蔣雄杰
(重慶市實(shí)驗(yàn)中學(xué))
火車經(jīng)過一路標(biāo)的運(yùn)動(dòng)中火車能視為一個(gè)點(diǎn)嗎? 很多學(xué)生認(rèn)為不能。理由是:新課標(biāo)人教版高一物理指出,當(dāng)剛體本身的線度與所討論的空間線度相比很小時(shí),可以將剛體視為一個(gè)點(diǎn),從而方便地確定剛體的位置,而不會(huì)造成多大的誤差.因?yàn)榛疖嚨拈L度相對(duì)橋來說不算短,在計(jì)算過橋時(shí)間時(shí)不能忽略,不能忽略就不能看成一個(gè)點(diǎn)。但這些學(xué)生犯了一個(gè)概念上的錯(cuò)誤。
下面我們分析許多情況下,剛體可以作為一個(gè)點(diǎn),而且必須看為一個(gè)點(diǎn).剛體物理運(yùn)動(dòng)分為平行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩種方式,所有的物理運(yùn)動(dòng)都可以看成是平行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的連接,平行移動(dòng)的剛體上各個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況一致,所以,某個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就能代替簡單的運(yùn)動(dòng).這樣,在討論剛體的平行移動(dòng)時(shí),剛體的體積、尺寸應(yīng)該忽略掉,應(yīng)該將剛體簡化為一個(gè)點(diǎn).火車經(jīng)過一路標(biāo)的運(yùn)動(dòng)中火車做平行移動(dòng),應(yīng)該視為一個(gè)點(diǎn),火車的位移等于車長加路程,運(yùn)動(dòng)時(shí)間等于位移除以速度。
實(shí)際中,剛體發(fā)生的運(yùn)動(dòng)經(jīng)常是非常復(fù)雜的,不但有剛體平行移動(dòng),還有剛體相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng).我們討論自行車的運(yùn)動(dòng)時(shí),自行車車輪的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)可忽略,而留下的只有自行車簡單的平行移動(dòng).我們當(dāng)然能將自行車的體積和尺寸忽略,而將它簡化為一個(gè)點(diǎn).辟如,人們跑步時(shí),既有各部分的向前平行移動(dòng),又有四肢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及全身的相對(duì)移動(dòng).要討論人們跑完全程的快慢,我們只需測出跑完全程的時(shí)間而不是其他運(yùn)動(dòng),這時(shí),我們忽略其他運(yùn)動(dòng),只討論平行移動(dòng)部分,因此,也可以將他視為一個(gè)點(diǎn).
所以,當(dāng)我們討論剛體的平行移動(dòng)時(shí),可以忽略剛體的體積和尺寸等因素,而突出重要因素——質(zhì)量和位置,將剛體簡化為一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)。從運(yùn)動(dòng)角度看,我們忽略了變形和旋轉(zhuǎn);從剛體角度看,我們忽略了剛體的體積和尺寸,其實(shí)它們是一樣的.因?yàn)楹雎粤诵D(zhuǎn)和變形,就是忽略了剛體的體積和尺寸;同樣忽略了剛體的體積和尺寸,我們也就不能再考慮剛體的形變和旋轉(zhuǎn)了.
當(dāng)討論剛體的旋轉(zhuǎn)和形變時(shí),雖然不能將剛體簡單簡化為一個(gè)點(diǎn),但是,一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)模型仍能起作用.例如,整個(gè)剛體可被分割成許多微元,每個(gè)微元的旋轉(zhuǎn)和形變都能簡化,因此,這些微元可被視為一個(gè)點(diǎn)。這樣,剛體應(yīng)該當(dāng)作許多個(gè)點(diǎn)的綜合.這種做法的本質(zhì)就是化繁為易,化整為零。
通過以上的分析,我們知道平行移動(dòng)的火車無論運(yùn)動(dòng)很長的路程還是通過一路標(biāo),在求加速度、速度、時(shí)間時(shí),可視為一個(gè)點(diǎn)。
在運(yùn)動(dòng)學(xué)中,有了一個(gè)點(diǎn)模型,不但解決了剛體的平行移動(dòng)、剛體位置的確定問題,而且也為剛體的其他運(yùn)動(dòng)解決打下了基礎(chǔ),所以一切剛體的物理運(yùn)動(dòng)均可視為平行移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的連接,而這個(gè)觀點(diǎn)也就成了動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。這也正是物理學(xué)簡單美的典例。