關(guān)于物理學(xué)術(shù)論文

　　物理是一門以實(shí)驗(yàn)和觀察為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。這是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的關(guān)于物理學(xué)術(shù)論文，僅供參考!

　　關(guān)于物理學(xué)術(shù)論文篇一

　　物理學(xué)

　　摘要: 對(duì)經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法，認(rèn)為對(duì)于慣性要區(qū)分：個(gè)別 研究 對(duì)象的性質(zhì)與存在的性質(zhì);保持某種狀態(tài)的性質(zhì)與改變某種狀態(tài)的性質(zhì);物 理學(xué) 規(guī)律 的動(dòng)力學(xué)特性與審美性。

　　關(guān)鍵詞: 慣性;存在;時(shí)間;空間

　　慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個(gè)基本概念，同時(shí)它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)基礎(chǔ)性觀念，并且慣性 問題 也是經(jīng)常被界討論的一個(gè)話題(1)?？墒?，盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過了漫長(zhǎng)的 發(fā)展 時(shí)期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性(2)，本文試從幾個(gè)方面對(duì)慣性進(jìn)行了討論，望引起大家的共識(shí)。

　　一、慣性的意義

　　大家知道，慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)(3)。一個(gè)物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會(huì)一直靜止下去，而原來運(yùn)動(dòng)的則會(huì)一直作勻速直線運(yùn)動(dòng)。這里的問題在于：慣性是否是物體的性質(zhì)?依據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，任何物體均具有慣性。因而，看來慣性不是被研究物體的性質(zhì)，因?yàn)檫@一性質(zhì)是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個(gè)別特征無關(guān)。因而，慣性只能是存在的一個(gè)特征，是被研究對(duì)象周圍的 環(huán)境在此對(duì)象上的表現(xiàn)。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。

　　二十世紀(jì)初，德國數(shù)學(xué)家諾特爾(4)證明了：空間平移對(duì)稱性導(dǎo)致動(dòng)量守恒、空間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性導(dǎo)致角動(dòng)量守恒、而時(shí)間均勻性導(dǎo)致能量守恒。事實(shí)上，物體的慣性是時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性的必然結(jié)果。因而它與個(gè)別的特殊研究對(duì)象無關(guān)。慣性不是個(gè)別存在物的性質(zhì)，個(gè)別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者，慣性的本質(zhì)與個(gè)別存在物的特性無關(guān)。從而我們就不能用反映個(gè)別存在物性質(zhì)的量(例如質(zhì)量)來測(cè)度慣性。因?yàn)閼T性作為存在的一種顯現(xiàn)，并無大小可言，它只是存在之狀態(tài)的表達(dá)。

　　二、慣性與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的難易程度無關(guān)

　　通常認(rèn)為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由：質(zhì)量大的物體在相同的力作用下其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結(jié)論。而事實(shí)上物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否變化，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無關(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使(或抗拒)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力，而在于它的保持某種特定狀態(tài)(靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng))的本領(lǐng)：在最相似的物之間，錯(cuò)覺說著最巧妙的謊;最小的罅隙是最難度(5)。因而慣性與物體的質(zhì)量無關(guān)。倘若慣性與物體的質(zhì)量有關(guān)的話，則我們也可以說力與慣性也有關(guān)系。因?yàn)閷?duì)于相同質(zhì)量的物體而言，力越小其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實(shí)上，在慣性概念發(fā)展的最初時(shí)期，牛頓就將慣性與力進(jìn)行等價(jià)的思考，當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯(cuò)的了。如果要說質(zhì)量與慣性確有 聯(lián)系的話，作者以為也只能從這樣的一個(gè)視角來看：慣性是由其表現(xiàn)物體周圍存在著的與時(shí)空有關(guān)的天體質(zhì)量分布情況決定著的性質(zhì)。這是因?yàn)?，根?jù)廣義相對(duì)論，空間的性質(zhì)是由天體質(zhì)量的分布所決定的。至于時(shí)間，自從奧古斯丁(6)提出“什么是時(shí)間?”以來，人們還沒有認(rèn)清它的真面目，也因而從更深的層次上而言，人們只認(rèn)識(shí)到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。

　　慣性不是一種由個(gè)別物體自身所具備的原因(誠然，所有物體均會(huì)表現(xiàn)出慣性)，它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映，事實(shí)上，它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對(duì)任何改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質(zhì)”(7)這樣一種說法就是不當(dāng)?shù)?。因?yàn)檫@一注釋還是從對(duì)牛頓第二定律的基本 分析 而來的，在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對(duì)慣性與物體質(zhì)量等價(jià)的認(rèn)同感。其實(shí)，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質(zhì)，它使物體的存在行為非常簡(jiǎn)單，而人們也往往由于常見到這種存在的簡(jiǎn)單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠(yuǎn)靜止，運(yùn)動(dòng)的永遠(yuǎn)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，作者以為均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為?？墒沁@種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經(jīng)而且充斥著各種各樣的教科書(8)，我們來看一些下面的例子。

