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腾起初速度越大,跳得就越高。
当腾起角一定时,腾起初速度是起决定作用的。
惯性故事——萨尔维阿蒂的大船
经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。
当时曾有过一场激烈的争论。
赞成哥白尼学说的人主张地球在运动,维护亚里土多德----托勒密体系的人则主张地静说。
地静派有一条反对地动说的强硬理由:
如果地球是在高速地运动,为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢?
这的确是不能回避的一个问题。
1632年,伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。
书中那位地动派的“萨尔维蒂”(图4-1)对上述问题给了一个彻底的回答。
他说:
“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里,让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫,舱内放一只大水碗,其中有几条鱼。
然后,挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。
船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向舱内各方向飞行,鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐中,你把任何东西
扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力。
你双脚齐跳,无论向哪个方向跳过的距离都相等。
当你仔细地观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速,也不忽左忽右地摆动,你将发现。
所有上述现象丝毫没有变化。
你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。
即使船运动得相当快,在跳跃时,你将和以前一样,在船底板上跳过相同的距离,你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。
虽然你跳到空中时,脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。
你把不论什么东西扔给你的同伴时,不论他是在船头还是在船尾,只要你自己站在对面,你也并不需要用更多的力。
水滴将象先前一样,滴进下面的罐子,一滴也不会滴向船尾。
虽然水滴在空中时,船已行驶了许多柞。
鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大;
它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。
最后,蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。
它们也决不会向船尾集中,并不因为它们可能长时间留在空中,脱离开了船的运动,为赶上船的运动而显出累的样子。
”
萨尔维阿蒂的大船道出了一条极为重要的真理,即:
从船中发生的任何一种现象,你是无法判断船究竟是在运动还是在停着不动。
现在称这个论断为伽利略相对性原理。
用现代的语言来说,萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。
就是说,以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。
在一个惯性系中能看到的种种现象,在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。
亦即,所有惯性参考系都是平权的、等价的。
我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态,哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难,而且也否定了绝对空间观念(至少在惯性运动范围内)。
所以,在从经典力学到相对论的过渡中,许多经典力学的观念都要加以改变,唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正,而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。
为什么桥都设计成凸形的?
桥是不是不应该设计成拱形向上的,而应该设计成凹形的为好。
因为汽车在向下行驶之前具备一定的势能,这个势能可以帮助它顺利地到达桥的那一端。
可是拱形向上的桥却没有这个优点。
桥设计成向上的理由,是因为汽车经过桥中部时,桥所承受的压力较小;
而相比之下,凹形桥承受的压力较大。
由于汽车经过一个弧形的时候,需要有一个向心力F,它是由重力Mg和支承力N合成的。
在拱形桥:
F=Mg-N∴N=Mg-F
在凹形桥:
F=N-Mg∴N=F-Mg
由上述两个式子可见,拱形桥的N较小,N是桥对汽车的支承力,其大小等于汽车对桥的压力。
所以拱形桥对桥的结构强度设计上有利。
至于茜露的理由是对汽车而言,为了汽车能利用势能节约一点汽油,反而改变桥的设计,这岂不是本末倒置了吗?
什么是气垫船
电视中的气垫船大家早已见过,这一发明积于想尽可能减小交通工具与地面或轨道之间的摩擦阻力,从而节约能源和提高速度。
气垫船设计的思路就是在船底下面产生一个气垫,使船体与地面不直接接触,好象悬在空中一样。
这个气垫由发动机从船体上方或四周吸进空气,然后由船体下方喷出。
由于船底四周用橡胶带围衬,像个弹性裙子一样,就形成了一个气垫。
气垫船的最大优点是它在地面和水面上一样行驰,在地面上行驰时也不需要修筑公路,非常方便。
你会打秋千吗
你喜欢打秋千吗?
也许你很喜欢却打不好。
要知道,会打秋千的人,不用别人帮助推,就能越摆越高,而不会打秋千的人则始终也摆不起来,知道这是什么原因吗?
