动能定义分析及圆周运动动能修正初议精要.doc

动能定义分析及圆周运动动能修正初议 司 今 （广州毅昌科技研究院 广州 510663 E-mail:jiewaimuyu@126.com） 摘 要 ：动能是物理学的重要概念之一，如果不理解或不明白动能定义的物理意义，就无法真正理解以实验为基础的当代物理学,更无法破解目前物理学的“困惑”难题。动能定义起源于伽利略的机械能守恒思想，而这一思想建立的自然基础是自由落体运动，但这种运动与圆周运动有很大区别；那么，用自由落体运动定义出的动能概念适合描述圆周运动吗？本文带着这种疑问，尝试性地探讨了圆周运动动能该如何定义与修正问题。 关键词：动能、势能，自由落体运动，能量守恒，圆周运动 中图分类号：0412 文献标识码：A 关于动能定义的争论与质疑 “从伽利略时代开始，围绕动能定义的争论就激烈进行着，伽利略在他的著作中使用过动量一词，不过他有时也使用物体运动之力的说法，这个力正比于质量和速度的乘积。笛卡尔继承了伽利略的说法，把物体的大小（质量）和速度乘积定义为运动之量，即，并提出了宇宙间运动之量的总和不变原理。1686年莱布尼兹公开向笛卡尔提出挑战，他通过计算得到，伽利略所说的足以使下落物体回到同一高度的力，应该用来度量，并把这种力称为活力。后来，科里奥利又将活力改为，这就是我们今天所说的动能”。[1] 对莱布尼兹与科里奥利的动能定义，我们可以用自由落体运动作如下分析、比较： 如图-1所示，黑球在地球引力场g中从A点沿引力线方向运动到B点，其动能变化为，势能变化为，这就是科里奥利的动能含义；但它没有再从B点返回到A点（如图-1灰球），可见这不是一个闭合运动，其运动总能量变化，符合动、势能守恒。 假如灰球在地球引力场g中从A运动到B点，其动能变化为，接着灰球又回到了A点，其动能变化也为；由于动能、势能是标量，球从A到B、再从B到A 的总动能变化量就为，而势能变化则为，这就是莱布尼兹的动能含义。 从上面分析可见，二位先哲给出的动能定义都有道理，但描述的运动空间状态不同，一个描述的是开放空间动能变化量，另一个描述的是闭合空间动能变化量。 那么，我们的物理学为什么要采用科里奥利的动能定义来描述物质运动能量变化呢？ 对这个问题质疑自古不断，较典型的要算是英国Essex大学物理学B.K里德雷教授，他曾指出：“质量对速度的依赖迫使我们用新眼光看过去的动能概念。我们从来不曾真的理解为什么动能在任何时候都是那个特别的量，，为什么不是或或别的什么呢？......我们过去的动能概念错了！”。[2] 这是他就爱因斯坦相对论中质能守恒思想作此番论述的。 我们姑且不论他对动能概念质疑的观点对错，单就他提出的动能为什么要用来定义，“为什么不是或或别的什么呢？”，这个问题本身在当代物理学中就有革命性的意义。 动能定义分析 “动能是机械能的一种，当质点以速度运动时，相应的动能为，是质点的质量。对于质点组，每个质点的质量和速度可以不同，因而。对于连续分布的物体有，其中是物体的密度，它一般是坐标空间的函数”[3]。这就是我们今天对动能的完整定义 动能定义的思想基础是能量守恒，它起源于伽利略的「物体运动学」（从几何角度描述和研究物体位置随时间变化的规律，不涉及物体本身的物理性质和加在物体上力的问题，即没有探究物体运动产生的原因，牛顿力学才给出运动产生的原因）。 伽利略是近代物理学的奠基者，没有他对物体运动的研究，就不可能有开普勒的行星运动学和牛顿力学诞生。因此，只有从伽利略的「物体运动学」入手，才可能真正理解和看清我们今天所沿用的动能真正含义是什么？其应用范围在哪里？ 伽利略「物体运动学」体系主要包括：（1）、速度、加速度概念（2）、相对性原理和惯性原理（3）、自由落体运动（4）、抛物线运动等；其中，惯性原理是他理论体系的基础，它体现了物体运动中能量变化与守恒思想，而我们今天的动能定义正是建立在这一思想基础之上的。 伽利略为了说明和证明他的惯性原理，他用滴漏水壶滴漏的水滴间隔作计时器，巧妙记录了斜面滚球运动与时间和高度的变化关系；如图-2所示：先把球放在1的位置上，然后自然放开，球m会沿斜面槽运动，当其运动到2时，它获得的速度最大，然后球可沿3、4、5、6斜面槽运动，在3、4、5的运动态中，球总会达到同一高度y时、速度才会变为0；而在6的运动中，如果没有受到外力或其他物体影响，它会一直以v速沿直线匀速运动下去，这就是伽利略所说的惯性定律：物体保持静止或继续以恒定的速率沿直线运动，除非受到外界的作用。这里要注意，启动物体趋于以恒定速率沿直线运动而不是沿曲线运动，否则，这个匀速运动就不可能持续下去。 动能定义就是为了确立一个以v速运动的物体，当它的速度由v变成0时所具有的做功能力大小；现在物理教科书上都