　　例1.慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時(shí)制動(dòng)常造成 交通 事故。所以，在城市的市區(qū)，對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。(9)

　　在這里，不能及時(shí)制動(dòng)是由于慣性還是由于制動(dòng)力不夠大?略作思考，讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒.唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是，由于車輛質(zhì)量較大，而相應(yīng)的制動(dòng)力在如此質(zhì)量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時(shí)間內(nèi)停下來。倘若對(duì)于質(zhì)量較大的車輛來說制動(dòng)力也允許更大，那么作者認(rèn)為還是可以在一定的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)車輛的。

　　并且，這個(gè)例子中的“高速行駛的車輛”及“對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。這對(duì)于初學(xué)者來說是一個(gè)很大的誤導(dǎo)。

　　例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什么緣故呢?(10)

　　通常標(biāo)準(zhǔn)答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)斧柄遇到障礙物時(shí)突然停止，而斧頭由于慣性保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。

　　事實(shí)上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對(duì)于斧柄運(yùn)動(dòng)了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運(yùn)動(dòng)的原因。在此問題中的一個(gè)效果是斧頭相對(duì)于斧柄產(chǎn)生了某種(克服一定力的)運(yùn)動(dòng)，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時(shí)，實(shí)際上斧柄在撞擊的過程中是一個(gè)非慣性系，它相對(duì)于慣性系有一個(gè)向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個(gè)向下的“慣性力”，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對(duì)于斧柄前進(jìn)了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題，那么可以這樣認(rèn)為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力，但相對(duì)于地面而言斧頭具有一定的動(dòng)能和重力勢(shì)能，正是這個(gè)能量克服了阻力作功從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看，一是斧頭相對(duì)于斧柄向下移動(dòng)了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。

　　如果僅從動(dòng)力學(xué)的角度來看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時(shí)間(或所通過的位移)所共同決定的，也就是說它和斧頭相對(duì)于斧柄的動(dòng)能或動(dòng)量變化有關(guān)。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個(gè)條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對(duì)于水泥地面的較大的動(dòng)量變化率，從而也使斧頭具有了相對(duì)于斧柄的慣性力。但是，雖然這個(gè)慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴(yán)格地說，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時(shí)間也大有關(guān)系，因而，撞擊“幾下”也是一個(gè)非常重要的條件。

　　例3.小車上豎直放置一個(gè)木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車被檔板制動(dòng)時(shí)，車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢?(11)

　　教科書上的答案是這樣的：小車突然停止的時(shí)候，由于木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由于慣性要保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。

　　事實(shí)上，本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對(duì)木塊的摩擦力對(duì)木塊的重心而言有一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動(dòng)時(shí)已是一個(gè)非慣性系，作用在木塊(重心)上的“慣性力”對(duì)木塊的底端也產(chǎn)生一個(gè)使木塊作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩。

　　需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個(gè)涉及物體在非慣性系中的動(dòng)力學(xué)的問題。其中例2是非慣性系中的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)問題，而例3則是非慣性系中的剛體動(dòng)力學(xué)問題?？墒牵诜菓T性系中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說，這兩個(gè)例子不僅是不準(zhǔn)確的解釋而且是不適當(dāng)?shù)睦印Ｔ谏婕皯T性的問題上我們必須分別那些是屬于慣性現(xiàn)象，而那些則不屬于慣性現(xiàn)象——即為動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的(12)，但我們?cè)S多的 工作者卻將慣性對(duì)事物的解釋范圍作了相當(dāng)隨意而并不恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展或扭曲。其實(shí)在講述慣性時(shí)，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對(duì)事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關(guān)鍵在于，慣性不是使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(使火車制動(dòng)、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒)的原因。嚴(yán)格地說，這些原因和物體的慣性無關(guān)，只和力有關(guān)，而至于火車制動(dòng)得及時(shí)不及時(shí)，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關(guān)，還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。但即使如此地與質(zhì)量和初速有關(guān)卻也與慣性無關(guān)。

