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第一章运动的描述1.1质点参考系

在我们周围,到处可以看到物体在运动:汽车在公路上行驶,巨轮在海上航行,飞机在天空中飞行,树叶在摇动,鸟儿在飞翔……就连我们脚下的地球,也在不停地自转、公转。

物体的空间位置随时间的变化,是自然界中最简单、最基本的运动形态,叫作机械运动( mechanical motion)。在物理学中,研究物体做机械运动规律的分支叫作力学( mechanics ) 。人们在力学的研究中,不仅认识了物体做机械运动的规律,而且还创立了科学研究的基本方法。
这一章,我们学习机械运动的描述。
问题
生活中随处可见运动的物体,例如玩耍的孩童、行驶的汽车、翱翔的雄鹰……对于这些运动的物体,我们如何准确地描述它们的运动呢?
雄鹰拍打着翅膀在空中翱翔时,身体在向前运动,但它的翅膀在向前运动的同时还在上下运动;足球在绿茵场上滚动时,它在向前运动的同时还在转动……可见,要准确地描述物体的运动,并不是一件容易的事。
困难和麻烦出在哪里?稍加分析就可以知道,这是因为任何物体都有一定的大小和形状,物体各部分的运动情况一般说来并不一样。不过,我们有时关注物体各部分的运动,有时关注物体整体的运动。所以,如何描述物体的运动要看我们关注的问题是什么。例如,要研究雄鹰是如何飞行的,它的翅膀的运动方式很重要;但是,如果我们只关注雄鹰从哪里移动到了哪里,就不必太在意它的形状,把它看成一个点来描述它的运动就容易了。
下面我们来分析一些具体的实例,看看什么样的问题可以把物体看成一个点,什么样的问题不能把物体看成一个点。
我们生活的客观世界是物质的,物质由分子、原子等组成,我们所看到的物体是物质的聚集状态。机械运动描述的是物体位置随时间变化的规律。

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①亚里士多德( Aristotle,前384—前322),古希腊杰出的哲学家、科学家,形式逻辑学的创始人。在物理学方面,亚里士多德认为自然中一切对象都在不断地运动和变化。他首先给出了时间的定义,并认为既然运动是永恒的,那么时间也同样是永恒的。
人类居住的地球在绕太阳公转,同时又在自转。因此,地球各部分离太阳的距离不断变化。但是,如果考虑到地球的直径(约1.3×104km)还不到地日距离(约1.5x 108km )的万分之一,在研究地球公转引起的位置变化问题时,由地球的大小引起的运动差异很小,因此,可以忽略地球的大小和形状而把它视为点。
有些物体上各点的运动差异虽然不小,但如果我们不研究各点的运动差异,而只关注物体整体的运动时,同样可以把物体看作一个点。
什么情况下列车可以视 为一个点
例如,一列火车在平直轨道上行驶(图1.1-1 ),尽管它的传动机构及车轮的运动很复杂,但是,当我们只关心火车整体的运动情况时,就可以不考虑上述各部分的运动差异,而用一个点的运动代替整列火车的运动。
看来,在某些情况下,确实可以忽略物体的大小和形状,把它简化为一个具有质量的点,这样的点叫作质点”( mass point )。还有一种情况,虽然不能忽略物体的大小和形状,但是,物体上各点的运动情况完全相同。从描述运动的角度看,物体上任意一点的运动完全能反映整个物体的运动,于是,整个物体的运动也可以简化为一个点的运动,把物体的质量赋予这个点,它也就成了一个质点。
从前面的讨论可以看出,一个物体能否看成质点是由所要研究的问题决定的。同一个物体,由于所要研究的问题不同,有时可以看成质点,有时不能看成质点。
在物理学中,突出问题的主要因素,忽略次要因素,建立理想化的物理模型,并将其作为研究对象,是经常采用的一种科学研究方法。质点这一理想化模型就是这种方法的具体应用。

思考与讨论
运动员踢足球的不同部位,会使球产生不同的运动。足球运动中常说的“香蕉球”是球在空中旋转、整体运动径迹为类似香蕉型弧线的一种运动(图1.1-2)。在研究如何才能踢出香蕉球时,能把足球看作质点吗?研究什么样的问题可以把足球看作质点?
① 在高中物理课中,我们主要研究那些能够简化为质点的物体的运动,所以常常不区分“物体”和“质点”两个词。

参考系

要描述物体的运动,通常要先判断它是运动的还是静止的;如果物体是运动的,再根据需要来说明它是怎样运动的。我们说房屋、树木是静止的,这大概是不会错的。但是,房屋、树木在随着地球一起运动,这是事实。再比如,行驶的列车中的乘务员与旅客在交流,列车外的人认为他们随列车一起运动,但他们彼此看对方却是静止的。为什么人们的看法会不一样呢?
自然界的一切物体都处于永恒的运动中,绝对静止的物体是不存在的。就此意义而言,我们说运动是绝对的。但是,描述某个物体的位置随时间的变化,却又总是相对于其他物体而言的。这便是运动的相对性。
可见,要描述一个物体的运动,首先要选定某个其他物体作为参考,观察物体的位置相对于这个“其他物体”是否随时间变化,以及怎样变化。这种用来作为参考的物体叫作参考系( reference frame )
在描述一个物体的运动时,参考系可以任意选择。但是,选择不同的参考系来观察同一物体的运动,其结果会有所不同。参考系选取得当,会使问题的研究变得简洁、方便。当然,凡是提到运动,都应该弄清楚是相对于哪个参考系而言的。通常情况下,在讨论地面上物体的运动时,都以地面为参考系。
练习与应用
1.两个运动的物体:一个是被球拍击出的乒乓球,另一个是正在飞行的歼–20隐形战斗机。
请你为乒乓球和战斗机各创设两个问题,一个问题中可以把它(乒乓球或战斗机)看成质点;另一个问题中不能把它看成质点。
2.平常说的“一江春水向东流”“地球的公转”“钟表的时针在转动”“太阳东升西落”等,分别是说什么物体相对什么参考系在运动?
3.将近1000年前,宋代诗人陈与义乘着小船在风和日丽的春日出游时曾经作了一首诗:飞花两岸照船红,百里榆堤半日风。卧看满天云不动,不知云与我俱东(图1.1-3 )。
飞 花两岸照船红,百里榆堤半日风。
诗人艺术性地表达了他对运动相对性的理解。诗中描述了什么物体的运动?它们分别是以什么物体为参考系的?你对诗人关于“榆堤”“云”“我”的运动与静止的说法有没有不同的认识?
 
 

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