binglou 发表于 2009-12-7 05:54:45

用中学物理分析09务实卷撰写:“振动器”是独立权项的区别特征

首先声明这不是标准答案,是我个人的分析。
其次,本文尽量用最少的公式来阐述这个结论。

振动按摩器里面有偏心轮等运动部件,靠小电机带动偏心轮高速旋转产生振动,频率一般在几千甚至几万次每分钟。
相应的,偏心轮质心的运动,会把“振动”以弹力波的形式传导出去,这种传导主要在固体中传输能量。这是振动按摩器作用的基本原理。

所以,如果把振动器作为波源,向颈部传送振动波,而头和振动器中间没有固体相连接,而是隔了一道空气,那么传到颈部的能量就微乎其微。因为在空气中只有靠声波来传导能量。

而如果有固体将振动器与颈部连接(拐着弯连接也可以,只要别太远就行越远能量衰减越多),尤其是直接连接,则振动的能量会大量传导到颈部。显然,试题中就是这种情况。
而如果附近有气囊等物,是不会影响这个结论的,试题中的枕头在使用中,就算把气囊取走,让人头以某种方式悬空,振动器仍然可以把能量传导给颈部,甚至接近100%。

现实中有很多这样的例子,比方说,手机、bp机对讲机调成振动后置于腰间,除和人体接触此外不接触任何物体(除了空气,当然,宇航员在太空中如果用手机,也一定可以感受到),振动的时候我们可以清晰感受,而此时,“空气、振动源之于人体”的位置关系,就好比试题中“气囊、振动器、颈部”的位置关系。二者的效果是一样的,或者都有,或者都没有。
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虽然结论已经有了,但知道错是怎么发生的,往往比知道结论是什么更重要。
现在,让人纳闷的是,为什么“气囊抵消振动”一说有如此强大的干扰力呢?因为这个论题就象“重球比轻球同时落地”一样容易被偷换概念。

那么对比文件1的发明人--“气囊抵消振动”观点的持有人--是怎么得到这个结论的呢?他怎么看待这个力学模型?
我把自己也曾经短暂接受、继而否定这个观点的思考过程写出来,算是对此的一个大胆猜想:

实验1:
如果把振动器换成一个垂直方向往复运动的“小千斤顶”,千斤顶重量几乎为0,上面置一个枕头大小的平板,直接放在硬地板上,木板平面比地面高出10cm左右--跟枕头相等,人枕上去,这个千斤顶开始往复上下动作,幅度是峰峰值1cm,频率是每分钟60次,那么人头也会作同频的受迫振动,振幅同千斤顶一样。
在这个过程中,地面没有吸收能量,千斤顶给出的动能都传给了头,最后消耗在脖子的不停折动中,发了热了。

实验2:
下面把千斤顶换成个矮点的,用一个弹簧支在千斤顶下面,头枕上去后,高度还是10cm,这个时候,弹簧有一定压缩,在压缩的前提下,人头的静止高度是10cm。然后,千斤顶开始作峰峰值1cm,60次每分钟的振动,可以推理得到的是,在千斤顶退出,支杆加速度向上推人头的时候,弹簧会被压缩更多,支杆向下时反之。因为千斤顶“顶出”的长度最大是1cm,所以人头现在的上下幅度就不到1cm了--look,振动的部分已经被“抵消”了。

实验3:
继续改进实验2,把弹簧换成很软的弹簧--弹性系数很小的弹簧,这样会使弹簧被压缩更低、舒展时当然也更高,导致人头的振幅更小;
如果不是改变弹簧,而是增加千斤顶往复运动的频率(在幅度不变的前提下,这将导致其加速度峰值的增加),也会产生同样的效果;
如果,两个改变同时发生,“抵消”现象更加明显,直至人头的振幅可以趋近于零。
换一个角度看,因为千斤顶每伸出一小截,向弹簧的压力增加了一个微小量,则使弹簧缩进很多--相对于千斤顶支杆向上支力增加导致人头上升的高度,千斤顶增加的高度绝大多数使其下的弹簧缩进,而不是使人头向上抬起,这就是对振幅的“抵消”。