　　慣性，這個(gè)我們通常認(rèn)為是由物體內(nèi)在因素決定的性質(zhì)，其實(shí)是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為 參考 系統(tǒng)來研究‘當(dāng)汽車急劇剎車的時(shí)候，車中乘客有向前傾倒的傾向’這個(gè)問題，在汽車急劇剎車前，相對(duì)于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時(shí)，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統(tǒng)，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止?fàn)顟B(tài)，并不表現(xiàn)出慣性”(13)。這個(gè)條件就是：物體要表現(xiàn)出慣性，它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強(qiáng)地延續(xù)維持不變,無論運(yùn)動(dòng)是快是慢抑或停止。”(14)也只在慣性系中才成立。在研究物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，慣性系總有著特殊的地位?？墒?，這個(gè)特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個(gè)報(bào)應(yīng)，慣性系的存在有其形而上的基礎(chǔ)： 自然 之美的呈現(xiàn)及人對(duì)自然之美呈現(xiàn)體認(rèn)的同一性。如果沒有了存在的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性，我們選取的相對(duì)于地面作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系對(duì)研究動(dòng)力學(xué)問題而言也就將成為一個(gè)畸形的怪胎。慣性系不僅在 計(jì)算 上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關(guān)系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是：存在是美的。而慣性系則是自然對(duì)人的一個(gè)饋贈(zèng)。也因而，我們應(yīng)當(dāng)從審美的視角來看待慣性，而不應(yīng)當(dāng)將它看成一個(gè)惡魔或一件便宜貨。

　　所有的老師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當(dāng)我們的老師用動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看待慣性——也就是說，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時(shí)候，對(duì)學(xué)生的這一期望是合適的嗎?其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū)：當(dāng)教完一些的基本概念與規(guī)律以后，就要求學(xué)生用它們解釋自然現(xiàn)象。事實(shí)上，中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們?nèi)ソ忉屪匀滑F(xiàn)象，它沒有這個(gè)功能，它只是告訴我們要去感受些什么，它提供給我們的不是一種推理的方式，而是一個(gè)判斷的原則 ：它促成我們的判斷更接近于自然之美的呈現(xiàn)。

　　三、慣性定律與牛頓第二定律的關(guān)系

　　當(dāng)物體所受的合外力為零時(shí)，從牛頓第二定律可知物體處于靜止?fàn)顟B(tài)或作勻速直線運(yùn)動(dòng)。可是，僅依據(jù)這一點(diǎn)卻不能認(rèn)為牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個(gè)特例。因?yàn)檫@兩個(gè)定律的論述對(duì)象其實(shí)是不一樣的。牛頓第二定律的研究對(duì)象是一個(gè)物體，而牛頓第一定律論述的是整個(gè)存在的性質(zhì)。慣性——這個(gè)任何物體均具有的性質(zhì)其實(shí)不是我們的個(gè)別研究對(duì)象所具有的性質(zhì)，因?yàn)檫@個(gè)“任何物體”，包括了天地間的萬物，而萬物的總稱(15)即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今來曰宙”.也即任何個(gè)別的物體都不可能無條件地具有慣性：慣性是存在的特性，是存在著的時(shí)空的特性，是宇宙的特性。

　　其次，牛頓第二定律是關(guān)于個(gè)別物體因果性的規(guī)律，而牛頓第一定律卻與個(gè)別物體的因果性無關(guān)，它是存在之狀態(tài)的表述，它的表述是與具體的特定的時(shí)間無關(guān)的、瞬時(shí)性的。正是這種非時(shí)間性(16)構(gòu)成了牛頓力學(xué)的本質(zhì)特征。也正是牛頓第一定律所成立的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性構(gòu)成了慣性系的特殊地位，從而使我們可以在牛頓第二定律的意義上來研究物體的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。因?yàn)楹翢o疑問，物體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律與采用怎樣的空間和時(shí)間來度量有著密切的關(guān)系(17)。由此可見，不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律和特例，恰恰相反，現(xiàn)行的動(dòng)力學(xué)規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個(gè)體事物上的展現(xiàn)。慣性定律比牛頓第二定律具有更強(qiáng)的基礎(chǔ)性。也就是說，正是慣性現(xiàn)象，構(gòu)成了牛頓動(dòng)力學(xué)所以成立的操作平臺(tái)。由于物體在不受外力作用下保持其速度不變，因而物體運(yùn)動(dòng)速度的變化才跟物體的受力相關(guān)。

　　最后，牛頓把慣性定律放在三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律的首位也是與其對(duì)自然的信仰因素有關(guān)的。因?yàn)樵谖乃噺?fù)興之前的絕大部分思想家繼承了亞里士多德關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)內(nèi)在決定論的觀點(diǎn)。但在牛頓看來，基本的物質(zhì)粒子完全是惰性的，沒有任何自發(fā)的運(yùn)動(dòng)，而電、磁、光這些‘非物質(zhì)’的力量則成為神在自然中的行動(dòng)的載體(18)。也就是說，慣性定律內(nèi)隱含著牛頓否定亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀的內(nèi)在目的論從而建立新力學(xué)的形而上基礎(chǔ)。

　　四、慣性與具體物體的質(zhì)量無關(guān)

