外星人学物理(力学).doc

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1、外星人学物理（力学）前言1你还记得凡尔纳小说中的英雄，气球设计者费古逊博士吗？“气球必须自始至终随时都能上升和下降，要做到这点，亲爱的博士，相当困难。——而我的上升和下降装置应用的原理很简单：如果我想上升，就将气球中的气体加热到更高的温度；要下降，就让气球中的气体降温。被加热的气体体积增大，因此就将更多的空气排开⋯⋯”其实，你从一②年级的物理学习中就知道了这一点。如果进一步提出几个问题，可能使费古逊面临更艰巨的任务：如果从阀门中放走三分之一的气体，气球多少时间后降落到地面？他的气球落到地面时会不会摔碎？要对这类问题找到答案，我们就需要运用各种过程随时间变化的规律。你下面要学的物理课

2、的内容正是要介绍这些规律。我们要观察的是过程，而不是状态。在二年级里，我们要观察一种最明显的过程，即物体位置的变化——运动。我们对此并非一无所知。我们关于运动的经验是在我们在世世代代实践活动的基础上建成的。我们的祖先正是正确应用了运动的规律才从动物世界脱颖而出成为人类。位置的变化——运动“⋯⋯缺牙攀上了伸出来的一个树杈，在他下面是一个约七十英尺深的裂缝，中间没有任何树枝可以在他万一失手时阻止他摔向深渊。再向下约二十英尺，旁边另一棵树的粗树杈伸出到他下面约十五英尺的地方。缺牙爬到树杈末端，开始背向那另一根树杈像荡秋千一样上下摆动。他突然松手以很大的弧形向背后甩去，在空中做一个旋转，转

3、身正面到达下面的另一根粗树杈。随着那吓人的断裂声树杈弯了下去，阻止了身体下冲的冲力⋯⋯”——杰克·伦敦：《亚当面前》在现代生活中，我们也经常本能地运用运动的规律：汽车司机总是条件反射似地左顾右盼，以使自己的动作能够有助于超车。篮球运动员也能感觉到，何时跳起来才能抢到篮板球。但是，仅仅依靠本能的经验，我们是不可能将登月火箭送到目的地的；如果我们仅仅根据感觉来设计①伊丽莎白大桥，这座桥肯定是危险的。人类之所以成为人类，正是因为他能有意识地利用自然规律来解决问题：不仅体验到自然现象并本能地利用它们，而且要从它们找出因果关系和规律，并且将它们应用于我们尚未有直接经验的场合。运动的规律是可以

4、认识的。1①儒勒·凡尔纳（JulesVerne，1828—1905），法国著名科幻小说家——译注②匈牙利的小学为八年制，中学为四年制，这里说的一年级相当于我国初中三年级。——译注①匈牙利首都布达佩斯市区多瑙河上几座大桥中最美丽的一座——译注我们将从对运动过程的描述——运动学开始我们的研究。然后，在找出一些能表征运动过程的最基本的量以后，我们就可以提出一个根本性的问题：为什么一个物体是这样运动而不是那样运动？如果我们希望它按我们的愿望运动，我们该怎么办？对运动的因果关系的研究——动力学将会回答这个问题。如何运动——运动学为何这样运动——动力学《“外星人”学物理》运动的描述1．过程的特

5、征变化率樱桃在成熟：它的大小、颜色以及含糖量在变化；树在成长：树的高度、树干的粗细在变化；河流涨水：水位在变化；冰镇西瓜：西瓜的温度在变化。自然界中出现的各种现象一般都可以用某一个量随时间的变化来描述。将这个量作为时间的函数作图，就很容易观察这个变化的过程。汽油单价1972年A1=3元／升1978A2=5元／升Δ=2元／升观察一锅水的温度如何变化。先用浸入式热水器插入水中加热，然后让水冷却。图1是根据加热过程中各时刻所做的测量画出的。从图中可以看出，每个时间间隔内的温度变化总是与时间间隔的长度成比例，也就是说，温度随时间成正比变化：Δτ=Δt。从图中可以读出比例系数的值：=3.5℃

6、／min。图2是分别用小锅和大锅烧水得到的曲线（用同样的浸入式加热器加热）。水少的情况下变热较快，斜线较陡，表示温度变化与经过时间的关系的比例系数也就较大，1=3.5℃／min，2=2.0℃／min。比例系数表示的是温度变化快慢这一特性，因此称它为温度变化率。它的值当然可以是负的：图3是我们在冷却过程中得到的图线。这时温度随着时间下降，变化率为负（Δτ＜0）。变化的快慢程度——变化率图4表示的是较长的冷却时间间隔。图线不是直线：在这样长的时间间隔内，温度变化很明显地偏离了均匀变化过程。但是，在足够小的时间间隔内这种偏离并不显著；在更小的时间间隔内，我们甚至看不出这种偏离（在图3中我

7、们就看不出来）。如果温度不是均匀变化，在不同的时刻它的变化率的值就不同：在每一时刻，我们在它所在的小区间内找出一个与实际情况最相似的均匀变化过程，就将这个均匀变化过程的变化率看做这个时刻的变化率。图4中可以看到，我们在过程的两个时刻（t=2min和t=20min）画出了最近似的均匀变化过程的图线（棕色直线）。它相当于在相应的点画的切线，换句话说，在切点所在的小区间内，切线对曲线近似得最好。你会看到，温度在开始时变化较快，后来则变化较慢。我们也可以用类似的方法来描述其他