机械能守恒定律与力学相对性原理关系诹议 - 科学网—博客.doc

机械能守恒定律与力学相对性原理关系剖析 第一章 牛顿力学简要回顾 第一节 经典力学在现代科学中的重要地位 爱因斯坦说:科学没有永远的理论.但是,从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本观念和关系，这就是整个自然哲学的基本原理.在所有的物理学中,力学是研究物质运动中最简单又最基本的运动----机械运动以及其应用的一门学科,是物理学大厦的基础.力学发展中形成的研究方法,从观测实验到分析综合从模型和假设的提出到理论体系的建立以至在实验中受到检验并不断发展,在历史上对其学科的建立,曾起到过重要作用,并且仍然是今天科学研究的基本方法爱因斯坦说过：“牛顿力学是整个物理学的基础，同时也是近代科学的基础，如果没有牛顿力学也就没有现代科学.”恩格斯曾经写道：“在力学中，……人们所关心的不是运动的起源，而只是它的作用.牛顿发现了三大运动定律，开创了科学运动力学的研究.”这说明三大运动定律曾经推动了科学的发展和进步，这将永远记录在科学史上.牛顿一生的重要贡献是集16、17世纪科学前驱们成果的大全，建立起一个完整的力学理论体系，把天地间万物的运动规律概括在一个严密的统一的理论之中，这是人类认识自然的历史中第一次理论的大综合.开耳芬勋爵在1884年宣称：“在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的.如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则找就不能理解.一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上.” 这个“力学”不是简单的机械力学，而是某种运动、演化与某种相互作用间的因果关系的理论、学说. 第二节 牛顿第一定律 惯性定律的诞生：牛顿在“原理”中给出第一定律的名称，开普勒在他1609年发表的著作《新天文学》和1619年发表的著作《宇宙谐和论》中写道；“天体有留在天空中任何地方的性质，除非它被拖曳着.”“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性.”“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强.”这大概是关于物体惯性的最早陈述.可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性，甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关，然而他显然受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有惯性的问题.伽利略在1632年出版的《关于两大世界体系的对话》和1638年出版的《关于力学和局部运动的两门新科学的谈话和数学证明》，通过“斜面的理想实验”，“乘船的理想实验”描述惯性定律. 伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动.他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学和运动两门新科学的对话》（1638年）中，其中一个重要的结果如下.假设沿斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面变成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动.伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认识到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响，他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动，因此我们还不能说伽略发现了惯性定律. 笛卡尔在1644年出版的《哲学原理》中，“如果物质处在运动之中，那么如果无其他原因的作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停下，也不偏离原来的方向.” 更接近牛顿第一定律的描述.费曼曾经说到：“没有人找到为什么物体按惯性而行的原因，我们不知道惯性定律的来源，结果是习以为常的惯性现象仍然是自然界最深晦的谜之一.” 惯性定律的独立性之辩：许多人认为：“牛顿第一定律不具有独立性，是第二定律的一个特例.或者说，当作用到物体上的合外力为零时，物体的速度不变化，就是匀速直线运动，也就是第一定律描述的运动状况.”另外一种观点：第一定律具有不可取代的地位和作用：作为惯性和力的原始定义，没有这个原始性定义，无法构建第二定律.它是第二定律的基础，应该具有独立性. 惯性定律的真理性：它是牛顿力学的重要定律之一，因为牛顿力