第4章 力学世界(3)

秘书打开楼梯的天花板，爬到四楼顶上去了。使馆人员在报警后也跟着上去，却找不到秘书。阿贝贝忽然想起刺在画家脖子上的那把剑，想到上面的橡皮筋，想到电梯顶棚上的通风口，便对使馆人员说：

“那个秘书就是杀人犯！”

这时，警察也迅速赶到，面对阿贝贝肯定的语气，“你为什么判断那个秘书就是杀人犯呢？”使馆人员和警察同时向阿贝贝提出这个问题。

阿贝贝分析说，秘书一直觊觎（jìyú，企图得到不应得的东西）画家的成果，他想利用这次来访之机，借刀杀人，转移警察视线，就预先在楼顶拴上一根又粗又长的橡皮筋，它的下端拴上一把锐利的短剑，通过电梯上面的通风口悬挂在电梯里。画家乘电梯时，因为是坐轮椅，他的位置只能在电梯间的正中，恰好在短剑的下方。当他进入电梯时，一般不会抬头向上看，难以发现头顶上的短剑。当电梯下降时，短剑挡在电梯里，橡皮筋被拉长，短剑受到向上的拉力，压在电梯顶部。当橡皮筋的伸长远远超过它的弹性限度时，就被拉断。这时，悬空的短剑就会下落刺中画家。秘书假装不知，抽身逃走，这反倒露出马脚，终于受到应有的法律制裁。

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一般情况下，凡是支持物对物体的支持力，都是支持物因发生形变而对物体产生弹力，所以支持力的方向总是垂直于支持面而指向被支持的物体。

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胡克定律（弹性定律），是胡克最重要发现之一，也是力学最重要的基本定律之一。在现代，它仍然是物理学的重要基本理论。胡克定律指出：“在弹性限度内，弹簧的弹力f和弹簧的长度变化量x成正比，即f=-kx。k是物质的弹性系数，它由材料的性质所决定，负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长（或压缩）的方向相反。”为了证实这一事实，胡克曾做了大量实验，包括各种材料所构成的各种形状的弹性体。

12.安全驾驶

天渐渐黑了，小李开着车飞驰在机场高速公路上，这次是开车去接一位教授。一路上，小李想象着这位客人是什么模样，怎样能找到他。谁知，一走神，汽车朝一堵墙开去，原来是走到了一个丁字路口。怎么办？他非常冷静地处理这种突发的情况，在行驶的方向上急刹车以争取停在墙的前面。

经验和直觉让他迅速急刹车。“吱”的一声车停在墙前，好险啊！幸亏周围没人没车，他下来检查一遍，除了因刹车使车轮磨损较大以外，其他的地方都没有损伤。他再次上车，将车倒回公路上，又上路了。他全神贯注地开到机场，顺利地接到了教授。

在回来的路上，又走到丁字路口，他倒吸一口凉气：“刚才好险啊！”教授问明情况后，解释说：“你很沉着果断。不过，急刹车磨损太大，你还有更好的办法可以采用！”

“什么办法？是不是急转弯？”小李问。

教授说：“不能急转弯。如果不减速而急转弯，势必会碰到墙上。因为，按转弯半径等于刹车所用的距离来考虑，使汽车转弯所需要的力，是向前急刹车所需要的力的两倍（将来利用高中物理的公式可以很容易推出这个结论）。这力哪里来？只有依靠车轮与公路的摩擦力。既然这个摩擦力只能使汽车刚好停在墙前，那么靠同样大的摩擦力就不可能在碰墙之前转过弯来，必然撞墙。所以不刹车而急转弯是最不安全的办法。为了减少急刹车造成的磨损，可以适当刹车同时转弯。刹车时，能把车轮与地面的滚动摩擦变为滑动摩擦，摩擦力增大了，转弯半径就可以减少。在这种情况下，怎样才能做到适当刹车也不是容易掌握好的。还有，向哪个方向转弯更安全些呢？向右转弯？向左转弯？当然是向左转弯，因为我们都是靠右行驶，向左转弯的半径比较大，相对来说更安全些。总之，如果掌握得恰到好处，那么适当刹车的同时向左转弯，结果会更好些。”

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在我们坐车时，为什么车向左拐时，我们的身体向右倒呢？其实这也是惯性造成的。“子弹离开枪口后还会继续向前运动”，“水平道路上运动着的汽车关闭发动机后还要向前运动”这些都是惯性。惯性与力有着极大的差别：①惯性是指物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质；而力是指物体对物体的作用。惯性是物体本身的属性，始终具有这种性质，它与外界条件无关；力则只有物体与物体发生相互作用时才有，离开了物体就无所谓力。②惯性只有大小，没有方向和作用点，而大小也没有具体数值，无单位；力是由大小、方向和作用点三要素构成，它的大小有具体的数值，单位是牛顿。③惯性是保持物体运动状态不变的性质；力作用则是改变物体的运动状态。

