師教民
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答《彈簧振子相對(duì)于運(yùn)動(dòng)慣性系的機(jī)械能不守恒
——關(guān)于〈對(duì)一道中學(xué)生物理競(jìng)賽試題答案的商榷〉的商榷》
師教民
摘 要:說明了論文《彈簧振子相對(duì)于運(yùn)動(dòng)慣性系的機(jī)械能不守恒——關(guān)于〈對(duì)一道中學(xué)生物理競(jìng)賽試題答案的商榷〉的商榷》一文的錯(cuò)誤.
關(guān)鍵詞:物理競(jìng)賽試題彈簧振子動(dòng)能勢(shì)能機(jī)械能守恒
《物理通報(bào)》曾發(fā)表過我們一篇文章[1],《物理通報(bào)》2015年第4期又發(fā)表了朱如曾研究員的稿件《彈簧振子相對(duì)于運(yùn)動(dòng)慣性系的機(jī)械能不守恒——關(guān)于〈對(duì)一道中學(xué)生物理競(jìng)賽試題答案的商榷〉的商榷》[2](簡(jiǎn)稱為朱文).因?yàn)橹煳闹刂赋隽四堑乐袑W(xué)生物理競(jìng)賽試題的標(biāo)準(zhǔn)答案與文獻(xiàn)[3]的表述一致.故我們同時(shí)回應(yīng)朱文及文獻(xiàn)[3].
1對(duì)是否守恒的評(píng)析
(4)
(5)】
對(duì)于上述朱文的這段話,筆者談兩條意見:
①當(dāng)力移動(dòng)物體或質(zhì)點(diǎn)做功時(shí),物體或質(zhì)點(diǎn)必須有質(zhì)量.朱文既然說【忽略彈簧的質(zhì)量】,那么彈簧就成了沒有質(zhì)量的理想模型,因此就不能再說對(duì)彈簧做功了,所以朱文又說【兩個(gè)外力……對(duì)彈簧所做的總功……】就錯(cuò)了.
②糾正了朱文在(1)中的錯(cuò)誤后,因?yàn)楹雎粤藦椈傻馁|(zhì)量,所以就不能說【兩個(gè)外力……對(duì)彈簧所做的總功……】了,彈簧振子系統(tǒng)就只剩下小球或振子這一個(gè)質(zhì)點(diǎn)了.因此,研究彈簧振子系統(tǒng)的機(jī)械能只能研究質(zhì)點(diǎn)小球或振子的動(dòng)能和勢(shì)能而不能再研究彈簧的勢(shì)能了.事實(shí)上,彈簧振子系統(tǒng)的彈性勢(shì)能也就是質(zhì)點(diǎn)小球或振子的勢(shì)能.例如,文獻(xiàn)[4]在第164頁上說:“這個(gè)質(zhì)點(diǎn)在彈力作用下相對(duì)于平衡位置具有轉(zhuǎn)換成其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)的一定‘能力’,稱為質(zhì)點(diǎn)在彈力作用下相對(duì)于平衡位置的彈性勢(shì)能,以Ep表示
(1.5.19)
利用彈性勢(shì)能的概念可將(1.5.17)即
表示為彈力的功等于彈性勢(shì)能的減少量.”
值得說明的是:目前有些新編教材把勢(shì)能定理說成勢(shì)能定義,但是不把動(dòng)能定理說成動(dòng)能定義.因此這種錯(cuò)誤像是作者一時(shí)疏忽而產(chǎn)生的筆誤.由于勢(shì)能定義、勢(shì)能定理和動(dòng)能定義、動(dòng)能定理非常對(duì)稱,所以混淆一方分清一方就既不公平、又不合理了.這個(gè)似然的筆誤會(huì)給教學(xué)帶來誤導(dǎo),本文里討論的那道中學(xué)生物理競(jìng)賽題標(biāo)準(zhǔn)答案的錯(cuò)誤就可能是這種誤導(dǎo)所致.所以我們?cè)谶@里通過文獻(xiàn)[4]糾正這一似然的筆誤,以免它繼續(xù)誤導(dǎo)后人.
(8)
錯(cuò)誤,即朱文推導(dǎo)出的彈簧振子系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒的結(jié)論錯(cuò)誤.
2對(duì)3種證明的評(píng)論
朱文在它的第4段中對(duì)我們的論文評(píng)論說:【…其錯(cuò)誤根源在于文獻(xiàn)[1]在論證中所用勢(shì)能微分公式(3*)是錯(cuò)誤的.下面遵照樓老師對(duì)問題多角度理解的要求給出3種證明.
(1)與正確的勢(shì)能微分公式(5)相比較
與式(5)相比較顯見,式(3*)右邊丟失了
(2)反證法證明
設(shè)想在圖1中,小車上有一個(gè)鉤子,鉤住小球使之相對(duì)小車靜止不動(dòng),另一端仍然固定在墻壁上.按照文獻(xiàn)[1]不計(jì)墻壁力的功的思想,式(3*)在此當(dāng)然成立.但是因?yàn)樾≤囥^住小球,所以dx′=0,于是從式(3*)得到
(9)
此式表明小球勢(shì)能不隨時(shí)間而變!如果小球初始時(shí)刻處于平衡位置x′(0)=x0=0,勢(shì)能將一直保持為零,動(dòng)能又明顯保持為零,于是機(jī)械能、勢(shì)能、動(dòng)能都保持為零.可是實(shí)際情況是彈簧在不斷地被拉伸,在小車上看這個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能怎么能保持不變呢? 所以這一荒謬推論從反面證明了其出發(fā)點(diǎn)式(3*)確實(shí)不成立.
