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1、1力与物体运动的关系山东省淄博市金城中学 初三一班 唐国强 周先菊摘要：力与运动之间究竟有什么关系? 这个看似简单的问题，曾经困扰了人们数千年，并由此引发了科学史上一场意义深远、影响广泛的思想革命，改变了人们对世界的看法。引发这场革命的三个代表人物，分 别生活在不同的时代。如果把他们对力与运动问题的观点放在一起进行比较，就如同聆听三位智者之 间一场跨越时空的 对话。关键词：运动；力；亚里士多德；伽利略；牛顿；牛顿第一定律 一、物体运动是力来维持吗通过学习力及其作用效果，我们知道，力，可以使运动的物体停止，可以使静止的物体运动，所以一些同学脑子里就产生了两个想法：物体运动需要力来维持，物体运动不
2、需要力来维持。那么物体运动是力来维持吗？二、物理学上的发展历史力与运动之间究竟有什么关系? 这个看似简单的问题，曾经困扰了人们数千年，并由此引发了科学史上一场意义深远、影响广泛的思想革命，改变了人们对世界的看法。引发这场革命的三个代表人物，分别生活在不同的时代。如果把他们对力与运动问题的观点放在一起进行比较，就如同聆听三位智者之间一场跨越时空的对话。最早研究这个问题的是古希腊公元前 1 世纪的亚里士多德，他认为物体没有力是不能运动的，这是一位最早给物体运动真的需要力来维持下结论的科学家。当亚里士多德的观点流传到 16 世纪时，意大利的伟大学者伽利略最先悟出了它使人们误入歧途的原因地球上物体运动
3、时，都不可避免地要受到摩擦力和空气阻力的作用。不过，在伽利略的那2个时代，科学还处于启蒙阶段，人们对物体所受重力的原因尚且懵懂，更不用说设想在太空中进行。地球上的任何实验，都只能在重力环境中进行，而且无法排除摩擦力和空气影响。而伽利略凭借他深邃的思维和超人的睿智，巧妙设计了一个斜面的理想实验，成功地揭示了力和运动关系的真谛。理想实验，是科学研究中的一种重要方法。它突出了事物的本质特征，能达到现实科学实验无法达到的极度简化和纯化的程度。伽利略的实验和论证，使人们对力与运动的规律有了更深刻的认识。在此基础上，法国哲学家和科学家笛卡儿(Rence Descartes，15961650)把伽利略的结论
4、推广到没有重力、没有摩擦力、没有空气阻力的更理想情况，进一步补充和完善了伽利略的观点。他提出：如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。伽利略和笛卡儿的正确结论在隔了一代人以后，由牛顿总结成动力学的一条基本定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。这就是牛顿第一定律(Newton first law of motion)。牛顿第一定律表明，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，我们把这个性质叫做惯性(inertia )。所以牛顿第一定律又叫做惯性定律 (law of inertia
5、)。因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来，也就是说，不受力作用的物体是不存在的，所以，牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物，不可能用实验直接验证。但是，许许多多3现象可以帮助我们理解牛顿第一定律。例如，冰球场上，冰球离开球杆后，能以几乎不变的速度继续前进，直到它再一次受到球杆的打击或碰到障碍物，才改变这种状态。天空中飞行的航天飞机，由于外部的空气阻力会使飞行中的飞机减速，因此要克服阻力保持正常的飞行速度，就需要不断消耗燃料为飞机提供动力。而在太空中飞行的航天飞机，几乎不受空气阻力的影响，因此，航天飞机在离地面 100km 的轨道上，不消耗推进剂就可保持 800m/s 的速度飞行三
6、、理想实验的魅力伽利略认识到，将人们引入歧途的是摩擦力，而摩擦力又是日常物体的运动中难以避免的。伽利略注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。实际上他也发现，球越来越慢，最后停下来。伽利略认为，这是由于摩擦阻力的缘故，因为他同样还观察到，表面越光滑，球便会滚动得越远。于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。图 1伽利略为了说明他的思想，设计了一个如图 1 所示的实验：让4小球沿一个斜面从静止状态开始滚下，小球将滚上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上
7、仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度就会滚得更远。于是他问道：若将后一斜面放平，球会滚动多远?结论显然是，球将永远滚动下去。这就是说，力不是维持物体的运动，即维持物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态，即改变物体速度的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。当然，我们不能消除一切阻力，也不能把水平木板做得无限长，所以这个实验是个“理想实验” 。四、生活中的牛顿第一定律俄罗斯有一位航天员（注：这位航天员名叫阿尼别列扎沃伊，他于 1982 年 5 月 13 日作为指令长进入太空，在空间站工作了211 天 9 小时
8、 4 分 32 秒，创下了当时在太空连续停留最长的纪录。2001 年开始参与培训中国航天员的工作。 ） ，在太空停留了 7 个月后回到地球，记者问他回来后有什么特别的感受他深有感慨地说：“需要重新习惯地球上的生活。 ”5图 2他举了几个例子：他们从发射场被送回饭店用餐时，拿起勺子喝汤，会觉得拿的不是一把很轻的勺子而是一台又大又沉的熨斗；想喝水，拿起杯子喝了几口，手就不自觉地松开了，结果杯子落在地上摔碎了；朋友跟他借个照相机用，他顺手把相机朝前一推，结果落在地上砸坏了这是什么原因呢?因为太空可以看成是一个不受力的环境在那里拿任何物体都不费劲。航天员在飞船中拿起一个“重物”跟捡起一小片纸屑一样轻松
9、；航天员把水杯、钢笔、纸、照相机等各种物体随手一放，它们就安稳地“浮”在空中；同伴要借用物品，你只需将物品向对方轻轻一推，物品就径直向他“飞”去航天员在太空生活较长时间后，习惯了不受力的环境，当他们刚回到地球时，仍然保留着太空中的习惯动作，于是就闹了一些小笑话。不过，在这位航天员的感受中，却蕴含着一个深刻的物理道理，那就是运动和力的关系。也就是说，维持物体的某一运动状态并不需要力，力作用的结果是改变了物体的运动状态。安全带和气囊也是根据惯性而发明的：道路交通事故多种多样，其中对车内人员造成伤害的，大多是由于运动中的车辆与其他物体发生碰撞。运动的车辆受碰撞突然停止。但车内人员在惯性的作用下仍以碰
10、撞前的速度向前运动，结果在车内甚至冲出车外与刚性物体发生第二次碰撞，因而造成伤害。设置安全带和安全气囊的目的6就是尽量避免或减轻第二次碰撞时车内人员的伤害。安全带是 20 世纪 60 年代初发明的。经过 40 多年的发展，现在的安全带均由强度极大的合成纤维制成，带有自锁功能的卷收器，采用对乘员的肩部和腰部同时实现约束的 V 形三点式设计。系上安全带后，卷收器自动将其收紧，一旦车辆紧急制动、发生碰撞甚至翻滚，安全带因乘员身体的前冲而发生猛烈的拉伸，卷收器的自锁功能便立即发挥作用，瞬间卡住安全带，使乘员紧贴座椅，避免第二次碰撞。安全气囊是安全带的辅助设施，于 1990 年问世。在车辆发生碰撞的瞬间，控制模块会对碰撞的严重程度立即作出判断，若确认安全带已不能承受，便在 1/100 秒内使气囊充气，让乘员的头、胸部与较为柔软有弹性的气囊接触，减轻伤害，最新式的汽车还安装了防侧撞气囊。7参考文献1、彭前程、杜敏等物理山东科学技术出版社 2005.11
