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力和物体运动关系的探究历程

admin2022-11-28 05:41 208人已围观

简介力和物体运动关系的探究历程

原文标题：《为什么苹果往下落，热气球却往天上飞？》

世间万物都在运动

宇宙万物都在运动和变化之中，物理学就是要研究它们的运动变化规律，研究它们为什么会运动、怎样运动。

我们能看见物体，是因为光子跑到眼睛里来了；我们能听见声音，是因为声波通过空气传入了耳朵；我们能接听电话，是因为有电磁波在给我们传递信息；至于苹果熟了会下落，推一下椅子，椅子会动就更不用说了。

如果没有运动，世界将是一片死寂，那也没物理学啥事了。

运动是如此普遍和显然，可物体为什么会运动呢？乍一看，这个问题好像很好笑，但仔细一想，你会发现它远没有想象的那么简单和理所当然。

为什么苹果往下落，热气球却往天上飞？我推一下椅子，椅子就往前走，一松手椅子就停了，难道有外力物体才会动？一个铁球比一根羽毛落得更快，是因为铁球更重一些吗？这些问题是如此平常，但回答起来却异常困难。古希腊时期很多自然哲学家都思考过这些问题，但答案都不太令人满意。

力和物体运动关系的探究历程

图源 pexels

比如，你看，我推椅子，椅子就动了。这个好理解 —— 通过接触传递力，也很容易接受。但是，苹果下落时，并没有东西跟它接触啊，为什么它还会运动呢？热气球上升时，也没有东西跟它接触，为什么它也运动呢？而且，为什么苹果往下运动，热气球却往上运动呢？难道说重物都往下落，轻物都往天上飞？

看到这里，有些同学肯定想说：苹果下落是因为受到了向下的引力，热气球上浮是因为受到了向上的浮力。很多家长在回答孩子的问题时，也喜欢直接这样甩答案。

这答案虽然没错，但它过于从天而降。孩子们通过这种答案只能获得一个零碎的知识点，无法了解背后的知识体系，也无法体会科学是如何建立起来的。古希腊人对自然界进行了细致的分析和深入的哲学思考，最后形成了一套自洽的自然哲学体系。

在这个过程中，出力最多、处于核心地位的是亚里士多德，我们姑且把这一整套看待世界的观点称为“亚里士多德世界观”。

这套观点认为：地球是宇宙的中心，日月星辰都围着地球转。地球上的物质由水、火、土、气四种基本元素组成。土元素天然会向宇宙中心运动（所以石头会掉下来）；水元素也天然向宇宙中心运动，但这一趋势比土元素弱（所以水也会往下运动，但在土的上面）；气元素天然向水和土以上运动（所以水里的气泡会往上面冒）；火元素有一种天然远离宇宙中心的趋势（所以火在空气中向上燃烧）。

一个物体如果趋于静止，要么是组成这个物体的元素已经达到了它在宇宙中的自然位置（比如水和土到了地球中心），要么是被其他东西（如地球表面）挡住了。一个静止的物体会一直保持静止，除非它有其他的运动来源（要么是自己趋于宇宙自然位置的运动，要么是外界给了力，比如我推桌子）。

其他观点我就不一一列举了，大家看了之后有什么感想？你有没有感觉，虽然这些观点在今天看起来很“幼稚”，但它却是一套自洽的体系。它能把自己的话圆回来，不会自相矛盾；它也能解释为什么物体会运动，能比较好地解释古人看到的各种现象。甚至，对小孩子来说，这一套理论更符合“常识”，更容易被理解和接受。但是，这并不是科学，而是自然哲学，真正的科学当时还没有诞生。亚里士多德世界观还要统治欧洲近 2000 年，一直到伽利略的出现。

伽利略的发现

伽利略认为，不能只对运动做定性的分析，还要做定量的计算。应该用数学定量地描述物体的运动，再用实验去验证，而不是仅仅讨论诸如物体的目的、本性这种形而上学、无法量化的东西。

这就意味着，伽利略放弃了古希腊以来的自然哲学传统，正式创立了以数学和实验为根基、以“描述自然现象”为任务，而不是尝试去“解释自然现象本质”的现代科学。重物会下落，那就看看它是怎么下落的，第 1 秒下落了多少，第 2 秒下落了多少，找找规律。

人们说物体越重下落得越快，那就来做实验，看看一个重铁球和一个轻铁球比是不是如此。人们说所有的物体达到它的自然位置之后就会趋于静止，那就来做实验看看到底是不是这么回事。

做了一堆实验之后，伽利略大惊失色，他发现事情根本不是原来想的那样。感觉靠不住，得用实验说话。

首先，伽利略从一系列斜坡实验中发现：一个物体是否运动，跟它有没有受力没有直接关系，运动不需要外力来维持。他设计了一个光滑的斜坡，发现不管从左边多高的地方放下小球，小球基本上都能达到右边相同高度的地方。

力和物体运动关系的探究历程

接下来，减小右边的坡度，让右边越来越平。那么，为了达到同样的高度，小球就得运动更远的距离。

力和物体运动关系的探究历程

最后，把右边的斜坡完全放平，那右边就变成了一个平面，高度永远不变了。这样，无论小球运动多久，运动多远，都不可能再达到与左边相同的高度。永远达不到左边相同高度的意思是：小球会一直匀速直线运动下去（假设地面绝对光滑）。这就像在溜冰场，地面越光滑，人就能一次性滑得越远。如果地面绝对光滑，人就会永远停不下来，直到碰到其他障碍物。

力和物体运动关系的探究历程

图源 pexels

通过这个实验，伽利略发现运动本身并不需要力来维持，物体不受任何外力作用时也能保持匀速直线运动的状态。那么，力的作用到底是什么呢？用力推椅子，椅子的状态确实改变了，也确实好像是用的力气越大，椅子运动的速度就越大。

伽利略针对这些问题做了进一步研究，最后发现：力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。也就是说，维持物体的运动不需要力，但改变物体的运动就需要力了，力还是非常有用的。小钢球在绝对光滑的地面上能一直做匀速直线运动，速度的大小和方向都不变。但如果用力推小球，小球的速度就会改变。伽利略的工作非常重要，他不仅开创了现代意义上的科学，指明了科学研究的基本方法，还身体力行，发现了大量物体运动的基本规律，给后人指明了方向。

来源：《什么是高中物理》

作者：长尾君

清华大学出版社

部分图源网络版权归原作者所有

编辑：张润昕

★ 作者简介 ★

长尾君，原名张文，2018 年 5 月开始以“长尾科技”之名在公众号上发表相对论的科普文章。此后，秉着“想学什么就尝试去科普什么，只有给人讲清楚了，才算学明白了”的费曼式学习态度，在“以科普促学习”的道路上越走越远。长尾君重点关注物理、数学、哲学以及中小学生的科学教育，坚持以极为通俗的语言和缜密的逻辑把复杂的科学问题说清楚，希望更多人能感受到科学的美丽。

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本文来自微信公众号：原点阅读（ID：tupydread），作者：长尾君，张润昕