡量規(guī)范操作減小誤差．千萬不要硬湊數(shù)據(jù)而使實驗十全十美毫無誤差．本實驗允許的誤差范圍是：力的大小△F≤5%F，F(xiàn)/與F的夾角θ≤70，對于△F=0，θ=0和△F≤5%F,θ＞70的情況都要分析原因. 實驗考查 題目：驗證力的平行四邊形定則 實驗室提供下列器材：木板、彈簧秤（兩個）、橡皮條、白紙、細線、三角板、刻度尺、圖釘若干。請你做實驗驗證互成角度的兩個力的合成的平行四邊形定則。 要素 評分細則 評判 一 （2分） 儀器與調零 檢查調零 （1分） 使用彈簧秤前，檢查彈簧秤的指針是否指在零刻度上，否則，加以調整 比較性能 （1分） 實驗前將兩彈簧秤互相勾在一起，向相反方向拉，若兩秤示數(shù)相同則可同時使用，否則調換彈簧秤 二 （3分） 安裝與實驗 實驗裝置 （1分） 按實驗要求將實驗裝置安裝好 操作要求 （1分） 實驗時將彈簧秤的彈簧與木板平面平行，用彈簧秤拉橡皮條時，拉力沿彈簧的軸線方向，且彈簧秤、橡皮條、細繩套位于和紙面平行的同一平面內 記錄數(shù)據(jù) （1分） 正確記錄了所測拉力的大小和方向 三 （4分） 作圖與分析 比例標度 （1分） 作圖時選擇了適當?shù)谋壤龢硕? 拉力圖示 （1分） 正確作出了兩只彈簧秤的拉力F1、F2和用一個彈簧秤的拉力F′ 的圖示 合力圖示 （1分） 正確作出以F1和F2為鄰邊的平行四邊形及過O點的對角線代表的合力F的圖示 分析總結 （1分） 比較F與F′ 的大小、方向，得出實驗結論 四 （1分） 方法與態(tài)度 重復實驗 （1分） 改變兩個力F1、F2的大小和夾角，重復實驗兩次 整理儀器 （1分） 實驗完后收拾整理儀器 說明： 1、學生在實驗中做到評分細則中的哪一項，就在對應的評判欄中打上“√”號，每個“√”號得1分，最后根據(jù)“√”號的個數(shù)給學生評出實驗考查的分數(shù)，滿分10分。 2、同一次實驗中，用兩只彈簧秤拉橡皮條和只用一個彈簧秤拉橡皮條時，沒有使橡皮條的結點拉到同一位置的，實驗考察的分數(shù)為0分。 3、本實驗操作考試可以隨堂進行，或者模塊學習結束時，單獨抽取半天的時間進行。 小結 布置作業(yè):P46/1\2\3 板書設計 1、力的圖示。為了形象地表達一個力，可以用一條帶箭頭的線段(有向線段)來表示： 線段的長短表示力的大??；箭頭指向表示力的方向；箭尾(或箭頭)常畫在力的作用點上(在有些問題中為了方便，常把物體用一個點代表)。 2、如果一個力的作用效果與另外幾個力的共同作用效果相同，那么這個力與另外幾個力可以相互替代，這個力稱為另外幾個力的合力，另外幾個力可以稱為這個力的分力。在物理學中，通常從作用效果相同這一觀點出發(fā)，根據(jù)具體情況進行力的替代，稱為力的合成與分解。 3、平行四邊形定則：以表示兩個分力的線段為鄰邊作一個平行四邊形,則這個平行四邊形中表示兩分力的線段所夾的對角線表示合力的大小和方向. [課本練習] 1．有兩個大小均為3N的力，試用實驗方法分別作出它們的夾角為0、 30、45、90、120、150、180時的合力。它們的合力是否—定比分力大?請舉出一個生活中的實例來說明你的看法． 提示與答案：從作圖法分別作出兩個大小均為3N 的力當夾角為0、 30、45、90、120、150、180時的合力后可發(fā)現(xiàn),當這兩分力夾角θ取值為0＜θ＜120時,合力大于分力；當θ=120時, 合力與分力等大；當120＜θ≤180時,合力小于分力.可見,合力可比某一分力大,也可比某一分力小,還可以等于某一分力. 2．請總結出上題中合力的取值范圍． 提示與答案：上題可發(fā)現(xiàn),當兩分力夾角θ越小,合力越大,反之當兩分力夾角θ越大,合力越小.若θ為0,合力最大為6 N , 若θ為180, 合力最小為0 N. 設兩分力分別為F1.、、F2 , 合力為F . 則合力的取值范圍可表達為： ≤ F ≤ F1.