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牛顿第一定律（即惯性定律）是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。物体的这种保持原来的匀速直线运动或静止状态的性质就叫做惯性。

13.被抛出去的尸首

林肯这个名字在美国家喻户晓，他是美国第16任总统，还领导了黑奴解放的革命战争。

林肯24岁时在一个乡村邮局当代理局长。那时，他每天的工作就是把信件一一送到收信人的手中。

一天早晨，他给刚来这里不久的一位神父送信，却一直叫不开门。神父自己单独住一间小屋，他心想神父也许出去散步了，于是便去田野间寻找神父。还没走多远，他就远远看见神父倒在地上，背上还插着一支箭。

林肯马上报了警，当警察来到时，一看那支箭，就知道是与这个村有仇的一个土著酋长在实施报复。

细心的林肯发现，杀人现场既没留下凶手的脚印，也没有被害人的脚印。脚印哪里去了？

警察说：“没有凶手的脚印，这不奇怪。因为凶手是从远处射的箭。可是昨晚下过雨，土是湿的，如果神父走过，一定会留下脚印的。”

“莫非神父是昨晚下雨以前就被害了，雨把脚印冲掉了？”林肯猜测着。

“不，如果是那样，神父的衣裳和身体也应该是湿的。”

“是风吹干了吗？”

“也不是。你看神父伤口凝固的血，并没有被雨水冲洗的痕迹。”

身高1.93米的林肯环顾四周，他看到在3米远的地方有块高2米的板墙。板墙的那边是个破旧的大院，院子里有棵大树，树上还挂着一个秋千。林肯细心地观察，在板墙的附近也没有脚印。

由于警察个子不够高，他看不到院里的情况。林肯把看到的情况说给警察听。

突然，林肯说：“我知道为什么没有神父的脚印了。”

他抱起警察让他看板墙的那边，但是警察仍然大惑不解。林肯解释了一遍，警察连连点头表示信服。后来的事实，证实了林肯的推断。

到底为什么没有神父的脚印呢？

原来，神父早晨散步来到院子里，心里高兴，就荡起秋千。藏在远处的凶手，正好在神父荡到最低点，就是离地面最近时射中了他。荡秋千的过程，是重力势能与动能互相转化的过程。经过最低点时，势能最小而动能最大，所以此时人的速度最大。神父被箭射中后，失了手，在惯性的作用下，被斜向上抛出，在脱离秋千踏板后，被抛过2米高的板墙，落在板墙外3米远的地上，所以没有留下他的脚印。从理论上讲，若以与地面成45°角斜向上抛出，则抛得最远。

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你们知道故事中动能讲的是什么吗？其实，动能定理是描述物体在空间运动的位移过程中，合外力对物体做的功与物体功能变化之间关系的物理规律。

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重力势能是物体和地球组成的系统所共有的，而不是物体单独具有的。重力势能的大小是相对的，即它的大小与参考平面的选取有关。原则上，参考平面可任意选择，一般选择大地为参考平面；而重力势能大小的改变是绝对的，即它的大小与参考平面的选取无关。

14.身陷绝境，裹毯滚坡

公元263年，邓艾和钟会是魏国的两员大将，他们分别率领大军去征讨蜀国。当钟会率领的大军攻到剑阁时，遇到了蜀国大将姜维的顽强抵抗，姜维把守险要的关口，居高临下，钟会难以推进，只得在剑阁外安营扎寨。这时，邓艾发现钟会想独占征讨蜀国的军功，便前去见他。

钟会劈头就问：“邓将军，我这里剑阁受阻，你有何攻蜀良策啊？”

邓艾说：“将军必须出其不意，攻其不备。你可以派兵走剑阁西面的阴平道，直取成都。这条小道全是悬崖峭壁，蜀军几乎没有设防。”

邓艾说完，钟会马上意识到邓艾想引自己误入绝境，便想顺水推舟，于是他说：“那就先请邓将军引路吧！”他预料，邓艾纵有三头六臂也难以通过这条险路，让他抢头功去吧。

听完钟会的话之后，邓艾决定率精兵而去，他一路逢山开路，行军非常艰难。有一天，邓艾率领的大军来到了摩天岭，将士们向下一看，全是陡峭的大斜坡，已经是无路可走。这时，许多人坐在山头上大哭起来。

邓艾近前一看，心中暗暗吃惊，但他镇定地对大家说：“我们至此已无退路。前面虽险，但只要通过眼前的斜坡，便可直取成都，大家同去享受荣华富贵。众将士，跟我来！”

说罢，邓艾就用毛毯把全身裹起来，沿坡滚下，刹那间便通过了险坡。众将士也不敢怠（dài）慢，先将兵器扔下去，然后各自取出所带的毛毯，裹住身体滚坡而下。几千名将士终于从绝境中闯了出来。不几天，邓艾大军直逼成都，迫使蜀后主投降。

