今天說一個高一物理初學牛頓第二定律時,最常遇到的幾個物理問題!這類題很簡單,但是有些同學利用的物理知識不對頭,導致解釋出錯。
2013年,南京理工大學曾經出過一道「自主招生」面試物理題——(用雞蛋碰石頭,會有什麼樣的後果?)。當時文科生與理科生的答案各不相同。考官通過學生的各種解答,挑出了他們想要的精英份子。
當時的一位記者在事後又讓其他文科理科生做了回答,有了如下的答案。
題目:「雞蛋碰石頭」是家喻戶曉的說法,請用物理或力學的知識,談談你的理解。
[理科考生的回答]:1.雞蛋是否會破,要看不同情況。有時,用很小的力可以敲開一個雞蛋,有時一個大漢踩在4個雞蛋上,蛋殼卻不會破。這反映出什麼問題?這個應該是我們重點考慮的問題。(物理老師:這是從壓強的角度考慮問題,偏離了主題)2.雞蛋碰石頭,也有可能兩個都碎。這好比飛機和鳥相撞,瞬間產生的動能很大,對飛機的作用力大,也一樣能破壞飛機。(物理老師:這是從動能的角度考慮問題,動能大小取決於質量和速度。一個物體只要速度足夠大,即使質量比較小,也會產生很大的動能。比如一片葉子,如果速度非常大,就會產生非常大的動能,可以殺死人,所以電影裡演的把葉子作為暗器是有科學道理的。)3.雞蛋殼彈性小,容易碎。石頭是實心的,裡面不容易壓縮,所以不易碎。另外,生雞蛋更易碎,因為裡面空的體積較大。(物理老師:已經比較接近實質)4.要看石頭的大小、質地、堅硬程度,還要看碰到雞蛋的哪個部位、方向,由此產生不同的結果。5.雞蛋碰石頭,兩者受力面積相同,受力大小相同。之所以雞蛋破了,是因為兩者分子構成不同。(物理老師:還是從壓強的角度考慮的,偏離了主題,未接近實質)
[文科畢業生的回答]:1.雞蛋和石頭密度不同,雞蛋密度小,所以容易碎。(物理老師:殼的密度遠大於內部液體密度,指向不明)2.要看碰的條件。如果輕輕碰,不會有任何問題。如果使勁碰,雞蛋壞了。(物理老師:以下解答我不說話了)3.雞蛋碰石頭,很簡單,得出的結論就是「以卵擊石」。4.肯定雞蛋碎,雞蛋殼那麼薄,石頭那麼硬,雞蛋不是找死嗎?用石頭碰雞蛋,雞蛋肯定碎;如果用雞蛋碰石頭,就不一定碎。
[無釐頭式回答]:1.哲學生說,到底誰碰了誰?要搞清楚。它們從哪裡來?為什麼要碰?出於什麼目的?碰了以後它們要到哪裡去?2.雞蛋說:這有意思嗎?我都粉身碎骨了。3.飛蛾都能撲火,我憑什麼不能碰石頭?4.不敢碰石頭的雞蛋,不是好雞蛋。5.雞蛋說:雖然我碎了,但石頭也落不到什麼好處。渾身粘粘的,你很舒服嗎?
那麼,中學物理如何解釋「以卵擊石」呢?
這是一道中學物理試題中常出的題,此類題絕不可以用牛頓第三定律來解答,正確的答案必須用牛頓第二定律來解答。並且關鍵是——選取好研究對象!
最常見的錯答:「石頭對雞蛋的作用力」大於「雞蛋對石頭的作用力」,所以雞蛋碎了。
分析:「石頭對雞蛋的作用力」與「雞蛋對石頭的作用力」其實是一對作用力與反作用力,二者等大、反向、共線,作用在兩個物體上。所以,兩個力不存在「誰大誰小」,而是大小相等!
正確解答:
以「蛋殼」為研究對象!「石頭對蛋殼的作用力」大於「蛋殼內部的液體對蛋殼的作用力」,蛋殼所受合外力向內,根據牛頓第二定律,這合外力使蛋殼產生向內的加速度,導致形變,故蛋殼破碎!
另外還有類似的各種高中物理常考題目如下:
1.「馬拉車」為何車能前進?
錯答:「馬拉車」的力大於「車拉馬」的力,故車前進。
正解:以車為研究對象。「車受到的向前的拉力」大於「車所受到的向後的摩擦力」,由牛頓第二定律得知,二者合力使車產生向前的加速度,改變了車的運動狀態,故車前進。
2.「跳高」為何能跳起來?
錯答:「腳蹬地」的力大於「地對腳」的支持力,故跳起來。
正解:以「人」為研究對象。「地對腳」的支持力大於人所受的重力,由牛頓第二定律得知,二者合力使人產生向上的加速度,故改變人的運動狀態,使人跳起。
3.「拔河比賽」,甲隊勝利,乙隊失敗,如何解釋?
錯答:甲隊拉力大於乙隊拉力。
正解:以失敗的「乙隊」為研究對象。繩子對乙隊的拉力大於乙隊所受的最大靜摩擦力,由牛頓第二定律得知,二者合力使乙隊產生向前的加速度,改變了乙隊的運動狀態,故乙隊失敗。
類似物理問題的解答,必須以「一個物體」為研究對象,要研究這「一個物體」所受的力!千萬不可同時研究兩個物體所受的力。
即絕不可用「作用在兩個物體上的相互作用力」來解釋「一個物體的運動狀態改變」的問題!
也就是說必須用牛頓第二定律來解釋此類問題,而絕不可用牛頓第三定律來解釋!