把一个盛水的容器放到表面非常光滑的斜面CD 之上(图3-3),水面在匀加速滑动的容器里会变成什么样子?我们知道,容器静止在斜面上时,里面的水面AB 应当与水平面平行。假如让容器在上面向下匀加速直线滑动,请问在滑动的时候,里面的水面是否还能保持水平?
图3-3 水面在滑动的容器里会变成什么样子
如果器皿和斜面之间没有摩擦力存在,那么AB 和CD 是平行的,这就是实验结果。为什么会这样呢?下面对这一现象作一简要解释。
如图3-4,每一质点的重力P 都可以被分解为Q 和R 两个力。
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图3-4 图3-3的答案
先来说分力R,它使容器和里面的水沿斜面CD 作匀加速滑动。无论容器是否运动,水的质点对容器壁的压力都是相同的(容器和里面的水有相同的加速度)。再来说分力Q,它使水的质点向容器底部施压。各个水质点的分力Q 的和,等同于容器静止时静止的水对容器底部的压力。我们最后来说一下任一水质点O 所受的合力P,其在平行于斜面CD 方向的合力,是分力R(大于0,能使水质点作匀加速运动);而各水质点在垂直斜面方向的合力为0(分力Q 与斜面对它的支撑力相等)。因此容器里的水面应与力R 相同,也就是跟斜面CD 平行。
那么,如果容器沿斜面CD 匀速直线下滑,此时容器中的水面又会是怎样的呢?
通过实验,可以很快得出,此时的水面是水平的,而不是平行于斜面CD 的。因为容器沿斜面CD 作匀速直线运动的状态,和它完全静止在斜面上的情况一样。经典相对论中对此现象有一经典解释,那就是“匀速直线运动中物体所受力的变化与它完全静止时一样”。
我们就用经典相对论来解释这一现象。当容器沿斜面CD 作匀速直线运动时,容器壁上的任一质点,其运动状态都没有改变,也就是说没有产生加速度。这时,水中的任一质点所受的合力P,其在平行于斜面CD 方向的合力,是分力R(等于0,没有加速度);而各水质点在垂直斜面方向的合力为0(分力Q与斜面对它的支撑力相等)。这种状态与它在静止时完全一样。因此容器里的水质点的合力方向就是其所受的重力方向,所以水面应是水平的。需要提醒的是,在容器还没有到达匀速直线运动之前,就是在刚开始加速运动的时候[1],会存在一段时间水面不水平的现象。
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