太空拋物vs地面拋物

周丹丹　邵明輝

忙完北京冬奧會之后，“頂流”冰墩墩又去中國空間站“加班”了。它在天宮課堂里“友情出演”，演示了天地之間拋物的區別。王亞平手拿冰墩墩拋出，如果是在地面，冰墩墩一定會下墜，但在太空中，正如王亞平所說：“冰墩墩并沒有像在地面一樣下墜，而是沿著直線近似勻速前進。這和牛頓第一運動定律描述的現象相同。”那么，今天就讓我們一起通過實驗來探索一下這個定律吧。

實驗材料

長至少有2 米的鋼卷尺（或軟性窗簾導軌）、表面光滑的鋼球

操作步驟

1在實驗開始前，可兩人合作，將鋼卷尺按圖中所示位置放置好（圖中下方綠色橫線為鋼球釋放時的高度）。

2將鋼卷尺軌道調整到一定高度，鋼球放置在一端，靜止釋放鋼球后，觀察鋼球沿傾斜軌道到達另一側的高度。你會發現鋼球似乎只差一點點就可以到達它初始被釋放時的高度。

3降低軌道傾斜角度，再次從同一高度釋放鋼球，觀察鋼球沿傾斜軌道到達另一側的高度。你可以看到鋼球似乎再次只差一點點就可以到達它初始被釋放時的高度。

4降低軌道的傾斜程度到近似于水平，繼續釋放鋼球，觀察鋼球沿傾斜軌道運動。你會發現鋼球一直沿著軌道運動，直到運動到很遠的距離才慢慢停下來。

5由此進行推測，如果軌道斜面和鋼球表面足夠光滑，被釋放的鋼球想要到達初始被釋放時的高度，那么它將會永遠不停地運動下去，做勻速直線運動。

知其然，知其所以然

馬克思曾說過，事物的現象是外在的表現形式，可能是正確的，也可能是歪曲的。要想明白這個實驗，我們首先應該學習以下幾個概念。

概念一點通

勻速直線運動

勻速直線運動是簡單的機械運動，指運動快慢不變（即速度v 不變）、沿著直線的運動。在勻速直線運動中，路程s 與時間t 成正比，我們用公式s=vt 來計算。

牛頓第一運動定律

牛頓第一運動定律可以表述為：一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態。

輕松答題

王亞平在空間站中將冰墩墩拋出后，冰墩墩仍沿原有方向勻速前進，然后被葉光富接住并拋回。在這個過程中，下列哪些說法是正確的？（ ）

A．被拋出的冰墩墩仍沿原方向前進，是由于它受到慣性的作用。

B．被拋出的冰墩墩相對于空間站遵循牛頓第一運動定律。

C．葉光富用手接住冰墩墩，冰墩墩由運動變為靜止，慣性消失。

D．葉光富將冰墩墩拋回時，用力方向要與王亞平的用力方向相反，這是因為力的作用效果與力的方向有關。

原理揭秘

在地球上，人和物體被地心引力吸在地上。如果我們在高山上做平拋實驗，即把物體拋出，它將落向地面，如果將物體拋出的速度變大，它將會落向更遠的地方；如果拋出的速度足夠大，它就有可能不落回地面而成為環繞地球的一顆衛星。這個想法最早由牛頓提出，是一個思想實驗，也就是“牛頓的高山大炮實驗”。所謂思想實驗，又稱為理想實驗，指的是用一定的邏輯法則在頭腦中進行物理問題研究的思維方式和研究方法，簡單來說就是運用想象力去進行的實驗。牛頓的這個思想實驗，是人們發射人造衛星、空間站的重要依據。

為什么要在太空中開展拋物實驗呢？因為我們在地面做實驗時無法直觀地感受牛頓第一運動定律的本質。而在太空完全失重的狀況下，平拋運動的物體遵循牛頓第一運動定律這種平常只能通過想象去理解的內容，在看到天宮課堂中冰墩墩的運動后，同學們就能更清楚地理解了。