　　從上面的討論可以看出：“質(zhì)量是物體慣性大小的量度”這個(gè)論題，在幾個(gè)角度去看都是錯(cuò)誤的。第一，質(zhì)量不是物體慣性大小的量度。個(gè)別 研究 對(duì)象的質(zhì)量與其所揭示的慣性毫無關(guān)聯(lián)。因?yàn)檫@兩者從數(shù)量上來看是一對(duì)無窮大的關(guān)系，從 內(nèi)容 上來看是個(gè)體與存在的關(guān)系，在它們之間，人類的理性不可能找到邏輯上的因果鏈。第二，“物體(的)慣性”這樣的說法缺乏依據(jù)，因?yàn)閼T性不是物體的性質(zhì)。物體只是作為慣性的表現(xiàn)者而存在的。第三，“慣性(的)大小”這樣的說法也缺乏依據(jù)，因?yàn)閼T性沒有大小，慣性只是存在的一種表達(dá)方式，一種特定狀態(tài)的顯現(xiàn)。第四，既然慣性并無大小，我們也不可去進(jìn)行量度，事實(shí)上，任何一本教科書上也沒有指出慣性與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系，因?yàn)檫@一函數(shù)關(guān)系并不存在，它只是人們的一個(gè)虛假的邏輯推測(cè)，誰也不能證明質(zhì)量與慣性成正比或不成正比 ，更不能得出它們之間的比例系數(shù)，因?yàn)檫@些關(guān)系均是虛假的。因而，物 理學(xué) 界流傳的物體的慣性等于它的質(zhì)量(19)只是人們一個(gè)隨心所欲的錯(cuò)誤言說。

　　由于物體質(zhì)量與慣性無關(guān)，所以，將牛頓第二定律中的質(zhì)量稱為慣性質(zhì)量就是不當(dāng)?shù)模|(zhì)量的確對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變有一種象力一樣的阻抗作用，質(zhì)量在改變物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)上而言似乎有一種“消解”、“抗拒”力的性質(zhì)。因而作者認(rèn)為可將現(xiàn)行的“慣性質(zhì)量”改稱為物體的“抗性質(zhì)量”。正如牛頓所說：“物體只有當(dāng)有其他力作用于它，或者要改變它的狀態(tài)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。(20)”因?yàn)橘|(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢有關(guān)，它事實(shí)上具有動(dòng)力學(xué)特征，當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量大時(shí)，它對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的阻抗能力就越大。

　　從邏輯上而言，我們只有將慣性從物質(zhì)的內(nèi)在因素中解除出來，才能完全地克服牛頓 時(shí)代 的 機(jī)械論 自然 觀與牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說，這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復(fù)興所形成的機(jī)械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學(xué)基礎(chǔ)之上。

　　五、慣性定律的表述方式

　　牛頓第一定律是動(dòng)力學(xué)定律的基礎(chǔ)，但它本身并不表征物體的某種動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，它是關(guān)于人類體認(rèn)自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述，對(duì)牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的：反映時(shí)間的均勻性，空間的對(duì)稱性，及自然之美對(duì)人的呈現(xiàn)?？墒?，現(xiàn)行的許多教科書中對(duì)牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當(dāng)然，這種不一致性用老眼光來看是無傷大雅的，但以今天的眼光來看，這種差異性就成為值得商討的了。

　　例如：一個(gè)物體，如果沒有受到其他物體的作用，它就保持自己的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(21)。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠(yuǎn)，因?yàn)檫@一陳述的方式是在動(dòng)力學(xué)的維度上來進(jìn)行的，陳述的對(duì)象是“一個(gè)物體”。這和牛頓第二定律的研究對(duì)象是一致的，這樣方式的陳述毫無疑問地可以把慣性定律認(rèn)為是牛頓第二定律的一個(gè)特例，因?yàn)?ldquo;如果沒有”這幾個(gè)字就表達(dá)了陳述事件的某種特殊性。

　　另外一種常見的陳述方式是：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。(22)這樣一種表述比前一種完整多了，它幾乎就是牛頓的原義，但這里的“一切物體”應(yīng)當(dāng)換成“任何物體”(23)。因?yàn)樵诖苏撌鲋械?ldquo;任何物體”實(shí)際上是對(duì)一切物體的否定，而“有外力”應(yīng)當(dāng)換成“其它物體的作用”，因?yàn)閼T性定律是不涉及力的，操作意義上的力這個(gè)動(dòng)力學(xué)的基本概念與慣性無關(guān)。

　　作者試著這樣來陳述慣性定律：存在著的宇宙有這樣一種性質(zhì)，它使任何物體在沒有受到其它物體作用的時(shí)候總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?；蛟S，這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式，它強(qiáng)調(diào)了慣性與慣性的表現(xiàn)者(個(gè)別研究對(duì)象)的嚴(yán)格區(qū)分，這個(gè)陳述的主語是性質(zhì)，這樣的陳述才可稱為關(guān)于“慣性”的定律。而我們也應(yīng)當(dāng)將慣性定義為：使物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。

