引子: 用100N的拉力可以保持原来竖直向上运动着的m1=10kg物体做匀速运动,也可以保持动摩擦因数为µ=0.2的已经运动的水平面上的m2=50kg物体做匀速运动,(g都取10),这一点一定没有一个人反对,在这种情况下,可以说m1=µm2。也就是竖直向上运动的质量相当于水平运动的滑动摩擦质量。
但是,做加速运动的情
况如何呢?寒门用牛顿第二定律公式F=ma和F--µmg=µma做一比较,看看哪种情况才真正揭示事物的本来运动规律。
问题:用120N的力竖直拉动10kg的物体向上运动,那么,用同样的力可以在µ=0.2的水平面上水平拉动多少kg的物体做等加速运动?
解一:用F=ma解(单位省略):因为竖直向上运动,所以120--10*10=10a , 得 a=20/10=2 水平运动120--0.2*m*10=2m 得m=120/4=30kg,可以拉动30kg的物体做等加速运动。解二:用F--µmg=µma解:因为竖直向上运动,所以120--10*10=10a , 得 a=20/10=2 水平运动120--0.2*m*10=0.2*2m 得m=120/2.4=50kg,可以拉动50kg的物体做等加速运动。在引子中, 用100N的拉力可以保持原来竖直向上运动着的10kg物体做匀速运动,也可以保持动摩擦因数为µ=0.2的已经运动的水平面上的50kg物体做匀速运动,而在合力大于0物体做匀加速运动时,两种方法求得的质量的大小就不一样了。假如这时再把120N的外力逐渐减小到100N,出现的现象是:50kg质量的物体做匀速运动而30kg质量的物体仍做加速运动!
两个不同的答案,必定有一真一假或者两个都假,绝对不可能两个都真。若是换了100N、120N,用别的大于100N的力计算,如用101N、105N、110N、130N、200N等,按F=ma解,分别得m1=101/2.1=48.1kg,m2=105/2.5=42kg,m3=110/3=36.7kg ,m4=130/5=26kg,m5=200/12=16.7kg;用F--µmg=µma解,分别得m1=101/2.02=50kg ,m2=105/2.1=50kg,m3=110/2.2=50kg ,m4=130/2.6=50kg,m5=200/4=50kg
从上边的数据来看,用F=ma解,有两个显著的特点:一是拉力越接近100N,物体的质量越接近匀速时的质量50kg,拉力越大,质量越小;二是F、m、a三个都是变量。而用F--µmg=µma解,存在着一个严重的不足——F、m、a三个中只有两个变量a和F,m是定量,就是说:质量一定时,加速度与力成正比。寒门错在哪里呢?下边做一下受力分析再说吧。
竖直向上运动,物体受到两个力的作用,拉力必须承接着全部的重力;而在水平面上,不考虑其他阻力的话,物体受到4个力的作用,在垂直于平面方向上,重力被平面的支持力平衡,合力为0,没有位移发生,这是与竖直向上运动的根本区别,这个区别是不可漠视的!若从能的角度考虑,物体处在平面之上,相对于平面具有相对势能,这个势能被平面所承接,竖直向上的运动却没有这个承接的支持面。那么,在水平方向上呢,匀速运动的时候,我们允许F=µmg,为什么加速时,就不认可µm了呢?
假如把图旋转90度再看,水平方向是一对平衡力,竖直方向不就是拉力F和摩擦力µmg嘛,质量的大小就是µm啊。
我们明明生活在不理想环境中,为什么人为地把事物规范在“理想状态”下呢?如果都在理想状态下,用人脑推演一下,不就什么问题都解决了吗?搞科学实验研究还有什么意思呢?一般人徒手提起1000KG的物体向竖直方向做匀速运动很难,但却很容易在摩擦因数为0.01的平面上使该物体做匀速运动,这摩擦因数是随便能忽视的吗?这平面的支持作用也可被抹杀吗?