书城童书我的第一本物理探索发现全纪录
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第11章 物理学科问题(3)

一般人对于这条定律的怀疑就是这样的。那么,是因为这条定律是不可靠的吗?不,定律毫无疑问是可靠的;只不过我们还没有正确地理解它。两个力没有互相抵消掉,只是因为它们是加在不同物体上的缘故:一个力加在车上,一个力加在马上。两个力是一样大,没有错——可是,难道说一样大的力永远会产生一样大的作用吗?难道说一样大的力能够使随便什么物体得到一样大的加速度吗?难道说,力对物体的作用是和物体本身,和物体的“抵抗力”的大小没有关系的吗?

如果想到了这些,那么,车子虽然在用同样大小的力量向后拉马,而马还能拉着车走的原因就很容易明白了。作用在车子上的力和作用在马身上的力在每一瞬间都是相等的;但是,车有轮子,可以自由移动位置,而马却坚定地立足在地面上,因此,车子只好跟着马走。可以再想一想,如果车对马的动力不起反作用,那么……不用马也就行了,用一个极小的力量也就能拉着车走了。可是事实上,要克服车的反作用,还是非马不可。

如果把这条定律的通常所用的简短形式“作用等于反作用”改成譬如说“作用力等于反作用力”,那么也许能使大家更容易理解,也少产生些疑问。因为这里相等的只是力。至于作用(如果像平常那样,把“力的作用”理解成物体的位置移动),因为受力的物体不同,一般是不会相等的。

物体落下的时候,当然也服从作用等于反作用的定律,虽然这两方面的力不是一下子就看得出来的。苹果落到地上,是因为地球在吸引它;可是苹果也在用完全相等的力吸引地球。严格地说,苹果和地球是在彼此相向地落下,不过落下的速度,在苹果方面和在地球方面是大不相同的。两个同样大小的相互吸引力,使苹果得到了10米每二次方秒的加速度,而地球呢——它的质量比苹果大几倍,它得到的加速度也只有苹果得到的几分之一。地球的质量比苹果的大无数倍,因此,地球向苹果的移动便小到不能再小,实际上只能算作零。所以我们说苹果落到地上,而不说“苹果和地球彼此相向地落下”,就是这个道理。

最平常的事件也可能蕴涵最深刻的道理,我们不要忽视自己身边的每一件事,如果养成爱观察爱思考的习惯,也许你也能成为牛顿。

物体在什么地方最重

你知道物体在什么地方最重吗?是在遥远的太空,还是深不可测的海底呢?下面的例子将告诉你这个答案。

我们知道,根据万有引力定律,地球吸引一切物体,可以看作它的全部质量都集中在它的中心(地心),而这个引力跟距离的平方成反比。比如,地球施向一个物体的吸引力(地球引力)要跟着这个物体从地面升高而减低。假如我们把1千克重的砝码提高到离地面6400公里,就是把这砝码举起到离地球中心两倍地球半径的距离,那么这个物体所受到的地球引力就会减弱1/4,如果在那里把这个砝码放在弹簧秤上称,就不再是1000克,而只是250克。因为,砝码跟地心的距离已经加到地面到地心的距离的两倍,因此引力就要减到原来的1/2,就是1/4。如果把砝码移到离地面12800公里,也就是离地心等于地球半径的3倍,引力就要减到原来的1/3,就是1/9;1000克的砝码,用弹簧秤来称就只有111克了,依此类推。

这样看来,自然而然会产生一种想法,认为物体越跟地球的核心(地心)接近,地球引力就会越大;也就是说,一个砝码,在地下很深的地方应该更重一些。但是,这个臆断是不正确的:物体在地下越深,它的重力不但不是越大,反而越小了。这是什么原因呢?

原来,在地下很深的地方,吸引物体的地球物质微粒已经不只是在这个物体的一面,而是在它的各方面。那个在地下很深地方的砝码,一方面受到在它下面的地球物质微粒向下方的吸引,另外一方面又受到在它上面的微粒向上方的吸引。这些是引力相互作用的结果,实际发生吸引作用的只是半径等于从地心到物体之间的距离的那个球体。因此,如果物体逐渐深入到地球内部,它的重力会很快减小。一到地心,重力就会完全失去,因为,在那时候,物体四周的地球物质微粒对它所施的引力各方面完全相等了。

上面的故事告诉我们,物体只是当它在地面上的时候才有最大的重力,至于升到高空或深入地球,都只会使它的重力减小。

极其罕见的绿色阳光

看到这个题目,也许你要问:阳光不都是白色或者白里稍带微红和微黄色的吗?怎么会是绿色的呢?阳光有时确实是绿色的,不过它存在的时间非常短暂,一般只有两三秒钟,有时还不到一秒钟,所以能看到绿色阳光的人并不多。

1979年7月20日的黄昏,波兰快艇运动员乌尔班齐克率领“晨星号”帆船从旧金山经赤道驶过波利尼西亚,夕阳正缓缓地堕入大海。满天的晚霞将海面染上了一层淡红,红色的天空,红色的水面,水天一色,正在甲板上的舵手陶醉在这美妙的景色之中。

忽然,就在太阳将被海面浸没的一瞬间,金色的火球突然喷射出耀眼的像绿宝石发出的鲜艳夺目的绿色光芒,犹如一道绿色的闪电划过天际,使周围的一切都被绿色所笼罩,甲板上的舵手不由得惊叫起来,可是等其他船员跑上甲板,顺着他所指的方向望去时,落日的余晖仍和往常一样,哪有什么绿光?