请你仔细观察一下会打秋千高手的动作:
他从高处摆下来的时候身子是从直立到蹲下,而从最低点向上摆时,身子又从蹲下到直立起来。
由于他从蹲下到站直时,重心升高,无形中就对自己做了功,增大了重力势能。
另外,在下降的过程中,因为脚对秋千做了功,人和秋千的总能量也会增加。
因而,每摆一次秋千,都使打秋千的人自身能量增加一些。
如此循环往复,总能量越积越多,秋千就摆地越来越高了。
你也试试看。
你了解气门芯吗
大家都知道自行车上有个“气门芯”,但你知道它的设计非常巧妙吗?
如果有兴趣,你可以把它从自行车上取下仔细研究一下。
“气门芯”的主体是一小段上端中空,下端实心的柱体,在下端的侧面开一个小孔与中空部分相联通。
下面套上一段有弹性的细橡胶管就构成专门芯的总体。
其实它就是一个单向阀门,当你给自行车胎打气时,气筒中的压缩空气由中空部分进入气门芯,把有弹性的橡胶管“顶”起,空气进入车胎;
当不打气时,弹性橡胶管收紧,盖住侧面的小孔,使空气不能从车胎中回流。
需要注意的是,生活中细橡胶管经过一年后一般会有些变质,建议每年更新一次气门芯橡胶管。
共振的幽灵
任何物体产生振动后,由于其本身的构成、大小、形状等物理特性,原先以多种频率开始的振动,渐渐会固定在某一频率上振动,这个频率叫做该物体的"
固有频率"
,因为它与该物体的物理特性有关。
当人们从外界再给这个物体加上一个振动(称为策动)时,如果策动力的频率与该物体的固有频率正好相同,物体振动的振幅达到最大,这种现象叫做"
共振"
。
物体产生共振时,由于它能从外界的策动源处取得最多的能量,往往会产生一些意想不到的后果。
18世纪中叶,法国昂热市一座102米长的大桥上有一队士兵经过。
当他们在指挥官的口令下迈着整齐的步伐过桥时,桥梁突然断裂,造成226名官兵和行人丧生。
究其原因是共振造成的。
因为大队士兵迈正步走的频率正好与大桥的固有频率一致,使桥的振动加强,当它的振幅达到最大以至超过桥梁的抗压力时,桥就断了。
类似的事件还发生在俄国和美国等地。
鉴于成队士兵正步走过桥时容易造成桥的共振,所以后来各国都规定大队人马过桥,要便步通过。
在我国的史籍中也有不少共振的记载。
唐朝开元年间,洛阳有一个姓刘的和尚,他的房间内挂着一幅磬,常敲磬解烦。
有一天,刘和尚没有敲磬,磬却自动响起来了。
这使他大为惊奇,终于惊扰成疾。
他的一位好朋友曹绍夔是宫廷的乐令,不但能弹一手好琵琶,而且精通音律(即通晓声学理论),闻讯前来探望刘和尚。
经过一番观察,他发现每当寺院里的钟响起来时,和尚房里的磬也跟着响了。
丁是曹绍夔拿出刀来把磬磨去几处,从此以后就不再自鸣了。
他告诉刘和尚,这磬的音律(即现在所谓的固有频率)和寺院的钟的音律一致,敲钟时由于共振,磬也就响了。
将磬磨去几处就是改变它的音律,这样就不会引起共鸣。
和尚恍然大悟,病也随之痊愈了。
登山运动员登山时严禁大声喊叫。
因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合,就会因共振引起雪崩,其后果十分严重。
人体与大气压强
人体与大气有着不可分离的密切关系,这不仅是由于人体需要呼吸和调节体温。
大气对于人体还有一种不易被人察觉到的作用----大气的压力。
一名优秀的游泳运动员,在几分钟内不呼吸还不成问题,但如果没有大气压力,恐怕连几秒钟也生存不了。
一般认为,标准的大气压是每平方厘米1.0336公斤。
一个成年人的人体总共要受到12-15吨的大气压力。
