(MC)基金会库内文献:初等教育教材《物理》第一节
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前言

本文摘自义务教育推行初期、由基金会教育研究院编撰的义务教育物理学教材。其中内容可能已经过时,难度亦大于通行教材,但仍可作为研究者或学生针对性研究的基础资料使用,故存于基金会核心资料库中,以供参阅。

— 档案管理员 Sylvia Jones




第一节

1.1 运动和速度

人的行走、马的奔跑、活塞推动,这是我们生活中运动的常见例子。那么,运动究竟是什么?在现代物理学上,我们常说:【机械运动是物体相对于另一物体空间位置发生改变的过程】。

物体的运动是相对的。当我们认为某些物体在运动时,也会认为某些物体正保持静止,例如,站在地上的人认为大地是静止的,而马是运动的;骑马的人认为马是静止的,而大地是运动的,这就是运动的相对性。一般地,我们看作静止的物体就是运动物体的参照物。

空间位置发生改变,即【位移】。位移具有大小、也具有方向。位移的大小即位移长度,是物体运动终点到起点的直线距离;位移的方向是物体运动终点到起点的直线方向,若在直线上定义某方向为正,则反方向位移为负。

从居住的聚落走向最近的要塞遗迹需要经过很长的路程,从家到水井却只需要行走很短的路程。那么,如何比较位移的大小呢?我们可以比较所经过的直线距离。距离与长度共用单位,也就是说我们可以用方块长度(即口语中单一恒久物体的长度)来量化直线距离的大小。

  • 附注:单一恒久物体的长度为1方块长度,简写为1米(Mitre)。不完整恒久物体的长度分为视觉长度和力学长度,它们通常小于1方块长度。已知的例外是各类栅栏,它们的特殊形状使得其视觉高度等于1方块长度,而力学高度等于1.5方块长度。

通过比较起点到终点的长度值,就可以比较位移的大小。


人全速奔跑时可以被马匹轻松超过,而穿戴烟花鞘翅的特技飞行员们能达到更高的速度。

我们已经知道,可以利用长度的度量比较位移的大小;然而速度大小似乎并不容易比较,因为运动中的位移需要时间,所以我们并不能仅仅通过位移大小来判断运动的速度。在日常生活中,我们常用【比较相同时间内物体所通过的路程大小】和【比较物体通过相同路程所花费时间的大小】两种方法来比较物体运动的速度大小,在物理的学习中,我们一般选择第一种。

若要做到比较任意两个物体的速度大小,就不能限制在“相同时间内”了,所以我们把它转换为“单位时间内”,将时间分割成小单位,再在运动中截取出这么长时间进行比较。显然,可以推导出如下的速度计算公式:

速度

=

所经过的距离
所经过的时间

若采用字母表达,可写作:

v

=

Δs
Δt

  • 附注:时间的基本单位为刻(tick),20刻为1秒(second),1200刻为1分(minute),24000刻为1天(day)。因此,通过除法运算得到的速度基本单位为方块长度每刻,简称米每刻,写作m/tick或m·tick-1

1.2 力和功

轻推矿车,它就能在轨道上滑动。矿车和大地之间由相对静止转为相对运动了。是什么造成了这种现象?

【力】是一个物体对另一个物体的作用。力的作用是相互的,如果一个物体给另一物体施加一个力,那么另一物体将对这一物体施加一个大小相同、作用点相同、方向相反的力。此时的这两个力称作【相互作用力】。

力可以改变物体的运动状态,或使物体形变。敲碎石头会使它们变成圆石,这就是力使物体形变;而段前提到的矿车这一例子就是力改变了物体的运动状态。力的单位是牛顿(N〔ewton〕),用以纪念最早得到力学定律的学者伊兰托·牛顿爵士(Sir Iranto Newton)。

推动矿车后,矿车滑动一段距离就停止了;而如果使用充能的动力铁轨,矿车就能匀速向前行驶。矿车停止,是因为轨道和矿车间有一个摩擦力(常记作f),在矿车和推动矿车者停止接触时,推力(常记作F)为0,而摩擦力不为0,矿车也就因摩擦力的作用而停止了。