第二天,全体船员在日落半小时前都上了甲板,可是绿色的阳光没有出现。不甘心的船员连续观察了几天,终于又有几位船员看到了这神秘的绿色阳光。

这是怎么回事呢?原来我们通常看到的太阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光组成的,这些光波有长有短。午时,太阳光在空气里走过的路程比早、晚时短,这时只有少量的最易散射的紫、青、蓝等短光波被飘浮在大气中的微小颗粒所拦阻,这样的阳光,人的肉眼是感觉不到颜色的,所以看起来太阳光是近似白光,或者白里稍带微红和微黄色。

在清晨或傍晚时分,阳光斜射,穿过大气层的厚度特别大,遇到悬浮在大气中小尘粒、小水珠的拦阻机会也大。这时,短光波就被强烈地散射掉。只有那些波长较长的红、橙、黄等颜色的光才能透过这些大气中的微粒进入人的眼睛,所以平时只能看到“落日夕阳红似火”的情景。

但是像地球一样成曲面的大气,仿佛是一个一端向上的“气体透镜”,当太阳光穿过时,这层大气使白色光折射而发生色散。当太阳靠近地平线,太阳光几乎呈水平方向穿过大气层时,这种折射引起的色散最明显。夕阳落下时,红光最先没入地平线下,随后消失的是橙光和黄光。虽然此时地平线上还留有绿光、青光、蓝光和紫光,青光、蓝光、紫光波长较短,在大气中尘埃的强烈散射作用下,变得很弱,人的肉眼几乎看不到,只有比较强的绿光,能够到达人的肉眼,并且显得格外耀眼夺目,所以看到的阳光就是绿色的啦。

也许我们一生都没有见过这种绿色的阳光,可是,我们不能否认它的存在。如果有一天,你真的见到了这种绿色的阳光,不要怀疑自己的眼睛,因为这是自然的奇迹。

隐形的大力士

生活中常常会有很多奇怪的事情,我们可以举个例子。如果我们在桌子上放一块厚0.5厘米、宽5厘米、长50厘米的薄木板条,板条的一端伸出桌子边沿,桌上铺一张报纸(这张报纸必须平整),使它压在板条上,然后用锤子来猛击板条,板条被敲成两段,但是报纸仍然不动!

难道一张报纸会有这么大的力气吗?事实上,不是报纸的力气大,而是隐形的大力士——空气在作怪。

空气的重量虽然很小。但是由于地球外围包着厚厚的一层大气,所以产生的压力还是很大的。在海平面上大气所产生的压强大约是1.0336千克/厘米2。计算表明,葛利克做实验用的马德堡半球,左右两侧受到的总压力在两吨以上,所以每边要用八匹马才能把它们拉开。

一张报纸的面积大约是4290厘米2,按1厘米2报纸受到1千克空气压力计算,那么在报纸上的总压力就是4吨多。

为什么桌子没有被压坏呢?这是因为大气并不是只有向下的压力,它是压向四面八方的,桌子下边的空气也有向上的压强,上下互相抵消了。

大气压是人类看不见的助手,许多事情要靠它帮忙。比如:你要往自来水笔里灌墨水,得先把笔囊里的空气挤出去,然后一松手,墨水就进到笔囊里了。这是因为笔囊里空气少了,压强小了,外边的大气压就把墨水给压上去了。喝汽水用的“吸管”等等,都是大气压的作用。

就是我们的呼吸也要依靠大气压:我们吸气的时候总是扩张胸腔,使肺里的气压降低,外边的大气压强就把空气压进身体里了。

人们一时一刻也离不开大气压。人可以在失重下生活,却经受不住半秒钟的失压。所以载人的宇宙飞船必须有密闭座舱,座舱里要保持一定的大气压。

现在你明白了吧,隐形的大力士原来就在我们身边,所以,我们一定要养成爱动脑筋的习惯,要善于观察身边的事物啊。

如何降低触电带来的危险

常听人们有这种说法:触电时人被电吸住了,抽不开。那么,电真的能吸住人吗?

