力的作用是瞬时的吗
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力的作用是瞬时的吗,力可以使物体的形状发生改变,力的作用效果也是初等力学中的基本概念之一,也可以使物体的运动状态发生改变,但是力的作用是瞬时的吗?一起来看看。
不是,力分为超距作用和近距作用,超距作用是瞬间作用,近距作用不是。例如移动的电荷相互作用,牛顿第三定律不适用,这是因为它们之间的库仑力不是超距作用。
力的作用效果有两点:改变物体的运动状态,改变运动速度或运动方向。力的作用效果跟力的大小、方向、作用点有关,这三个因素叫做力的三要素。当在速度方向上有力的存在时当然就改变了力的速度,同样当力与速度方向垂直时速度方向没有力的作用,就不改变速度大小。
但是因为存在垂直方向的力,可以把它看作向心力,物体就会绕着力的切线方向作圆周运动也就改变了速度的方向。例如:地球与太阳之间的万有引力可看成垂直于地球运动方向的力,地球就会绕着太阳转,也就改变了他的方向。
力对物体的作用效果:
1、力能改变物体的运动状态(运动速度、方向);
2、力能使物体发生形变(包括弹性形变与塑性形变);
3、参照物选择不同,物体的运动与静止可能不同;
4、运动和静止是相对的;
5、只有相对静止和相对运动,没有绝对静止。运动是绝对的,世间的一切物体都是在运动的。包括最小的分子。分子永不停歇地做无规则运动;
6、力的作用是相互的。
力的作用在物体内部产生力波
我们先来看一个思维实验:
如图1所示,假设在远离各类天体的太空中,有一个2光秒长的均匀直弹簧,质量为m,弹性系数为k,弹簧的直径为D,材料的密度为ρ,弹簧材料线径为d,该弹簧的一端与一个小火箭(或人造卫星)紧密连接,现在点燃火箭,使火箭给弹簧施加一个恒定的推力F,力的方向沿弹簧方向,请您分析该弹簧的运动情况,并进行简短的描述。
图1 火箭推太空弹簧思维实验示意图
上题为笔者业余研究理论物理的需要,仿照“思维实验”的思路,设计的一道“理想”题,2光秒长的均匀直弹簧是一个超现实的“物体”,在我们平常接触的问题中,不可能出现这种尺度的物体。
题中的“直弹簧”也可以替换成直钢条、直钢管等物体,但因为这类物体的弹性系数较大,不利于引导问题的思考。
如果弹簧的长度是2m、20m等小长度的`弹簧的话,很多读者会将问题简对待,以为弹簧会做a=F/m的匀加速直线运动。
现在的弹簧是一个2光秒长的东西,问题就变得复杂化了!读者可以自己仔细分析一下,由于篇幅的限制,笔者就不再展开了。
如果你认真地分析后就会很自然地引发以下问题的思考:
1、弹力的传播速度是多少?各种力的作用是瞬时的吗?
2、F=ma是否有使用条件?如长度限制?或者说能将其当做一个物体看待的前提是物体的尺度不超过某个限度?这个限度是多少?
3、F=ma是否隐含着瞬时作用的意思?或者说它只是小尺度下的近似?
所有作用都有一定的传播速度,具体速度的大小取决于物体自身的内部结构,或者说力实际上都是接力传递的,力的作用从受力物体的一个地方到另一个地方是需要时间的。当任何一个力作用到一个物体上时,这个力的作用都会在物体内部产生一个力波(如:弹力波、推力波、压力波、摩擦力波、拉力波、浮力波、引力波、电磁力波),并以一定的速度传播开来。
只是由于日常生活中的物体都是小尺度的物体,我们为简化问题,将其忽略不予考虑而已。F=ma并没有隐含瞬时作用,而是物体的尺度有限制,当我们研究的对象尺度较大时,我们不能简单地将其当一个物体看待,即F=ma中的m不能是整个物体的质量,只能是部分质量。
如果要刻意用F=ma的话,只能是在宏观时间上的一种近似。自古以来,我们人类就将自己所见的所有事物统统纳入所谓的“宇宙”范畴,这样一来,只要是目光所及之处,都是我们的宇宙,并将这个宇宙看成一个整体。而这种观点是值得怀疑的。
形成这种认知结论的过程中,实际上已经将信息(光)的传播默认为不需要时间,即光的传播速度是无限的。现代物理学已经比较精确地测量出光速并不是无限大,对信息的传播不需要时间进行了修正。但我们人类却对将宇宙当成一个整体来看待也是一个认知错误的事实避而不谈。依然固执地将所见的所有天体都武断地划归为一个整体看待。
平时,我们见到的都是“近在迟尺”的物体,这些物体存在时的光传信息几乎“不需要”时间就可以传播进我们的眼睛,这才导致我们误以为我们所见的意识物就是客观物,将两者混为一谈。
但随着我们人类的研究对象不断向太空的纵深延伸,看到的天体离我们越来越远,远的甚至已经上亿万光年。难道我们还能继续将意识物与客观物混为一谈来研究和讨论?继续装糊涂?
