书城教材教辅中学理科课程资源-分解物理力学
33386900000012

第12章 运动学知识(4)

1743年,法国力学家达兰贝尔对这场争论做了一个所谓的“最后的判决”,他在《动力学论》的序言中指出了两种量度的同样有效性。表面看来,达兰贝尔是一种模棱两可的态度。实际上他的观点还是有一定价值的。他指出,“力”这个词的意义是模糊不清的,“运动物体的力”更是一种假想的东西,是应该抛弃的概念。在物体的运动中,有两点是清楚的,一是它通过了某一空间距离,另一是它通过该距离需要一定的时间。“运动物体的力”只能用来表示“物体为克服障碍或阻止该障碍而产生的那种效果”,这样“运动物体的力”就应该理解为物体克服障碍的一种属性。物体能克服的障碍越大,就表示该物体的力越大。他具体指出,在“具有刚刚立即毁灭物体运动所必需的那种阻力的障碍”,即平衡的情况下,可以用质量与速度的乘积或运动的量表示力;而在“一点一点地毁灭物体运动的那种障碍”,即减速运动中,被克服的障碍的数量与速度的平方成比例。在上述分析的基础上,达兰贝尔得出结论:对于平衡运动和减速运动这两种情况,分别采用不同的量度标准就没有什么不方便了。也就是说,在平衡的场合,动量mv可以作为力的表现,因为大家都承认,对于两个物体将其质量和速度相乘,如果两个乘积相等,则它们之间存在着平衡;在物体作减速运动的场合,力的作用表现为直到运动完全消失时为止所通过的距离,而这是与速度平方成正比的。达兰贝尔除了指出两种量度的有效性外,后来他又证明了mv在减速运动的场合的适用性。他指出,物体在每一瞬间所失去的运动量d(mv)是跟阻力与无限小时间的乘积成正比的,而这些乘积的总和便是全部的阻力,也就是被克服的障碍。用我们现在的理解,把达兰贝尔的证明用数学公式表示出来:在每一瞬间,有d(mv)=fdt所谓“总和”就是对时间求积分,得到mv2-mv1=f(t2-t1)。这就是说,在(t2-t1)这一段时间内,力的作用可以由动量的变化来表现。达兰贝尔认为,mv可以作为平衡和减速运动两种场合的共同的力的量度。这样一来,达兰贝尔实际上又偏向笛卡儿的观点了。所以,我们只能称他的讨论是所谓的“最后的判决”。他并没有解决这场争论。

达兰贝尔实际上已经清楚地认识到,正是由于“力”这个最常用的名词还没有形成清晰的概念,才产生了这场争论。他甚至认为这是一场毫无意义的字面上的争论。由于达兰贝尔在科学界的权威,他的判决还是起了一定的作用。这种作用具有积极与消极两个方面。从积极的方面来说,他肯定了笛卡儿与莱布尼兹分别提出的两种量度都是有效的,它产生的积极影响是使力学家们不再是简单地赞成一个、否定一个,而是根据问题的性质与需要来选取哪种量度进行计算;另外,他特别指出了存在于“力”的概念上的严重混乱,是造成这场争论的深层原因,这一看法是非常深刻的,在当时也是很有意义的。明确地指出这个问题,对于把混同在一起的概念加以明确的区别,对于把意义含糊不清的概念予以清晰的定义,都是有益的,会起到促进作用。达兰贝尔的判决也有一定的消极作用,这和他在《动力学论》中轻率地表示这两种运动量度的争论是一场“毫无益处的咬文嚼字的争吵”有关。他的这种态度对一些科学家产生了影响,使他们在没有搞清楚这两种量度的意义时,就不再有兴趣去探究更加深刻的理解了。