我们知道,不论是否存在电流,在一般情况正导线中、电器中的正、负电荷的电量是相等的,对外的静电作用是相互抵消。即使局部地方偶尔出现少许正、负电荷但不相等,其静电引力也是微不足道的。如若不然,就会出现下列奇特现象:用手去移动台灯引线,即使不被吸“住”,至少也会明显感到这种“吸”力,照明电线,特别是高压裸线,会“吸住”大量尘土从而形成粗长的尘土柱。事实上,这些现象都没出现。

但是问题出现了,人手触电时,为什么有时不把手抽回来?难道不想抽回来?显然是被吸住了抽不回来。对这一提问可用电流的生理效应来解释。

人手触电时,由于电流的刺激,手会由痉挛到麻痹。即使发出抽回手的指令,无奈手已无法执行这一指令了。调查表明,绝大多数触电死亡者,都是手的掌心或手指与掌心的同侧部位触电。刚触电时,手因条件反射而弯曲,而弯曲的方向恰使手不自觉地握住了导线。这样,加长了触电时间,手很快地痉挛以致麻痹。这时即使想到应松开手指、抽回手臂,已不可能,形似被“吸住”了。如若触电时间再长一点,人的中枢神经都已麻痹,此时更不会抽手了。这些过程都是在较短的时间内发生的。

如手的背面触电,对一般的民用电,则不容易导致死亡,有经验的电工为了判断电器是否漏电而手边又无电笔,有时就用食指指甲一面去轻触用电器外壳。若漏电,则食指将因条件反向而弯曲,弯曲的方向又恰是脱离用电器的方向。这样,触电时间很短,不致有危险。

明白了这个道理,在生活中,碰到不得不接触电的时候,你就知道怎么样保护自己了。

从开动着的车子里下来,要向前跳吗

无论你把这个问题向什么人提出,一定会得到相同的答案,“根据惯性定律,是应该向前跳的。”但事实并非如此。

事实上,惯性定律在这个问题上只起着次要的作用,主要的原因却是在另外一点上。

当我们从一辆行驶着的车子上跳下的时候,我们的身体离开了车身,却仍旧保持着车辆的速度(依惯性作用继续运动)继续前进。这样看来,当我们向前跳下的时候,不但没消除这个速度,而且还相反地把这个速度加大了。

单从这一点看,我们从车子上跳下的时候,是完全应该向跟车行相反的方向跳下,而绝对不是向车行的方向跳下。因为,如果向后跳下,跳下的速度跟我们身体由于惯性作用继续前进的速度方向相反,把惯性速度抵消一部分,我们的身体才可以在比较小的力量作用之下跟地面接触。

事实上,无论什么人,从车上跳下的时候,总是面向行车的方向跳下的。这样做也确实是最好的方法,是被经验所证明了的,因此在下车的时候不要做向后跳跃的尝试。

那么,究竟是怎么一回事呢?

我们方才那套“理论”跟事实所以有出入,是因为我们没有解释清楚。在跳下车子的时候,无论我们面向车前还是面向车后,一定会感到一种跌倒的威胁,这是因为两只脚落地之后已经停止了前进,而身体却仍旧继续前进的缘故。当你向前方跳下的时候,身体的这个继续前进的速度,固然要比向后跳时的更大,但是,向前跳下还是要比向后跳下安全得多。因为向前跳下的时候,我们会依习惯的动作把一只脚提放到前方(如果车子速度很快,还可以连续向前奔跑几步),这样就会防止向前的跌倒。这个动作我们是非常习惯的,因为我们平时在步行的时候都在不断地这样做着。从力学的观点上说,步行实际上就是一连串的向前倾跌,只是用一只脚踏出一步的方法阻止着真正跌倒下去。假如向后倾跌,那么就不能够用踏出一步的方法来阻止跌倒,因此真正跌倒的危险就大了许多。最后,还有一点也很重要:即使我们真的向前跌倒了,那么,因为我们可以把两只手撑住地面,跌伤的程度也要比向后仰跌轻得多。

所以,在下车的时候向前跳跃比较安全,它的原因与其说是受到惯性的作用,不如说是受到我们自己本身的作用。自然,对于不是活的物体,这个规则是不适用的:一只瓶子,如果从车上向前抛出去,落地的时候一定要比向后抛出去更容易跌碎。因此,假如你有必要在半路上从车上跳下,而且还要先把你的行李也丢下去,应该先把你的行李向后面丢出去,然后自己向前方跳下。面向着车行的方向向前跳下,一来减少了由于惯性给我们身体的速度,另外又避免了仰跌的危险。

如果不好好的思考,司空见惯的事情,你也不一定能回答正确啊。

失重的人

大概许多人小时候就有过一种幻想:假如自己变成和羽毛一样轻,甚至比空气还轻,那就可以免除引力的作用,自由自在地高高升到天空去,飘游到各地,那该多么好呀!但是,这样想的时候忘记了一件事情,就是人所以能够在地面上行动,只是因为人比空气重。实际上,托里拆利说过,“我们是生活在空气海洋的底上的”,因此,假如我们不管什么原因突然变轻了,变得比空气还轻,就不可避免地要向这个空气“海洋”的表面升起。那时候我们会升到几公里高,一直升到那稀薄空气的密度跟我们身体的密度相等的地方为止。而你原来打算自由自在地在山谷、平原上盘旋游历的想法,也完全破灭了,因为,你从引力的约束下解放出来了,却立刻又成了另外一个力的俘虏,成了大气流的俘虏了。