远处的天体,不管离我们有多远,它们当初发出或反射的光信息,经过一定距离和时间的传播,现在同时进入我们的眼睛,被我们所感知,最终形成我们现在所看到的宇宙景象。所以,我们现在(自古以来都是这样)所观看到的宇宙,实际上是宇宙中各客观物的历史存在信息在我们当前所处位置的历史之和在我们大脑中的反映。
各客观物的历史时间(t)等于其对应的意识物离我们的距离(s)除以光的传播速度(c)。即:
t=s/c
所以,在某种意义上说,我们能看到的永远是宇宙的历史,而不是宇宙的现在。
由于我们人类生活在地球,所以,为认知宇宙的方便,我们可以以地球为中心,按一定的距离建立虚拟的宇宙球模型,将该尺度的所有天体虚拟成一个虚拟宇宙。如图4所示,为便于阅读,图中只绘制了球的下半部分。
由于在真空中光和作用(主要是万有引力)的传播速度等于光速,所以在虚拟宇宙球内的天体,它们的存在对我们现在的影响(作用)是“同时”(比较远的天体,因为光和作用经过亿万年的传播,途径的地方实在过于复杂,我们不能保证光和作用一定同时达到,但因为它们离我们地球实在太远,这个作用应该小到几乎可以忽略的程度)到达的。
其信息和作用最大延迟时间不会超过对应的时间。如:1光秒球内的天体(客观实在),它们的信息与作用延迟时间不会超过1秒钟,一般情况下是等于这个时间。
同时,由于天体都在运动,有些天体尺度又比较大,所以,我们还可以按距离段,建立虚拟的宇宙球壳模型,如:第3光秒虚拟宇宙球壳,第2光年虚拟宇宙球壳等等。
在建立虚拟宇宙球与球壳模型过程中,考虑到地球的运动比恒星的运动空间跨度大,所以,为研究问题的方便,我们也可以以太阳或其它天体为中心来建立虚拟的宇宙球与球壳模型。或者以某个虚拟的点(如太阳系的质心)为中心来建立。
然后,再根据该虚拟宇宙模型进行分析计算、描述天体的运动规律。这样会大大简化问题。
理解要点:
(1)力具有物质性:力不能离开物体而存在。
说明:①对某一物体而言,可能有一个或多个施力物体。
②并非先有施力物体,后有受力物体
(2)力具有相互性:一个力总是关联着两个物体,施力物体同时也是受力物体,受力物体同时也是施力物体。
说明:①相互作用的物体可以直接接触,也可以不接触。
②力的大小用测力计测量。
(3)力具有矢量性:力不仅有大小,也有方向。
(4)力的作用效果:使物体的形状发生改变;使物体的运动状态发生变化。
(5)力的种类:
①根据力的性质命名:如重力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力等。
②根据效果命名:如压力、拉力、动力、阻力、向心力、回复力等。
说明:根据效果命名的,不同名称的力,性质可以相同;同一名称的力,性质可以不同。
重力
定义:由于受到地球的吸引而使物体受到的力叫重力。
说明:①地球附近的物体都受到重力作用。
②重力是由地球的吸引而产生的,但不能说重力就是地球的吸引力。
③重力的施力物体是地球。
④在两极时重力等于物体所受的万有引力,在其它位置时不相等。
(1)重力的大小:G=mg
说明:①在地球表面上不同的地方同一物体的重力大小不同的,纬度越高,同一物体的重力越大,因而同一物体在两极比在赤道重力大。
②一个物体的重力不受运动状态的影响,与是否还受其它力也无关系。
③在处理物理问题时,一般认为在地球附近的任何地方重力的大小不变。
(2)重力的方向:竖直向下(即垂直于水平面)
说明:①在两极与在赤道上的物体,所受重力的方向指向地心。
②重力的方向不受其它作用力的影响,与运动状态也没有关系。
(3)重心:物体所受重力的作用点。
重心的确定:①质量分布均匀。物体的重心只与物体的形状有关。形状规则的均匀物体,它的`重心就在几何中心上。
②质量分布不均匀的物体的重心与物体的形状、质量分布有关。
③薄板形物体的重心,可用悬挂法确定。
说明:①物体的重心可在物体上,也可在物体外。
②重心的位置与物体所处的位置及放置状态和运动状态无关。
③引入重心概念后,研究具体物体时,就可以把整个物
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