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长期以来,人们对作圆周运动物体是否存在离心力,一直是众说纷芸,各说各的理,至今没有一个统一的结论。多种不同说法中,有两种相互对立的观点:一是说没有离心力,二是说有离心力。此外,还有介于上述两者之间的、模棱两可的观点。
两种相互对立观点中说没有离心力,认为从该运动中飞出的物体是以切线方向飞出的,没有物体对飞出物在半径线上施加背离圆心的力,故离心力是假想的力、虚拟的力,实际上是不存在的。飞出物离圆心越来越远系物体切线方向的运动效果(这是目前中学物理课本的观点)。说有离心力的认为技术上离心机的使用,就是有离心力的结果。然而持这种观点的人却不能解释该离心力是如何产生的,以致遭到持前一种观点人的反驳,结果谁也说服不了对方。
对持上述两种不同观点之间的说法很多,而最有代表性的为以下三种:1.离心力是在两种条件下产生的;是物体的惯性运动和中心束缚力交织在一起产生的。2.圆周运动物体既存在向心力,同时又存在离心力。3.离心力和向心力是同一种力。
在对该命题论证前,对以上三种说法有不同的看法。现提出来与其商榷。
持第一种观点的说法显然是把物体的惯性运动作为一个条件,中心束缚力为另一条件,在此前提下产生了离心力。众所用知,惯性和惯性运动的概念,来源于牛顿第一定律:物体在不受外力的作用下,运动的物体按原来的方向继续向前运动(即惯性运动),静止的物体则保持原来的静止状态。该说法的“中心束缚力”对惯性运动的物体来说,显然是一种外力的作用,而且是运动质点方向不断变化的运动,故该说法是违背了牛顿第一定律。笔者不能认同。
第二种说法无疑是指向心力和离心力同时存在于同一物体。由于这两个力方向相反并在同一半径线上,两力之间的作用是相互抵消的。如果两力大小相等,其结果则既没有离心力,也没有向心力。如两力大小不等,其结果则只有离心力而无向心力,或只有向心力而无离心力。该说法是典型的模棱两可的说法,笔者亦不能认同。
第三种观点认为离心力和向心力是同一种力,则更为错误。众所周知,离心力和向心力的方向是相反的两个力,其属性是相互矛盾的。据逻辑学“不矛盾律”定律:在同一时间、同一地点、同一条件情况下,对事物不能作出两个相互矛盾的结论。故该说法违背了“不矛盾律”,所以笔者也不能认同。
对作圆周运动物体是否存在离心力呢?对此,我们可先作一实验,以便对它作深入的探讨。
图中1、6为转轴4的上、下固定架,2为有小孔的物体,3为金属棒,4为转轴,5为转盘,7为传动带。8为转盘,9为转轴,10为电机,11为电机固定架。O为金属棒3的转动圆心,。为该装置静止时物体2所处位置,6为金属棒末端点。
图二是物体2(放大的)侧视图和正视图。
实验前,装置处于静止状态,金属棒处于水平位置,它牢固的安装在相垂直的转轴4上,物体2通过小孔穿在金属棒的。位置上,金属棒与物体2之间摩擦力忽略不计,物体2在外力作用下可自由滑动。金属棒不计粗细可视为一条直线,在实验中物体2亦可视为一质点。
实验时,先把电机接通电源、电机即行转动,它通过转轴9带动转盘8转动,然后通过传动带7带动转盘5,转轴4、金属棒3、物体2一起作圆周运动。在运动过程中,你可以看到物体2从靠近转轴4的O点处,不断向金属棒6端处作偏离圆心的直线运动,最终并脱离金属棒向外面飞出去。从实验中可以看出:以圆心O为参照物,以金属棒3为半径线,物体2作圆周运动时会产生一个在金属棒上直线偏离圆心的运动,据牛顿第二定律“力是物体产生加速度的原因”,物体2的运动是受到作用力的结果。由此可见,作圆周运动的物体是存在离心力的。金属棒3作圆周运动时却不向外面飞出去而物体2却要飞出去,这是金属棒3存在离心力的同时还受到向心力的作用,而物体2没有受到向心力、而只有离心力的作用所产生的结果。
二、作圆周运动物体的力学分析:
图三是转盘5放大的上视图。由于圆周运动是运动物体各质点与圆心距离保持不变的运动,我们在圆周上任取一质点为A,并把圆周长分为8等分,则质点A运动一周时所通过的位置分别依次为A。、A……A。等处。其次,运动中质点A首先要受到一个由传动带7施加的切线方向的作用力。第三,由于质点A是在作与圆心距离不变的运动,则它同时还受到一个向心力”的作用。质点A在同时受到两个力的作用时,我们可以用平行四边形法来合成它的合力^。故作圆周运动的物体是由切线方向作用力和向心力的合力所产生的运动。由于力是矢量,质点A在运动中的即时速度也是矢量。它的方向与上述的合力方向一致并在同一直线上。质点A分别依次通过,等位置时,它受到的合力则依次为等,即时速度依次为、等。从图中可以看出:作圆周运动的物体是作用力方向和速度方向不断变化的运动。
那么,作圆周运动的物体的离心力又怎样产生的呢?可详见图四所示:
图四是金棒3、物体2作圆周运动时(局部)上视示意图。图中半径线Ob为金属棒3圆周运动半径,运动质点为物体2。设在某时刻金属棒3、物体2所处位置为图四所示位置,金属棒在运动过程中,在物体2位置上的金属棒质点,会受到上述的切线方向作用力和向心力的合力,的作用,该,即为金属棒对物体2的作用力,与此同时物体2则会对金属棒产生一个反作用力F,据牛顿第三定律规定:该反作用力F和作用力,大小相等,方向相反并在同一直线上。由于任何一个力都可以用平行四边形法分解成无数对的两个分力,反作用力F亦可分解成在半径线上偏离圆心的分力F1和相垂直的分力F2,故F1即为圆周运动时物体2在半径线上作直线偏离圆心运动的作用力,亦即是离心力。即圆周运动物体各质点的离心力,来源于作该运动切线方向作用力(外力)和向心力的合力的反作用力中的一个分力。由此可证:作圆周运动的物体是存在离心力的。
目前人们对圆周运动不存在离心力的错误认识,系忽略了该运动必须是在外力的作用下产生的。如图一中的转盘5首先要受到传动带7所施加的切线方向的力,该力与向心力的合力使转盘5产生圆周运动。由于力的可传递性,结果则依次使转轴4、物体2、金属棒3一起作圆周运动。而传动带所受的力,依次来源于转盘8、转轴9和电机10,而电机10的力则来源于线圈接通电流后所产生的磁力。又如人在吊环上作圆周运动,则人体必须对吊环施加切线方向的外力,它和向心力的合力使人和吊环产生圆周运动。故该运动归根结底是物体在外力作用下而产生的。由于圆周运动是在外力的作用下产生的,该物体必然有一个对外力的反作用力,离心力就是运动物体各质点由这个反作用而产生的。
运动物体一旦失去了向心力的作用(如运动物体突然碎裂)就会产生离心运动。
两种相互对立观点中说没有离心力,认为从该运动中飞出的物体是以切线方向飞出的,没有物体对飞出物在半径线上施加背离圆心的力,故离心力是假想的力、虚拟的力,实际上是不存在的。飞出物离圆心越来越远系物体切线方向的运动效果(这是目前中学物理课本的观点)。说有离心力的认为技术上离心机的使用,就是有离心力的结果。然而持这种观点的人却不能解释该离心力是如何产生的,以致遭到持前一种观点人的反驳,结果谁也说服不了对方。
对持上述两种不同观点之间的说法很多,而最有代表性的为以下三种:1.离心力是在两种条件下产生的;是物体的惯性运动和中心束缚力交织在一起产生的。2.圆周运动物体既存在向心力,同时又存在离心力。3.离心力和向心力是同一种力。
在对该命题论证前,对以上三种说法有不同的看法。现提出来与其商榷。
持第一种观点的说法显然是把物体的惯性运动作为一个条件,中心束缚力为另一条件,在此前提下产生了离心力。众所用知,惯性和惯性运动的概念,来源于牛顿第一定律:物体在不受外力的作用下,运动的物体按原来的方向继续向前运动(即惯性运动),静止的物体则保持原来的静止状态。该说法的“中心束缚力”对惯性运动的物体来说,显然是一种外力的作用,而且是运动质点方向不断变化的运动,故该说法是违背了牛顿第一定律。笔者不能认同。
第二种说法无疑是指向心力和离心力同时存在于同一物体。由于这两个力方向相反并在同一半径线上,两力之间的作用是相互抵消的。如果两力大小相等,其结果则既没有离心力,也没有向心力。如两力大小不等,其结果则只有离心力而无向心力,或只有向心力而无离心力。该说法是典型的模棱两可的说法,笔者亦不能认同。
第三种观点认为离心力和向心力是同一种力,则更为错误。众所周知,离心力和向心力的方向是相反的两个力,其属性是相互矛盾的。据逻辑学“不矛盾律”定律:在同一时间、同一地点、同一条件情况下,对事物不能作出两个相互矛盾的结论。故该说法违背了“不矛盾律”,所以笔者也不能认同。