但是由于大气压强总是从各个不同的方向作用与同一点的,并且大小相同,每两个大小相同的压力便相互抵消,所以人体才感觉不到那么大的压力,但它是实实在在存在着的。
就拿呼吸来说,当吸气中枢兴奋时,通过膈神经使胸腔和腹腔之间的横膈肌肉收缩,胸腔容积扩大,肺气泡也跟着扩大,使其中的气压下降,并低于外部大气压。
于是外界空气在大气压的作用下,从鼻孔和嘴流进肺部,进入肺气泡。
呼气的情况正好相反,由于胸腔容积缩小,肺内空气收缩,内部压强大于外部,气体便从肺里呼出来。
在雷雨之前,由于气压的下降,人们常会出现胸闷、头昏和情绪烦躁等症状。
另外,在人体的股骨和髋骨之间有一个没有大气的空腔,空腔内不存在向外的作用力,于是股骨就靠外部大气压紧紧地压在身体上,使我们抬起腿走路不觉得费力,行走自如。
为什么肥皂泡总先上升后下降
日常生活中,我们常看到一些小朋友吹肥皂泡,一个个小肥皂泡从吸管中飞出,在阳光的照耀下,发出美丽的色彩。
此时,小朋友们沉浸在欢乐和幸福之中,我们大人也常希望肥皂泡能飘浮于空中,形成一道美丽的风景。
但我们常常是看到肥皂泡开始时上升,随后便下降,这是为什么呢?
这个过程和现象,我们只要留心想一下,就会发现,它其中包含着丰富的物理知识。
在开始的时候,肥皂泡里是从嘴里吹出的热空气,肥皂膜把它与外界隔开,形成里外两个区域,里面的热空气温度大于外部空气的温度。
此时,肥皂泡内气体的密度小于外部空气的密度,根据阿基米德原理可知,此时肥皂泡受到的浮力大于它受到的重力,因此它会上升。
这个过程就跟热气球的原理是一样的。
随着上升过程的开始和时间的推移,肥皂泡内、外气体发生热交换,内部气体温度下降,因热胀冷缩,肥皂泡体积逐步减小,它受到的外界空气的浮力也会逐步变小,而其受到的重力不变,这样,当重力大于浮力时,肥皂泡就会下降。
飞鸟就会击落一架飞机
我们知道,运动是相对的。
当鸟儿与飞机相对而行时,虽然鸟儿的速度不是很大,但是飞机的飞行速度很大,这样对于飞机来说,鸟儿的速度就很大。
速度越大,撞击的力量就越大。
比如一只0.45千克的鸟,撞在速度为每小时80千米的飞机上时,就会产生1500牛顿的力,要是撞在速度为每小时960千米的飞机上,那就要产生21.6万牛顿的力。
如果是一只1.8千克的鸟撞在速度为每小时700千米的飞机上,产生的冲击力比炮弹的冲击力还要大。
所以浑身是肉的鸟儿也能变成击落飞机的“炮弹”。
1962年11月,赫赫有名的“子爵号”飞机正在美国马里兰州伊利奥特市上空平稳地飞行,突然一声巨响,飞机从高空栽了下来。
事后发现酿成这场空中悲剧的罪魁就是一只在空中慢慢翱翔的天鹅。
在我国也发生过类似的事情。
1991年10月6日,海南海口市乐东机场,海军航空兵的一架“014号”飞机刚腾空而起,突然,“砰”的一声巨响,机体猛然一颤,飞行员发现左前三角挡风玻璃完全破碎,令人庆幸的是,飞行员凭着顽强的意志和娴熟的技术终于使飞机降落在跑道上,追究原因还是一只迎面飞来的小鸟。
瞬间的碰撞会产生巨大冲击力的事例,不只发生在鸟与飞机之间,也可以发生在鸡与汽车之间。
如果一只1.5千克的鸡与速度为每小时54千米的汽车相撞时产生的力有2800多牛顿。
一次,一位汽车司机开车行使在乡间公路上,突然,一只母鸡受惊,猛然在车前跳起,结果冲破汽车前窗,一头撞进驾驶室,并使司机受了伤,可以说,汽车司机没被母鸡撞死真算幸运。
飞行的孙悟空是怎样拍摄的
《西游记》是大家比较熟悉和喜欢的电视剧,其中孙悟空给人们留下美好的印象,但是善于思考的观众一定会问,孙悟空的"
腾云驾雾"
是怎样拍摄出来的?