、+ F2 , 3．有人說，合力總是大于分力．還有人說，合力就是兩個分力的數(shù)值之和．他們的說法中存在哪些問題? 請運用本節(jié)的知識進行反駁． 提示與答案：他們的說法把力的合成看成像數(shù)字一樣等于兩個力的大小之和，或受這種思想的影響，總認為兩合力之和總比每個分力都大，這都是不正確，力是一個既有大小又有方向的物理量，求兩分力的合力。不能像數(shù)字那樣簡單地進行代數(shù)運算，它有自己的運算規(guī)則，應該用力的作用效果相同時的等效替代思想，找出這個規(guī)則，然后進行力的運動，分析表明，合力的大小大于、小于、等于分力的情況都存在。 [課外訓練] 1．已知兩分力F1、F2的合力F大小為5N，方向沿水平向右，且F1、F2的方向也都沿水平向右，求兩分力F1和F2的值。 解答：據(jù)題意可知F1＋F2＝F，即F1＋F2＝5N，不難看出，F(xiàn)1＝1N，F(xiàn)2＝4N；F1＝2N，F(xiàn)2＝3N；F1＝2.5N，F(xiàn)2＝2.5N……都分別是兩分力F1和F2的值，顯然能夠滿足F1＋F2＝5N的F1和F2具有無數(shù)多組值。 2．已知兩個分力F1、F2的合力F的大小為5N，其中F1與F方向相同，均沿水平方向向右，F(xiàn)2與F方向相反，求這兩個分力F1和F2的大小。 解答：據(jù)題意知F1－F2＝F，即F1－F2＝5N，不難知道，F(xiàn)1＝7N，F(xiàn)2＝2N；F1＝8N，F(xiàn)2＝3N；F1＝9N，F(xiàn)2＝4N……都滿足上述等式，顯然滿足F1－F2＝5N的兩個分力F1和F2也具有無數(shù)多組值，即F1和F2的大小是確定的。 3．一個物體受到三個共點力的作用，若這三個力的大小是如下各組，則可使物體平衡的是哪幾組？ A．F1＝4N，F(xiàn)2=7N，F(xiàn)3＝8N； B．F1＝8N，F(xiàn)2=3N，F(xiàn)3＝4N； C．F1＝4N，F(xiàn)2＝6N，F(xiàn)3＝1N ； D．F1=3N，F(xiàn)2=5N，F(xiàn)3=2N。 解答：物體平衡條件為合力為零。該題中任意二力的合力大小應與第三個力相等。滿足這種要求有兩種情況： （1）若三力在同一直線上，則二力大小之和等于第三力大??；二力之差等于第三力大小，故D正確。 （2）若三力不在同一直線上，兩力的合力與這兩個力可構成封閉的三角形。即二力大小之和大于第三力大小，二力大小之差小于第三力大小，故A正確。 自然界中的四種基本作用力 我們已經知道的力有重力、彈力和摩擦力．在生活和技術上還會遇到很多力．例如氣體的壓力，水的浮力，膠帶的黏合力，帶電小球之間、兩磁極之間的引力或斥力以及在微觀世界中存在這樣或那樣的力。盡管看起來力的種類如此之多，但近代科學告訴我們，自然界中只存在四種基本的相互作用力，其他的力都是這四種力的不同表現(xiàn)．這四種力是引力、電磁力、強力、弱力。下面分別作一簡單介紹。 1．萬有引力 萬有引力是指存在于任何兩個物體之間的吸引力，它源于物體的質量，質量越大引力越大。重力就是地球對其表面上的物體的引力產生的，如忽略地球自轉影響，物體所受的重力就等于引力。在天體運行中引力起著重要作用，但在研究微觀粒子的相互作用時可略去。 2．電磁力 電磁力是指帶電粒子或帶電的宏觀物體之間的作用力。運動的電荷之間除了有電力的作用外，還有磁力的相互作用，統(tǒng)稱為電磁力。由于分子或原子都是由帶電粒子組成的，它們之間的作用力主要就是電磁力。在力學中提到的相互接觸物體之間的彈力、摩擦力、流體的阻力、空氣的壓力、浮力以及黏合力等都是相互靠近的原子或分子之間的電磁作用力的宏觀表現(xiàn)。 電磁力比引力的強度大得多。 3．強力 強力是微觀粒子之間的強作用力。它與電荷無關，無論粒子是否帶電，此力都存在，正是這種力把原子核內的質子及中子緊緊地束縛在一起。