運動和力

編輯: 逍遙路 關(guān)鍵詞: 高中物理 來源: 高中學習網(wǎng)
  牛頓第一定律是研究物體運動規(guī)律的三大定律之一,有重要的應用價值。它說明了物體的運動不需要靠力來維持,糾正了人們認為力是維持運動的原因的錯誤認識。通過學習,學生們能從理性認識上接受這些理論,但在行為上,思想感情上是否真能接受呢?
  
  有位學生在學習了牛頓第一定律后說,對牛頓第一定律只能承認一半。他說他騎自行車上學腳不用蹬,車子由于慣性會向前運動,地面摩擦和風小一些,車子就能運動得遠一些,可以想象如果阻力更小些,自行車不用蹬就能運動得更遠,這是令人信服的。但他又接著說,把車停下,你不推它、不蹬它,車怎么會運動呢?所以總覺得力和運動是連在一起的。
  
  這位學生提出的問題非常典型,即使高中學生學過動力學也末必真能從感情上去接受第一定律。下面我們就通過兩方面討論這個問題:
  
  一方面,我們應該清楚牛頓第一定律描述的是一種理想化的狀態(tài)。即牛頓所假定的絕對空間坐標中,可以存在相對于這一坐標系是不受任何外力作用的靜止物體,也可以存在不受任何外力作用的相對于這一坐標是運動的物體。在這樣條件下,定律自然是正確的,然而現(xiàn)實中卻看不到這種情況,即使看到靜止物體和在某一段時間內(nèi)做勻速直線運動的物體,它們也都是受到平衡力的作用,不受任何外力作用的物體是不存在的。所以通常在應用牛頓第一定律研究具體問題時,只是對這種理想化狀態(tài)的近似,因此學生不易接受是很自然的。
  
  另一方面,作為理解物理學的基本概念來說,必須嚴格區(qū)分運動的運動狀態(tài)改變這兩個不同的概念:
  
  什么是運動?初中課本把物體位置的變化叫做運動。嚴格點應該是指物體對參照物(系)發(fā)生了位置的變化,靜止也可以作為一種特殊的運動狀態(tài)來對待:即物體對參照物(系)的位置變化為零。
  
  什么是運動狀態(tài)的改變?物體由靜止變?yōu)檫\動,由運動變?yōu)殪o止,或者改變運動方向。因此,除了勻速直線運動,任何變速運動(包括直線運動和曲線運動中物體速度大小和方向的變化)都是處于運動狀態(tài)時刻發(fā)生改變的過程中。而運動狀態(tài)之所以改變,正是力作用的結(jié)果,其實這也正是伽利略斜坡實驗所證實的結(jié)論。
  
  區(qū)分了兩個不同概念就比較容易解決前面提出的矛盾了:那位同學覺得他把自行車推動起來或者開始騎行起來總是要力的,這是千真萬確的!因為他在使原來靜止的自行車變成運動的了,即使自行車運動狀態(tài)發(fā)生了改變,這并不是牛頓第一定律所要研究的問題。明白了這層道理,我們就可以明確:運動和力是無關(guān)的,而運動狀態(tài)的改變則正是存在力的作用的效果,所以說運動狀態(tài)的改變和力是有關(guān)的。
  
  最后,我們再分析一個具體的例子,借以理解運動和運動狀態(tài)的改變這兩個概念的區(qū)別以便進一步驗證運動和力是無關(guān)的。
  
  一艘用鐵環(huán)套拴在固定在河流兩岸的一條竹索上的渡船,擺渡時,船工站在船上,手拉竹索,渡船則能沿竹索固定的方向來回運動。
  
  我們分析船的受力及其運動情況:先看水平方向,河水的流動對側(cè)面有一個垂直于渡船運動方向的力,由于船用鐵環(huán)套拴在竹索上,這個力被緊繃的竹索產(chǎn)生的彈力所平衡。因此對渡船的航行沒有影響。再看堅直方向,船浮于水面,其重力與它所受到的浮力平衡,因此船所受合力為零,它靜止于岸邊。
  
  當渡船載上人后,船工用手對竹索施加一個向后拉力的同時,竹索對船工也有一個大小相等方向向前的拉力,由于船工在船上,可以把他和船看成一體,這樣就相當于船受到一個拉力的作用,于是它改變了原來的靜止狀態(tài)運動起來,這就是開始階段力的作用效果使船的運動狀態(tài)發(fā)生了改變。
  
  當渡船已經(jīng)運動起來,具有某一速度時,船工必須輪番地調(diào)換兩只握緊拉住竹索的手并不斷地用力,才能使船保持一定的速度橫渡,但這決不意味著力是維持運動的原因,因為船在運動過程中不可避免地要受到水的阻力及竹索與鐵環(huán)間的摩擦力,如果船工不再用力,由于這些阻力的作用將使船的運動狀態(tài)發(fā)生變化,即使船的速度逐漸變慢。故船工施加的作用力可以看作是使船的運動狀態(tài)發(fā)生相反的改變,使船已慢了的速度再變快起來。從平均效果來看,我們可以認為如果船工施加的力恰能和總的阻力平衡,則運動的船所受的合力為零,船的運動狀態(tài)就沒有理由發(fā)生改變,船也將勻速地橫渡。
  
  當船即將抵達對岸時,船工可以不再用力讓船在阻力作用下改變運動狀態(tài),使船逐漸變慢,直到抵達對岸在船底與淺灘間較大的阻力作用下使其運動狀態(tài)發(fā)生很快變化,船立即停止運動。
  
  從以上一例渡船橫渡河流的加速,勻速,減速整個過程中,可以看出力的作用始終是使(船的)運動狀態(tài)發(fā)生改變,而運動和力則是完全無關(guān)的。
  
  

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