物理第一講-質點,參考系和相對運動

前言

我講述的內容主要在於如何理解和學習物理學中的各知識點概念,而不重在例題的解法。我發現很多學生物理成績不好,根源還是對每個物理知識點的理解不夠豐滿,不會以物理的思維來學習和解決問題。就我個人經驗來看,物理內容學好了,解題是十分輕鬆的。通過我的講解,更希望的是讓同學變成一個會學習的人,這不僅能幫助你學好物理,對其他學科,特別是理科有很大的幫助。

物理第一講-質點,參考系和相對運動


質點

質點的定義:在某些情況下,我們可以不考慮物體的大小和形狀,把它簡化為一個有質量的點,稱為質點。

這是教科書的原話,基本沒有學生對記住這句話存在什麼問題。但是我們不能讓我們的腦袋中只有這一句話,在學習的過程中,我們要通過不斷的假設,推理和舉例等方法來解讀這句話,讓腦海中形成一個立體的,形象的認知概念。

對於定理和定義,我們首先進行思考的是其成立條件。原文中說在某些情況下,可以把物體簡化為一個質點。那麼,我們一定要讀出它的潛臺詞,有些情況是不可以把物體簡化為質點的。因此,我們在考慮能否把物體簡化為質點時,一定要先判斷能否簡化。那麼,請舉若干例子,看看能否把物體簡化為質點。並向自己提問,為什麼?請自己多舉幾個例子,一定要自己舉例。然後思考這些例子的相同點和不同點,總結出自己的結論。至於結論是否正確,先通過一些極端情況檢驗,剩下的可以通過習題慢慢確認。

比如,一輛汽車按一定速度向前行駛一段時間,可否把汽車看做一個質點來解決位移問題?

那麼兩輛汽車按一定速度相向而行,求他們何時會相撞。可否把他麼看做質點來解決時間問題?

我得到的結論就是,當物體的大小和形狀對我解決問題得到的答案沒有影響時,可以把物體簡化為質點。如何判斷呢?那就是假設物體大小和形狀變化了,自己頭腦中演繹一下看對結果有沒有影響。當然,不同人有不同的結論,也許有的人能到的結論更準確更實用。

回過頭來看,對於質點這樣一個簡單的定義,我們要深刻的認知,運用到了哪些思維能力。首先是文字理解能力,能讀出潛臺詞。其次是想象力,能列舉出和運動學相關的列子。再後是歸納總結能力,提取出結論。最後是假設-驗證的實驗邏輯思維。在學習的過程中,一定要進行諸如此類的思考,思考過的問題,就會在腦中留下痕跡,這些痕跡,就是你解決問題的觸發器。經常進行思維練習,學習能力總會是有提高的,因此知識也就掌握的越好,成績當然就能得到提升。

參考系

參考系定義:要描述一個物體的運動,首先要選定某個其他物體做參考,觀察物體相對於這個“其他物體”的位置是否隨時間變化,以及怎樣變化。這種用來做參考的物體稱為參考系。

我們先來仔細解讀下參考系的定義。從“要描述一個物體的運動,首先要選定某個其他物體做參考”可以得到兩條關鍵信息。1,一切對於物體運動的描述,一定要是基於某個參考系的,沒有列外。2,參考系的選擇,沒有任何強制性的限制,可以隨你所願自由選擇。

我們來看看兩種說法:1,物體A的速度為2m/s

2,物體A相對於物體B的速度為2m/s。

這兩種說法中,第一種是不全面的,嚴格來講是錯誤的,因為沒有提到A速度的參考系。第二種說法才是完備的,是正確的。

好了,現在我們回想一下,在生活中,我們描述汽車的速度的時候一般怎麼說?是不是直接就說:這輛車現在的時速是60km/h。我們會專門提到,參考系是地面嗎?我想一般情況下是不會提的。這裡,我們一般都有個默認的條件,提到速度時,都默認是相對於地球。這是我們的生活經驗,是對速度的感性認知。那麼回到物理學上,物理是一門純粹理性的學科,其因果邏輯關係是完全客觀的存在,物理定義定理的規定,才是對物理規律認知的唯一準繩。這裡,我想提出一個觀點,我們對物理的認知,常常會被我們的感性經驗干擾,這種干擾,在我們解題時,實際上成為了我們的障礙。經驗認知可以引導我們學習和研究物理,但是物理最終的認知,一定是完全獨立於經驗的理性認知。

結合相對運動,我們做個思維實驗。

1,首先你在頭腦中想象一片黑暗的空間,其大小邊界無法感知,裡面什麼都沒有。

2,想象裡面有個藍色的小球。那麼,你能認知到這個藍色小球是靜止還是運動的呢?

3,現在在藍色小球的左邊出現了一個白色小球,並且藍色小球和白色小球之間的距離越來越大。這時你可以感知到藍色小球在運動了嗎?

第一和第二問的答案都是不能。因為在題目中,有一個陷阱,對於藍色小球的運動描述和提問,沒有出現它運動的參考系。第步中藍色小球和白色小球的距離越來越大,完全可以看做是藍球固定,白球相對於藍球在運動。如果你第二問回答錯誤了,說明你還是被感性認知影響,沒有根據物理定義定理,從理性的思維上來看待問題。

換句通俗的話來說,就是你在做題時,你的生活經驗和由此帶來的慣性思維,會誤導你的解題思路。我們拋開經驗認知,一字一句比照物理定義來解題,很快就能發現正確的解題思路。

我們來看看下面這道例題。

物理第一講-質點,參考系和相對運動

如圖所示,有一輛小車A在距離遠點10m處,以2m/s的速度向東行駛。同時,有小車B在距遠點20m處,以5m/s的速度向南偏西30°行駛。求兩車之間的最小距離是多少?

我們先看看第一種思考方式。小車A向右行駛,有一條軌跡,小車B向左下方行駛,也有一條軌跡。在某一時間,A與B相距最短,但是這個時間點好像不是那麼好找。這種思考方式,還是經驗性的把地面設定為參考系,在這個參考系下研究兩個物體的運動軌跡。增大瞭解題難度。

第二種思考方式。想想這節我們學習的內容,運動是相對的,運動的描述因選擇的參考系不同而不同,參考系可以任意選擇。這道題問的是兩個物體間的距離,以其中一個為參考系,那麼問題就變成了另一個物體的運動研究。此時,我們把A設為參考系,那麼B相對於A的速度就是VB-VA,速度是矢量,可以直接計算出來。題目就轉換為了點A到B相對於A運動軌跡這條直線的距離了。這個很好解答吧。

物理第一講-質點,參考系和相對運動


這個解題思路完全就是課本定義的翻版,並沒有太多其他的推理變換。理解定義的含義,並嚴格按照定義來解題,這沒什麼難的吧。

因此對於相對運動和參考系的學習有兩點關鍵。第一,忘記感性經驗,別總被第一映像影響而選擇地面為參考系。這也是考題常常給你設置的陷阱。第二,時時記住萬事萬物均可為參考系,那樣解題方便,選哪個。

總結一下這節內容反映出的學習物理的要點。1,一定要仔細讀每一條定義,並讀懂它的潛臺詞。2,每個定義定理的使用條件一定要萬分熟悉。3,通過舉例法,在頭腦中不停假設,推理,驗證以確定自己對定義的理解是否準確。4,拋開感性經驗,以課本文字講述的事實為準來思考物理問題。

好了,這一節內容就到這裡了。希望大家一定要多進行思考,把這些思考方式變成本能。

有問題可以留言告訴我,大家一起討論。


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