下面就来谈谈这个问题。
我们知道,平时我们所说的运动和静止都是相对的,是相对于我们假定不动的参照物而言的。
如果我们坐在封闭的火车厢里,那么我们将无法知道火车究竟是静止的还是匀速行驶的,只有拉开窗帘,看到铁轨旁的树木、村庄等参照物时,根据它们的位置是否发生变化,才能判断出来。
利用运动相对性,我们就可以拍摄孙悟空的"
镜头了。
如孙悟空腾云远去"
的镜头先分别拍摄孙悟空的动作镜头和景物镜头,然后将两组画面放在"
特技机"
里迭合,迭合时迅速地移动背景上的白云和山河湖海作参照物,用摄像机把它们拍摄下来,看电视时,观众以白云和山河湖海作参照物,于是便产生了"
腾去远去"
的感觉。
弯腿才能跳得高
能使物体运动状态发生变化的力叫作用力,反作用力是作用力的反冲力。
牛顿力学中的三大定律之一就是“作用力与反作用力”定律。
作用力与反作用力的例子在日常生活中无处不在:
1.人走在路上,人给地面一向后作用力,地面给人一向前的反作用力,于是人往前运动;
2.火箭也是靠反作用力,才能飞向太空。
同步卫星的轨道
《物理》第三册(选修本)第96面关于通信卫星轨道的叙述中有这样一段话:
“通信卫星的轨道一般都采用‘地球静止轨道’,也称‘地球同步轨道’.即卫星转动的周期与地球自转的周期相同,相对于地球静止.”这段话容易让人理解为:
地球同步轨道就是地球静止轨道.处于同步轨道上的卫星相对于地球是静止的.
有的复习资料中亦有这样的练习题:
“简单说明地球同步卫星为什么只能在赤道平面内绕地球旋转.”、“地球同步卫星相对于地球上的一点为什么是静止的?
”,这也是将地球同步轨道与地球静止轨道混为一谈.
实际上,地球同步轨道与地球静止轨道不是一回事,它们之间有共同点也有较大区别.
地球同步轨道与地球静止轨道都是运行周期(23小时56分04秒)相同的人造地球卫星轨道.
这两种轨道的区别有三:
第一,轨道倾角有区别.
地球静止轨道是轨道倾角(轨道平面和赤道平面的夹角)为零的圆形地球同步轨道.即地球静止轨道一定在赤道平面上;
而地球同步轨道平面可与赤道平面成一不为零的夹角.
第二,观察者看到的现象不同.
在地球同步轨道上运行的卫星每天在相同时间经过相同地方的天空,对地面上观察者来说,每天相同时刻卫星会出现在相同的方向上.在一段连续的时间内,卫星相对于观察者可以是运动的.而处于地球静止轨道上运行的卫星每天任何时刻都处于相同地方的上空,地面观察者看到卫星始终位于某一位置,保持静止不动.
第三,星下点轨迹不同.
人造地球卫星在地面的投影点(或卫星和地心连线与地面的交点)称为星下点.卫星运动和地球自转使星下点在地球表现移动,形成星下点轨迹.地球同步卫星的星下点轨迹是一条8字形的封闭曲线,而地球静止卫星的星下点轨迹是一个点.