兩個相鄰質子之間的強力可以達到104N，但作用范圍較小，距離超過約10—15m時，強力就可略去不計。 4．弱力 弱力也是作用在各種微觀粒子(光子等除外)之間的一種作用力．如一些不穩(wěn)定的原子核，從核內會自發(fā)地射出電子流，就是弱力引起的。它的作用范圍更小，通常認為是小于10—18m，力也很弱，兩個相鄰質子之間的弱力約僅有10—2N。 1680年牛頓用萬有引力定律統(tǒng)一了天上和地上的引力。1864年麥克斯韋用他的電磁理論統(tǒng)一了電與磁的相互作用力。上世紀30年代，愛因斯坦就曾企圖把萬有引力和電磁力統(tǒng)一起來，但沒有成功。到上世紀60年代，溫伯格和薩拉姆在楊振寧等人提出的理論基礎上，提出了一種把電磁力和弱力統(tǒng)一起來的理論——電弱統(tǒng)一理論?，F(xiàn)在物理學家們仍在努力建立四種相互作用都能統(tǒng)一起來的大統(tǒng)一理論。 因為許多科學家都有一種信念，深信“從本質上講，自然界是簡單的”。如果這種理論能夠成功建立，那就意味著人類對自然界的本質有了更深刻的認識。 四種相互作用及其統(tǒng)一 一、統(tǒng)一理論的歷史回顧 科學發(fā)展的歷史表明，人類認識總是從分散的理論走向更為統(tǒng)一的新理論，這種新理論將原來認為十分不同的領域統(tǒng)一起來，從而具有更大的邏輯簡單性。 從物理學的發(fā)展來看，物理學理論的統(tǒng)一經過了以下階段： 1687年，牛頓力學理論統(tǒng)一了地上的運動規(guī)律與天上的運動規(guī)律； 1831年，安培和法拉第的工作統(tǒng)一了電學與磁學； 1873年，麥克斯韋的電磁場理論統(tǒng)一了電磁學和光學； 1905年，愛因斯坦的狹義相對論統(tǒng)一了空間與時間概念，而在牛頓力學那里，時間與空間是分離的； ’ ， ’ 1916年，愛因斯坦的廣義相對論統(tǒng)一了空間、時間與物質。 物理學理論的統(tǒng)一過程使人們認識到，物質世界的一切物理規(guī)律歸根到底都受到四種不同的基本作用力的支配。現(xiàn)代的物理理論又試圖將這四種基本作用力統(tǒng)一起來。 愛因斯坦第一個致力于統(tǒng)一電磁場理論與引力場理論的統(tǒng)一場論工作，耗盡了他30年的光陰，但沒有成功。然而，他尋求統(tǒng)一理論的信念和熱情卻一直鼓舞著后繼的學者們。 二、認識四種相互作用 弱、電磁、強、引力場是我們現(xiàn)在已知的場的四種具體形態(tài)。各種具體的場之間有著相差懸殊的特征。引力場在大尺度的時空范圍里支配著天體的運動和變化，電磁場制約著宏觀領域中的物理化學變化，弱力場和強力場則主宰著微觀世界中“粒子”的運動。同時，強力場可以使中子與質子結合成一個相對穩(wěn)定的體系，弱力場卻是β衰變等運動過程中必不可少的重要因素。 下面，我們對四種作用力進行較為細致的比較。人們最先了解電磁相互作用，這里我們以電磁作用為標準來進行比較。 首先，讓我們以兩個質子之間的作用為例來比較引力與電磁力。兩個質子之間的電磁力(這里是庫侖力)為 Fe= 庫侖力與距離平方成反比，而其間的萬有引力為 Fg= 引力也是與距離平方成反比的。二者之比為 Fe/ Fg=≈810－37 與距離已沒有關系。可見，引力在任何距離上都比電磁力弱得多。如果比較質子與電子之間或者電子與電子之間的引力與電磁力，由于電子質量比質子質量小得多而電荷并不小，這個比值還要減小。因此，引力與電磁力相差非常懸殊。一般來說，在粒子物理中，引力幾乎完全可以忽略不計。只有在天體和宇宙學中，由于涉及的質量很大，而正、負電荷又幾乎相消，引力才起了主要作用。 下面就核子與核子之間的強作用與電磁作用進行比較，可以看出明顯的不同點： (1)從質子、中子構成非常堅固的原子核來看，兩種作用的強度相差很大，核子與核子之間的強相互作用比電磁作用要強得多，因為電磁作用是使原子核內核子相斥，強作用使之相吸。 (2)兩種作用與距離的關系十分不同，電磁作用是長程力而強作用是短程力。在原子核這樣的尺度范圍內強作用比電磁作用強得多，但在大距離上，強作用幾乎完全不再起作用，它就比電磁作用顯得弱得多了。 弱作用與電磁作用也十分不同。除了作用強度相差懸殊外，力程也不同。弱作用描述粒子的衰變過程。 電磁相互作用是通過交換光子發(fā)生作用的。1954年，楊振寧和米爾斯提出了規(guī)范場理論，這意味著傳遞相互作用的場是矢量場，稱為規(guī)范場。 格拉肖(1961年)、溫伯格(1967年)和薩拉姆(1968年)建立了電磁作用與弱作用相統(tǒng)一的理論，傳遞弱電統(tǒng)一相互作用的粒子是一種規(guī)范粒子，構成三重態(tài)，即W＋，Z0，W－。這三種粒子已在1983年的1月和6月被發(fā)現(xiàn)了。發(fā)現(xiàn)者獲得了1984年諾貝爾物理學獎金。 目前，溫伯格—薩拉姆—格拉肖理論已為人們描繪了弱作用和電磁作用相統(tǒng)一的一幅非常清晰的物理圖像。弱作用的力程約為10—16cm。只有能量高于102GeV也就是距離小于10—16cm 時，弱作用的強度才變得與電磁作用差不多。當能量低于102GeV 也就是距離大于10—16cm 時，弱作用的強度就顯得比電磁作用弱得多。 弱電統(tǒng)一理論的成功，使得許多物理學家去探索建立弱作用、電磁作用和強作用三者相統(tǒng)一的所謂大統(tǒng)一理論。大統(tǒng)一理論的重要結果是預言質子將發(fā)生蛻變，其壽命約為1031年左右。 質子會蛻變幾乎是惟一可在地球上進行的檢驗大統(tǒng)一理論的實驗。但是，這種實驗是非常難做的。一個質子平均經過1031年才蛻變(要知道，現(xiàn)在太陽的年齡還只有約4.5109年)!就是說，即使我們“目不轉睛”地盯著1031個質子(約17噸)進行觀察，一年內也才只能看到其中一個質子發(fā)生了蛻變。這種實驗必須用很多物質(質子數(shù)足夠多)，埋在很深的地下以避免宇宙線等事件的干擾，還得耐心等待相當長的時間。雖然實驗如此難做，但由于意義重大，目前全世界還是有許多實驗小組在積極進行這項實驗。初步結果表明，質子的壽命大于1032年?？磥泶蠼y(tǒng)一理論尚有許多問題需要探索。 盡管大統(tǒng)一理論還沒有成功，但弱作用、電磁作用、強作用和引力作用四者相統(tǒng)一的所謂超大統(tǒng)一理論正在為科學家所探索. 三、統(tǒng)一的道路是曲折的 盡管目前大統(tǒng)—理論與超大統(tǒng)一理論家沒有成功,但是,20世紀70年代弱電統(tǒng)一的成功激發(fā)了科學家的統(tǒng)一情結,愛因斯坦的統(tǒng)一夢想又清晰了許多. 科學家們之所以追求各種相互作用的統(tǒng)一，就在于科學家認為科學理論應當是邏輯簡單的。因為事物的現(xiàn)象是雜亂紛繁的，而其本質是簡單的，邏輯上是無矛盾的。 從理論的預見性來看，只有具有邏輯簡單性的科學理論才有更大的預見能力，從而能夠更好指導科學實踐。例如：牛頓力學將天上運動與地上運動相統(tǒng)一，愛因斯坦將時間與空間相統(tǒng)一，大大增強了人們對自然界的理解力，提高了人們的認識水平。 探索自然界的統(tǒng)一性這一崇高的宗旨，支配了愛因斯坦整個科學研究的生涯。為了實現(xiàn)這一日標，他在創(chuàng)立狹義相對論和廣義相對論之后，緊接著就開展了統(tǒng)一場論研究。現(xiàn)在，統(tǒng)一場論的研究已經成了當代理論物理學研究中的重要前沿。 場的概念是物理學家法拉第首先于19世紀30年代提出來的。場概念的提出是物理學中的一個革命性事件，它取代了神秘而不可測的以太。當然，愛因斯坦所倡導的統(tǒng)一場論，僅僅是要統(tǒng)一電磁場和引力場，這同我們現(xiàn)在所講的要實現(xiàn)四種場統(tǒng)一的統(tǒng)一場論有著重大區(qū)別。