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什么是機械運動和靜止呢?用來判斷一個物體是否運動的另一個選作標準的物體叫做參照物。物理學中把一個物體相對于參照物位置的改變叫做機械運動,簡稱運動。如果一個物體相對于參照物的位置沒有發(fā)生變化,那么我們就說這個物體是靜止的;如果一個物體相對于參照物的位置發(fā)生變化,那么我們就說這個物體是運動的。
我們知道力的作用效果是使物體發(fā)生形變的原因,是使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因。從靜止的定義可以看出,所謂的靜止就是物體相對于參照物沒有發(fā)生位置的改變,或者說發(fā)生的位移是零。在學習牛頓第一定律時,我們先在桌面上放一張紙條,再在紙條上面放一個木塊(水杯、筆帽等),突然抽出紙條,會看到突然抽出紙條時重物仍然靜止不動,然后再重做這個演示實驗(物理課本上也是這樣安排這個演示實驗),我們認為突然抽出紙條后物體仍然處于靜止狀態(tài)是錯誤的,只不過是突然抽出紙條時,木塊發(fā)生的位移太小。現(xiàn)用不同的方法加以分析和廣大讀者探討分析,共同提高。
把物體發(fā)生的位移很小幾乎是零卻說成物體是靜止的,我們不能說到專業(yè)名詞時含糊其辭、不準確。在平常的學習、日常生活中用詞一定要嚴謹。
圖1
就這個演示實驗先通過牛頓第二定律和位移的公式進行分析,加以驗證上述觀點是錯誤的。如圖1所示,設(shè)桌面為C,木塊為A,紙條為B,手拉紙條B的拉力為F,木塊A的質(zhì)量為mA,紙條B的質(zhì)量為mB。木塊與紙條間的動摩擦因數(shù)為μ。我們先緩慢地拉紙條,會看到把紙條B從木塊A的下面拉出的同時,木塊A也在水平向左移動。我們快速地突然拉紙條時,會看到把紙條B從木塊A的下面拉出時,紙條上面的木塊A處于靜止狀態(tài)。我們要有物理知識方面的核心素養(yǎng),一定要從物體受力的情況正確分析木塊A是否處于靜止狀態(tài)。
下面從木塊A的受力來分析,假設(shè)各接觸面都粗糙,那么把紙條從木塊下面拉出的過程中,分別對紙條和木塊作出受力分析的示意圖。如圖2所示是紙條的受力情況,紙條在水平方向上受到三個力的作用,分別是水平向左的拉力F,木塊A對紙條水平向右的滑動摩擦力fAB,以及桌面對紙條B水平向右的滑動摩擦力fCB。紙條在豎直方向上受到三個力的作用,分別是豎直向下的重力GB、木塊對紙條豎直向下的壓力FAB,以及桌面對紙條豎直向上的彈力FCB(支持力)。
圖2
圖3
如圖3所示是木塊A的受力情況,在水平方向上受到紙條B對木塊A水平向右的滑動摩擦力fBA,在豎直方向上受到重力GA和紙條B對木塊A的支持力FBA。(這里特別強調(diào)一下,拉動紙條時,紙條相對木塊水平向左運動,所以木塊對紙條有水平向右的滑動摩擦力fAB,根據(jù)牛頓第三定律可知,紙條對木塊的滑動摩擦力為fBA。這兩個摩擦力是一對作用力和反作用力)
為了討論紙條和木塊的運動情況,作出紙條、木塊在水平方向上的受力示意圖,如圖4所示。為了驗證把紙條從木塊下面拉出時木塊的運動情況,用動量定理加以分析。
圖4
動量定理:物體所受合外力的沖量等于物體動量的變化量。
公式:F合t=mΔv=mvt-mv0。
木塊A所受的合外力就是紙條對木塊的滑動摩擦力fBA,則:
由上述五式化簡得Δv=μgΔt。
從上式我們可以看出,緩慢地把紙條從木塊下面拉出來,需要的時間Δt長,我們就可以明顯地看到木塊A水平向右發(fā)生了移動;當我們把紙條突然從木塊A下面快速地拉出來,需要的時間Δt很短,木塊A的速度變化量Δv很小,我們?nèi)庋蹮o法看出物體的移動。因此不能說把紙條B突然從木塊A下面快速拉出來時,木塊A是靜止的。為了科學嚴謹,可以說物體發(fā)生的位移很小幾乎是零。
我們也可以從位移和時間的關(guān)系,以及牛頓第二定律分析得出正確的結(jié)論。
讀者也可以分析一下:自由釋放的物體做自由落體運動時,物體在重力作用下,在豎直方向上做初速度為零的勻加速直線運動,地球豎直向上移動了沒有?