拓展閱讀：力的概念的起源

1 6 力的概念的起源力的概念的起源 通過下面一些歷史材料的綜合 就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的事實(shí) 力的概念最初是人 類在勞動(dòng)中通過肌肉緊張的感覺而產(chǎn)生的 后被自然科學(xué)家借用而成為物理學(xué) 的基本概念 力的概念是經(jīng)過許多力學(xué)工作者的琢磨加工 逐漸完善起來的 從力的概念的產(chǎn)生到力的概念逐步明確的過程中 力與碰撞過程始終緊密地連 系在一起一 一 墨經(jīng)墨經(jīng) 對(duì)力的認(rèn)識(shí)對(duì)力的認(rèn)識(shí) 在公元前 480 380 之間 中國的墨翟 約公元前 478 392 及其子弟所著 的 墨經(jīng) 一書 對(duì)運(yùn)動(dòng)和力有明確的定義 在力的概念及許多力學(xué)知識(shí)方面 走在同時(shí)代的前列 閃耀著中華民族智慧的光輝 墨家考察了人體對(duì)周圍環(huán)境的作用 看到人們通過肌肉的動(dòng)作 如舉 持 擲 踢 蹬 可以使別的物體發(fā)生位置移動(dòng) 從而總結(jié)出肌肉力的概念 經(jīng) 第二十一條指出 力 刑之所以奮也 這里 刑 同形 指人體 物體 奮 指克服阻抗而運(yùn)動(dòng) 奮字在古漢語中的意義是很豐富的 諸如由靜到動(dòng) 由慢 到快 由下而上等等都叫做奮 因而墨家的這句話可理解為 力是物體由靜而 動(dòng) 由下而上 或由慢到快的原因 這是對(duì)力下的一個(gè)很正確定義 由于力不 易見 而重是顯而易見的 人人都能看得到 所以 墨家又以舉重為例加以闡 明 同條 經(jīng)說 指出 力 重之謂 下 與 重奮也 這里 下 是指物體下 墜 與 是舉物向上 意思是說 重是一種力 力和重相當(dāng) 物體下墜 上舉 都是基于重的作用的運(yùn)動(dòng) 墨家把力和物體運(yùn)動(dòng)的原因聯(lián)系起來 初步認(rèn)識(shí)到了力可以改變物體的運(yùn) 動(dòng)狀態(tài) 在當(dāng)時(shí) 這是對(duì)力的概念的很了不起的很重要認(rèn)識(shí) 特別是墨家已把 力和重聯(lián)系起來 把重看成一種力 可以說這是人類對(duì)力的最早的理性認(rèn)識(shí) 經(jīng) 第一百二十七條的 經(jīng)說 還指出 凡重 上弗挈 下弗收 旁弗卻 則直下 即認(rèn)為自由落體的軌跡必堅(jiān)直向下 說明墨家對(duì)重量產(chǎn)生的力觀察研 究得十分深入 墨家對(duì)阻力 慣性 浮力以及墻體和梁的受力等都有精細(xì)的分析 對(duì)力的 平衡 扛桿 滑輪 輪軸和斜面的力學(xué)知識(shí)也有深入的理解 二 古代原子論中的碰撞作用觀點(diǎn)二 古代原子論中的碰撞作用觀點(diǎn) 遠(yuǎn)在公元前 古原子論奠基人之一伊壁鳩魯 Epicurus 公元前 342 270 就正確地提到碰撞 當(dāng)原子在虛空里被帶向前進(jìn)而沒有東西與它們碰撞時(shí) 它 2 6 們一定以相等的速度運(yùn)動(dòng) 用今天的觀點(diǎn)來看 這里所說的碰撞顯然有著力的 含義 德謨克利特 Democritus 公元前 460 370 是一個(gè)很博學(xué)的人 他到過巴 比倫 波斯 埃及 印度和埃塞俄比亞 在他的原子論中包含著這樣的一種思 想 原子在本質(zhì)上都是相同的 它們之間的作用是通過碰撞 擠壓而傳遞的 亞里士多德 Aristoteles 公元前 384 322 認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)只有在外界的 不斷作用下才能產(chǎn)生 也就是說 他認(rèn)為力是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因 但這種說法解 釋不了拋射運(yùn)動(dòng) 于是出現(xiàn)了沖力說 三 沖力說的概念三 沖力說的概念 沖力說的早期代表是六世紀(jì)亞歷山大的一個(gè)學(xué)者 名叫約翰 斐勞波諾斯 John Philonos 所謂沖力 就是和物體運(yùn)動(dòng)具有同一方向的動(dòng)力 物體運(yùn)動(dòng) 速度越大 物體得到的沖力就越大 很顯然 這里所說的 沖 就有碰撞的含意 沖力其實(shí)就是一瞬間的碰撞力 正是由于沖力說把力與碰撞聯(lián)系起來 才使得 力的概念向著正確的道路前進(jìn) 斐勞波諾斯認(rèn)為上帝創(chuàng)世之初就賦予天體一種 沖力 即一種不隨時(shí)間消 逝的動(dòng)力 