力的概念的起源.doc

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1、力的概念的起源通过下面一些历史材料的综合， 就会发现这样的事实： 力的概念最初是人类 在劳动中通过肌肉紧张的感觉而产生的。 后被自然科学家借用而成为物理学的基 本概念。 力的概念是经过许多力学工作者的琢磨加工， 逐渐完善起来的。 从力的 概念的产生到力的概念逐步明确的过程中， 力与碰撞过程始终紧密地连系在一起一、墨经对力的认识在公元前 480-380 之间，中国的墨翟（约公元前 478 392）及其子弟所著 的墨经一书，对运动和力有明确的定义。在力的概念及许多力学知识方面， 走在同时代的前列。闪耀着中华民族智慧的光辉。墨家考察了人体对周围环境的作用，看到人们通过肌肉的动作，如举、持、 掷、踢、

2、蹬，可以使别的物体发生位置移动，从而总结出肌肉力的概念。 经 第二十一条指出，：“力，刑之所以奋也。”这里“刑”同形，指人体，物体；“奋”， 指克服阻抗而运动。 奋字在古汉语中的意义是很丰富的， 诸如由静到动， 由慢到 快；由下而上等等都叫做奋。因而墨家的这句话可理解为：力是物体由静而动， 由下而上，或由慢到快的原因。这是对力下的一个很正确定义。由于力不易见， 而重是显而易见的，人人都能看得到，所以，墨家又以举重为例加以阐明。同条 经说指出：“力，重之谓。下、与，重奋也。”这里“下”是指物体下坠；“与” 是举物向上。意思是说，重是一种力，力和重相当，物体下坠、上举，都是基于 重的作用的运动。墨

3、家把力和物体运动的原因联系起来， 初步认识到了力可以改变物体的运动 状态。在当时， 这是对力的概念的很了不起的很重要认识。 特别是墨家已把力和 重联系起来，把重看成一种力，可以说这是人类对力的最早的理性认识。 经 第一百二十七条的 经说还指出：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗却，则直下。” 即认为自由落体的轨迹必坚直向下。 说明墨家对重量产生的力观察研究得十分深 入。墨家对阻力、 惯性，浮力以及墙体和梁的受力等都有精细的分析。 对力的平 衡，扛杆、滑轮、轮轴和斜面的力学知识也有深入的理解。二、古代原子论中的碰撞作用观点远在公元前，古原子论奠基人之一伊壁鸠鲁（ Epicurus 公元前 342270

4、） 就正确地提到碰撞： “当原子在虚空里被带向前进而没有东西与它们碰撞时， 它 们一定以相等的速度运动。 ”用今天的观点来看， 这里所说的碰撞显然有着力的 含义。德谟克利特（ Democritus, 公元前 460-370 ）是一个很博学的人。他到过巴 比伦、波斯、埃及、印度和埃塞俄比亚。 在他的原子论中包含着这样的一种思想： 原子在本质上都是相同的，它们之间的作用是通过碰撞、挤压而传递的。亚里士多德（ Aristoteles ，公元前 384-322 ）认为物体的运动只有在外界 的不断作用下才能产生， 也就是说， 他认为力是产生运动的原因。 但这种说法解 释不了抛射运动，于是出现了冲力说。三

5、、冲力说的概念 冲力说的早期代表是六世纪亚历山大的一个学者，名叫约翰·斐劳波诺斯（ John Philonos ）, 所谓冲力，就是和物体运动具有同一方向的动力。物体运 动速度越大， 物体得到的冲力就越大。 很显然，这里所说的“冲”就有碰撞的含 意，冲力其实就是一瞬间的碰撞力。 正是由于冲力说把力与碰撞联系起来， 才使 得力的概念向着正确的道路前进。斐劳波诺斯认为上帝创世之初就赋予天体一种“冲力” ，即一种不随时间消 逝的动力。 这种动力可以维持物体永远运动下去。 因此，运动的物体一般并不需 要经常有个推动者和它接触，直到这种冲力耗尽为止。1327 年，任巴黎大学校长的琼比里当（ J

