一组动态图揭开难懂的力学原理，看完秒变学霸

2018-9-19 09:31| 发布者: weixin| 查看: 712| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 一组动态图揭开难懂的力学原理

　　01 参考系

　　原理：卡车上射出的炮弹到底是运动还是静止的?这取决于你选择的参考系。这是《流言终结者》节目中进行的一个经典的实验：在一辆时速60英里的卡车上向正后方以时速60英里发射一颗“炮弹”。在运动参考系的速度远低于光速的情况下，速度的合成按照伽利略变换，即对地速度 = 对车速度 + 车速，因此若车速和炮弹的出膛速度相反，炮弹君便会被无辜地遗弃在原地。

　　如果是物理系的力学课，那么第一节课一定是讲参考系，然后从牛顿三定律建立整个牛顿力学(工科的力学课一般从静力学开始，因为静力学可以从另一套更简单的公理体系建立)。仅从参考系的变换我们就能解释一些现象，例如水星和火星的“逆行”。

　　以太阳为中心的“日心说”视角(简化示意图)，红绿蓝橙依次为日水地火

　　以地球为中心的“地心说”视角，这下看到“逆行”了吧

　　花絮：在地面参考系看来，开炮后炮弹的动能反而减少了，这是因为火药爆炸的能量提供给车加速了。这实际上就是火箭的驱动方式：向后开炮。汽车可以从地面获得摩擦力前进，飞机可通过向后喷射空气前进，但太空中(几乎)什么也没有。所以火箭只好自己带质量上去，然后向后喷射获得动力。为了把这部分质量也送上去就又得带更多的质量，因此，火箭的质量要随末速度指数上涨。而从地面发射激光推进可以摆脱齐奥尔科夫斯基火箭方程的束缚，大大节省航天器质量并达到更高的速度。

　　答题时间：可以验证，能量守恒和动量守恒在两种参考系下都是成立的：

　　 · 质心系：设车的质量为k，炮弹质量为1，开炮后，车的速度为v，炮弹速度为-kv，得火药释放的能量为 1/2(k+k2)v2 。

　　 · 地面系：因为开炮后炮弹速度为零，故开炮前车的速度为kv，总动能为1/2(k+1)k2v2，开炮后车的速度为 (k+1)v，动能为1/2k(k+1)2v2，炮弹动能为零，故火药释放的能量为1/2(k+1)[k(k+1)-k2]v2=1/2(k+k2)v2和质心系一致。

　　02 摆

　　原理：摆是高中力学中出镜次数最多的装置之一，单摆是演示动能和势能在相互转化的过程中机械能守恒最简易的装置。上图中就是瓦尔特·列文 (Walter Lewin) 教授公开课上经典的一幕：放手之后，摆锤可以摆回到非常接近他的地方，但由于机械能守恒，摆锤始终不会打到脸上。

　　嫌单摆太简单?如果把单摆沿摆方向排列成一排，那就组成了牛顿摆(然而并不是牛顿发明的)。解释牛顿摆可能属于超纲内容，因为在高考的世界观里，小球或物块都是理想刚体，而三个以上刚体同时碰撞问题是不能定解的。你既可以视为第一个小球依次和后面的小球发生碰撞，也可以视为第一个小球和后面所有小球的整体发生碰撞，乃至其它任意组合的情况。

　　牛顿摆实验(雾)

　　嗯，特别是出现上面这种情况就更超纲了……不好意思，其实应该是下面这样：

　　牛顿摆示意图

　　现实中的牛顿摆只会出现依次碰撞的解，这是因为弹性形变在非理想刚体中以有限的速度传播。因此若入射的是两个球，弹力波会一先一后向右传播，最终我们会观察到出射也是两个球。

　　花絮：下面这张图是对弹力波以有限速度传播的直观演示，虽然它实际上是一个用计算机编程和马达强行演示出来的艺术作品。

　　谷康時-「遊び」(玩)

　　答题时间：已知入射球的摆幅，求出射球的摆幅。

　　03 云中射线

　　原理：这是在云室中衰变的一小块铀矿石。云室是一种早期的粒子探测装置，云室中充满水蒸气(或醇类，更易蒸发)，在底部放置制冷片以形成剧烈的温差，蒸气在下沉时形成过饱和蒸气。过饱和蒸气的温度已低于汽化点但仍为气态，故很不稳定，稍有扰动就凝结为液态。带电粒子在穿过云室时会电离它遇到的分子，产生的离子触发了过饱和蒸气的凝结，从而在云室中留下一条小液滴组成的径迹。

　　图中较粗短的径迹是 α 粒子(氦核)，粗是因为电离能力强，短是因为能量损失的快所以跑不远。图中细长直的是 β 粒子(电子)，原因和前者相反。在下面的图中，可以将这两种辐射区分得更清楚。

　　花絮：α 粒子的穿透性最差，在下图中，放射源上包裹了锡纸，可观察到 α 粒子的射程明显变短。

　　α 射线被锡箔减速

　　答题时间：用云室能观察到 γ 射线吗?(如果有的话)能探测到正电子吗?

　　来源：环球物理公众号(ID：GLOBAL-PHYSICS)

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