　　六、人們誤解慣性的來源

　　人們?cè)趹T性 問題 上所犯的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，既來源于 歷史 上人們對(duì)于和慣性概念相聯(lián)結(jié)的力與物體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的一貫表達(dá)方式，又來源于牛頓的表述與對(duì)于牛頓力學(xué)理解上的偏差。“事實(shí)上，牛頓似乎注定要被人誤解”。(24)

　　在牛頓所陳述的第一定律中：(25)“每個(gè)物體都保持其靜止、或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使它改變那個(gè)狀態(tài)(Every body persists it's state of rest or of uniform motion in a straight line until it is compelled by some force to change that state.)”。牛頓對(duì)“除非有外力作用于它迫使它”作出了對(duì)應(yīng)的理解，即認(rèn)為保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體是由內(nèi)部原因的，這個(gè)內(nèi)部原因即稱為慣性：“vis insita,或物質(zhì)固有的力，是一種起抵抗作用的力，它存在于每一個(gè)物體當(dāng)中，大小與該物體相當(dāng)，并使之保持其現(xiàn)有的狀態(tài)，或是靜止，或是勻速直線運(yùn)動(dòng)”。(26)在牛頓時(shí)代，作出這樣的判斷是無可厚非的：“一個(gè)物體，由于其物質(zhì)的惰性(現(xiàn)稱慣性——譯者注)，要改變它的靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就極其不易。因此這種固有的力可以用一個(gè)最確切的名稱‘慣性’或‘惰性力’來稱它。”(27)因?yàn)樵谂ｎD時(shí)代是無法判定慣性的本質(zhì)的。從牛頓的這一段話我們大致可以判斷出，他幾乎是在第二定律的意義上來領(lǐng)會(huì)慣性的，因而他才認(rèn)為(慣性)大小與該物體的運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量有關(guān)。

　　這一觀點(diǎn)可以追蹤到亞里士多德，它 影響 了包括牛頓在內(nèi)的一大批 科學(xué) 家的思維方式。在牛頓之前的開普勒也就慣性說過(29)：“如果天體不賦有類似于重量的慣性，要使它運(yùn)動(dòng)就不需要力，最小的動(dòng)力就足以使它有無限的速度，但由于天體公轉(zhuǎn)需要用一定的時(shí)間，有的長(zhǎng)些，有的短些，因此非常明顯，物質(zhì)必須具有能說明這些差別的慣性”;“慣性，或?qū)\(yùn)動(dòng)的阻力是物質(zhì)的一種特性，在給定的體積中，物質(zhì)的量愈多，慣性愈強(qiáng)。”由此我們也可見，在開普勒那里已經(jīng)有慣性等同于力與質(zhì)量的觀點(diǎn)了。

　　從上面的論述可以看出，人們對(duì)于慣性的錯(cuò)誤理解主要是由歷史原因所造成的，這個(gè)原因主要在于：人們普遍地認(rèn)為事物外在的狀態(tài)是有其內(nèi)在原因的。當(dāng)人們?cè)谖矬w之外找不到令人信服的可感覺的原因的時(shí)候，就只能把它歸因于物體的內(nèi)部。牛頓將慣性歸因于物體的內(nèi)部，把慣性看成阻礙物體改變其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀況的內(nèi)力，他假設(shè)的慣性非常接近布里丹的沖力——即：慣性作為一個(gè)內(nèi)力，在缺乏外部動(dòng)力或阻力時(shí)，會(huì)引起無定限的直線運(yùn)動(dòng)(30)，另一方面，牛頓的慣性觀又來自于他對(duì)古希臘關(guān)于自然具有靈魂觀念的繼承，我們可以從他的著作中強(qiáng)烈地感到，他具有自然界的物體與人一樣會(huì)在受到作用時(shí)產(chǎn)生反作用這樣一種強(qiáng)烈的思想意向。顯然，在 現(xiàn)代 人看來，自然界的物體是與人具有本質(zhì)區(qū)別的。

