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第4章 力学世界(3)

秘书打开楼梯的天花板,爬到四楼顶上去了。使馆人员在报警后也跟着上去,却找不到秘书。阿贝贝忽然想起刺在画家脖子上的那把剑,想到上面的橡皮筋,想到电梯顶棚上的通风口,便对使馆人员说:

“那个秘书就是杀人犯!”

这时,警察也迅速赶到,面对阿贝贝肯定的语气,“你为什么判断那个秘书就是杀人犯呢?”使馆人员和警察同时向阿贝贝提出这个问题。

阿贝贝分析说,秘书一直觊觎(jìyú,企图得到不应得的东西)画家的成果,他想利用这次来访之机,借刀杀人,转移警察视线,就预先在楼顶拴上一根又粗又长的橡皮筋,它的下端拴上一把锐利的短剑,通过电梯上面的通风口悬挂在电梯里。画家乘电梯时,因为是坐轮椅,他的位置只能在电梯间的正中,恰好在短剑的下方。当他进入电梯时,一般不会抬头向上看,难以发现头顶上的短剑。当电梯下降时,短剑挡在电梯里,橡皮筋被拉长,短剑受到向上的拉力,压在电梯顶部。当橡皮筋的伸长远远超过它的弹性限度时,就被拉断。这时,悬空的短剑就会下落刺中画家。秘书假装不知,抽身逃走,这反倒露出马脚,终于受到应有的法律制裁。

一般情况下,凡是支持物对物体的支持力,都是支持物因发生形变而对物体产生弹力,所以支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体。

胡克定律(弹性定律),是胡克最重要发现之一,也是力学最重要的基本定律之一。在现代,它仍然是物理学的重要基本理论。胡克定律指出:“在弹性限度内,弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成正比,即f=-kx。k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。”为了证实这一事实,胡克曾做了大量实验,包括各种材料所构成的各种形状的弹性体。

12.安全驾驶

天渐渐黑了,小李开着车飞驰在机场高速公路上,这次是开车去接一位教授。一路上,小李想象着这位客人是什么模样,怎样能找到他。谁知,一走神,汽车朝一堵墙开去,原来是走到了一个丁字路口。怎么办?他非常冷静地处理这种突发的情况,在行驶的方向上急刹车以争取停在墙的前面。

经验和直觉让他迅速急刹车。“吱”的一声车停在墙前,好险啊!幸亏周围没人没车,他下来检查一遍,除了因刹车使车轮磨损较大以外,其他的地方都没有损伤。他再次上车,将车倒回公路上,又上路了。他全神贯注地开到机场,顺利地接到了教授。

在回来的路上,又走到丁字路口,他倒吸一口凉气:“刚才好险啊!”教授问明情况后,解释说:“你很沉着果断。不过,急刹车磨损太大,你还有更好的办法可以采用!”

“什么办法?是不是急转弯?”小李问。

教授说:“不能急转弯。如果不减速而急转弯,势必会碰到墙上。因为,按转弯半径等于刹车所用的距离来考虑,使汽车转弯所需要的力,是向前急刹车所需要的力的两倍(将来利用高中物理的公式可以很容易推出这个结论)。这力哪里来?只有依靠车轮与公路的摩擦力。既然这个摩擦力只能使汽车刚好停在墙前,那么靠同样大的摩擦力就不可能在碰墙之前转过弯来,必然撞墙。所以不刹车而急转弯是最不安全的办法。为了减少急刹车造成的磨损,可以适当刹车同时转弯。刹车时,能把车轮与地面的滚动摩擦变为滑动摩擦,摩擦力增大了,转弯半径就可以减少。在这种情况下,怎样才能做到适当刹车也不是容易掌握好的。还有,向哪个方向转弯更安全些呢?向右转弯?向左转弯?当然是向左转弯,因为我们都是靠右行驶,向左转弯的半径比较大,相对来说更安全些。总之,如果掌握得恰到好处,那么适当刹车的同时向左转弯,结果会更好些。”

在我们坐车时,为什么车向左拐时,我们的身体向右倒呢?其实这也是惯性造成的。“子弹离开枪口后还会继续向前运动”,“水平道路上运动着的汽车关闭发动机后还要向前运动”这些都是惯性。惯性与力有着极大的差别:①惯性是指物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质;而力是指物体对物体的作用。惯性是物体本身的属性,始终具有这种性质,它与外界条件无关;力则只有物体与物体发生相互作用时才有,离开了物体就无所谓力。②惯性只有大小,没有方向和作用点,而大小也没有具体数值,无单位;力是由大小、方向和作用点三要素构成,它的大小有具体的数值,单位是牛顿。③惯性是保持物体运动状态不变的性质;力作用则是改变物体的运动状态。