鉴于上述原因,笔者认为将高中《物理》第三册(选修本)第96面上的那句话“也称‘地球同步轨道’”改成“是‘地球同步轨道’的一种”更好。
江河大堤与水库大坝
一般江河大堤和水库大坝的横截面如图1甲、乙所示.
图1
比较上面两图,不难发现,它们的共同之处都是上窄下宽,不同的是江河堤的迎水面坡度缓,背水面坡度陡,而水库坝则恰恰相反,挡水面坡度陡,背水面坡度缓.
一、为什么江河大提与水库大坝都修成上窄下宽
无论是江河大堤,还是水库大坝都修成上窄下宽,其目的主要是为了“三防”.
1. 防水压
根据液体内部压强公式p=ρgh可知,堤坝内的水越靠近堤坝底,水深h越大,水产生的压强也越大.堤坝下宽能承受较大的水压,确保堤坝的安全.
2. 防渗漏
堤坝下部受水的压强越大,水越容易渗进坝体.把下部修得宽些,就可以延长堤坝内水的渗透路径,增大渗透阻力,从而提高堤坝的防渗透性能.
3.防滑动
堤坝内水的压力总有将大堤向外水平推动和将大坝推向下游的运动趋势,堤坝基底需要有与之抗衡的静摩擦力,才能保持堤坝平衡.将堤坝下部修宽既可增大坝体的重力,也可增大迎水面(挡水面)上水对坝体竖直向下的压力,因此,可以增强坝体与坝基间的最大静摩擦力,达到防止堤坝滑动的目的.
二、为什么江河大堤和水库大坝两边的坡度陡缓状况修得恰恰相反
对于两岸拦水的大堤来说,奔腾的江河水的冲击力方向朝下游,水对堤坝的作用力主要是压力,如图2甲、乙所示,水的压力垂直于堤面,根据力的分解知识有,Fx=Fsinθ,Fy=Fcosθ,因此,对于同样大小的水的压力F,坡度平缓的堤面所受横向水平压力较小,即Fx<Fx′;
所受竖直向下的压力较大,即Fy>Fy′.所以对于江河大堤,迎水面坡度缓,水对大堤水平向外的推力Fx小.同时竖直向下的力Fy大,有利于增大堤坝基底与堤坝的静摩擦力,即可以防滑.
图2 图3
对于水库大坝受力分析,如图3所示,根据液体压强公式p=ρgh,水库大坝的挡水面各处承受的压强跟水深成正比,呈三角形分布,故总水压力通过压强的三角形分布距坝底H/3.设水库大坝的总重力为G,重心在O′处,为便于分析,设水库中水对大坝的总压力F水平向外(大坝外侧),如右下图所示.因受水的压
力F的作用,坝体会以水库外侧大坝的坝脚O为支点有沿顺时针方向倾覆的趋势,其倾覆力矩为MF=F×
H/3.而大坝依靠自身的重力G产生的抗倾覆力矩MG=Gd.把坝体修得沿背水面坡度缓一些,能够达到既增大重力,又增大力臂d的效果,从而达到增大抗倾覆力矩MG的效果.
由此可见,在不增加建设大堤和大坝的土石方,用料及造价相同的前提下,迎水面比背水面缓的江河大堤更牢固,挡水面比背水面陡的水库大坝更稳定.
