对物理现象的思考，反向移动现象

对物理现象的思考

1．物体在哪儿更重

人类从来就生活在地球上，被地球引力约束在地面之上，因而自人类具备了科学知识和技术手段以来，就试图逐步挣脱这种束缚，以获得更多的行动自由。

在考虑引力问题时，近似地分析，地球的全部质量可以看作集中在它的中心（地心），而这个引力与距离的平方成反比。根据万有引力定律，地球施加到一个物体的引力（地球引力）要随着这个物体从地面升高的高度以负二次方的比率减小。例如，把1千克重的砝码提高到离地面6 400千米的高度，就是把这砝码举起到离地球中心2倍地球半径的距离，这个物体所受到的地球引力就会减弱到在地面受到引力大小的1／4。

在这个例子里，砝码与地心的距离已经加到地面到地心距离的2倍，因此引力就要减到原来的1／2的平方，即1／4。如果把砝码移到离地面12 800千米，也就是离地心等于地球半径的3倍的位置，引力就要减为原来的1／9。理论上，如果只考虑地球的存在，则砝码在地表上方无穷远处时应当是受零重力。

这样看来，自然而然会产生一种问题。最容易让人“推理”出的问题是：上面的规律（定律）在升高的反方向也就是在地表以下是否也逆向成立呢？比方说，在地球表面向地表以下打一个很深很深的洞，沿着洞向地心方向下去，手中拿着的砝码（甚至人的身体）会不会越来越重呢？很多人认为，物体与地球的中心（地心）越接近，地球引力就会越大。初看似乎有道理，比如当洞打到地表以下3 200千米处，1千克重的砝码在那儿受到的重力就要受4倍于在地表处所受的重力了。但是，继续这样“推理”下去，砝码到了地心处，就要受无穷大的重力。这似乎又不合乎情理了。

这个判断是不正确的，事实上，物体在地下越深，它的重力不但不是越大，反而是越小了。对这种现象的解释是：在地下很深的地方，吸引物体的地球物质微粒已经不只是在这个物体的某个方向上，而是在它的各方向上都存在着引力。在地下很深处的砝码，因为在它的四面八方都有地球物质存在，一方面受到在它下面的地球物质微粒向下方的吸引，另外一方面又受到在它上面的微粒向上方的吸引，当然也受到其他各个方向上的物质的引力。可以证明，这些引力相互作用的结果，使得实际发生吸引作用的只是半径等于从地心到物体之间的距离的那个球体。因此，如果物体逐渐深入到地球内部，它的重力会很快减小。一到地心，重力就会完全失去，因为，此时物体四周的地球物质微粒对它所施加的各个方向上的引力完全抵消了。

所以，只是当物体在地面上的时候才有最大的重力，升到高空或深入地下，都只会使物体的重力减小。

仅从结论上总结一下：地球上的物体，以其在地表处所受的重力为最大，无论向上或向下，它所受的重力都要变小，到达地表上无穷远处和到达地心处时物体所受的重力都是零。

2．反向移动现象

有一个很有趣的问题：有一列火车，从甲地驶向乙地，整个火车是在向前行进，那么，在这列车上有没有这样的一些点，在跟路轨的相对关系上说，正在向反方向——从乙地向甲地移动着？面对这样的问题，你是否觉得有些荒唐？但是，的确有这样的一些点是在相对于路轨反向运动。事实上，在每一瞬间，列车车轮上都有这样的向反方向移动的点。它们是车轮上的哪些点呢？

火车轮缘上沿道轨外侧有一个凸出的圆边，当火车向前行进时，这个凸出边的最低点处（事实上不只这一点）就是随着火车前行而相对于道轨或地面向后移动的。

你觉得奇怪吗？那么，做完下面这个实验你就明白了：找一个圆盘形的东西（例如一个罐头瓶盖），在中心打一个孔并垂直于瓶盖平面镶嵌一个细轴（如一段圆形的筷子）。现在，把这个结构中的细轴放在桌边，使之从左向右滚动，你就会看到轴下方各处的点不但没有跟着向前移动，反而都在向后（向左）退去，而且离轴越远的点，在轴的滚动过程中向后（左）倒退的现象也越显著。

当火车前进的时候，火车车轮外侧凸出部分的下端也恰好与这个实验里的圆盘外沿部分一样，是向反方向移动的。

现在该明白这个问题提出的意义了，尽管对下端这样做反方向的移动的点来说，向后的运动只是延续了极短的时间——对实验圆盘来说不过几分之一秒，对行进中的火车来说更只有千分之几秒，但在飞驶的火车上向反方向移动的点终究还是真实存在的。

这个现象背后体现的是相对运动的概念和参照物选取所得到的结果，也体现了整体和局部的区别。从时间上来看，全部运动时间的结果是列车的所有部分都从甲地来到乙地，但是在其中一段极短的时间内，列车的某些部位却在真实地从乙地向着甲地运动。

3．巧测灯泡容积

爱迪生是美国伟大的发明家，一生共获得1 093项发明专利，这一成就与他科学、灵活、具有创造性的思维方式有重要关系。通过下面的一件小事例，足以看出科学方法的重要性。

有一天，爱迪生叫他的助手们想办法测出一只灯泡的容积。好长时间过去了，却没有一个人来报告结果。他带着疑惑走进了实验室，发现助手们一个个都忙得团团转，有的在画图，有的在测量，有的在紧张地做着数学运算。看到爱迪生，几乎都在埋怨“太难了，到现在还没得出结果。”爱迪生笑了笑，不慌不忙地拿了一只还没有封装的灯泡，然后在灯泡中装满了水，再将灯泡中的水全部倒入量筒中，灯泡的容积就测出来了。

这个故事所讲到的道理，与中国历史上曹冲称象的道理是一样的，不同的是爱迪生要的是体积，而曹冲要的是物重。

爱迪生或曹冲的测量方法体现了一个重要的思想方法——转换法。它是将不容易直接处理的物理问题（灯泡的容积或大象的重）转换为容易操作和实践（水的体积）的问题，进而使问题得到顺利解决。这种思想方法不单在物理学上有用，在处理其他问题时也是通用的。