运动的描述——陪孩子学物理(八年上)

路人甲说:猪撞树上了,撞晕了。
猪说:树撞了我,然后就不知道了。
到底谁说的对呢?
重申:自然科学不能依赖于个体的感觉。

是否在动

——什么叫做动?必须有个不依赖于个人感觉的准确定义。
——为了以示重视,先给它弄个好名:机械运动。当然是为了区别物理学中其它的动法,如:电磁运动,分子热运动等。
——仅仅说一个东西动还是不动,没有意义。你在地球上某名山之巅静心打坐。月球上的外星人看你随地球一圈圈转啊转,感叹:他咋就不晕呢。
——运动是两样东西相对的位置发生了变化。所以,只要说某某在动,就一定有个作为参照的东西存在,并假设这个参照的东西是不动的。它就称为参照物。
——不同的观察者可能选了不同的参照物。但这并不影响双方对运动的描述的一致性。换句话说,参照系的不同,不会呈现出不同的物理规律。这很重要。这是自然界呈现给人类的最基本的对称性之一。
——你可以在一辆匀速行驶的车上做物理实验,它与在地面上做同样的实验结果会完全一样。也就是说,如果把你放在一辆完全封闭的匀速行驶的车中,你有各种设备和资源,什么都可以做,只是无法探测车的外部。那么,无论你如何去设计物理实验,都无法判定自己所在的车是停在地面上,还是匀速行驶中。
——这样说来,动还是不动,这没有意义。A相对于B在动,这才是科学的描述,才有物理意义。

动的快慢

——确定了是否在动以后,就开始关心动的快慢了。因为严格地说,不能定量地描述,就不是自然科学。
——还是老话,不能依赖于人的感觉。你看天上的飞机,地上的高铁,谁更快些?如果不依赖于人,那该如何科学地定义运动的快或慢呢?
——机械运动除了与位置的变化有关,还与时间有关。试想,给你若干匀速列车的照片(也有车内,也有车外),能看出列车的速度吗?不能。因为你不知道这些照片拍摄的时间间隔。可见,速度肯定与时间有关。
——现在假设你是孤胆英雄。你要从一辆匀速行驶的轿车上跳到地面上。为了最大程度减小可能的损伤,你应该如何跳?为了确切描述,现定义轿车的行驶方向为前方。那么,你跳的时候,朝前跳,还是朝后跳?脸朝前还是朝后(注意“前”的定义)?
——想清楚后,来翻大片吧,看看英雄们都是如何损害自己的。英雄不学物理的悲哀啊!要减少损伤,人相对地面的速度越小越好。无论什么英雄,跳时他相对车的速度比车相对地的速度还快?不能吧。所以,落地肯定向前滚,你说脸朝哪边好?
——正确的姿势:朝车行进的反向跳,脸朝车行进方向(也就是脸朝前,以向后仰的姿势向后跳,虽然这有点怪怪的)。好了,你又掌握一项当英雄的技能。八成就差一个美人等着你去救了。下图跳法是错的,但比往前跳能稍好点。


跳车.png

——对运动的相对性,再举个恐怖的例子(胆小的直接跳过吧)。假设你带上德国产的最好的防弹钢盔,一个狙击手800米外一枪打中钢盔,但没打穿,你会怎样?先喝杯铁观音压压惊吧,因为这只是假设。如果是真的,很遗憾,你至少已脑振荡了。因为以狙击弹的速度,就算你的钢盔有10斤重,被击中后速度也会达上百公里,想一下,100公里时速的车撞你,会什么结果。至于到底是钢盔以100公里的速度撞头,还是头以100公里的速度撞钢盔,从物理学的角度看,这没有任何区别,因为运动本来就是相对的。(顺便说下,国产某些神剧又要跟物理过不去了)

