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八年级物理上册第二课,运动的描述,简单的智慧

八年级物理上册第二课,运动的描述,简单的智慧
2020年08月07日 01:09 新浪网 作者 科技拌饭聪聪

  接上节《八年级物理第一课,教材中没讲的知识,你知道吗?》,跟各位小伙伴们聊聊第二节《运动的描述》。与上节课相同,本文与大家聊聊,课本上涉及到了,但是没有介绍的内容——时空。

  

  一、八年级物理的时空

  回顾上节课,主要讲的是长度和时间的测量、测量工具(直尺和钟表)、方法测量及测量中的注意事项。直尺和钟表向我们透露了如下的信息:

  1.1、空间是平直的,即我们熟悉的欧式几何空间,在这个空间中,所有的物体的轮廓描述都可以用几何中的点、线、面来描述。这些点、线、面之间的关系满足欧式几何中的所有要求。

  1.2、度量空间的办法是选取一小段直线作为标定或者是是测量基准,其它的长度与这个标准之间做比较(除法),就可以得到这个标准长度的倍数,如果设长度基准为1,则这个倍数就是被测物体的长度。直尺就是这个数学原理。

  1.3、时间测量的数学原理与直尺相同,也是选定一种容易获得的周期性运动的一个周期,作为时间单位,用被测时间间隔与这个周期性运动的时间间隔之间做除法,求得的结果即测量到的时间。

  1.4、时间与空间是各自独立的,相互之间没有影响。空间在三个维度中无限延展,而时间就像流淌的河水单向流动,无始无终。

  

  二、对八年级物理时空的质疑

  初中物理,作为科学入门的第一课,应该适当传播科学的精神,我这里先强调一下科学的质疑精神。那么前面的内容有需要被质疑的地方吗?很显然是有的,主要包括下面两点:

  2.1、空间真的是平直的吗?当教程中把直尺作为测量工具的时候,其实就是默认了这个结果,即我们的空间就是欧式几何中所描述的平直空间。从日常经验的角度来说,这个假定是没有问题的。但并没有给出证明的过程,这是我们要注意的。如果我们同样翻开八年级的数学书,我们会发现很多定理都跟着定理的证明,但物理书中没有这个过程。

  科学在早期发展过程中,经常会有这样把经验直接拿过来用当作公理的做法。物理学的发展说明,日常的经验常常是有问题的,正是不断发现真相的过程,推动了科学的进步。

  等小伙伴们接触了广义相对论就会明白,空间并不是平直的,质量会引起时空的弯曲,只是这个曲率非常小。甚至地球这么大的星球导致的时空弯曲,也几乎与欧式几何的平直空间重合。这就不奇怪,为什么在科学不发达的时候,人们没有发现时空弯曲现象了。

  

  2.2、空间与时间真的是各自独立的吗?从测量时间的方法上看,利用周期性运动的等时性来测量时间。而运动都是在空间中完成的,断然认为空间与时间没有任何关系很显然缺乏足够的证据。

  同样的道理,在科学发展的早期,当时的技术条件还不能发现空间与时间的关系,这个关系同样需要到广义相对论出现以后,我们才能讲得明白。

  三、物体在时空中的运动

  翻开教材我们可以看到,这节课主要是讲了机械运动和参照物。书上对物体的运动介绍也很简单,“物体的位置随时间的变化叫做机械运动”、“参照物就是判断一个物体是运动还是静止的时候,选取用来当作标准的那个物体”。

  这样的表述当然非常简单,也便于初中生理解,现在让我们把长度和时间的测量加进来,进一步理解一下这两个概念的物理意义。

  

  直尺和时钟为我们提供了测量的工具,并且描绘出了一个三维平直空间,和一维单向时间这样一个物体运动的舞台。按照初中物理对机械运动的定义“物体位置随时间变化”,我们可以用一个数学式子表示出来,即任何一个物体在这个舞台中都可以用一个函数f(x,y,z,t)来描述,其中x,y,z,为这个物体在空间中的坐标,t为物体所处的时刻。

  我没拿到全套的初中教材,不清楚八年级是不是学过三维坐标系,不过不要紧,我们把小学数学中的数轴概念带到这里借用一下。三维坐标系,就是用3个互相垂直的数轴来标记空间的一种办法。数轴都有一个0点,在坐标系中就是这三个正交数轴的原点。

  如果一个空间中只有一个物体,我们很显然无法判断这个物体到底是静止还是在运动。这就相当于在建立三维坐标系的时候,没有给定原点位置一样,这个坐标系也是无法建立的。参照物的作用就是如此,有了参照物,我们就可以通过比较两个物体的位置来判断物体的运动了,这个时候,也就相当于给出了三维坐标系中的原点位置。

  

  结束语

  通过本文的介绍,我们可以看出这样一些内容,第一、数学和物理有很多重合的地方,数学是我们生活的空间和时间的抽象,是用来描述物理的一种工具;第二、物理学中有很多默认的假设,都没有给出严谨的证明过程,等待我们未来去探索。

  今天的课程就到这里了,小伙伴们,这些教科书中没有讲到的点,你们都GET到了吗?

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