力是哪些?我們在高中就背過:力是物體與物體之間的互相作用。進一步,力有三要素,大小、方向和作用點,所以力可以用矢量來表示。所以,所以,所以,頭腦中想到力,就想到那種帶著箭頭的線段。
圖1
這些覺得經小學數學、高中數學和學院數學的加強,似乎力就是這樣了。
但是,但是,但是,在理論熱學中,讓你畫受“力”圖,你畫不作圖2a所示的固定端質心呢?假如你不畫,老師肯定給你大叉叉。再例如圖2b的兩個力大小相等,方向相反,理論熱學老師也會讓你求它的合力;假如你求出的合力等于零,這么老師也要給你大叉叉!
圖2
你瞧瞧,理論熱學的“力”與數學教學中的“力”還是有點差別的!
從哲學講,從自然的本源講,天下的“力”都是一個力,即物體之間的互相作用。并且,從課程教學任務和認知發展階段的角度,數學教學中的“力”與理論熱學的“力”還是有差別的。
教學,尤其是中高中教學,都是從簡單到復雜,從具體到具象,從容易到挑戰,一步一個知識臺階來編排的(在學院教育,非常是理論化學和熱學等課程確實有從上而下、先通常再特殊的次序的)。
因為認知發展漸進性,數學的熱學教學階段幾乎都是針對比較容易理解的質點模型。在質點模型上只能討論集中力(力只能作用到質點),所以這時的力就有三要素:大小、方向和作用點。若果只討論一個質點,則不管有多少個力,其作用點都是同一點(圖1右),就是在這個質點上。既然都在這個質點上,沒哪些變化,所以干脆這個點也就常常不提了。
更不堪的是,我們初中和小學的教學是應試教學,要刷大量的題,通過刷題來提升“題匠”的解題速率(因而考試得高分)。在刷題中二力平衡合力是什么意思,并不指出力作用點,由于各題作用點幾乎無差別。于是常年刷出來,中學生覺得力與物理矢量就是一個東西,雖然前者僅表征了后者的大小和方向,并不表征作用點信息。也由于只是按矢量操作能夠對的上書后答案所要求的大小和方向,所以受力圖在數學教學實踐中并不非常重視,雖然老師也會“一再指出”受力圖的重要性。
如果讓數學老師一口氣上到理論熱學(文科),也一定會指出力作用點的重要性和受力圖的重要性。而且,國外的文科專業的理論熱學通常是(工程)熱學系(教研室)老師上,而不是化學老師來上的。
熱學系老師來上理論熱學,它的力還是物體之間的互相作用,但本門課程感興趣的對象是質心。質心近似工程模型,與質點相比,應用范圍更川一些。
圖3
質心是有厚度、面積和容積的,物體之間互相作用可以作用在厚度上、在面積上和容積上。例如均勻長度的降雪壓在房頂上,這時就可以用圖3a的分布力表示。在畫受力圖時,這個分布力也是力,也要畫在受力圖上。同樣,質心是要轉動的(數學課程指出的質點沒有幾何規格,其實不用管轉動效應),所以像圖3b中的質心M也是要在受力圖上畫下來的(圖2b的固定端反質心在受力圖中也要畫下來)。質心也是物體之間的互相作用。
為了突出理論熱學的“力”與數學教學的“力”之間知識的新新新增量,前者在理論熱學中更合適名稱是集中力。雖然文科理論熱學導論一節的力都可以換成集中力,如力的平行四邊形法則最好為集中力的平行四邊形法則,二力平衡公理最好為兩集中力平衡公理,三力匯交平衡定律最好為三個集中力平衡匯交定律,力線滑移定律則為集中力作用線滑移定律,…….
圖4
對于質心模型,集中力的作用點就十分重要了,例如圖4中F1和F2,雖然矢量在物理上F1=F2,但各自對質心的作用療效是不一樣的。兩者作用療效的差別,僅靠矢量的物理信息是反映不下來的。力的三要素之一的作用點常常是通過受力圖傳遞的,所以受力圖對理論熱學十分重要(更有老師指出理論熱學是看圖說話;沒圖就別說話,由于沒有根據!),列平衡的投影多項式是看著圖寫,而不是“腦補”寫。
其實假如問題確實能用矢量操作,腦補也能容易厘清作用點在那里,這時可以用矢量運算,就完全不用看圖。并且原始矢量和最后結果矢量都須要文字明晰作用點在那里(用圖省事,還是用文字說明省事呢?)。
在數學教學中,F1+F2,可以表示求合力,由于我們曉得合力的作用點就在質點。并且對于理論熱學,F1本身就不是力,它只是物理矢量(沒有作用點),F2,亦然。F1和F2,沒有各自作用點信息,所以F1+F2,也不是求合力,這個加只是物理矢量相乘二力平衡合力是什么意思,所得結果更不是兩個力合力。例如圖2b兩個力的F1+F2=0,它并不表示合力等于0!
圖2b的兩個力有沒有合力?其實有合力。所謂的合力就是找到一個力與原先的力系等效,注意這個力并非一定是集中力不可!力是哪些,力是物體與物體之間的互相作用,“一個力與原先的力系等效”意思是找到物體與物體之間的一個互相作用與原先的力系等效,而不僅僅是用一個集中力來等效。
圖2b的合力是一個質心,它也是一種物體與物體之間的互相作用。
其實,理論熱學說求合力,并不是求集中力的結果;理論熱學說畫受力圖,不是只畫研究對象上所遭到的集中力。
參考書目
陳奎孚.理論熱學精細補習.南京:復旦學院出版社.2018.9