《十萬個為什么》中相關(guān)力學(xué)物理問題及解答分析

一、火車沿直軌道勻速行駛，坐在車上的乘客向上拋出蘋果，蘋果會落回手中嗎初中物理教材第十二章第五節(jié)“牛頓第一定律”中最后以問題的形式提：火車沿直軌道勻速行駛，坐在車上的乘客向上拋出蘋果，蘋果會落回手中嗎[2]？顯然教材這樣安排是想讓學(xué)生親自動手動腦來解決這個問題。當(dāng)然讓所有的學(xué)生當(dāng)天都乘坐火車來體驗這種現(xiàn)象是不可能的，可是在乘坐公共汽車回家的同時，學(xué)生也可以完成這個實驗。我們不用拋出蘋果僅需要將自己拋出即可，在直線勻速行駛的公共汽車?yán)锿瑢W(xué)們可以跳起來，當(dāng)你落下時看自己是不是仍舊在原地？答案是肯定的?？墒怯腥藭?，汽車在開行，當(dāng)人在空中這段時間里，汽車已經(jīng)前進(jìn)了一段距離，落下去的位置應(yīng)該在原地的后面。面對這個問題，《十·（1）》中就類似問題給出了回答。書中問道：在高速行駛的火車?yán)锵蛏咸鸬娜?，為什么仍舊落在原地？原來事實是這樣的：物體的運(yùn)動都要遵照一定的客觀規(guī)律。牛頓第一定律說明“物體在不受力的情況下，它的運(yùn)動情況是不會改變的”。在行駛的火車?yán)?，人們盡管站著不動，實際上他們已經(jīng)隨著火車前進(jìn)，當(dāng)他向上跳起的時候，他仍然以同樣的速度隨著火車前進(jìn)，因此他落下也就仍舊在起跳的原地了。二、坐在汽車上為什么要系上安全帶《十·交》問道：汽車安全帶有什么作用？答案是這樣的：汽車在剎車或急轉(zhuǎn)彎時，乘車者在慣性的作用下會不由自主的前傾或右傾，如果這時系上安全帶就能防止乘車者向前撞而受傷[4]。至此我們是知道了安全帶的作用，但是如果我們沒有學(xué)習(xí)牛頓第一定律，問題就又會出現(xiàn)：什么是慣性？在學(xué)習(xí)了初中物理第十二章第五節(jié)“牛頓第一定律”后我們知道了慣性的定義即：物體保持原來運(yùn)動狀態(tài)不改變的性質(zhì)叫做慣性。同時，在本節(jié)“科學(xué)世界”中也將“汽車安全帶”作為閱讀材料供讀者了解。結(jié)合所學(xué)的知識與日常經(jīng)驗，我們更深層次的了解了安全帶的重要性，乘車駕車安全應(yīng)先從“安全帶”做起。三、風(fēng)是怎樣形成的《十·地》中解釋，風(fēng)就是水平運(yùn)動的空氣?？諝猱a(chǎn)生運(yùn)動主要是由于地球上各緯度所接受的太陽輻射強(qiáng)度不同而形成的[4]。有的同學(xué)會問到：“太陽輻射”與我們初中物理第十一章第五節(jié)學(xué)習(xí)的“密度與社會”有什么關(guān)系，為什么都會涉及到“風(fēng)是怎樣形成的”問題。課本中說，空氣受熱膨脹，密度變小而上升，熱空氣上升以后，溫度低的冷空氣就從四面八方流過來，從而形成了風(fēng)[2]。結(jié)合《十·地》中的解釋，我們才明白原來在赤道和低緯度地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)度不同，因此高緯度與低緯度之間有了溫度差異，形成了南北之間的氣壓梯度，使空氣做水平運(yùn)動而形成了風(fēng)。四、為什么輪船不會沉到水里眾所周知，當(dāng)我們將一塊鐵放入水中時它會“毫不猶豫”地沉入水底，那為什么用鋼鐵制造的輪船可以安然無恙地行駛在大海之上？在學(xué)習(xí)了初中物理第十四章的浮力計算公式 后。本章第六節(jié)“浮力應(yīng)用”給出了答案：用密度大于水的材料制成能夠浮在水面上的物體，必須使它們能夠排開更多的水，根據(jù)這個道理，人們用鋼鐵制成了輪船[2]?！