思颐浩工重庆社 编辑/载:思颐浩工总制社技术支持团队 11 自身运动状态不变的体现,可是以上的“链接”太根深蒂固了!直接导致了同学门概念的不清晰。
不如直接跳回“运动”进行分析,两类“倾向”的不同便会清晰眼前了。以前所说的“倾向”是外界要将物体的这种运动状态改变为另一种运动状态的“倾向”;而离心运动中的“倾向”则是,抵抗外界将其将其本身运动状态改变,从而使自身运动状态不变的“倾向”!
一个是“倾向”于运动状态的变化,一个是“倾向”于保持原来运动状态、抵制运动状态的改变。根据牛顿第二定律对力的定义,后者当然没有力的作用。因此离心运动不是在离心力作用下的运动。
2. 一种异端的说法
有些平时喜欢没事就乱想的同学说:“既然物体的运动形式都是由圆周运动改变为了匀速直线运动了,何以说他的运动状态没有发生变化?既然运动状态都发生了变化,又何以说他没受到力?”于是思维活跃的他们提出了离心运动和离心力的另一层关系!即在离心力与向心力的相互平衡下,物体得以保持原有“平衡状态”
很显然以上说法是以,宇宙中任意一点为参照系,描述运动的变参量也就只有:R(物点距),ω(角速度),V法(矢移速度)其中一种运动状态对应于V
法
=0;与各自恒定的R、ω。也就是说一种匀速的圆周运动对应于一种运动状态。
那么,依照这样的说法,作离心运动的物体确实受到了离心力的作用。
当然使这种想法成其为理论,也确实能给现象以正确的解释。(这是很明了的事情。因为他也是对周围现象的反应,由周围现象为出发点,以一种方法上升至相应的理论;然后由理论为出发点以上述方法的逆方法进行反推也可以正确的预言下面的运动。)但是这种理论对运动状态定义都如此繁琐不若牛顿理论仅用一个“线速度”轻易定义来得简单,也就注定了其理论不可能广泛的被应用。其次牛顿的理论直接定义了个惯性空间作为广义参考系,而这个理论的参考系却只有一点,这也就注定了他只能被小范围应用(不过用人类的眼睛看宇宙,不也就是以一点为参考系的宇宙么?)。
思颐浩工重庆社 编辑/载:思颐浩工总制社技术支持团队 12 我们也就不必再去讨论这个假说了,反正在我们现在学的牛顿的体系中,作圆周运动的物体是不会无缘无故受“一个自身产生的离心力”的作用的;作离心运动的物体也不可能是在离心力的作用之下的运动。
3.离心力概念的初步分析
以上我们粗略的说了一下那个“异端”的说法,也提到在那样的背景下,离心力的作用使物体远离参考点作离心运动。但是最后我们明白了,在牛顿体系的背景下,不存在离心力驱动物体本身作离心运动的这回事!那么,离心力到底是什么呢?
在我的脑海里,曾经老师这样说过:当离心力大于向心力的时候,物体做离心运动;当向心力大于离心力的时候,物体作向心运动。这种叙述好像已经默认了离、向心力都是同时作用在圆周运动的物体之上的一样。于是肯定离心力不存在的人们就问:离心力的施力物是谁?连施力物体都没有,何谈作用的存在呢?非惯性系我们还可以借助惯性力这个依附与参考系之间作用的作用,而惯性系下呢?所以他们一口咬定在惯性系里不存在离心力,而这仅仅是因为他们找不到施力物。
而离心力这一概念的提出最初还是来源于人们对这世界亘古公理——“运动”的感受。当我们拿着一端绑着重物的绳子的另一端,把它在空中旋转的时候,自己会明显的感觉到有力把手往外拉。于是离心力的概念萌芽了。
由于人类天生杰出的逆向推理能力:既然圆周运动的物体能给人一个向外拉的力,则由于力的传递性的逆推,他自身也必然受到和这个力相同方向的力。那么这种“物体本身受到的”具有背离圆心的方向的效果力也就是人们影响中的那个“离心力”了。当然物体所受的“离心力”在惯性系中确实找不到施力物。
但是,事实上“离心力”对于作圆周运动的物体来说,他不是物体所受到的力,能普遍适合于静力学的里的逆推在圆周运动体系中不成立。这就如一个高速撞向前方一静物的物体一样,我们不能因为他门在碰撞是有多大的“冲力”就断言此运动物体在运动时也受到这个力的作用一样!
“冲力”则是运动由于惯性而对阻碍他运动的物体产生的作用。结合二小节中分析出来的“轨道约束”的概念,我们可以把这种“阻碍”看作“轨道约束”
思颐浩工重庆社 编辑/载:思颐浩工总制社技术支持团队 13 的极限。那么离心力在某中程度上来说,和“冲力”应该是同一个性质的效果力咯!
