今次反璞归真,谈一条简单却有点巧妙的中学程度力学问题。

有一辆货车,以1 ms-1速度均速向前行,小明站在货车上,并把一个2 kg的球向前抛出,令球以相对于货车为1 ms-1的速度向前移动。问小明总共用了多少能量去抛出这个球呢?

如果以小明的角度来思考,这个球原本相对于自己是静止的,抛出之后就以相对于自己1 ms-1的速度向前移动,那小明抛球用的能量当然是:

但如果以一个站在货车外的旁观者的角度来思考,这个球原本以相对于自己1 ms-1的速度移动,抛出之后就速度变成2 ms-1,那小明抛球用的能量就是:

为什么会这样?那小明抛出这个球究竟用了多少能量?1焦耳还是3焦耳?

原来当小明抛出球的时候把力作用在球上,根据牛顿第三定律,有一个大小相同但方向相反的力由球作用在小明身上,令小明减速,也就是令货车减速。如果货车要保持1 ms-1的均速,就需要额外的能量。所以小明抛出这个球时只用了1焦耳,但货车为球提供了额外的2焦耳,所以球就总共多了3焦耳的能量。