过山车中的物理知识
过山车是一项富有刺激性的娱乐工具。
那种风驰电掣、有惊无险的快感令不少人着迷。
如果你对物理学感兴趣,那么在乘坐过山车的过程中不仅能够体验到冒险的快感,还有助于理解力学定律。
实际上,过山车的运动包含了许多物理学原理,人们在设计过山车时巧妙地运用了这些原理。
如果能亲身体验一下由能量守恒、加速度和力交织在一起产生的效果,那感觉真是妙不可言。
这次同物理学打交道不用动脑子,只要收紧你的腹肌,保护好肠胃就行了,当然,如果你的身体条件和心理承受能力的限制,无法亲身体验过山车带来的种种感受,你不妨站在一旁仔细观察过山车的运动和乘坐者的反应。
在开始旅行时,过山车的小列车是靠一个机械装置的推力推上最高点的,但在第一次下行后,就再也没有任何装置为它提供动力了。
事实上,从这时起,带动它沿着轨道行驶的惟一的"
发动机"
将是引力势能,即由引力势能转化为动能、又由动能转化为引力势能这样一种不断转化的过程构成的。
第一种能,即引力势能是物体因其所处位置而自身拥有的能量,是由于它的高度和由引力产生的加速度而来的。
对过山车来说,它的势能在处于最高点时达到了最大值,也就是当它爬升到"
山丘"
的顶峰时最大。
当过山车开始下降时,它的势能就不断地减少(因为高度下降了),但它不会消失,而是转化成了动能,也就是运动能。
不过,在能量的转化过程中,由于过山车的车轮与轨道的摩擦而产生了热量,从而损耗了少量的机械能(动能和势能)。
这就是为什么要设计成随后的小山丘比开始时的小山丘要低的原因:
过山车已经没有上升到像前一个小山丘那样的高度所需要的机械能了。
过山车最后一节小车厢里是过山车赠送给勇敢的乘客最为刺激的礼物。
事实上,下降的感受在过山车的尾部车厢最为强烈。
因为最后一节车
厢通过最高点时的速度比过山车头部的车厢要快,这是由于引力作用于过山车中部的质量中心的缘故。
这样,乘坐在最后一节车厢的人就能快速地达到和跨越最高点,从而产生一种要被抛离的感觉,因为质量中心正在加速向下。
尾部车厢的车轮是牢固地扣在轨道上的,否则在到达顶峰附近时,小车厢就可能脱轨甩出去。
车头部的车厢情况就不同了,它的质量中心在“身后”,在短时间内,它虽然处在下降的状态,但是它要"
等待"
质量中心越过高点被引力推动。
到达“疯狂之圈”时,沿直线轨道行进的过山车突然向上转弯。
这时,乘客就会有一种被挤压到轨道上的感觉,因为这时产生了一种表观的离心力。
事实上,在环形轨道上由于铁轨与过山车相互作用产生了的一种向心力。
这种环形轨道是略带椭圆形的,目的是为了"
平衡"
引力的制动效应。
当过山车达到圆形轨道的最高点时,事实上它会慢下来,但如果弯曲的程度较小时,这种现象会减弱。
一旦过山车走完了它的行程,机械制动装置就会非常安全地使过山车停下来。
减速的快慢是由气缸来控制的。
你知道气垫船吗?
我们知道,船是水上重要的交通工具,船是离不开水的。
可是你知道吗?
有一种神奇的船,它不管是在水面上,还是在陆地上,或者是在沼泽地里,只要表面比较平,它都可以行驶,这就是气垫船。
气垫船是怎么回事呢?
它不什么可以离开水面在地面上航行呢?
原来在气垫船的船底四周设有环形喷口,气流从喷口向外倾斜地高速喷出,由于水面的阻挡,气流在船底积聚形成气垫,并产生一股很强很大的升力,把船托离水面。
由于物体同空气的摩擦要比物体同水的摩擦小得多,气垫船向前运动时只受空气阻力,所以它能在水面上高速滑行。
它的速度比普通船要高几倍,目前世界上大型气垫船载客可达上千人,时速达300千米/时。
人们还在设想制造载重5000吨的巨型气垫船,以原子能为动力,只要24小时就可从欧洲越过大西到达美国,看来气垫船的发展有着巨大潜力和广阔前景。
气垫船在我国也投入了使用,1979年在广州与香港之间开辟了气垫船航线,1989年又在上海的吴淞与崇明之间开辟了气垫船航线。
你知道气垫船是谁最早发明的吗?
他是英国的船舶设计师——科克莱尔在1959年首先发明设计制造的。
一种全垫升气垫游艇具有良好两栖性和越野性能,具有良好的通过性,能
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