太空拋物vs地面拋物

周丹丹　邵明輝

忙完北京冬奧會之后，“頂流”冰墩墩又去中國空間站“加班”了。它在天宮課堂里“友情出演”，演示了天地之間拋物的區(qū)別。王亞平手拿冰墩墩拋出，如果是在地面，冰墩墩一定會下墜，但在太空中，正如王亞平所說：“冰墩墩并沒有像在地面一樣下墜，而是沿著直線近似勻速前進(jìn)。這和牛頓第一運(yùn)動定律描述的現(xiàn)象相同?！蹦敲矗裉炀妥屛覀円黄鹜ㄟ^實(shí)驗(yàn)來探索一下這個定律吧。

實(shí)驗(yàn)材料

長至少有2 米的鋼卷尺（或軟性窗簾導(dǎo)軌）、表面光滑的鋼球

操作步驟

1在實(shí)驗(yàn)開始前，可兩人合作，將鋼卷尺按圖中所示位置放置好（圖中下方綠色橫線為鋼球釋放時的高度）。

2將鋼卷尺軌道調(diào)整到一定高度，鋼球放置在一端，靜止釋放鋼球后，觀察鋼球沿傾斜軌道到達(dá)另一側(cè)的高度。你會發(fā)現(xiàn)鋼球似乎只差一點(diǎn)點(diǎn)就可以到達(dá)它初始被釋放時的高度。

3降低軌道傾斜角度，再次從同一高度釋放鋼球，觀察鋼球沿傾斜軌道到達(dá)另一側(cè)的高度。你可以看到鋼球似乎再次只差一點(diǎn)點(diǎn)就可以到達(dá)它初始被釋放時的高度。

4降低軌道的傾斜程度到近似于水平，繼續(xù)釋放鋼球，觀察鋼球沿傾斜軌道運(yùn)動。你會發(fā)現(xiàn)鋼球一直沿著軌道運(yùn)動，直到運(yùn)動到很遠(yuǎn)的距離才慢慢停下來。

5由此進(jìn)行推測，如果軌道斜面和鋼球表面足夠光滑，被釋放的鋼球想要到達(dá)初始被釋放時的高度，那么它將會永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動下去，做勻速直線運(yùn)動。

知其然，知其所以然

馬克思曾說過，事物的現(xiàn)象是外在的表現(xiàn)形式，可能是正確的，也可能是歪曲的。要想明白這個實(shí)驗(yàn)，我們首先應(yīng)該學(xué)習(xí)以下幾個概念。

概念一點(diǎn)通

勻速直線運(yùn)動

勻速直線運(yùn)動是簡單的機(jī)械運(yùn)動，指運(yùn)動快慢不變（即速度v 不變）、沿著直線的運(yùn)動。在勻速直線運(yùn)動中，路程s 與時間t 成正比，我們用公式s=vt 來計算。

牛頓第一運(yùn)動定律

牛頓第一運(yùn)動定律可以表述為：一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。

輕松答題

王亞平在空間站中將冰墩墩拋出后，冰墩墩仍沿原有方向勻速前進(jìn)，然后被葉光富接住并拋回。在這個過程中，下列哪些說法是正確的？（ ）

A．被拋出的冰墩墩仍沿原方向前進(jìn)，是由于它受到慣性的作用。

B．被拋出的冰墩墩相對于空間站遵循牛頓第一運(yùn)動定律。

C．葉光富用手接住冰墩墩，冰墩墩由運(yùn)動變?yōu)殪o止，慣性消失。

D．葉光富將冰墩墩拋回時，用力方向要與王亞平的用力方向相反，這是因?yàn)榱Φ淖饔眯Чc力的方向有關(guān)。

原理揭秘

在地球上，人和物體被地心引力吸在地上。如果我們在高山上做平拋實(shí)驗(yàn)，即把物體拋出，它將落向地面，如果將物體拋出的速度變大，它將會落向更遠(yuǎn)的地方；如果拋出的速度足夠大，它就有可能不落回地面而成為環(huán)繞地球的一顆衛(wèi)星。這個想法最早由牛頓提出，是一個思想實(shí)驗(yàn)，也就是“牛頓的高山大炮實(shí)驗(yàn)”。所謂思想實(shí)驗(yàn)，又稱為理想實(shí)驗(yàn)，指的是用一定的邏輯法則在頭腦中進(jìn)行物理問題研究的思維方式和研究方法，簡單來說就是運(yùn)用想象力去進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。牛頓的這個思想實(shí)驗(yàn)，是人們發(fā)射人造衛(wèi)星、空間站的重要依據(jù)。

為什么要在太空中開展拋物實(shí)驗(yàn)?zāi)兀恳驗(yàn)槲覀冊诘孛孀鰧?shí)驗(yàn)時無法直觀地感受牛頓第一運(yùn)動定律的本質(zhì)。而在太空完全失重的狀況下，平拋運(yùn)動的物體遵循牛頓第一運(yùn)動定律這種平常只能通過想象去理解的內(nèi)容，在看到天宮課堂中冰墩墩的運(yùn)動后，同學(xué)們就能更清楚地理解了。