不管怎么说,达兰贝尔的表态使这场争论沉寂下来了。从表面看似乎平息了争论,但实际上并没有解决问题。问题的真正解决则是在一百年之后,能量守恒与转化定律确立了,人们才从能量转化的角度对两种量度的本质区别获得了进一步的认识。恩格斯在19世纪下半叶对运动量度的争论作了科学的分析。他肯定了笛卡儿学派与莱布尼兹学派之间发生的这场争论是一场有意义的争论,而且还进一步指出阻碍科学家搞清楚这个问题的关键在于缺乏辩证的思维。他还提出,要解决这场争论”必须弄清楚为什么运动会有两种量度“。他认为:“机械运动确实有两种量度,但是也发现,每一种量度适用于某个界限十分明确的范围之内的一系列现象,”“一句话,mv是以机械运动来量度的机械运动;mv2/2是以机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力来量度机械运动。”

这就是说,mv适用于量度持续的机械运动,就是运动的变化只局限于机械运动的范围内;mv2/2则适用于量度消失了的机械运动,就是机械运动不再保持原来的运动形式进行传递,它作为机械运动1的形式消失了,而是以相当的其他形式能量(如热能、光能、电能等)出现。所以说,mv和mv2/2。这两种量度之间并非是互相矛盾的,而是适用于不同条件的两种量度。

随着物理学的发展,对于动量和能量的认识已经比较清楚。当一个系统不受外力或所受外力之和为零,则这个系统的动量是守恒的。但是,当一个系统的动量守恒时,它的动能不一定守恒。当动能和其他能量之间相互转化时,则服从能量守恒定律。每一个处于运动过程中的系统,都具有一定的动量和能量,它们各自服从动量守恒定律与能量守恒定律。它们分别从不同的角度刻画了系统的运动状况。

在对一问题的认识尚未达到深刻程度时,人们总是习惯于从自己所认识到的范围来提出自己的见解,这就造成对同一问题的研究会产生不同的观点。科学争论能帮助人们,特别是帮助后来的研究者更深刻、更全面地理解和认识这一问题。

(第十二节 )牛顿的科学思想方法

牛顿定律及其世界体系的建立,是人类认识客观世界过程中的一次飞跃。美国科学史家库恩把它称为科学革命。如果日心说是第一次科学革命,牛顿力学就是第二次科学革命。科学革命是技术革命的先导,在牛顿的科学革命之后大约一百年,出现了18世纪末19世纪初的工业革命或产业革命。

牛顿在《原理》中提出了力学的三大定律和万有引力定律,把地面上物体的运动和太阳系内的行星的运动统一在相同的物理定律之中,从而完成了人类文明史上第一次自然科学的大综合。

它不仅标志了16~17世纪科学革命的顶点,也是人类文明、进步的划时代标志。它不仅总结和发展了牛顿之前物理学的几乎全部重要成果,而且也是后来所有科学著作和科学方法的楷模。

牛顿的科学思想和科学方法对他以后300年来自然科学的发展产生了极其深远的影响。

牛顿的科学观是因果决定论的科学观。他认为天体运动的原因就是万有引力,行星运动的规律是由万有引力定律决定的。他根据万有引力定律成功地解释了行星、卫星和彗星的运动,直至最微小的细节,同样也解释了潮汐和地球的运动。在牛顿力学中只要知道质点在初始时刻的位移和速度,根据牛顿定律就可以预言其后时刻的运动情况,这是典型的因果描写。

但是,在牛顿以前往往并不用因果论来解释自然现象,而用目的论来解释自然现象,即按照某种目的或结果来解释运动现象,而不是用力的原因作解释。牛顿采用因果性的解释在物理学的发展中是重要的一步。爱因斯坦指出:“在牛顿以前还没有实际的科学成果来支持那种认为物理因果关系有完整链条的信念。”牛顿建立了物理因果性的完整体系,从而揭示了物理世界的深刻特征。在决定论科学观的基础上,牛顿确立了他的物理框架,所谓物理框架就是对物理现象解释的一种标准。牛顿框架的核心是力和力所决定的因果性,认为找到了力的规律就是找到了对运动现象的解释。