妒そ弧分杏妙愃频霓k法解釋了這種現(xiàn)象：同樣體積的水雖然比鋼鐵輕的多，卻能產(chǎn)生巨大的浮力，船身在水下占據(jù)的位置越大（也就是上面講的排開水的體積越多）水對它的浮力也就越大，所以又大又重的輪船能浮在水面上[4]。五、為什么車輪上裝了滾珠軸承，就變得輕便了同樣在高中物理必修1第三章第三節(jié)學(xué)習(xí)了滑動摩擦力后，摩擦力在日常生活中的利用和防止同學(xué)們都是一目了然。本節(jié)“做一做”讓同學(xué)們自己動手把滾珠粘上潤滑油后放入“軸碗”，中間穿上軸，就成了滾動軸承。那為什么不直接穿上軸，而要在中間放上滾珠呢？我們在《十·（1）》中找到了答案：在一般情況下，滾動摩擦力只是滑動摩擦力的四十分之一到六十分之一，所以沒有裝滾動軸承的車子，車輪與軸承之間的摩擦力是滑動摩擦力，阻力比較大，這樣軸承不但容易磨損，而且車子也跑不快。裝上滾珠軸承的車輪自然就將滑動摩擦力變成了滾動摩擦力，減少了阻力，車子也就變得輕便了[3]。六、橋梁為什么會有引橋不管是水上橋梁還是陸路橋梁，它們有一個共同點即現(xiàn)代橋梁都有很長的引橋。引橋有什么作用？為什么橋梁要有引橋？《十·交》中的解釋是：為了讓橋梁下面順利地通行大型船只或大型車輛，橋孔就必須留有足夠的凈空高度，這樣就必須把橋造地高一些。橋高了橋與地面間的坡度就會增加[4]。引橋就是橋和路之間的“過渡”，把路面逐漸降低或逐漸抬高，使得車輛能夠平緩的上下橋梁。引橋的作用在《十·交》中有了了解，但從物理學(xué)的角度又怎么解釋它的原理呢？在高中物理必修1第三章第五節(jié)“力的分解”中我們找到了引橋的事例，課本中以一個例題引入：把一個物體放在傾角為 的斜面上，物體受到豎直向下的重力，但它并不能豎直下落，從力的作用效果看，應(yīng)該怎樣將重力分解（如圖1—1所示），兩個分力的大小與斜面傾角有什么關(guān)系？分解后我們可得：F1=G；F2=G，可以看出當(dāng) 角減小時F1減小。當(dāng)車輛行駛在引橋上面，上橋時F1為阻力，阻礙汽車前進(jìn)，因此F1小一點比較好；下橋時F1使運(yùn)動加快，為了行駛安全F1也應(yīng)該小一些。由此分析可知 角應(yīng)盡量小一些，即引橋應(yīng)盡量的長些。七、為什么鋼軌里外不是一般高《十·科》中指出：火車鋼軌之所以里外不一般高是因為物體沿圓周運(yùn)動時會產(chǎn)生離心力。離心力的大小與物體的質(zhì)量、圓周的半徑以及運(yùn)動的速度有關(guān)系。火車在轉(zhuǎn)彎時由于質(zhì)量大、速度快，產(chǎn)生的離心力很大?；疖囖D(zhuǎn)彎時因為離心力火車就會向外側(cè)傾，為了使火車不向外傾倒，就一定要把外面的鋼軌墊的比里面的鋼軌高一些[4]。我們知道離心力這個概念在在中學(xué)物理教材并未給以詳細(xì)的闡述，相反在講到圓周運(yùn)動時“向心力則是重中之重。在高中物理必修2第五章第五、六、七節(jié)學(xué)習(xí)了物體做圓周運(yùn)動的規(guī)律后，第八節(jié)給出了許多生活中常見的圓周運(yùn)動，其中典型的例子就是“鐵路的彎道”。在這里講到：如果轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外軌一樣高，外側(cè)輪的輪緣擠壓外軌，使外軌發(fā)生了彈性形變，外軌對輪緣的彈力就是火車轉(zhuǎn)彎的向心力，但是火車質(zhì)量太大，輪緣與外軌間的作用力太大，鐵軌和輪緣極易受損。鑒于這種情況，我們在建設(shè)鐵路時讓外軌略高于內(nèi)軌，這樣就會使軌道對車身的支持力略偏向內(nèi)側(cè)，使重力G與支持力FN的合力恰好指向內(nèi)側(cè)，這樣F就可以承擔(dān)一部分的向心力使得外軌與外輪緣的擠壓變小，在速度合適的情況下，F(xiàn)恰好能提供火車做圓周運(yùn)動所需要的向心力，可使外軌和外輪緣免于擠壓。