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趣味力学:容器斜面上滑动水面的效果

时间:2023-11-26 理论教育 版权反馈
【摘要】: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。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。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。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。

趣味力学:容器斜面上滑动水面的效果

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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