這種動(dòng)力可以維持物體永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去 因此 運(yùn)動(dòng)的物體一般并不 需要經(jīng)常有個(gè)推動(dòng)者和它接觸 直到這種沖力耗盡為止 1327 年 任巴黎大學(xué)校長的瓊 比里當(dāng) Jean Buridan 也是沖力說的擁護(hù) 者 他持有這種觀點(diǎn) 在運(yùn)動(dòng)的物體上存在一種沖力 天體正是由于沖力而運(yùn) 動(dòng)的 只是由于天空中沒有空氣阻力 沖力作用不會(huì)減退 所以天體就一直運(yùn) 動(dòng)下去 從而否定天神推動(dòng)天體運(yùn)轉(zhuǎn) 四 碰撞過程的研究四 碰撞過程的研究 碰撞問題是 17 世紀(jì)力學(xué)中心問題之一 隨著對(duì)碰撞過程研究的不斷深入 力的定義也日趨完善 1 伽俐略對(duì)碰撞的研究 伽俐略對(duì)碰撞的研究 沖力說對(duì)伽俐略 Galilea 的影響很大 他本人早期就是沖力說的信奉者 他通過對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究 提出了如下想法 唯有重量才是物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變 化的原因 伽利略關(guān)于碰撞的論述保留在 新科學(xué)對(duì)話 的草稿上 對(duì)話原稿 的第六天內(nèi)容 碰撞的力 后來發(fā)表于 1718 年 從這本著作中可以了解到伽利 略已經(jīng)把碰撞和力聯(lián)系起來 并作過了各種努力 想把碰撞問題以某種數(shù)學(xué)形 3 6 式加以歸納 但沒有完全獲得成功 伽利略曾經(jīng)用天平觀測(cè)過下落水柱的沖擊力 他認(rèn)為沖擊力與物體質(zhì)量以 及它下落中獲得的速度有關(guān) 并試圖確定碰撞過程中沖擊力的作用與質(zhì)量和速 度的關(guān)系 2 笛卡兒的碰撞理論 笛卡兒的碰撞理論 笛卡兒 R Descartes 就比伽俐略更進(jìn)了一步 特別值得強(qiáng)調(diào)的是 他提 出過這樣兩條原理 a 用反復(fù)給予的小沖擊來代替作用于落體上的重力 b 一旦開始運(yùn)動(dòng)的物體 只要沒有受到妨礙 就會(huì)不斷地繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去 很明顯 從笛卡兒所用的 沖擊 妨礙 兩詞來分析 他已經(jīng)把重力 分解成一種連續(xù)不斷的碰撞 并且認(rèn)為物體不受到碰撞就不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 他認(rèn)為 所謂力就是特定的物體所具有的實(shí)在的西 它的大小由動(dòng)量給出 笛卡兒 1644 年在 哲學(xué)原理 第二部中論述了有關(guān)碰撞的 7 條定律 1 兩個(gè)以大小相等 方向相反的速度碰撞的同樣物體 在碰撞后交換速度 2 如果物體 A 比物體 B 大得多 那么碰撞后它們以同一速度沿 A 原來的方 向運(yùn)動(dòng) 3 如果物體 A 和物體 B 大小相等 但 A 速度大 那么 A 把超過 B 的速度的 一半傳給 B 4 如果物體 B 大于物體 A 即使大得不多 而且物體 B 靜止 則碰撞時(shí) 物體 A 將不能推動(dòng) B 而自己反彈回去 5 如果物體 A 大于物體 B 且 B 靜止 則無論 A 的速度多么小 都將推動(dòng) B 沿著自己運(yùn)動(dòng)的方向以同樣的速度運(yùn)動(dòng) 其中物體 A 將把與物體 B 相應(yīng)的部 分運(yùn)動(dòng)傳給 B 6 如果兩物體相等 且物體 B 靜止 則 B 將部分地被推動(dòng) A 也部分地被 彈回 如果 A 的速度為 4 則 A 留其 3 B 得其 1 7 如果物體 B 大于物體 A 而 A 的速度大于 B 的速度運(yùn)動(dòng)方向相同 則可 能有三種情況 若兩物物體質(zhì)量之差小于兩速度之差 則 A 將傳給 B 一部分運(yùn)動(dòng) 若兩物物體質(zhì)量之差大于兩速度之差 則 A 反彈回來 不傳遞增運(yùn)動(dòng) 若兩物物體質(zhì)量之差等于兩速度之差 則 A 將傳給 B 一部分運(yùn)動(dòng) 而自己以 4 6 剩余的運(yùn)動(dòng)反彈回來 用今天的觀點(diǎn)來看 這 7 條定律中當(dāng)然存在一些缺陷和錯(cuò)誤 在笛卡兒看來 空間是充滿著物質(zhì)的 其各部分的運(yùn)動(dòng)只因相互發(fā)生碰撞 才發(fā)生變化 他否認(rèn)了隔開一定距離發(fā)生作用的那種力 把碰撞理論放在動(dòng)量 守恒的基礎(chǔ)上來處理 因?yàn)榈芽▋旱呐鲎怖碚撚腥毕?