联想到试题中来:
气囊就是一个弹簧,振动按摩器就是这个千斤顶。
从上述思维实验中,我们似乎得到一个很直观的结论,气囊“吸收”了振动。

这个结论其实是对的,但只适用于上述思维实验。在实际中,所述的“小千斤顶”的往复运动机构是有质量的,就象振动器的偏心轮是有质量的。当千斤顶有了质量,情况就变化了,即便下面的弹簧再软,只要“底座伸出的加速度×千斤顶底座的质量”之积(这个积可以用“千斤顶支杆伸出的速度×千斤顶支杆的质量”来计算,二者相等)足够大,就会对其向上伸出部件产生足够大的支力的增加,这会使人头抬起足够高;这个运动连续起来,头部就产生了运动。频率高了,就是所谓的“振动”或“按摩”了。

当小千斤顶伸出的“加速度×往复运动部件的质量”之积还不够大的时候怎么办呢?把弹簧变硬,回到实验2,甚至实验1的情况。
因为这个时候,弹簧在同样的压缩下提供更多的反作用力,使人头振幅能更大些。
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那么,试题中提到的“硬质隔层”的作用怎么从力学上分析呢?
没有硬质隔层的时候,千斤顶底座向下压的时候,只把挨着的一小片面积压低,气囊的体积缩小量很少,气囊产生的气压变化很小,气囊向上的支力增加也很小--这就相当于一个很软的弹簧;
有了硬质隔层的时候,千斤顶底座向下压的时候,把整个气囊都压扁了,气囊的体积缩小量很多,气囊产生的气压变化很大,气囊向上的支力增加也很大--这就相当于一个很硬的弹簧;

很硬的弹簧相当于实验2的情况,再硬一些就接近实验1的情况了,这种情况下,“抵消”作用被克制了、削弱了。
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说到这里,可以知道,“抵消现象”是振动器频率低、偏心运动部件质量小的结果。如果换用频率高或/和偏心运动部件质量大的振动器,就可以减轻该现象;而且,抵消不是全部抵消,而是部分抵消,生活中很多类型的印证,都说明了这一点。

所以,试题中的“枕头,振动器和气囊”可以并存而起作用,对比文件1中的“抵消说”没有科学依据,据此,“枕头+气囊+振动器”是实用的,并且克服了传统的偏见。所以有创造性
本领域不是整个物理学领域,而是这种奇形枕头的领域,如果搜出来的对比文件就1篇,那么它就可以代表本领域了。而这篇文献中的错误观点,就成其为“本领域的技术偏见”。
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对比文件1中以否定的形式提到了“枕头+气囊+振动器”这个方案,算不算对这种组合的公开呢?不算。
因为它不能正面启发本领域的技术人员去这么作,反而制止这种做法。
在本对比文件的作用下,本领域的技术人员“能不能”这么作,和“会不会”这么作,是有很大区别的;
就象,能不能买到google早期的股票,和会不会去买它,这是完全不同的两码事,

所以,这个组合是有新颖性的,有创造性的。隔层应该放到从属里面。

netcyb 发表于 2009-12-7 06:48:23

Re:用中学物理分析09《务实卷》撰写题

打字功夫一流!佩服!

demhunter 发表于 2009-12-7 16:10:43

re

字数太多,没看。
答案出来就知道了

binglou 发表于 2009-12-7 17:59:38

“振动器”是独立权力要求的区别特征

简单说:
首先,举个例子,手机放腰间的手机套里,此时手机除与腰部接触以外基本悬空,但其振动仍然可以为人感受到,
同理,振动器下方的气囊即便撤走而使枕头悬空,其振动也照样可以传给头颈,更别提有气垫了。
所以,“枕头+气囊+振动器”有实用性。

可以作一个简单的实验来验证:用一个大气球作气垫,上面用透明胶带绑个手机,调振动,用枕头放在气球上,压住手机,头颈枕上去,从另外的电话拨打此手机--看看能不能感受到,能,就说明对比文件的“气囊抵消振动”观点是错误的。就说明“枕头+气囊+振动器”的创造性和实用性。

其次,对比文件1中否定性地提到“枕头+气囊+振动器”不能认为是破坏“枕头+气囊+振动器”的新颖性;

最后,对比文件1中否定性地提到“枕头+气囊+振动器”反而是证明了“枕头+气囊+振动器”的创造性;
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