牛顿第一定律(即惯性定律)是:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质就叫做惯性。

13.被抛出去的尸首

林肯这个名字在美国家喻户晓,他是美国第16任总统,还领导了黑奴解放的革命战争。

林肯24岁时在一个乡村邮局当代理局长。那时,他每天的工作就是把信件一一送到收信人的手中。

一天早晨,他给刚来这里不久的一位神父送信,却一直叫不开门。神父自己单独住一间小屋,他心想神父也许出去散步了,于是便去田野间寻找神父。还没走多远,他就远远看见神父倒在地上,背上还插着一支箭。

林肯马上报了警,当警察来到时,一看那支箭,就知道是与这个村有仇的一个土著酋长在实施报复。

细心的林肯发现,杀人现场既没留下凶手的脚印,也没有被害人的脚印。脚印哪里去了?

警察说:“没有凶手的脚印,这不奇怪。因为凶手是从远处射的箭。可是昨晚下过雨,土是湿的,如果神父走过,一定会留下脚印的。”

“莫非神父是昨晚下雨以前就被害了,雨把脚印冲掉了?”林肯猜测着。

“不,如果是那样,神父的衣裳和身体也应该是湿的。”

“是风吹干了吗?”

“也不是。你看神父伤口凝固的血,并没有被雨水冲洗的痕迹。”

身高1.93米的林肯环顾四周,他看到在3米远的地方有块高2米的板墙。板墙的那边是个破旧的大院,院子里有棵大树,树上还挂着一个秋千。林肯细心地观察,在板墙的附近也没有脚印。

由于警察个子不够高,他看不到院里的情况。林肯把看到的情况说给警察听。

突然,林肯说:“我知道为什么没有神父的脚印了。”

他抱起警察让他看板墙的那边,但是警察仍然大惑不解。林肯解释了一遍,警察连连点头表示信服。后来的事实,证实了林肯的推断。

到底为什么没有神父的脚印呢?

原来,神父早晨散步来到院子里,心里高兴,就荡起秋千。藏在远处的凶手,正好在神父荡到最低点,就是离地面最近时射中了他。荡秋千的过程,是重力势能与动能互相转化的过程。经过最低点时,势能最小而动能最大,所以此时人的速度最大。神父被箭射中后,失了手,在惯性的作用下,被斜向上抛出,在脱离秋千踏板后,被抛过2米高的板墙,落在板墙外3米远的地上,所以没有留下他的脚印。从理论上讲,若以与地面成45°角斜向上抛出,则抛得最远。

你们知道故事中动能讲的是什么吗?其实,动能定理是描述物体在空间运动的位移过程中,合外力对物体做的功与物体功能变化之间关系的物理规律。

重力势能是物体和地球组成的系统所共有的,而不是物体单独具有的。重力势能的大小是相对的,即它的大小与参考平面的选取有关。原则上,参考平面可任意选择,一般选择大地为参考平面;而重力势能大小的改变是绝对的,即它的大小与参考平面的选取无关。

14.身陷绝境,裹毯滚坡

公元263年,邓艾和钟会是魏国的两员大将,他们分别率领大军去征讨蜀国。当钟会率领的大军攻到剑阁时,遇到了蜀国大将姜维的顽强抵抗,姜维把守险要的关口,居高临下,钟会难以推进,只得在剑阁外安营扎寨。这时,邓艾发现钟会想独占征讨蜀国的军功,便前去见他。

钟会劈头就问:“邓将军,我这里剑阁受阻,你有何攻蜀良策啊?”

邓艾说:“将军必须出其不意,攻其不备。你可以派兵走剑阁西面的阴平道,直取成都。这条小道全是悬崖峭壁,蜀军几乎没有设防。”

邓艾说完,钟会马上意识到邓艾想引自己误入绝境,便想顺水推舟,于是他说:“那就先请邓将军引路吧!”他预料,邓艾纵有三头六臂也难以通过这条险路,让他抢头功去吧。

听完钟会的话之后,邓艾决定率精兵而去,他一路逢山开路,行军非常艰难。有一天,邓艾率领的大军来到了摩天岭,将士们向下一看,全是陡峭的大斜坡,已经是无路可走。这时,许多人坐在山头上大哭起来。

邓艾近前一看,心中暗暗吃惊,但他镇定地对大家说:“我们至此已无退路。前面虽险,但只要通过眼前的斜坡,便可直取成都,大家同去享受荣华富贵。众将士,跟我来!”