6、ean Buridan ）也是冲力说的拥 护者。他持有这种观点： 在运动的物体上存在一种冲力， 天体正是由于冲力而运 动的。只是由于天空中没有空气阻力， 冲力作用不会减退， 所以天体就一直运动 下去，从而否定天神推动天体运转。四、碰撞过程的研究碰撞问题是 17 世纪力学中心问题之一。随着对碰撞过程研究的不断深入， 力的定义也日趋完善。1伽俐略对碰撞的研究冲力说对伽俐略 （Galilea ）的影响很大，他本人早期就是冲力说的信奉者。 他通过对落体运动的研究， 提出了如下想法： 唯有重量才是物体产生运动或变化 的原因。伽利略关于碰撞的论述保留在新科学对话的草稿上，对话原稿的第 六天内容碰撞的力后来

7、发表于 1718 年。从这本著作中可以了解到伽利略已 经把碰撞和力联系起来，并作过了各种努力 , 想把碰撞问题以某种数学形式加以归纳 , 但没有完全获得成功伽利略曾经用天平观测过下落水柱的冲击力， 他认为冲击力与物体质量以及 它下落中获得的速度有关。 并试图确定碰撞过程中冲击力的作用与质量和速度的 关系。2笛卡儿的碰撞理论笛卡儿( R·Descartes )就比伽俐略更进了一步，特别值得强调的是，他提 出过这样两条原理：a. 用反复给予的小冲击来代替作用于落体上的重力；b. 一旦开始运动的物体，只要没有受到妨碍，就会不断地继续运动下去。很明显，从笛卡儿所用的冲击、 妨碍两词来分析，

8、他已经把重力分 解成一种连续不断的碰撞， 并且认为物体不受到碰撞就不会改变运动状态。 他认 为：所谓力就是特定的物体所具有的实在的西，它的大小由动量 给出。笛卡儿 1644年在哲学原理第二部中论述了有关碰撞的 7 条定律： . 两个以大小相等、方向相反的速度碰撞的同样物体，在碰撞后交换速度。. 如果物体 A 比物体 B大得多，那么碰撞后它们以同一速度沿 A原来的方向运 动。. 如果物体 A和物体 B大小相等，但 A速度大，那么 A把超过 B的速度的一半 传给 B。. 如果物体 B 大于物体 A，(即使大得不多)，而且物体 B静止，则碰撞时物体 A 将不能推动 B，而自己反弹回去。. 如果物体

9、A大于物体 B，且 B 静止，则无论 A的速度多么小，都将推动 B沿 着自己运动的方向以同样的速度运动， 其中物体 A将把与物体 B 相应的部分运动 传给 B。.如果两物体相等， 且物体 B静止，则 B将部分地被推动， A也部分地被弹回。 如果 A 的速度为 4，则 A留其 3，B得其 1。. 如果物体 B大于物体 A，而 A的速度大于 B的速度运动方向相同，则可能有 三种情况：若两物物体质量之差小于两速度之差，则 A 将传给 B一部分运动； 若两物物体质量之差大于两速度之差，则 A 反弹回来，不传递增运动； 若两物物体质量之差等于两速度之差， 则 A将传给 B一部分运动， 而自己以剩余的运动

10、反弹回来用今天的观点来看，这 7 条定律中当然存在一些缺陷和错误。在笛卡儿看来， 空间是充满着物质的， 其各部分的运动只因相互发生碰撞才 发生变化。 他否认了隔开一定距离发生作用的那种力。 把碰撞理论放在动量守恒 的基础上来处理。因为笛卡儿的碰撞理论有缺陷， 他也没有能正确地解决碰撞问题， 他的力的 概念也有严重的缺陷。例如，莱布尼兹 (Leibniz) 曾经通过一个具体的碰撞例子 发现了这些缺陷。尽管笛卡儿的碰撞理论还有不少的缺陷，但惠更斯(C.Huygens)和牛顿( Newton)在此基础上展开了碰撞问题的正确研究， 从而开始奠定了近代力学的 基础。3惠更斯的碰撞理论惠更斯的碰撞理论被认

