运动的描述——陪孩子学物理（八年上）

路人甲说：猪撞树上了，撞晕了。
猪说：树撞了我，然后就不知道了。
到底谁说的对呢？
重申：自然科学不能依赖于个体的感觉。

是否在动

——什么叫做动？必须有个不依赖于个人感觉的准确定义。
——为了以示重视，先给它弄个好名：机械运动。当然是为了区别物理学中其它的动法，如：电磁运动，分子热运动等。
——仅仅说一个东西动还是不动，没有意义。你在地球上某名山之巅静心打坐。月球上的外星人看你随地球一圈圈转啊转，感叹：他咋就不晕呢。
——运动是两样东西相对的位置发生了变化。所以，只要说某某在动，就一定有个作为参照的东西存在，并假设这个参照的东西是不动的。它就称为参照物。
——不同的观察者可能选了不同的参照物。但这并不影响双方对运动的描述的一致性。换句话说，参照系的不同，不会呈现出不同的物理规律。这很重要。这是自然界呈现给人类的最基本的对称性之一。
——你可以在一辆匀速行驶的车上做物理实验，它与在地面上做同样的实验结果会完全一样。也就是说，如果把你放在一辆完全封闭的匀速行驶的车中，你有各种设备和资源，什么都可以做，只是无法探测车的外部。那么，无论你如何去设计物理实验，都无法判定自己所在的车是停在地面上，还是匀速行驶中。
——这样说来，动还是不动，这没有意义。A相对于B在动，这才是科学的描述，才有物理意义。

动的快慢

——确定了是否在动以后，就开始关心动的快慢了。因为严格地说，不能定量地描述，就不是自然科学。
——还是老话，不能依赖于人的感觉。你看天上的飞机，地上的高铁，谁更快些？如果不依赖于人，那该如何科学地定义运动的快或慢呢？
——机械运动除了与位置的变化有关，还与时间有关。试想，给你若干匀速列车的照片（也有车内，也有车外），能看出列车的速度吗？不能。因为你不知道这些照片拍摄的时间间隔。可见，速度肯定与时间有关。
——现在假设你是孤胆英雄。你要从一辆匀速行驶的轿车上跳到地面上。为了最大程度减小可能的损伤，你应该如何跳？为了确切描述，现定义轿车的行驶方向为前方。那么，你跳的时候，朝前跳，还是朝后跳？脸朝前还是朝后（注意“前”的定义）？
——想清楚后，来翻大片吧，看看英雄们都是如何损害自己的。英雄不学物理的悲哀啊！要减少损伤，人相对地面的速度越小越好。无论什么英雄，跳时他相对车的速度比车相对地的速度还快？不能吧。所以，落地肯定向前滚，你说脸朝哪边好？
——正确的姿势：朝车行进的反向跳，脸朝车行进方向（也就是脸朝前，以向后仰的姿势向后跳，虽然这有点怪怪的）。好了，你又掌握一项当英雄的技能。八成就差一个美人等着你去救了。下图跳法是错的，但比往前跳能稍好点。

跳车.png

——对运动的相对性，再举个恐怖的例子（胆小的直接跳过吧）。假设你带上德国产的最好的防弹钢盔，一个狙击手800米外一枪打中钢盔，但没打穿，你会怎样？先喝杯铁观音压压惊吧，因为这只是假设。如果是真的，很遗憾，你至少已脑振荡了。因为以狙击弹的速度，就算你的钢盔有10斤重，被击中后速度也会达上百公里，想一下，100公里时速的车撞你，会什么结果。至于到底是钢盔以100公里的速度撞头，还是头以100公里的速度撞钢盔，从物理学的角度看，这没有任何区别，因为运动本来就是相对的。（顺便说下，国产某些神剧又要跟物理过不去了）