　　在牛頓以后，歐拉則將牛頓關(guān)于vis insita 的比較隱晦的注釋作了同牛頓之前的有些科學(xué)家的直感一樣的有一定危險(xiǎn)性的表白：“慣性是物體保持靜止或保持勻速直線運(yùn)動(dòng)的能力.....慣性的大小與質(zhì)量成正比例。”(31) 可是現(xiàn)在看來，這種危險(xiǎn)性中是帶有錯(cuò)誤的。從那以后到現(xiàn)在，人們對(duì)于慣性的理解基本上是庸俗性質(zhì)的。隨著現(xiàn)代的 發(fā)展 ，特別是諾特爾之后，我們可以認(rèn)識(shí)到使物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因并不在物體的內(nèi)部、也跟力無關(guān)，而是由于物體所處的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性。也就是說，我們必須對(duì)牛頓意義上的慣性作出更開放性與發(fā)展性的理解，牛頓的vis insita(慣性是一個(gè)消極的本原，靠此本原物體維持它們的運(yùn)動(dòng)或靜止，按照作用力的大小接受運(yùn)動(dòng)，按照受到阻力的大小抵制運(yùn)動(dòng)。(32))可以深入為兩個(gè)層面的結(jié)論：在沒有外力的作用下，一個(gè)物體，它能保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)是由于慣性，即時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性;在同樣大小的力的作用下，一個(gè)物體它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難改變是由于它的動(dòng)力學(xué)特性——抗性，即它的質(zhì)量較大。

　　參考 文獻(xiàn) ：

　　(1) 鄒榮. 質(zhì)量是物體慣性大小的量度嗎? 新世紀(jì) 教育 文集. 中國 廣播電視出版社，2000，11，1版，454.

　　鄧昭鏡.鄧玉蘭. 質(zhì)量是慣性的量度,還是物質(zhì)之量的量度. 物理教師，2000，12，33.

　　(2) 徐祖年. 質(zhì)量是慣性或引力的量度. 物理教師，2001，11，27.

　　(3) 梁昆淼.力學(xué)，上冊(cè)(修訂版).高等教學(xué)出版社，1978，12修訂第2版，64.

　　(4) 漆安慎 杜嬋英. 力學(xué), 高等教育出版社. 1997,7,1版,222.

　　〔美〕阿 · 熱.可怕的對(duì)稱.湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1992，2.1版，126.

　　曾謹(jǐn)言. 量子力學(xué) 卷Ⅱ.科學(xué)出版社, 1993,9,1版,231.

　　(5) 尼采文集.查拉斯圖拉卷.青海人民出版社，1995，11，1版，163.

　　(6)〔古羅馬〕奧古斯丁.懺悔錄.商務(wù)印書館，1963，7,1版，242.

　　(7) 中國大百科全書，，Ⅱ.中國大百科全書出版社，1987，7，1版，1236.

　　(8) 同(3),65.

　　(9) 九年義務(wù)教育三年制初級(jí)中學(xué)試用課本,物理,第一冊(cè).上海科學(xué)技術(shù)出版社,1996,5,1版,109.

　　(10) 同(9).

　　(11) 同(9),108.

　　(12)〔英〕伊薩克·牛頓. 自然 哲學(xué) 之?dāng)?shù)學(xué)原理.陜西人民出版社.2001,1,1版,18.

　　關(guān)于物理學(xué)術(shù)論文篇二

　　物理量的測(cè)量及物理學(xué)的本質(zhì)

　　一、引言

　　物理學(xué)是一門測(cè)量科學(xué).[1]物理學(xué)家們首先創(chuàng)造出合適的物理量作為研究工具，然后通過對(duì)物理量的測(cè)量去找出規(guī)律或與事先假定的物理理論所預(yù)測(cè)的值去比較.這是物理學(xué)最核心的內(nèi)容，也是物理學(xué)的本質(zhì).[2]

　　2015年浙江省高考理科綜合卷第22題(以下簡(jiǎn)稱浙江卷第22題)的圖2給學(xué)生展示了四只電表所顯示的通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器所得到的兩組電流表與電壓表的示數(shù)(見圖1)，要求學(xué)生根據(jù)這四個(gè)示數(shù)來計(jì)算小燈泡在滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)前后的電阻值.這題貼近實(shí)際(表的示數(shù)是根據(jù)實(shí)際拍攝的)，考查學(xué)生在測(cè)量中所表現(xiàn)出來的操作能力(讀數(shù)和計(jì)算)，更為重要的是，它強(qiáng)調(diào)了測(cè)量在物理學(xué)中的重要性.可是，在所給出的權(quán)威性參考答案中，[3]筆者認(rèn)為其在測(cè)量和誤差理論方面存在問題.如果以此答案為評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致閱卷中的差錯(cuò)和不公平，更為重要的是，它會(huì)使人們對(duì)測(cè)量原理和物理學(xué)的本質(zhì)產(chǎn)生誤解.

　　為此，本文將從信息、測(cè)量和誤差的基本理論著手，通過對(duì)浙江卷第22題的參考答案的分析，來闡述物理學(xué)作為一門測(cè)量科學(xué)的本質(zhì)，從而引起物理課程標(biāo)準(zhǔn)的制訂者、物理教材編寫者和廣大物理教師對(duì)測(cè)量教學(xué)在物理教育中的重要性的關(guān)注.

