从认识力和能量再到时间和空间.doc
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1、重新审视力与能量的联系和区别灵遁者人总是在否定自己,最近我就老是这样。看自己曾经写下的很多东西,都觉得不行。让专业的人,去干专业的事情。关于物理的科普也好,关于物理的创新也吧,我早该停下来了。但就像我说的,我们的问题不会有最后一个。当你执着于一个事情的时候,你以为你终于停下来了,但大脑中总会突然冒出一些想法,让你不得不去思考。思考了又忍不住写下来。关于力和能量,我们很熟悉了。从牛顿开始至今300多年了,我们学习了这些知识,我们以为自己很了解这些知识了。但其实我们应该多回头去审视这些定义和概念的精确性,毕竟物理学是在发展中完善和递进的。审视过去的学术,对于我们而言,百利无一害。那么先来说说力。在
2、介绍力和能量的定义和概念之前,我问你,力与能量有什么联系?有什么区别?力和能量都是抽象的概念,抽象能力是帮助我们去繁就简,看清事物本质的能力。力的定义是这样:力是物体对物体的作用,力不能脱离物体而单独存在。两个不直接接触的物体之间也可能产生力的作用。力的单位是牛【N】,力的三要素是大小,方向,作用点。能量的定义是这样的:能量是物质运动转换的量度,简称“能”。世界万物是不断运动的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。也可以表述为能量(energy)是质量的时空分布变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系,即爱因斯坦的质
3、能关系式:E=MC。能量的单位与功一样是焦耳【J】。OK,上面的内容是力和能量的定义,这都是初中的内容。现在我们来分析一下,看似很简单的内容,其实分析起来很复杂。力和能量都不是可以一句话说清楚的概念。在长达二个世纪之内,力和能量都是混淆的,法国学者科里奥利(Gustave Gaspard Coriolis,17921843)引进了功的概念后,力和能量的概念才被明朗的分开来。首先我们这样来抽丝剥茧,才能从本质上认识力和能量。教科书不会这样教你,但你要学会这样去思考。力和能量是怎么产生的?如何判断有力或有能量存在?那么要谈论这个问题,先得聊聊惯性。惯性也本书中最重要的一个点。我反复强调过,这个点是
4、经典力学和相对论都绕不开的难题。理解了惯性,很多问题都好理解了。看了前面的章节,你肯定清楚了,对于惯性理论贡献最大的一个人是伽利略。他是第一个对此问题有深刻理解的人。但为什么他没有提出力和能量的概念呢?主要是他关于质量的定义是模糊的,所以他不能给出清晰的既适用于静力学,又适用于动力学的力的定义。但他的惯性原理指出,物体在不受外力作用的条件下,能连续作匀速运动。他把力和速度的变化联系在一起。破除了亚里士多德把力和速度联系在一起的长期的思想束缚,为牛顿把力和加速度联系在一起开辟了道路。牛顿首先引入了质量的概念,而把它和物体的重力区分开来,说明物体的重力只是地球对物体的引力。这里说的就是牛顿的第二定
5、律。现在的动力学就是以牛顿第二定律为核心,这个定律指出了力、加速度、质量三者间的关系。所以说牛顿是力学体系的奠基人!但牛顿也没有提出能量理论,最早提出能量理论的是莱布尼兹,那个时候能量这个词叫“活力”。能量(Energy)这个词是托马斯杨于1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的,针对当时的“活力”或“上升力”的观点,提出用“能量”这个词表述,并和物体所作的功相联系,但未引起重视,人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。读到这里大家应该知道了,这个时候,人们对于力和能量的概念,还是不清晰的。我们现在的学生,包括我上学的时候,初中就开始接触力和能量了。但其实也就是能简单认识这两个概念,很少有学生
6、能融汇贯通的理解,这并不简单。因为初中我们并没有学到微积分理论。牛顿的理论基本还是静力学,后来的达朗贝尔和拉格朗日分别又拓展了牛顿的力学理论,使得动力学理论得到飞速发展。而他们所用的工具,自然就是微积分了。再往后,就是我们说到的托马斯杨了。托马斯杨其实最有名气的实验是衍射实验。这个我在见微知著中有详细介绍。但他在当时还不太受欢迎,为什么这么说呢?他把他的理论印刷成书籍,据说只卖了一本,还是朋友买了。再往后,就是上面提到了科里奥利。他提出功的概念,并且科里奥利开始将动能和功的概念应用到旋转的系统中,然后就有了现在著名的科里奥利力。广泛用于研究气象,洋流等现象。所以大致的研究力和能量的历史,是这样
7、的。最早其实属于哲学方面的认识。然后是亚里士多德的理论,不过亚里士多德的认识是经验性的。再后来就是伽利略【出生1564.02.15-去世1642.01.08】。伽利略去世不到半年,牛顿出生了【1643年1月4日1727年3月31日】。牛顿在伽利略的基础上,建立了力学体系。和牛顿同时代的人物,布莱尼茨【1646年7月1日1716年11月14日】在牛顿出生三年后,也降生了。他开始研究“活力”了。还有一位叫惠更斯【1629年04月14日1695年07月08日】,他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱,他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献,在数学和天文学方面也有卓越的成就,是近代自然科学的一
8、位重要开拓者。他建立向心力定律,提出动量守恒原理。莱布尼茨往后,分别是达朗贝尔,拉格朗日,托马斯杨,科里奥利。这四个人都是出生于18世纪。如果是从伽利略开始算起的话,力和能量的认识,至少走了200年时间。200年的研究历史还不够,后来麦克斯韦,爱因斯坦等又闪亮登场,再次刷新了人们关于能量的认识质能关系。所以这不简单。上面算是简单回顾了力和能量的研究史。接下来该回答上面的提问了。牛顿的惯性定义:惯性,是物质固有的属性,是一种抵抗的现象,它存在于每一物体当中,大小与该物体的质量相当,并尽量使其保持现有的状态,不论是静止状态,或是匀速直线运动状态。牛顿的惯性定律:任何物体在不受外力时,总保持静止或匀
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