经典力学,是研究通常大小的物体在受力下的形变,以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。
我们这里所指的力,是物质间的一种相互作用,它能够引起物体运动状态的变化。静止和运动状态不变,则意味着各作用力在某种意义上的平衡。状态的改变,则必然有力的作用。因此,经典力学可以说是研究力和机械运动的科学。
经典力学,是物理学、天文学和许多工程学的基础,机械、建筑、航天器和舰船等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。在经典力学世界:里,有着许许多多的奥妙在等着我们探索。
别犹豫了,马上走进这神奇的经典力学世界去遨游吧!“不和”的孪生兄弟我如果问你:汽车向前行驶是谁推动的?你一定会说:“靠发动机啊!”不错,发动机可以带动车轮转动,车轮一转汽车便跑起来,这似乎是毫无问题的。
我再问你,如果汽车陷在淤泥或者沙坑里,车轮照样转动为什么汽车却不向前进呢?轮子不是在转动吗?可见,汽车前进的功劳不能只归功于发动机,还和路面有关系。下面的小实验可以说明这个道理。
找一块大约1米长的三合板,把木板放在水平的桌面上,下边垫上几根圆柱形铅笔,让木板和桌面之间的摩擦力越小越好。再找一辆带电池的玩具小汽车,让它在木板上行驶。当小汽车前进的时候,木板后退了。
如果没有玩具小汽车,也可以用一个线轴和橡皮筋、小木棍(冰棍的木芯就可以)自制一个用橡皮筋作动力的小车轮。用这种线轴车做这个实验,三合板可以改用硬纸板。先旋转小木棍把橡皮筋拧紧,然后放到硬纸扳上,注意让木棍一头顶着“地板”,小车就会前进了。
这个实验说明,汽车所以能够前进,和汽车轮胎与地面之间的摩擦力有关系。汽车轮子一转,由于摩擦力的作用,车轮便给了地面一个向后的作用力,这个作用力作用在路面。与此同时,路面也产生了一个反作用力,作用在车轮上,方向向前,使汽车向前运动。淤泥或沙坑不能给车轮以足够的反作用力,所以汽车轮子陷进淤泥或沙坑,汽车便不能前进了。
走路,也是靠地面的反作用力。脚向后蹬的力量越大,人就走得越快。运动场上的短跑运动员在起跑的时候,为了得到较大的反作用力,常使用起跑器,起跑器能给运动员较大的反作用力使运动员像箭一样地冲出去。
力是两个物体间的相互作用。一定要有两个物体相互作用,才有力出现。
甲物体作用于乙物体,乙物体也同时作用于甲物体,我们分别称它们为作用力和反作用力。这两个力必定同时出现,谁也不能单独存在,有作用力必定有反作用力。
找两个软木塞,再找一根铁针和一只磁针,把磁针和铁针分别插在软木塞上,让它们同时浮在水面上,叫磁针去吸铁针。结果怎样呢?不仅铁针在向磁’针靠拢,磁针也同时向铁针靠拢。可见铁针也在吸引磁针。
你也许会说浮力没有反作用力,下面的几个实验会使你确信,浮力也有反作用力。
在天平的左盘上放上一杯水,杯外放一块木头鱼(或一个木块)。天平的右盘上放上合适的砝码,使天平恰好平衡。想一想,如果把木头鱼放进杯子里,天平是不是还平衡?在做这个实验之前,有的同学会认为,天平不再平衡了,木鱼在水中要受到水给它的浮力,鱼的重量被浮力抵消了,不再压在天平的盘上了,放砝码的盘子要下降。也有的同学会认为,天平仍然应当是平衡的,因为把木鱼放进水杯前后,左盘内的总重量没变。
到底哪种说法对呢?你不妨试一试。
实验的结果你会发现,把木鱼放到杯子里以后,天平仍然是平衡的。
那么,是不是后一种说法对呢?其实,后一种说法只说对了结果,而没有把理由说完全。木鱼漂在水里是因为受到浮力,木鱼的重量确实是被浮力抵消了。问题是,木鱼受到浮力作用的同时会对水产生一个反作用力,这就是浮力的反作用力。它的大小和木鱼的重量相等,压在水上,水又把这个力传给天平,因此,前后两次天平左盘受到向下的力没有变化。这说明,浮力也有反作用力。我们再做一个实验。
把一个重物用绳子拴好,然后用手捏着绳子头放到平衡好的天平左盘的水杯里,重物不要碰着杯底。原来平衡的天平居然不平衡了。
令人费解的是,手始终是提着重物的。为什么天平还失去平衡呢?看来,这不是重力引起的。经过一番思索,你会想出,是浮力的反作用力使天平失去平衡。
再做一个实验:在天平两边的盘子里各放一杯水,天平正好平衡。现在有质量相同的铜块和铁块,用线拴好后用手捏着绳子头,把它们分别浸没在两杯水中,但都不放到杯底,问天平是否平衡?甲同学认为:“天平还是平衡的,因为两边的总重量都相等。”乙同学认为:“天平不平衡了,因为铜的密度比铁大,所以同样质量的铁块比铜块体积大,浸没在水里,铁受的浮力大,因此它给水的反作用力也大,所以铁那边应当下降。”实验的结果,也证实了铁块那边将下降。乙同学说对了,可以看出,浮力确实有反作用力。
从这里,我们可以看出,作用力和反作用力总是成对出现,就好像是一对孪生兄弟一样。它俩一同产生,一同消失,绝不能单独存在。
作用力和反作用力亲密无间,宛如一对孪生兄弟,但偏偏又是两个对头。
首先,作用力和反作用力总是分别作用在两个物体上,不住在一起。你看:磁铁吸铁的作用力作用在铁块上,而铁吸磁铁的反作用力则作用在磁铁上;在碗边磕鸡蛋的时候,鸡蛋的作用力作用在瓷碗边上,瓷碗边的反作用力作用在鸡蛋壳上;水的浮力作用在木块上,木块的反作用力作用在水中。
……
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