试论相对运动的观察效果 .doc

试论相对运动的观察效果 何勇 浙江省温州中学 有这样一个问题：海防堤上有一辆以很大的速度v行驶的汽车，风平浪静的海面上离海防堤很远很远的地方有一艘小船，具体方位如图1所示。当车上的人盯住小船观察时，他感觉到的小船是怎样运动的？ A、静止或基本静止 B、以速度v后退 C、以速度v前进 D、因未知小船自身的运动情况，所以不能判定 如果选择B，说明对这一问题没有深入考虑，这里决不会是车向前开，景物向后退这样一个简单的问题；如果选择A，那是考虑物体距离越远，速度感觉越慢，很远很远的小船相当于无穷远的景物，因而给人的感觉是静止；但实际上本题的答案是C，即小船以与车同样的速度前进，这是为什么呢？ 我们先来讨论一个更熟悉的问题：从前进的汽车上看车窗外一望无际的整齐的庄稼地，庄稼地如何运动？如果想当然地回答庄稼地在后退，这显然是缺乏观察和思考的。 汽车在前进，如果选择汽车为参照物，原来静止的地面以及地面上一切景物当然都以同样的速度在后退，但这并不意味着人们观察到的视觉效果也是如此，实际上相对运动的观察效果与相对运动本身有时并不一致。 相对速度的观察效果不仅仅与相对速度大小有关，还与观察距离有关。比如我们观察到的飞机的速度还远远小于公路上普通汽车的速度，这是由于我们离飞机的距离远远大于离汽车的距离的缘故。实际上，最终决定物体运动快慢视觉效果的是物体和眼睛的连线在单位时间内转过的角度。如图2所示，在单位时间内，虽然飞机飞行了更大的距离，但由于飞机离观察者的距离很远，所以在单位时间内，飞机和眼睛的连线转过的角度却比不上汽车，因而感觉还没有汽车快。如果我们把运动物体给人的快慢感觉称为视觉速度，那么视觉速度就等于单位时间内运动物体和眼睛连线所转过的角度。（这里只针对运动方向和观察方向垂直或接近垂直的情况，如果观察方向和运动方向在一条直线上，情况更为复杂，本文不予讨论） 通过以上分析可以看出，虽然整个庄稼地都以同样的速度在倒退，但由于距离不同而有不同的视觉速度，其中距离近，视觉速度大，距离远视觉速度小，无穷远处的物体视觉速度为零，因此车上的观察者看到的运动效果实际上是以无限远为圆心的转动，当地面上有整齐的景物（如整齐的庄稼）的时候，这一观察效果就更为明显。 如上所述，无穷远处的物体，由于距离无穷大，对于有限速度运动的任何物体来说，相对眼睛的视觉速度始终为零，所以实际观察到的效果为总为静止。比如太阳、月亮以及其它任何天体，虽然它们都相对地球作高速运动，但其实际观察效果均为静止。但读者很可能会想起了一首流行歌曲，曲名为：《月亮走，我也走》。其实这曲名应该倒过来说，即：我走，月亮也走，只不过为了配合音乐才写成“月亮走，我也走”。上面刚刚提到，月亮和太阳及其它天体一样，其实际观察效果均为静止，那为什么我们每个人都确确实实曾经有过“我走，月亮也走”的感觉和经历呢？实际上，这时的月亮仍然相对观察者静止，如果观察者本身静止，那他感觉月亮也静止，如果观察者运动，并且他清楚地知道自己在运动，那他感觉月亮也在运动。因为根据观察者平常经验，他自身移动了，相对其他物体的方位也应有所变化，比如月亮在观察者的正上方，如果观察者向前走，月亮应逐渐退到他的后上方，但实际上月亮却仍在他的正上方，这时就形成了月亮也在移动的感觉，这种对月亮运动的感觉是有物理依据的，并不是人们平常所说的错觉。 但不知读者是否注意到，在白天，我们很少有“我走，月亮也走”的感觉（白天很多时候都有月亮），这固然是由于白天的月亮缺乏了烂漫和诗意，但实际上主要原因并不在于此。这里的原因与上面所谈观察车窗外的景物是一样的，月亮即相当于无穷远处的景物，那么在白天我们只能观察到周围景物围绕月亮作旋转，而注意到了所有的景物在旋转后退，实际上就等于选择自身为参照物，即这时认定自己是静止的，而月亮相对自身静止，因而最后的观察效果为静止。而只有到了晚上，周围所有的景物都隐藏在黑暗中的时候，也就是你失去了所有的参照物时（与你相对静止的月亮作参照物显然是没有意义的），你反而能凭经验认定自己在运动，而月亮又相对你静止，因而你感觉月亮也是运动的。 我们设想如果车窗外没有其它参照物，有时在白天也可以观察到“我走，月亮也走”的效果。记得笔者有一次乘车经过太湖边，车开得飞快，而那天阳光明媚，太湖上波澜不惊，能见度也很好，笔者在目力所及的很远的地方发现了一只小船，正以惊人的速度疾驰，当时感觉简直比我所乘的汽车还快，这是很令人吃惊的结果：因为首先我可以断定那绝对不是一只快艇，而是一只普通的渔船，绝对不可能有这样的速度，其次更令人吃惊的是在如此遥远的距离仍有如此惊人的视觉速度，实际速度不是更惊人吗？难道这只渔船的速度比飞机还快吗？现在回想起来，其中的原理就和“我走，月亮也走”是一样的。由于湖面非常广阔，而且风平浪静，没有任何明显的参照物，当我盯着