对作圆周运动物体是否存在离心力呢?对此,我们可先作一实验,以便对它作深入的探讨。
图中1、6为转轴4的上、下固定架,2为有小孔的物体,3为金属棒,4为转轴,5为转盘,7为传动带。8为转盘,9为转轴,10为电机,11为电机固定架。O为金属棒3的转动圆心,。为该装置静止时物体2所处位置,6为金属棒末端点。
图二是物体2(放大的)侧视图和正视图。
实验前,装置处于静止状态,金属棒处于水平位置,它牢固的安装在相垂直的转轴4上,物体2通过小孔穿在金属棒的。位置上,金属棒与物体2之间摩擦力忽略不计,物体2在外力作用下可自由滑动。金属棒不计粗细可视为一条直线,在实验中物体2亦可视为一质点。
实验时,先把电机接通电源、电机即行转动,它通过转轴9带动转盘8转动,然后通过传动带7带动转盘5,转轴4、金属棒3、物体2一起作圆周运动。在运动过程中,你可以看到物体2从靠近转轴4的O点处,不断向金属棒6端处作偏离圆心的直线运动,最终并脱离金属棒向外面飞出去。从实验中可以看出:以圆心O为参照物,以金属棒3为半径线,物体2作圆周运动时会产生一个在金属棒上直线偏离圆心的运动,据牛顿第二定律“力是物体产生加速度的原因”,物体2的运动是受到作用力的结果。由此可见,作圆周运动的物体是存在离心力的。金属棒3作圆周运动时却不向外面飞出去而物体2却要飞出去,这是金属棒3存在离心力的同时还受到向心力的作用,而物体2没有受到向心力、而只有离心力的作用所产生的结果。
二、作圆周运动物体的力学分析:
图三是转盘5放大的上视图。由于圆周运动是运动物体各质点与圆心距离保持不变的运动,我们在圆周上任取一质点为A,并把圆周长分为8等分,则质点A运动一周时所通过的位置分别依次为A。、A……A。等处。其次,运动中质点A首先要受到一个由传动带7施加的切线方向的作用力。第三,由于质点A是在作与圆心距离不变的运动,则它同时还受到一个向心力”的作用。质点A在同时受到两个力的作用时,我们可以用平行四边形法来合成它的合力^。故作圆周运动的物体是由切线方向作用力和向心力的合力所产生的运动。由于力是矢量,质点A在运动中的即时速度也是矢量。它的方向与上述的合力方向一致并在同一直线上。质点A分别依次通过,等位置时,它受到的合力则依次为等,即时速度依次为、等。从图中可以看出:作圆周运动的物体是作用力方向和速度方向不断变化的运动。
那么,作圆周运动的物体的离心力又怎样产生的呢?可详见图四所示:
图四是金棒3、物体2作圆周运动时(局部)上视示意图。图中半径线Ob为金属棒3圆周运动半径,运动质点为物体2。设在某时刻金属棒3、物体2所处位置为图四所示位置,金属棒在运动过程中,在物体2位置上的金属棒质点,会受到上述的切线方向作用力和向心力的合力,的作用,该,即为金属棒对物体2的作用力,与此同时物体2则会对金属棒产生一个反作用力F,据牛顿第三定律规定:该反作用力F和作用力,大小相等,方向相反并在同一直线上。由于任何一个力都可以用平行四边形法分解成无数对的两个分力,反作用力F亦可分解成在半径线上偏离圆心的分力F1和相垂直的分力F2,故F1即为圆周运动时物体2在半径线上作直线偏离圆心运动的作用力,亦即是离心力。即圆周运动物体各质点的离心力,来源于作该运动切线方向作用力(外力)和向心力的合力的反作用力中的一个分力。由此可证:作圆周运动的物体是存在离心力的。
目前人们对圆周运动不存在离心力的错误认识,系忽略了该运动必须是在外力的作用下产生的。如图一中的转盘5首先要受到传动带7所施加的切线方向的力,该力与向心力的合力使转盘5产生圆周运动。由于力的可传递性,结果则依次使转轴4、物体2、金属棒3一起作圆周运动。而传动带所受的力,依次来源于转盘8、转轴9和电机10,而电机10的力则来源于线圈接通电流后所产生的磁力。又如人在吊环上作圆周运动,则人体必须对吊环施加切线方向的外力,它和向心力的合力使人和吊环产生圆周运动。故该运动归根结底是物体在外力作用下而产生的。由于圆周运动是在外力的作用下产生的,该物体必然有一个对外力的反作用力,离心力就是运动物体各质点由这个反作用而产生的。
运动物体一旦失去了向心力的作用(如运动物体突然碎裂)就会产生离心运动。