看到这里，人们都会非常惊讶，邓艾率领的将士们怎么没有摔伤呢？其实原因是这样的，人向下滚坡时，难免与凸凹不平的坡路碰撞。由于速度很快，必须要防止撞伤，为此就要设法减少相互碰撞时的作用力，毛毯就起着这种作用。

为说清其中的道理，先看鸡蛋下落掉地的情形。当鸡蛋从相同的高度落到石头上时，每次都会碰破；而落在棉花堆上就碰不破了。两者的不同在于碰撞时间。所谓碰撞时间，就是鸡蛋从触地瞬间的下落速度到静止所用的时间。碰上坚硬的石头，鸡蛋立即静止了；碰上柔软的棉花，则是先将棉花压缩，“慢慢地”静止下来。

物理学原理告诉大家，物体的速度迅速变化时，它受到的力一定大，而缓慢变化时，它受到的力一定小。这样大家就可以明白，人在裹上毛毯滚坡时，一来，毛毯避免了人体与山坡的直接接触；二来，毛毯的柔软松厚能延长碰撞时间，以减小碰撞时的作用力。这与鸡蛋落在棉花上类似，只不过这里不是鸡蛋碰棉花，倒像是棉花碰鸡蛋了。

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人走路时，脚与地面之间有何作用？这些是什么性质的力？力是存在于两物体间的相互作用，甲物体对乙物体有作用力，乙物体也必对甲物体有作用力。它们相互以对方作为自己存在的前提，不能孤立地存在。我们把其中任意的一个力叫做作用力，另一个力叫做反作用力。

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根据牛顿第三定律：两个物体间的作用力和反作用力大小相等、方向相反，在一条直线上。

15.手不沾水取出硬币

在明光中学的实验课上，老师在桌子上放着一只大而浅的盘子，盘子里有一枚硬币。张老师一边向盘子里倒水一边说：“水面已经超出硬币了。条件是不许把手沾湿，而把硬币取出来，哪位能做到？”

话音刚落，学生们就纷纷议论起来，又说又做，真想出了不少办法呢！

小余的办法是：带上橡胶手套将硬币取出来。

小赵的办法是：用手拿着镊子把硬币夹出来。

小刘说，等水蒸发完了，再用手拿硬币。

小李干脆把盘子拿起来，小心地把水倒掉，等硬币上没水了，再用手拿。

小程拿一条干毛巾把盘子的水吸干，然后用手拿出硬币，并说这是利用毛细现象吸水。

小柳拿一只玻璃杯，把点燃的纸团放进去，等杯子烧热了，将它倒扣在硬币旁边的水上。只见盘子里的水被吸到杯子里去了，硬币上没水了，便可用手取出。他说这是利用大气压力将水压到杯子里去了。

小梁拿了一条橡皮管，先没在脸盆里，使管子里充满水，用手指分别堵严两边的管口，一头放入盘子的水里，一头下垂在盘子的下面，然后松开手，盘子里的水便自动顺着管子流出，直到全部流干净为止。硬币干了，再用手取出。他说这是利用虹吸现象排水，本质上也是大气压力的作用。

一下子想出这么多办法，张老师很高兴。他对大家说：“其实想实现让手不沾水取出硬币的方法很多，大家还可以继续想。各种问题都可以从不同的角度多想几种方法去解决，这就是所谓的发散思维。至于哪种办法好，这不能一概而论，要根据实际的要求和条件去判断。大家还要注意，有了许多办法，应该把它们整理一下，作一个分类归纳的工作，这样就容易抓住每种思路的实质，便于沿着正确的方向再找新的方法。你们把上面的各种方法归纳一下吧。”

这种方法可以归纳为两条思路：一是把手隔离起来再与湿的硬币接触，如戴手套、拿镊子；二是使硬币脱离水，变干，手就可以直接拿了。这后一条思路又可分为两种：一是水不动，使硬币离开水，如用木棒将硬币从水中拨出来；二是硬币仍在盘中而把水引走，如靠蒸发、毛细现象、虹吸作用等。

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大气压的变化跟哪些因素有关？它是怎样变化的？

大气压的变化跟高度有关。大气压是由大气层受到重力作用而产生的，离地面越高的地方，大气层就越薄，那里的大气压就应该越小。不过，由于跟大气层受到的重力有关的空气密度随高度变化不均匀，因此大气压随高度减小也是不均匀的。

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大气压不是固定不变的。为了比较大气压的大小，在1954年第十届国际计量大会上，科学家对大气压规定了一个“标准”：在纬度45°的海平面上，当温度为0℃时，760毫米高水银柱产生的压强叫做标准大气压。既然是“标准”，在根据液体压强公式计算时就要注意各物理量取值的准确性。

从有关资料上查得：0℃时水银的密度为13.595×10.3kg／m3，纬度45°的海平面上的g值为9.80672牛顿／千克。