　　二、測(cè)量是獲取信息的過程

　　根據(jù)信息學(xué)的原理，人們通過一定的方式向信息源獲取一定量的信息.信息源所含的符號(hào)越多，人們每得到一個(gè)符號(hào)所獲取的信息量就越多.因此，在信息學(xué)中，信息量的單位1比特是這樣定義的：一個(gè)具有兩種不同符號(hào)的信息源每發(fā)射一個(gè)符號(hào)所傳遞的信息量為1比特.比如，交通信號(hào)燈(紅-綠燈)是一個(gè)含有兩種不同符號(hào)的信息源.當(dāng)我們接收到其中一個(gè)符號(hào)時(shí)，比如綠燈亮?xí)r，我們就獲得了1比特的信息量.同理，一個(gè)具有4種不同符號(hào)的信息源每發(fā)射一個(gè)符號(hào)所傳遞的信息量為2比特.以此類推，一個(gè)具有Z種不同符號(hào)的信息源每發(fā)射一個(gè)符號(hào)所傳遞的信息量H為：

　　當(dāng)我們測(cè)量某個(gè)物理量時(shí)，我們就從測(cè)量工具那里得到了一定量的信息.比如，一臺(tái)廚房用的臺(tái)秤最多可稱2千克的質(zhì)量，它的最小讀數(shù)是10克.因而，關(guān)于“物體的質(zhì)量有多大”的問題，這臺(tái)臺(tái)秤可以做出200種不同的回答.那么，相應(yīng)的符號(hào)數(shù)為200，與答案相應(yīng)的信息量約為8比特.再比如，一般的溫度計(jì)的精確度為1℃.如果它的測(cè)量范圍是-30℃到90℃，則相應(yīng)的符號(hào)數(shù)為120個(gè).當(dāng)我們測(cè)得一個(gè)溫度值時(shí)，我們就接收到了7比特的信息.測(cè)量?jī)x器的精確度越高，測(cè)得一個(gè)值時(shí)所接收的信息量就越多.粗略地說，一個(gè)測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的信息量大約為10比特.[4]

　　現(xiàn)行中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中沒有涉及信息學(xué)的知識(shí)，這就導(dǎo)致教師無法向?qū)W生講清測(cè)量的這一信息學(xué)本質(zhì).在普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[5]和現(xiàn)行普通高中物理教材[6]中，教師和學(xué)生只能籠統(tǒng)地知道物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，他們不會(huì)關(guān)注到物理實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)是測(cè)量，而測(cè)量是獲取信息的過程.有些師生甚至對(duì)物理學(xué)形成這樣的印象：物理定律是數(shù)學(xué)推導(dǎo)的結(jié)果，物理學(xué)家們所做的工作僅僅是像做習(xí)題一樣的一種數(shù)學(xué)演算.為此，我們強(qiáng)烈建議，在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中，應(yīng)適當(dāng)引入信息學(xué)的基本知識(shí)，從而使教師和學(xué)生加深對(duì)物理學(xué)本質(zhì)的理解.

　　三、測(cè)量值總是一個(gè)區(qū)間

　　在解釋為什么需要測(cè)量時(shí)，我們通常抱有這樣的觀念：在測(cè)量前這個(gè)值是未知的，在測(cè)量后這個(gè)值是已知的.實(shí)際上，這是一個(gè)錯(cuò)誤的觀念.首先，在測(cè)量前我們對(duì)物理量的值并不是一點(diǎn)也不知道.其次，在測(cè)量后我們并不知道物理量的真實(shí)值.測(cè)量值總是一個(gè)區(qū)間(圖2).在用儀器測(cè)量前，我們知道這個(gè)值是某一較大的區(qū)間.在用儀器測(cè)量后，我們?nèi)灾恢肋@個(gè)值是某一區(qū)間，但這個(gè)區(qū)間比用儀器測(cè)量前的要小了.如果用儀器測(cè)量后這個(gè)區(qū)間明顯地縮小了，我們說這是一個(gè)好的測(cè)量;如果這個(gè)區(qū)間只縮小了一點(diǎn)點(diǎn)，我們說這是一個(gè)不好的測(cè)量，或不精密的測(cè)量.

　　人本身也是一個(gè)測(cè)量工具，人通過感官來“估計(jì)”也是一種測(cè)量，也能獲得信息.物理學(xué)雖然是一門定量科學(xué)，但它并不是一門精確的科學(xué).物理學(xué)家并不能確定某個(gè)物理量的真實(shí)值，而只能借用精密的測(cè)量?jī)x器和根據(jù)他們的判斷能力來縮小物理量的測(cè)量值的區(qū)間，從而獲取更多的信息.