(3)從式(3*)的實(shí)質(zhì)證明其錯(cuò)誤
(10)
對(duì)于上述朱文的這段評(píng)論,我們談4條意見:
①朱文說我們【按照他選定的特解式(1*)】是錯(cuò)誤的.因?yàn)槭?1*)不是我們選定的,是據(jù)伽利略變換和微分運(yùn)算得出的,而且式(1*)也不是什么特解式.例如,據(jù)伽利略變換和微分運(yùn)算得
x′=x-ut=Acosωt-ut
(1*)
因此,朱文所說的上句話,是朱文強(qiáng)加給我們的,是錯(cuò)誤的.
②朱文的3種證明之一說的【正確的勢(shì)能微分公式(5)】是錯(cuò)誤的.因?yàn)槲覀円言谏鲜龅拇_1里(2)中證明了勢(shì)能微分公式(5)錯(cuò)誤.
③朱文的3種證明之二說的【反證法證明】是錯(cuò)誤的.錯(cuò)在朱文說的【在小車上看這個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能怎么能保持不變呢? 所以這一荒謬推論從反面證明了其出發(fā)點(diǎn)式(3*)確實(shí)不成立】.
x′=x-ut=Acosωt-ut
f′=ma′=ma=f= -κx
據(jù)勢(shì)能定理(勢(shì)能的減少量等于保守力做的功.文獻(xiàn)[4],164)得
(3*)
推導(dǎo)出
這說明我們也認(rèn)為在小車上看這個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能是隨時(shí)間t變化的.所以朱文提出【在小車上看這個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能怎么能保持不變呢】的疑問就不是質(zhì)疑我們了,因此也就不能說明我們錯(cuò)誤了.
參考文獻(xiàn)
1李學(xué)生,師教民.對(duì)一道中學(xué)生物理競(jìng)賽試題答案的商榷[J].物理通報(bào),2014(9):119~120
2朱如曾.彈簧振子相對(duì)于運(yùn)動(dòng)慣性系的機(jī)械能不守恒——關(guān)于“對(duì)一道中學(xué)生物理競(jìng)賽試題答案的商榷”的再商榷[J].物理通報(bào),2015(4):100~103
3趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程·力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.113~114
4梁紹榮,劉昌年,盛正華.普通物理學(xué)(第1分冊(cè))力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1987.164
An Answer to "the Mechanical Energy of A Spring Oscillator
Relative to Moving Inertial Frame is not Conserved
科教信息
李克強(qiáng)視察中科院物理所引起熱烈反響
本刊資料室
5月7日上午,國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)視察中國(guó)科學(xué)院物理研究所,參觀實(shí)驗(yàn)室、了解研究所取得的科研成果、與科研人員親切交談.
中科院物理所所長(zhǎng)王玉鵬全程陪同了李克強(qiáng)的視察工作.一路上,總理向王玉鵬了解了很多科研工作細(xì)節(jié),當(dāng)了解到超導(dǎo)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和微納加工實(shí)驗(yàn)室都是世界上最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室時(shí),李克強(qiáng)表示非常欣慰.當(dāng)?shù)弥陙砦锢硭谀蹜B(tài)物理領(lǐng)域,尤其是鐵基超導(dǎo)體和拓?fù)浣^緣體都取得了比較突出的成績(jī)時(shí),李克強(qiáng)非常稱贊.總理還對(duì)科學(xué)家提攜后進(jìn)、薪火相傳的精神給予了充分肯定.
總理強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究決定一國(guó)未來發(fā)展的廣度和前景,決定創(chuàng)新能力高低.李克強(qiáng)說,作基礎(chǔ)研究要“坐得住、鉆得進(jìn)、研得深”.王玉鵬所長(zhǎng)對(duì)此感觸深刻,“認(rèn)為這9個(gè)字,準(zhǔn)確地把握住了基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)”;
總理提醒大家,作為一個(gè)科學(xué)家,除了要面向國(guó)際科技前沿,挖掘事物本質(zhì)外,還要考慮到底該往哪個(gè)方向走.我們國(guó)家的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)要升級(jí),沒有知識(shí)創(chuàng)新是不行的,科研工作究竟如何與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合起來,這是一個(gè)很重要的課題.
大家對(duì)此也深有同感.“除了探索未知之外,科學(xué)的另一個(gè)功能是通過應(yīng)用改造社會(huì).只有做實(shí)事,努力把新知識(shí)和社會(huì)應(yīng)用結(jié)合起來,才能充分發(fā)揮科學(xué)的威力,才能達(dá)到總理所期望的‘社會(huì)創(chuàng)新、全民創(chuàng)新’的要求.”
資料來源:科學(xué)網(wǎng)等
——Comment on ′Discussion on the Aanswer of
A Middle School Student's Contest Question′"
Shi Jiaomin
(Department of Science and Technology,Hebei,Shijiazhuang Radio and Television
University,Shijiazhuang,Hebei050081)
Abstract:Illustrate that the Mechanical Energy of a Spring Oscillator Relative to Moving Inertial Frame is not Conserved——Comment on" Discussion on the answer of amiddleschoolstudent′s contest question" is wrong.
Key words:the physics contest;a spring oscillator;kinetic energy;potential energy;conservation of mechanical energy
收稿日期:(2015-03-11)
作者簡(jiǎn)介:(石家莊廣播電視大學(xué) 科學(xué)技術(shù)部河北 石家莊050081)