说罢,邓艾就用毛毯把全身裹起来,沿坡滚下,刹那间便通过了险坡。众将士也不敢怠(dài)慢,先将兵器扔下去,然后各自取出所带的毛毯,裹住身体滚坡而下。几千名将士终于从绝境中闯了出来。不几天,邓艾大军直逼成都,迫使蜀后主投降。

看到这里,人们都会非常惊讶,邓艾率领的将士们怎么没有摔伤呢?其实原因是这样的,人向下滚坡时,难免与凸凹不平的坡路碰撞。由于速度很快,必须要防止撞伤,为此就要设法减少相互碰撞时的作用力,毛毯就起着这种作用。

为说清其中的道理,先看鸡蛋下落掉地的情形。当鸡蛋从相同的高度落到石头上时,每次都会碰破;而落在棉花堆上就碰不破了。两者的不同在于碰撞时间。所谓碰撞时间,就是鸡蛋从触地瞬间的下落速度到静止所用的时间。碰上坚硬的石头,鸡蛋立即静止了;碰上柔软的棉花,则是先将棉花压缩,“慢慢地”静止下来。

物理学原理告诉大家,物体的速度迅速变化时,它受到的力一定大,而缓慢变化时,它受到的力一定小。这样大家就可以明白,人在裹上毛毯滚坡时,一来,毛毯避免了人体与山坡的直接接触;二来,毛毯的柔软松厚能延长碰撞时间,以减小碰撞时的作用力。这与鸡蛋落在棉花上类似,只不过这里不是鸡蛋碰棉花,倒像是棉花碰鸡蛋了。

人走路时,脚与地面之间有何作用?这些是什么性质的力?力是存在于两物体间的相互作用,甲物体对乙物体有作用力,乙物体也必对甲物体有作用力。它们相互以对方作为自己存在的前提,不能孤立地存在。我们把其中任意的一个力叫做作用力,另一个力叫做反作用力。

根据牛顿第三定律:两个物体间的作用力和反作用力大小相等、方向相反,在一条直线上。

15.手不沾水取出硬币

在明光中学的实验课上,老师在桌子上放着一只大而浅的盘子,盘子里有一枚硬币。张老师一边向盘子里倒水一边说:“水面已经超出硬币了。条件是不许把手沾湿,而把硬币取出来,哪位能做到?”

话音刚落,学生们就纷纷议论起来,又说又做,真想出了不少办法呢!

小余的办法是:带上橡胶手套将硬币取出来。

小赵的办法是:用手拿着镊子把硬币夹出来。

小刘说,等水蒸发完了,再用手拿硬币。

小李干脆把盘子拿起来,小心地把水倒掉,等硬币上没水了,再用手拿。

小程拿一条干毛巾把盘子的水吸干,然后用手拿出硬币,并说这是利用毛细现象吸水。

小柳拿一只玻璃杯,把点燃的纸团放进去,等杯子烧热了,将它倒扣在硬币旁边的水上。只见盘子里的水被吸到杯子里去了,硬币上没水了,便可用手取出。他说这是利用大气压力将水压到杯子里去了。

小梁拿了一条橡皮管,先没在脸盆里,使管子里充满水,用手指分别堵严两边的管口,一头放入盘子的水里,一头下垂在盘子的下面,然后松开手,盘子里的水便自动顺着管子流出,直到全部流干净为止。硬币干了,再用手取出。他说这是利用虹吸现象排水,本质上也是大气压力的作用。

一下子想出这么多办法,张老师很高兴。他对大家说:“其实想实现让手不沾水取出硬币的方法很多,大家还可以继续想。各种问题都可以从不同的角度多想几种方法去解决,这就是所谓的发散思维。至于哪种办法好,这不能一概而论,要根据实际的要求和条件去判断。大家还要注意,有了许多办法,应该把它们整理一下,作一个分类归纳的工作,这样就容易抓住每种思路的实质,便于沿着正确的方向再找新的方法。你们把上面的各种方法归纳一下吧。”

这种方法可以归纳为两条思路:一是把手隔离起来再与湿的硬币接触,如戴手套、拿镊子;二是使硬币脱离水,变干,手就可以直接拿了。这后一条思路又可分为两种:一是水不动,使硬币离开水,如用木棒将硬币从水中拨出来;二是硬币仍在盘中而把水引走,如靠蒸发、毛细现象、虹吸作用等。

大气压的变化跟哪些因素有关?它是怎样变化的?

大气压的变化跟高度有关。大气压是由大气层受到重力作用而产生的,离地面越高的地方,大气层就越薄,那里的大气压就应该越小。不过,由于跟大气层受到的重力有关的空气密度随高度变化不均匀,因此大气压随高度减小也是不均匀的。

大气压不是固定不变的。为了比较大气压的大小,在1954年第十届国际计量大会上,科学家对大气压规定了一个“标准”:在纬度45°的海平面上,当温度为0℃时,760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。既然是“标准”,在根据液体压强公式计算时就要注意各物理量取值的准确性。

从有关资料上查得:0℃时水银的密度为13.595×10.3kg/m3,纬度45°的海平面上的g值为9.80672牛顿/千克。

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