　　根據(jù)這一考慮，我們可以來定義一個(gè)表征對(duì)量X測(cè)量的好壞的數(shù)，這個(gè)數(shù)就是測(cè)量前后的兩個(gè)區(qū)間的比值，即.

　　由于H表示在測(cè)量中所獲得的信息量，所以它的單位為信息量的單位.這個(gè)量告訴我們，在測(cè)量中，物理量的值的信息量增加了多少比特(bit).比如，在測(cè)量一支鉛筆的長(zhǎng)度時(shí)，假定在用儀器測(cè)量前我們用肉眼測(cè)出這支筆的長(zhǎng)度不會(huì)小于10cm，也不會(huì)大于20cm.用尺子測(cè)量后我們知道這支筆的長(zhǎng)度在10.5cm和10.6cm之間.我們來計(jì)算在用尺子測(cè)量這支鉛筆的長(zhǎng)度中所獲得的信息量：

　　而在權(quán)威發(fā)布的參考答案中所給出的不是一個(gè)區(qū)間，而是四個(gè)值：0.10A、0.24A、0.27V和2.00V. 顯然，如果學(xué)生的答案落在上述區(qū)間內(nèi)，我們應(yīng)認(rèn)為其答案是對(duì)的.尤其是對(duì)于第4只表的讀數(shù)(即U1的測(cè)量值)，參考答案給出了“0.27V”.如果學(xué)生讀出0.25V、0.26V或0.28V是否會(huì)被認(rèn)為是錯(cuò)的呢?

　　四、誤差傳播是有規(guī)律的

　　在現(xiàn)行教材中，普遍把測(cè)量值跟被測(cè)物理量的真實(shí)值之間的差異叫作誤差(error).[6]根據(jù)前面所述，真實(shí)值是不存在的，我們所能測(cè)得的總是一個(gè)區(qū)間.誤差包括系統(tǒng)誤差(systematic error)和偶然誤差(random error)，而系統(tǒng)誤差又包括儀器誤差、理論(方法)誤差和個(gè)人誤差.在某次直接測(cè)量中，我們可以根據(jù)測(cè)量?jī)x器的精確度知道此儀器所導(dǎo)致的儀器誤差.比如，在用上面所提到的四只表測(cè)量時(shí)，僅由這些表所產(chǎn)生的絕對(duì)誤差分別為δI1=δI2= 0.01A，δU1=δU2=0.05V.

　　這里所指的絕對(duì)誤差，其實(shí)就是某一測(cè)量值的不確定范圍的一半(uncertainty).它不同于對(duì)同一物理量的兩個(gè)測(cè)量值之間的差異(discrepancy)(圖3).因此，對(duì)某個(gè)量多次測(cè)量后，可以用其平均值來代表所有測(cè)量值.測(cè)量次數(shù)越多，這個(gè)平均值與任何一次測(cè)量值之間的差異會(huì)越小.然而，不管測(cè)量次數(shù)有多少，最后只能用一個(gè)值(平均值)來代表這個(gè)量的測(cè)量值.

　　根據(jù)相應(yīng)的公式通過對(duì)直接測(cè)量值的計(jì)算得到某一物理量的值，這一過程叫作間接測(cè)量.直接測(cè)量值的誤差會(huì)在計(jì)算過程中進(jìn)一步傳播，并產(chǎn)生新的誤差，這一過程叫作誤差傳播(error propagation).對(duì)于不同的計(jì)算公式，誤差傳播的規(guī)律是不同的.下面是幾個(gè)常用的誤差傳播公式：

　　而參考答案中所給出的R1和R2的值分別為(2.7±0.1)Ω和(8.3±0.1)Ω.顯然，參考答案的作者沒有用誤差傳播公式來計(jì)算這兩個(gè)間接測(cè)量值，而隨意地在±號(hào)后面定了0.1這個(gè)數(shù).這將給考生帶來一定的不公正性.盡管在高中物理教學(xué)中我們并不要求給學(xué)生講誤差傳播知識(shí)，但作為參考答案中的間接測(cè)量值，還是要根據(jù)誤差傳播公式來計(jì)算的.

　　五、結(jié)束語

　　物 理學(xué)是一門測(cè)量科學(xué).物理學(xué)家們通過對(duì)物理量的測(cè)量來獲取信息.對(duì)任何物理量的測(cè)量值都是一個(gè)區(qū)間.測(cè)量值的區(qū)間是我們不斷探索的空間.我們建議，在高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材中，應(yīng)增加信息學(xué)的內(nèi)容(建議將信息學(xué)的內(nèi)容和振動(dòng)與波的知識(shí)合在一起)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)測(cè)量在物理學(xué)中的重要性，適當(dāng)增加測(cè)量的原理、誤差分析等知識(shí).這是學(xué)生理解物理學(xué)本質(zhì)所必需的知識(shí).