速度的复杂性

——请测出你家门前小河中,水的流速。什么?没有小河,现挖是来不及了,政府也不让。没钱买车票的话,就展开想像的翅膀吧。
——水上放个羽毛,用相机拍照,好主意。要当心,羽毛可能不走直线啊,还可能边走边旋转。放羽毛前先测羽毛大小啊。比较棒的方法是羽毛旁放把尺子,然后拍照。(你知道公安给现场拍照的时候,经常会放把尺子的,很多公安破案的大片又要穿帮了)。什么,没测羽毛就仍水里了?活该你立即下河捞羽毛。
——现在告诉你,只说河水的流速是不科学的,因为河的横断面中,不同位置的水的流速是不一样的。靠中间快些,还是靠两边快些?水面快些还是水底快些?速度不同会引起旋涡吗?会往哪个方向转?小河转弯的地方会怎么样?南半球北半球会不会不同?转弯处河床哪边冲刷大些?小河会趋于更弯还是会趋于变直?河底是沙子或是水草会不同吗?
——一入此道深似海,科学的魅力和威力开始向我们显现了。
——再做一次单摆的实验。发现没,你再小心,这个摆绳的运动都可能不在一个平面内。如果故意手抖,你会很容易看到摆锤在画出一个类似椭圆的轨迹(摆锤轨迹根本不在一个平面里,注意,这里说的是摆锤,不是摆绳,摆绳的运动不在一个平面是显而易见的),多来几次,会弄出一个摆锤轨迹恰为圆的情形(这时摆锤的轨迹在一个平面内,但摆绳的轨迹不在一个平面内),这就是圆锥摆。这种摆的周期会和摆的幅度相关吗?那么,稍微有点偏离平面的那种四不像的摆法,其周期会比单摆长点还是短点?如果不让你看真实的摆,而是用灯光把实验投影到墙上,你通过分析这个投影能确定出实验的是哪种摆法么?


圆锥摆.png

——你是舰长,现在水手报告,水深5旬,航速9节。这个航速是船相对于什么的速度呢?怎么测的?古时候,可什么先进设备都没有。海水是静止的吗?会有规律性洋流不?如果水相对于海底也在动,船长怎么计算船的当前位置呢?人类航海史是一部冒险史,也是一部技术史,多去看看吧,比连续剧震撼得多呢。

再见

——这节课本都是描述性的内容,比较短。所以就说再见吧。
——慢。再见要怎么说。声音本身也是有速度的。我说完多久你才能听到呢?既然有速度,那就是有运动了。那是什么东西相对于什么东西的运动呢?
——又假如,我站在一辆飞驰的列车上说再见,并同时挥手,你要多久才
听见?列车是开来的或是开走的,声音听起来有何不同呢?这里会发生一种叫多普勒效应的现象。如果不是声音而是光,就称为红移或蓝移了(光速比声速快得多,但不是无限快。太阳光到地球需要8分钟呢)。你会听到我的音调变高或变低了。假如我在列车上一直弹奏钢琴的中央c,你听到的声音更接近哪个音?
——这不是无聊的想象,最初为了验证多普勒效应的数学公式,就是在列车上发声,找音乐家在路边靠耳朵听的。
——告诉你声速在空气中是340米每秒。国际短跑比赛中,第一第二相差经常是多少秒?按这个声速估算,离发令枪远的运动员会明显吃亏吗?如何解决这个问题才更公平?
——声音在水中传播速度比空气中快吗?在岩石中呢?看到电影里,耳朵贴地听远处的军队的声音,有用不?能提前多少得知信息?声音在什么样的环境中传播会衰减的小些?给孩子买个听诊器吧。闲着没事儿听听心脏声音的细节。听说法国有个牛人,善用听诊器,拍拍酒桶就知道葡萄酒的发酵度,估计他也能听出心脏的问题,但是没有执业资格。
——听说过超音速飞机不?坐在这种飞机上是不是特别安静?因为声音都被飞机甩在后边了?

结束语

科学无止境
保持一颗质疑的心
还有
打破砂锅问到底的韧性

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