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1、牛顿第一定律 备课资料11.关于理想实验及其在科学研究中的作用所谓“理想实验”，又叫“假想实验”“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想上塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法.“理想实验”虽然也叫做“实验”，但它同真实的科学实验是有原则区别的，真正的科学实验是一种实践的活动，而“理想实验”则是一种思维的活动，前者是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则是人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”.但是，“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想.首先，理想实验是以实践为基础的，所谓的理想实验，就是在真实的科学实验基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过
2、程作出更深入一层的抽象分析；其次，理想实验的推理过程是以一定的逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的.在自然科学的理论研究中，“理想实验”具有重要的作用，作为一种抽象思维的方法，“理想实验”可以使人们对实际的科学实验有更深刻的理解，可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑关系，并由此得出重要的结论.例如：作为经典力学基础的惯性定律，就是“理想实验”的一个重要结论，这个结论不是直接从实验中得出的.伽利略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面开始滚下时的高度几乎相等.伽利略断定高度上的
3、这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等.然后，他推想说：在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总是达到相同的高度.最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去.这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全除掉，所以，这正是一个“理想实验”.但是伽利略因此而得到的结论，打破了亚里士多德以来两千多年间关于“受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止”这一类的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础.后来，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律.2.“萨尔维
4、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，维护亚里士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”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，
5、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，向这一方向不必比向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.你不论把什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在
6、船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力.水滴将像先前一样，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（距离单位），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，它们也绝不会向船尾集中，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的.现在称这个论断为伽利略相对性原理.用现代的语言来说，“萨尔维蒂”的大船就是一种所谓的惯性参
7、考系.就是说，以不同的速度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一.3.牛顿第一定律的理解任何物体，在不受外力作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状
8、态，直到其他物体对它施加作用力迫使它改变这种状态为止，这就是“牛顿第一定律”.该定律说明力并不是维持物体运动的条件，而是改变物体运动状态的原因.牛顿第一定律亦称“惯性定律”.它科学地阐明了力和惯性这两个物理概念，正确地解释了力和运动状态的关系，并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的性质惯性，它是物理学中一条基本定律.上述定律主要是从天文观察中间接推导而来，是抽象概括的结论，不能单纯按字面定义而用实验直接验证.和实际情况较接近的说法是：任何物体在所受外力的合力为零时，都保持原有的运动状态不变.即原来静止的继续静止，原来运动的继续做匀速直线运动.物体的惯性实质是物体相对于平动运动的惯性，其大小
9、即为惯性质量.物体相对于转动也有惯性，但它跟第一定律所说的惯性不是一回事，它的大小为转动惯量.惯性质量和转动惯量都用来表示惯性，但它们是不同的物理量，中学物理不出现转动惯量的名词，可不必提两者的区别.物体在没有受到外力作用或所受合外力为零的情况下，究竟是静止还是做匀速直线运动，这除了和参考系有关外，还要看初始时的运动状态.4.从开动着的车子里下来，要向前跳吗？这个问题，无论你把它向什么人提出，一定会得到相同的答案：“根据惯性定律，是应该向前跳的.”但是，你不妨请他把这个道理说得更详细些，问他：惯性对于这个问题究竟起着什么作用？我们可以预言，这位朋友肯定会滔滔不绝地开始叙述；但是，只要你不去打断
10、他的话头，他会很快就自己也迷惑起来了：他的结论竟是，由于惯性的存在，下车时候相反的要向跟车行相反的方向跳.真的，事实上，惯性定律在这个问题上只起着次要的作用，主要的原因却是在另外一点上.假如我们把这主要的原因忘了，那么我们就真会得到这样的结论：应该是向后跳而不是向前跳了.假设你一定得在半路上从车子里跳下来，这时候会发生些什么情况呢？当我们从一辆行驶着的车子上跳下的时候，我们的身体离开了车身，却仍旧保有车辆的速度（就是要依惯性作用继续运动）想要继续前进.这样看来，当我们向前跳下的时候，我们当然不但没有消除这个速度，而且还相反的把这个速度加大了.单从这一点看，我们从车子上跳下的时候，是完全应该向跟
11、车行相反的方向跳下，而绝对不是向车行的方向跳下.因为，如果向后跳下，跳下的速度跟我们身体由于惯性作用继续前进的速度方向相反，把惯性速度抵消一部分，我们的身体才可以在比较小的力量作用之下跟地面接触.事实上呢，无论什么人，从车上跳下的时候，总是面向前方的，就是向行车的方向跳下的.这样做也确实是最好的方法，是由不知道多少次的经验所证明了的；这使我们坚决劝告读者在下车的时候不要做向后跳跃的尝试.那么，究竟是怎么一回事呢？我们方才那套“理论”跟事实之所以有出入，毛病只是出在方才的解释只说了一半，没有说完.在跳下车子的时候，无论我们面向车前还是面向车后，一定会感到一种跌倒的威胁，这是因为两只脚落地之后已经
12、停止了前进，而身体却仍旧继续前进的缘故.当你向前方跳下的时候，身体的这个继续前进的速度，固然要比向后跳下得更大，但是，向前跳下还是要比向后跳下安全得多.因为向前跳下的时候，我们会依习惯的动作把一只脚提放到前方（如果车子速度很高，还可以连续向前奔跑几步），这样就会防止向前的跌倒.这个动作我们是非常习惯的，因为我们平时在步行的时候都在不断地这样做着.在上一节中，我们就已经说过，从力学的观点上说，步行实际上就是一连串的向前倾跌，只是用一只脚踏出一步的方法阻止着真正跌倒下去.假如向后倾跌，那么就不能够用踏出一步的方法来阻止跌倒，因此真正跌倒的危险就大了许多.最后，还有一点也很重要：即使我们真的向前跌倒了，那么，因为我们可以把两只手撑住地面，跌伤的程度也要比向后仰跌轻得多.所以，在下车的时候向前跳跃比较安全，它的原因与其说是受到惯性的作用，不如说是受到我们自己本身的作用.自然，对于不是活的物体，这个规则是不适用的：一只瓶子，如果从车上向前抛出去，落地的时候一定要比向后抛出去更容易跌碎.因此，假如你有必要在半路上从车上跳下，而且还要先把你的行李也丢下去，应该先把你的行李向后面丢出去，然后自己向前方跳下.但最好是不要在半路上跳车.用心 爱心 专心