4.“返朴归真”
运动才是这个世界上亘古的公理,就离心力而分析离心力,脱离了运动研究力,或只就个人主观感受,都只能让人陷入难以抉择的泥潭。
现在我们就来分析一下圆周运动系统模型: A、O之间有距离约束R,
O相对于相对了惯性参考系是固定不动, A则有如图示之速度。
综观A的运动趋势,必然会远离O点。然而,由于OA间距离的约束存在,再加之O点是固定的,所以O必然会“通过约束”把A“拉”回来,从而维持约束的不变,是为“向心力”;而力的作用是相互的,A也因具有摆脱约束的趋势而对O有一反作用,是为“离心力”
其实OA距R,以及O点的固定,便决定了运动物体A接下来的运动轨迹不再是如图速度方向所示的直线,而是以O为圆心R为半径的圆了。模型所示的两个固定,其实就是一种轨道的约束。而这种轨道的约束与惯性状态下的直线轨道相冲突,所以便产生了约束物和被约束物之间的相互作用。
由此联想:只要物体在运动过程中受到某物体的约束使之改变惯性运动轨道,而它也确切改变了惯性运动轨道,那么他们之间也就确切存在着约束与反约束的作用,即离心力与向心力的相互作用。因为离心力和向心力都是效果力!
所以,我们可以从约束和反约束的方面给这两个概念定义,如下。 轨道约束:一物体或一物体群对另一运动中的物体的作用,其效果会使此运动物体的轨迹变为非直线的。
向心力:施加轨道约束的物体,为了实现约束,而给被约束的物体施加的,使其改变原运动方向的力。
离心力:被轨道约束的物体,由于惯性,为了反抗约束,而给约束他轨道的物体的作用。
思颐浩工重庆社 编辑/载:思颐浩工总制社技术支持团队 14 离心力和向心力,他们都是效果力,而且是作用力和反作用力的关系。其中向心力的作用只限于对运动物体的速度方向的改变,而对大小无影响。这也就决定了,这两个力的方向始终是被约束物的轨道法线方向。 四、在大框架基础上的教学
一直都在提及离心力这个概念,可是现有资料上都没怎么提过,请教老师也是各说各的。现在看来一点也不奇怪了。因为离心力与向心力是分别作用在两个约束关系的物体上的,由于在研究中我们常常研究的被约束物的运动,所以对作用在被约束物上的向心力的关注较多,却冷落了离心力。
在做这篇论文的时候我突然想到了牛顿的故事。巨星的“陨落”也就缘于不明事理的追求。当过度的畅翔于概念的空间而举步唯艰的时候,他没有更好的去思考我们身边的现实。物理学是描述运动而作用于运动的一门科学,它自身就是一个以运动开头又以运动结尾的圈。自身是无法解释自身的,就如同生物的最终解释在于化学,而化学的最终解释还要到物理学科里去找答案一样。然而他请求的“外援”科学又太过虚幻了。
当我们陷入思维种迷茫的时候,跳出繁杂的概念包围,回到运动模型中去,使思维清晰后又才能宏观的把握住思维的进度,更叫清晰的掌握概念。在思维的过程中始终保持好一个大的框架,即承认运动的绝对正确性,那么我们的研究就不会走向极端。这也许对高层次的研究没有什么说服力,但是对于我们的物理教学,不能说不是一种启发。
我们从事的是物理学基础教育。基础的物理学的结论是能够直接在身边清楚的感觉到的。就如同我在推演的过程中,往往都是概念和现实的对比,用运动事实去一步一步地修正明确概念,然后再在分析一个由运动抽象出的模型的过程中,得出了我们想要的结论。
只要我们让学生们一直都能清醒的意识到自己的物理学习在运动这个大框架基础上进行的。那么,他们就会在无意识中去把很多概念同生活实际相结合,很好的提高他们的物理思维能力,和掌握知识的正确度。
同理,在其他学科的教授过程,以及整个教学过程中我们都能够在以相应的大框架的基础上进行工作,让孩子们知道怎么学科与自己生活的联系,无疑这就
思颐浩工重庆社 编辑/载:思颐浩工总制社技术支持团队 15 类似于了一种目标教育。而在目标教育的过程中,由于学生们将理论和现实的反复类比,也增强了知识的运用性。
总 结
离心力是被轨道约束的物体,由于惯性,为了反抗约束,而给约束他轨道的物体的作用。此论文通过对概念结合实际的推演,得出了如上的定义,而且叙述也不是冗长。这个结论能让中学生明白物理学的简洁美。结合现象对物理概念的理解和整理能使学生们更加深透的理解物理概念。在前期推导过程中,我体会到了一种深刻的“大框架”教法。简单的描述也就是:把很多概念同其所描述的现象相结合,重视现象在教学过程最重要是在学生思维中的作用,使学生的思维由概念思维转向现象思维,能从周围现象中直接提取知识。 参考文献:
[1]许保国、王福山主编,《简明物理学词典》[M],上海辞书出版社,1987年12月第一版第一次印刷,P6
[2]许保国、王福山主编,《简明物理学词典》[M],上海辞书出版社,1987年12月第一版第一次印刷,P239
[3]张同恂、邑剑华等编写,“全日制普通高中教科书(必修),物理,第一册”[M],人民教育出版社,2003年6月第一版2005年4月成都第3次印刷,P93
[4]张同恂、邑剑华等编写,“全日制普通高中教科书(必修),物理,第一册”[M],人民教育出版社,2003年6月第一版2005年4月成都第3次印刷,P98
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