高中物理运动和力的因果关系辨析

运动和力的因果关系辨析

——从超重、失重的条件说起

湖北省恩施高中陈恩谱

一、问题的缘起：“超重、失重的条件”这个说法引起的困惑

关于物体超重还是失重的条件，我们通常从加速度的方向来判断：若物体有竖直向上加速度，物体处于超重状态（支持力或拉力大于重力）；若物体有竖直向下加速度，物体处于失重状态（支持力或拉力小于重力）。

不过，有的老师认为，这种说法欠妥——他们认为，加速度只是物体受力的结果，怎么可以说成是物体受力的条件？所以，他们认为，按如下说法讲将更加科学：物体处于超重状态的运动学特征是物体有竖直向上加速度，物体处于失重状态的运动学特征是物体有竖直向下加速度。

那么，前述划线部分的说法真的就把力和运动的因果关系弄错了吗？

二、类似的问题：由运动成为产生力或引起力变化的原因的例子

为了突出这个困惑，我们再来看下列情形，仔细思考这些情形中运动和力的因果关系。

1、汽车加速或者刹车过程中货物受力问题

货物放在车厢底板上随车一起匀速运动；现在车突然加速，那么货物必定立即受到向前的摩擦力；反过来，若车立即减速，货物必定立即受到向后的摩擦力。

显然，汽车有无加速度以及加速度方向，成为货物受不受摩擦力以及什么方向的摩擦力的条件。

2、篮球砸向篮板时，篮球受力大小问题

篮球垂直砸向篮板时，我们都知道，篮球速度越大，其受篮板的反弹力就越大。这里，篮球的速度大小成为篮板对篮球反弹力大小的决定因素之一。

类似的问题还有锤子锤钉子——锤子初速度越大，其对钉子的打击力就越大；两车相撞时，两车相对初速度越大，相互撞击的力就越大，等等。

3、空气阻力、粘滞阻力、洛伦兹力的大小与方向均与物体相对空气、液体运动的速度大小和方向有关。

很明显，加速度、速度都可以成为力产生或者变化的原因。这么说，是不是推翻了牛顿定律所揭示的力和运动的关系（力产生加速度，力是加速度产生的原因）了呢？

实际上，产生这个困惑，是因为对事物间的因果关系的认识不清楚导致的。

三、关于因果关系的逻辑常识

如果某一现象或事件的发生或存在引起另一现象或事件的发生或存在，这两个现象或事件间就具有因果联系，这两个现象或事件也就组成因果系列。原因系指这样的现象或事件：在一个给定的因果系列中，它直接产生并先于其它现象或事件。结果系指在另一现象或事件之后被另一现象或事件所直接引起的现象或事件。从因果关系看，事物的每一结果都在自身之外有其原因，因果链之内的每个环节都是因果链环节中上一事物的“果”，而这个“果”又可以做下一事物的“因”。

简单一点说：原因在先，结果在后（简称先因后果）是因果联系的特点之一，但原因和结果必须同时具有必然的联系，即二者的关系属于引起和被引起的关系。

另外，从逻辑角度讲，与因果关系相近的还有一组逻辑关系，即条件与结果。如果A，就B——即：A是B的充分条件；只有A，才B——即：A是B的必要条件。若A是B的充分条件，则B是A的必要条件。

四、运动和力的因果关系的辨析

1、在超失重问题和车加减速问题中因果关系

稍微细心一点会发现，其实，在这两个问题中，涉及的研究对象是两个层次，第一个层次是整体（系统），第二层次是部分（子系统）。对每一个确定的研究对象而言，牛顿定律揭示的因果关系都是成立的。

比如：升降机（包括里面的重物）之所以加速上升，是因为钢索拉力超过了升降机的重力；里面重物之所以有向上的加速度，是因为支持力超过了重力。汽车之所以减速，是因为地面的摩擦力，货物之所以跟着减速，也是因为车厢底部对货物的摩擦力对其提供了向后的加速度。

但是，升降机问题中，升降机的加速上升，成为其内物体所受支持力超过物体重力的原因；汽车刹车问题中，汽车减速，是车厢底部对货物产生摩擦力的原因。即：整体加速度是其内部分受力的产生或者变化的原因。

用因果链的形式表示如下：

钢索拉力超过升降机系统重力→升降机的加速上升→机内物体所受支持力超过物体重力→机内物体加速上升。

地面对汽车向后的摩擦力→汽车减速→车内货物受到向后的摩擦力→车内货物减速。

2、篮球撞击篮板问题、空气阻力（粘滞阻力）和洛伦兹力问题中的因果关系

篮球减速，是因为受到了篮板反弹力——这个反弹力是篮球加速度的产生原因，这并没有问题。问题是，这个弹力怎么产生的呢？是因为篮球有速度，篮球挤压了篮板，导致篮板发生了形变，从而产生的反弹力。也就是说，篮球相对篮板的速度，是反弹力产生的原因。

光滑水平面上物体受到空气阻力而减速——这个问题中，物体减速是因为受到了空气阻力，即空气阻力是物体加速度产生的原因。但是，这个问题中，空气阻力怎么产生的呢？是因为物体与空气的相对运动！粘滞阻力分析与此相同。

带电粒子垂直磁场进入匀强磁场后做圆周运动，是因为洛伦兹力为其提供了向心加速度；但是，洛伦兹力是怎么产生的？是因为带电粒子有垂直磁场方向的速度！

用因果链的形式表示如下：

篮球有碰向篮板的速度→篮球受到的反弹力→篮球减速。

物体有相对空气的速度→物体受空气阻力→物体减速运动。

带电粒子有垂直磁场的速度→带电粒子受到洛伦兹力→带电粒子做匀速圆周运动。五、结论

关于升降机内物体超失重的条件，这样的表述是科学的：升降机竖直方向的加速度，是其内物体超失重的条件——若升降机有竖直向上加速度，其内的物体处于超重状态（支持力或拉力大于重力）；若升降机有竖直向下加速度，其内的物体处于失重状态（支持力或拉力小于重力）。

另外，这种执果索因的表述也是科学的：若物体有竖直向上加速度，则说明物体所受支持力或拉力大于重力——物体处于超重状态；若物体有竖直向下加速度，则说明物体所受支持力或拉力小于重力——物体处于失重状态。这种说法，研究对象时确定的，因果关系的表述也没有错误。

另外，可以这样说，支持力大于重力（超重）是使物体产生向上加速度的充分条件，物体具有向上加速度是物体超重的必要条件。因此，说成物体具有向上的加速度，是物体超重的（必要）条件，也未尝不可。