從20世紀20年代以來，愛因斯坦為了取得幾何統(tǒng)一場論的成功，幾乎耗費了他后半生的全部心血。但是，他沒有獲得所期望的成功。在臨近晚年的時候，他不無感慨地說：“我完成不了這項工作了。它將被遺忘，但是將來會被重新發(fā)現(xiàn)，歷史上這樣的先例很多?！? 在愛因斯坦的幾何統(tǒng)一場論陷入困境的50年代前期，量子力學的創(chuàng)始人之一海森堡開拓了統(tǒng)一場論的另一個探索方向。即從量子場論的角度，試圖通過基本粒子的統(tǒng)一來建立新的統(tǒng)一場論。人們把海森堡的統(tǒng)一場論稱為量子統(tǒng)一場論。但是，海森堡過于樂觀了，他的研究工作雖取得了某些進展，但未能把統(tǒng)一場論成功地建立起來。 挫折并沒有熄滅人們追求統(tǒng)一的熱情，楊振寧和米爾斯于1954年又為統(tǒng)一場論開辟了另一條新路。他們把物理學中的對稱性由整體不變推廣到局部不變，并通過規(guī)范場來描述基本粒子及其相互作用。這樣，人們把在楊—米爾斯理論基礎上發(fā)展起來的新的統(tǒng)一場論，稱為規(guī)范統(tǒng)一場論。 雖然楊—米爾斯的理論提出之后，由于它在描述各種相互作用時，存在著無法得出量子質量的困難，因而被冷落了十幾年，但是，自從1967年，溫伯格和薩拉姆利用希格斯提出的真空自發(fā)破缺概念，克服了楊—米爾斯理論的困難，成功地建立了弱、電統(tǒng)一理論之后，規(guī)范統(tǒng)一場論獲得了極大的成功。弱電統(tǒng)一理論的成功，鼓舞和推動了人們去探討弱、電、強力三種場的統(tǒng)一。按照大統(tǒng)一理論的觀點，在能量很高時，三種場本是一種東西；而在低能量時，三種場的差別才呈現(xiàn)出來。同樣，對于弱、電、強、引力四種場的超大統(tǒng)一，在能量很高時，四種場本是一種東西；而在低能量時，四種場的差別才逐漸呈現(xiàn)出來。 盡管大統(tǒng)一理論與超大統(tǒng)一理論還沒有實現(xiàn)，但是，人們正在向著更完美的方向發(fā)展。 四、幾點啟示 第一，是否可能實現(xiàn)理論的統(tǒng)一?在愛因斯坦從20年代起致力于統(tǒng)一場論的研究時，物理學家泡利認為這是做不到的，他說：“上帝拆散的東西，凡人永遠也接合不上?！睈垡蛩固菇z毫沒有動搖自己的信念：全部自然界，特別是全部物理學是一個統(tǒng)一的整體。正是基于這樣的信念，他才提出了統(tǒng)一場論。雖然愛因斯坦沒有完成該理論，但是，他關于統(tǒng)一場論的創(chuàng)見是卓越的，正如著名物理學家楊振寧評價道：“有些時候有些人就有這種印象，認為統(tǒng)一的思想是愛因斯坦在他老年中的一種痼見，是的，這是一種痼見。但是這種痼見是理論物理應該有什么樣的基本結構的一個卓見。并且我要說這個卓見正是今天物理學的一個主題?！? 第二，是科學理論能否取得成功的重要因素是其歷史條件是否成熟。從愛因斯坦的幾何統(tǒng)一場論看，它沒有成功的原因是多方面的，其重要的原因在于，在他提出幾何統(tǒng)一場論及其后的一個時期內，人們僅僅知道電磁場和引力場，對于強作用與弱作用場的認識還相當不足。而規(guī)范統(tǒng)一場論提出之后，各種加速器能量不斷提高，新的發(fā)現(xiàn)層出不窮。從理論方面來看，對弱力場和強力場的認識取得了較大的進展。實驗和理論兩方面的條件相結合推動了規(guī)范統(tǒng)一場論的繁榮。 第三，是一個科學理論取得成功的又一個重要因素是避免任何片面性。幾何統(tǒng)一場論和量子統(tǒng)一場論都有其各自的片面性。正是經過了否定之否定的發(fā)展，規(guī)范統(tǒng)一場論在克服了舊理論的片面性之后，吸取了前者各自的合理因素，帶來了成功的希望。