他也沒有能正確地解決碰撞問題 他的力 的概念也有嚴(yán)重的缺陷 例如 萊布尼茲 Leibniz 曾經(jīng)通過一個(gè)具體的碰撞例 子發(fā)現(xiàn)了這些缺陷 盡管笛卡兒的碰撞理論還有不少的缺陷 但惠更斯 C Huygens 和牛頓 Newton 在此基礎(chǔ)上展開了碰撞問題的正確研究 從而開始奠定了近代力學(xué) 的基礎(chǔ) 3 惠更斯的碰撞理論 惠更斯的碰撞理論 惠更斯的碰撞理論被認(rèn)為是在 1656 年前完成的 但他的碰撞理論在他死后 1703 年 出版的 物體碰撞運(yùn)動(dòng) 一書中才首次發(fā)表 和惠更斯同一時(shí)代的沃 利斯 J wallis 雷恩 C wren 和胡克 R Hooke 也發(fā)表了有關(guān)碰撞問題的論文 他們所得的結(jié)論基本相同 但以惠更斯最為完整 他提出了作為論述碰撞問題 的幾個(gè)公理 周密地論述了彈性體的對(duì)心碰撞 人們認(rèn)為 1673 年馬略特 E Mariotte 發(fā)表的 論物體的碰撞 和惠更斯的 物體碰撞運(yùn)動(dòng) 是關(guān)于彈 性碰撞理論的經(jīng)典名著 惠更斯的碰撞理論是以下述三個(gè)假設(shè) 公理 作為基礎(chǔ)的 1 運(yùn)動(dòng)起來的物體 在未受到阻礙作用時(shí) 將以不變的速度沿直線繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 2 兩個(gè)具有相同質(zhì)量的物體 以相同速度相向作對(duì)心碰撞后 兩者都以相同 的速度向相反方向運(yùn)動(dòng) 3 當(dāng)兩個(gè)物體碰撞時(shí) 即使它們同時(shí)參與另一勻速運(yùn)動(dòng) 在也具有這個(gè)共同 運(yùn)動(dòng)的觀察者看來 兩個(gè)物體的相互作用就好象不存在這個(gè)共同運(yùn)動(dòng)一樣 特別需要指出的是 惠更斯在碰撞過程的研究中得出許多重要的力學(xué)原理 例如 其一 兩個(gè)物體所具有的運(yùn)動(dòng)量在碰撞過程中都可以增多或減少 但是它 們的量值在同一方向的總和卻保持不變 如果減去反方向的運(yùn)動(dòng)量的話 5 6 其二 在兩個(gè)物體的碰撞中 它們質(zhì)量和速度的平方乘積的總和 在碰撞 前后保持不變 4 牛頓對(duì)碰撞的研究 牛頓對(duì)碰撞的研究 牛頓在不知惠更斯結(jié)果的情況下 也對(duì)碰撞問題進(jìn)行了深入的研究 在他 的手稿中 把碰撞作為具體問題進(jìn)行論述 他論述了質(zhì)點(diǎn)的彈性碰撞問題 有 廣延性物體的非對(duì)心碰撞問題以及旋轉(zhuǎn)著的許多物體的碰撞 這是極為復(fù)雜的 但結(jié)果是正確的 這就充分說明了牛頓對(duì)碰撞問題的研究已經(jīng)達(dá)到了多么深入 的程度 牛頓認(rèn)為 所謂力就是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的動(dòng)力 他說明 作為定 量的定義 力是和動(dòng)量的變化成正比例的 牛頓在 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 一 書中把作為產(chǎn)生加速度原因的力和慣性力 碰撞 壓力 向心力相提并論 似 乎領(lǐng)悟到力和碰撞的某些聯(lián)系 不過 牛頓提出的作用力和反作用力定律肯定 是通過對(duì)碰撞過程的研究而得出的 實(shí)際上 牛頓通過對(duì)碰撞過程的深入的研究 不自覺地總結(jié)出力具有大小 方向和作用點(diǎn)三要素 發(fā)現(xiàn)了碰撞過程的三個(gè)基本特性 即牛頓三大定律 他 從根本上把握了慣性定律 力的大小和動(dòng)量的變化率成正比以及作用力與反作 用力等大反向 從此 力的定量概念就逐漸明確起來 這也是 牛頓能成為一顆明 星的根本原因 五五 結(jié)結(jié)論論 從上述討論可知 力是與碰撞密切相關(guān)的概念 正確的碰撞理論未被建立 以前 力的定量概念也沒有確立 在正確的碰撞理論 彈性碰撞 完成以后 力的定量概念也逐漸明確 對(duì)力學(xué)作出重大貢獻(xiàn)的科學(xué)家中 無一不深入細(xì)致 地研究過碰撞 因此 我們完全有理由認(rèn)為 力的概念是從碰撞過程中抽象出 來的 也就是說 力的概念起源于碰撞 歷史上最近一段相當(dāng)長的時(shí)期 由于牛頓三大定律正好掩蓋了碰撞過程 人們對(duì)碰