速度的复杂性

——请测出你家门前小河中，水的流速。什么？没有小河，现挖是来不及了，政府也不让。没钱买车票的话，就展开想像的翅膀吧。
——水上放个羽毛，用相机拍照，好主意。要当心，羽毛可能不走直线啊，还可能边走边旋转。放羽毛前先测羽毛大小啊。比较棒的方法是羽毛旁放把尺子，然后拍照。（你知道公安给现场拍照的时候，经常会放把尺子的，很多公安破案的大片又要穿帮了）。什么，没测羽毛就仍水里了？活该你立即下河捞羽毛。
——现在告诉你，只说河水的流速是不科学的，因为河的横断面中，不同位置的水的流速是不一样的。靠中间快些，还是靠两边快些？水面快些还是水底快些？速度不同会引起旋涡吗？会往哪个方向转？小河转弯的地方会怎么样？南半球北半球会不会不同？转弯处河床哪边冲刷大些？小河会趋于更弯还是会趋于变直？河底是沙子或是水草会不同吗？
——一入此道深似海，科学的魅力和威力开始向我们显现了。
——再做一次单摆的实验。发现没，你再小心，这个摆绳的运动都可能不在一个平面内。如果故意手抖，你会很容易看到摆锤在画出一个类似椭圆的轨迹（摆锤轨迹根本不在一个平面里，注意，这里说的是摆锤，不是摆绳，摆绳的运动不在一个平面是显而易见的），多来几次，会弄出一个摆锤轨迹恰为圆的情形（这时摆锤的轨迹在一个平面内，但摆绳的轨迹不在一个平面内），这就是圆锥摆。这种摆的周期会和摆的幅度相关吗？那么，稍微有点偏离平面的那种四不像的摆法，其周期会比单摆长点还是短点？如果不让你看真实的摆，而是用灯光把实验投影到墙上，你通过分析这个投影能确定出实验的是哪种摆法么？

圆锥摆.png

——你是舰长，现在水手报告，水深5旬，航速9节。这个航速是船相对于什么的速度呢？怎么测的？古时候，可什么先进设备都没有。海水是静止的吗？会有规律性洋流不？如果水相对于海底也在动，船长怎么计算船的当前位置呢？人类航海史是一部冒险史，也是一部技术史，多去看看吧，比连续剧震撼得多呢。

再见

——这节课本都是描述性的内容，比较短。所以就说再见吧。
——慢。再见要怎么说。声音本身也是有速度的。我说完多久你才能听到呢？既然有速度，那就是有运动了。那是什么东西相对于什么东西的运动呢？
——又假如，我站在一辆飞驰的列车上说再见，并同时挥手，你要多久才
听见？列车是开来的或是开走的，声音听起来有何不同呢？这里会发生一种叫多普勒效应的现象。如果不是声音而是光，就称为红移或蓝移了（光速比声速快得多，但不是无限快。太阳光到地球需要8分钟呢）。你会听到我的音调变高或变低了。假如我在列车上一直弹奏钢琴的中央c，你听到的声音更接近哪个音？
——这不是无聊的想象，最初为了验证多普勒效应的数学公式，就是在列车上发声，找音乐家在路边靠耳朵听的。
——告诉你声速在空气中是340米每秒。国际短跑比赛中，第一第二相差经常是多少秒？按这个声速估算，离发令枪远的运动员会明显吃亏吗？如何解决这个问题才更公平？
——声音在水中传播速度比空气中快吗？在岩石中呢？看到电影里，耳朵贴地听远处的军队的声音，有用不？能提前多少得知信息？声音在什么样的环境中传播会衰减的小些？给孩子买个听诊器吧。闲着没事儿听听心脏声音的细节。听说法国有个牛人，善用听诊器，拍拍酒桶就知道葡萄酒的发酵度，估计他也能听出心脏的问题，但是没有执业资格。
——听说过超音速飞机不？坐在这种飞机上是不是特别安静？因为声音都被飞机甩在后边了？

结束语

科学无止境
保持一颗质疑的心
还有
打破砂锅问到底的韧性