11、为是在 1656 年前完成的，但他的碰撞理论在他死后 (1703 年) 出版的物体碰撞运动一书中才首次发表。和惠更斯同一时代的沃 利斯(J ·wallis), 雷恩(C·wren)和胡克( R.Hooke )也发表了有关碰撞问题的 论文。他们所得的结论基本相同， 但以惠更斯最为完整。 他提出了作为论述碰撞 问题的几个公理 , 周密地论述了弹性体的对心碰撞。人们认为， 1673 年马略特 ( E.Mariotte )发表的论物体的碰撞和惠更斯的物体碰撞运动是关于弹 性碰撞理论的经典名著。惠更斯的碰撞理论是以下述三个假设(公理)作为基础的：. “运动起来的物体，在未受到阻碍作用

12、时，将以不变的速度沿直线继续运 动。”. “两个具有相同质量的物体，以相同速度相向作对心碰撞后，两者都以相同 的速度向相反方向运动。”. “当两个物体碰撞时，即使它们同时参与另一匀速运动，在也具有这个共同 运动的观察者看来，两个物体的相互作用就好象不存在这个共同运动一样。” 特别需要指出的是，惠更斯在碰撞过程的研究中得出许多重要的力学原理。 例如：其一，两个物体所具有的运动量在碰撞过程中都可以增多或减少， 但是它们 的量值在同一方向的总和却保持不变，如果减去反方向的运动量的话。其二，在两个物体的碰撞中， 它们质量和速度的平方乘积的总和， 在碰撞前 后保持不变。4牛顿对碰撞的研究牛顿在不知惠更斯

13、结果的情况下， 也对碰撞问题进行了深入的研究。 在他的 手稿中，把碰撞作为具体问题进行论述。 他论述了质点的弹性碰撞问题、 有广延 性物体的非对心碰撞问题以及旋转着的许多物体的碰撞。 这是极为复杂的， 但结 果是正确的，这就充分说明了牛顿对碰撞问题的研究已经达到了多么深入的程度。牛顿认为，所谓力就是使物体运动状态发生变化的动力。 他说明， 作为定量 的定义，力是和动量的变化成正比例的。牛顿在自然哲学的数学原理一书中 把作为产生加速度原因的力和惯性力、碰撞、压力、向心力相提并论，似乎领悟 到力和碰撞的某些联系。 不过，牛顿提出的作用力和反作用力定律肯定是通过对 碰撞过程的研究而得出的。实际上，牛

14、顿通过对碰撞过程的深入的研究，不自觉地总结出力具有大小、 方向和作用点三要素，发现了碰撞过程的三个基本特性，即牛顿三大定律。他从 根本上把握了惯性定律、力的大小和动量的变化率成正比以及作用力与反作用力 等大反向。从此，力的定量概念就逐渐明确起来。这也是牛顿能成为一颗明星的 根本原因。五、结论从上述讨论可知， 力是与碰撞密切相关的概念， 正确的碰撞理论未被建立以 前，力的定量概念也没有确立，在正确的碰撞理论（弹性碰撞）完成以后，力的 定量概念也逐渐明确。 对力学作出重大贡献的科学家中， 无一不深入细致地研究 过碰撞。因此，我们完全有理由认为：力的概念是从碰撞过程中抽象出来的。也 就是说，力的概念起源于碰撞。历史上最近一段相当长的时期， 由于牛顿三大定律正好掩盖了碰撞过程， 人 们对碰撞过程研究的热情冷却下来， 力的本质的研究也一直没有什么进展。 至今， 力的概念仍然难以被人理解、 物理意义不确切、 其本质也没有被揭示出来。 尽管 人们知道力是物体间的相互作用， 是物体运动状态发生变化的原因， 但人们无法 进一步弄清力究竟是一种什么样的作用， 力的产生是一种什么样的具体原因。 即 使被人们称之为最伟大的科学家爱因斯坦， 连把万有引力与电磁力统一起来都毫 无办法。问题长期攻克不了因此，力的精确定义至今仍未彻底解决， 这也是力的统 的根本原因。