机械能守恒定律与力学相对性原理关系研究回顾 李学生(山东大学教授) 摘要:浩瀚的人类精神不断揭去大自然的层层面纱,使一块块神秘的异邦的领土不断地统一在人类精神的精华──真理的阳光之下。 关键词:科学元典、文献、危机、钱学森之问
【0、引言】 著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者郎之万说过:“在科学的教学中,加入历史的观点是有百利而无一害的”。 伽利略说:“我的目的是要阐明一门崭新的科学,它研究的却是非常古老的课题。也许,在自然界中最古老的课题莫过于运动了;例如观察到下落重物的自然运动是连续加速的”。“把你和朋友关在一条大船下的主舱里,让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫,舱内放一只大水碗,其中有几条鱼,然后挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里,船停着不动时,你留神观察,小虫都以等速向舱内各方向飞行;鱼向各个方向随便游动;水滴滴进下面的罐中,你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向施更多的力.当船以任何速度前进,只要是匀速的,你将发现,上述观察的现象依旧,你无法用任何现象判定船是运动还是不动……”。 某些物理量守恒的想法,渊源于西方的哲学思想。千百年来,人们通过对天体的观测,发现了宇宙天体的运动并没有减少的迹象。 【1、科学元典研究历史回顾】 所以在16-17世纪,许多哲学家都认为,宇宙间运动的总量是不变的。笛卡儿和莱布尼茨都是这种思想的宣传者,而且都致力于寻求一个合适的物理量来量度运动,以表达宇宙运动的守恒。 笛卡儿提出,质量和速度的乘积,并把这个量叫做“运动量”。 现在通常把这个量叫做动量,并且已经确立了动量守恒定律。 可以说,笛卡儿是动量守恒定律的先导。莱布尼茨也相信某种与运动有关的量是守恒的,这就是他所说的“力”。他认为,应该用MV来量度力,并称之为“活力”。他还认为,物体静止了“活力”并没有损失掉,而是以某种形式储存起来。他把这种与静止状态相联系而储存起来的“力”称为“死力”。莱布尼茨的观点,是机械能守恒定律的萌芽。此后近200年的历史中,物理学界始终存在着MV和MV2哪一个是真正的量度运动的量的争论。 直到19世纪,恩格斯科学地论述了两者的区别和运用范围,并结束了这场争论。牛顿时代的莱布尼兹研究过动能守恒,机械能中的势能直到1853才由Rankine正式提出, 而在这之前焦耳和迈耶已经建立了现代意义上的能量守恒与转化定律。 永动机不可能实现的历史教训,从反面提供了能量守恒的例证,成为导致建立能量守恒原理的重要线索。至19 世纪20 年代,力学的理论著作强调“功”的概念,把它定义成力对距离的积分,并澄清了它和“活力”概念之间的数学关系,提供了一种机械“能”的度量,这为能量转换建立了定量基础。1835 年哈密顿(W.R.Hamilton,1805—1865)发表了《论动力学的普遍方法》一文,提出了哈密顿原理,至此能量守恒定律及其应用,已经成为力学中的基本内容。 机械能守恒定律是能量守恒定律在机械运动中的一个表现形式,早在力学初步形成时就已有了能量守恒思想的萌芽。例如,伽利略研究斜面问题和摆的运动,斯梯芬(Stevin,1548年—1620年)研究杠杆原理,惠更斯研究完全弹性碰撞等,都涉及能量守恒问题。 17世纪法国哲学家笛卡儿,已经明确提出了运动不灭的思想。以后德国哲学家莱布尼兹(Leibniz,1646年—1716年)引进活力(Visviva)的概念,首先提出活力守恒原理,他认为用MV2度量的活力在力学过程中是守恒的,宇宙间的“活力”的总和是守恒的。 【2、国内研究文献发表中的多彩现象】 机械能守恒定律是由牛顿定律导出的动力学规律,理所应当满足满足相对性原理──伽利略变换的不变性,可是这个问题一直没有定论,下面列举出国内研究机械能守恒定律与力学相对性原理之间关系的有关文献,以文献发表时间为序。 1、国内文革前的杂志 1964年6月《物理通报》杂志发表熊秉衡的文章《在不同惯性系中的机械能守恒定律》,以单摆和斜面为例说明机械能守恒定律不满足伽利略变换。1965年3月熊秉衡在《物理通报》上发表《“在不同惯性系中的机械能守恒定律”的更正与补充》。 2、国内文革中的杂志 1975年1月《郑州大学学报(理学版)》发表孟广达的文章《关于相对性原理和方程的协变性》。 3、国内文革后的杂志(以10年划段) (1)1981--1990年 1981年1月蔡伯濂在《工科物理教学》发表文章《关于讲授功和能的几个问题》,首次提出了力学相对性原理和机械能守恒定律之间的关系问题,包括弹力、重力和万有引力问题。1981年2月《物理教师》发表董继昌的文章《动力学中三个守恒定律成立的条件》,张祖彦在《物理教学研究》发表文章《不同惯性系中的动能定理和守恒定律》。1981年6月《物理教学》发表蔡伯濂的文章《不同参照系中的功和能》。 1982年蔡伯濂在《大学物理力学教学研究》中坚持认为机械能守恒定律不满足力学相对性原理,进而对于作为“定律”的机械能守恒定律提出了异议。1982年1月《物理教师》发表黄增如、方 海南、南冲 的文章《为什么说重力势能是地球和物体组成的物体系具有的?》;1982年《华侨大学学报(自然科学版)》第二期发表杜成金的文章《力学规律的不变性与力学量测量的相对性──从力学相对性原理谈起》。 1983年《曲阜师范大学学报(自然科学版)》第一期发表穆泗书的文章《物理量的相对性与守恒定律的不变性》;1983年《佛山科学技术学院学报(社会科学版)》第00期发表丘基瑶的文章《机械能守恒定律与惯性参考系的变换》;1983年2月《大学物理》发表高炳坤教授的文章《从三个参考系看“地球—卫星”系统》。 1984年《曲阜师范大学学报(自然科学版)》第3期发表张兆益的文章《从内力做功特征剖析势能属于系统》。 1985年《华南师范大学学报(自然科学版)》第1期发表刘一贯的文章《关于机械能守恒定律的协变性》;1985年1月《物理教学》发表金若兴的文章《机械能守恒定律的条件》,以单摆为例说明机械能守恒定律在一个惯性系成立,在另一个惯性系未必成立;《物理通报》1985年2月发表陈俊衡《浅谈机械能守恒定律的条件》;1985年《吉首大学学报(自然科学版)》第2期发表润宙的文章《机械能守恒与参照系的关系》。
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