当铁轨被充能时,充能产生了一个红石场(redstonic field)。场是一种看不见、摸不着的物质,但我们可以通过各种现象判断场的存在。铁轨上的红石场给矿车一个恒定等于摩擦力的推力,矿车就能匀速向前行驶了。


阅读卡:几种重要的力与场

【摩擦力】:如果一个物体只受一个力作用,它将向那个方向不断加速下去。如果一个物体具有初速度而不受力,它会向那个方向不断匀速运动。正因为物体间存在摩擦力,上述两种情况都很难发生。摩擦力是物体接触并挤压(此处“挤压”的定义是相互有压力作用,与生物挤压并非同一概念)时物体接触面产生的一个力,其方向与物体运动趋势的方向相反。摩擦力与接触表面的光滑程度有关,最粗糙的灵魂沙表面上摩擦力最大,最光滑的冰面上摩擦力最小。

【重力】:人和动物都会自然下落,沙子、流体和常说的掉落物也会自然下坠,而下坠的速度总是越来越快。我们可以注意到,自由落体时物体的运动状态变化就像是它仅仅受到向下的一个力——事实正是如此,这个力就是重力。重力的方向永远竖直朝向大地,其作用点位于物体的重心。

【磁场】:自身周围拥有磁场,并受磁力作用的物体称为磁体。每个磁体均拥有N、S两极,当同名磁极相对时,磁力作用使两个磁体相互排斥;当异名磁极相对时,磁力作用使两个磁体相互吸引。铁等金属处于磁场中时,会转化为磁体。不过,这样的磁体受到的磁力很小,可以忽略不计,但我们可以在稍轻些、材料特殊的永磁体上观察到明显的磁力作用现象——指南针的N极永远指向地理坐标x=0,y=0、被称为地磁极的点。我们可以推断,我们生活的世界是一个巨大的磁体,但除了S极地磁极外,世界的N极尚未被找到。在下界中,磁场方向不定且不断改变,因此指南针会不断无规则旋转。

磁场的特例是下界合金。通过特殊工艺磁化的下界合金拥有极强的磁场,被这一磁场磁化的指南针只会指向下界合金磁石,而不再指向地磁极。这一特性常用于航空、航海、下界交通。

【红石场】:被红石充能的物体周围均会产生红石场,大部分红石元件的工作都是利用红石场完成。一般情况下,红石场给处于其周围的特定物体一个推力,例如加速铁轨给矿车推力、活塞臂向前的推力。即使是红石灯的发光,实际上也是其内部由红石场向萤石粉施加一个力,使萤石成分产生荧光现象,进而发光。

【以太场】:以太场并非被证明存在的场,然而,在物理学界通行的力学模型中,以太场模型被认为是引入重力的合理解释。我们刚刚解释了使一切物体自然下坠,然而一些恒久物体即方块,能够无视重力悬浮在空中,它们实际上受到一个向上的力,科学家们猜想这个力便是以太场施加的逆重力(记作Fε)。

无法悬空的物体受重力的影响要大过逆重力。我们可以发现,能够悬空的物体均是密度适中、整体高度凝集的固体材料。沙子和沙砾有时也能悬空,但只要人在旁边跺一脚就会纷纷落下,这是因为它们呈粉末状,较为分散,以太场不能支撑住它们;液体会自发流动,相比固体粉末,液体实际上由无数自由移动的小液滴构成(有时我们能观察到渗入下层方块中的小液滴),这使得以太场更加难以托住它们。至于铁砧,它由致密的金属材料构成,密度是一般铁材的数十倍,以太场自然无法使其悬空。


如何衡量力作用的效果大小?

力推动物体在一个方向上位移一定距离,我们将这个位移和力的大小相乘,就得到了计算力所做功的大小。衡量功的大小就能比较两个力作用效果的大小。

=

物体受力大小

×

物体受力方向上通过的距离

写成字母形式即:

W

=

F

s








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