物理学史15碰撞的研究.doc

1.5? 碰撞的研究 ? 碰撞现象是物体间相互作用最直接的一种形式，在力学体系的形成过程中，碰撞问题的研究是重要课题之一，它为力学的基本定律提供了有力的依据。 ? 1.5.1? 早期的研究 ? 早在伽利略写作《两门新科学》的时候，他就打算用数学方法论述碰撞问题，并计划作为第6天对话收入该书中，后因赶不上出版时间就搁下了。不过这方面的手稿《碰撞的力》还是在1718年由后人整理发表。在这部手稿中，可以看到伽利略尝试找到碰撞的规律，但没有取得成功。例如，他描述过图1－8所示的实验。取一盛水的容器Ⅰ，底部开有带塞的小孔，下面挂着第二个容器Ⅱ，整个装置吊在平衡秤的一端，另一端是砝码。打开容器Ⅰ的孔塞，水喷射进容器Ⅱ。于是，容器Ⅰ损失了一部分压力，而容器Ⅱ受到一冲击力。伽利略原来希望通过改变平衡砝码的数值来测量冲击力，以便跟重力比较，可是使他惊奇的是，秤并没有偏向一方。他当时无法作出恰当解释。看来，他的困难主要是因为没有摆脱重力，把问题搞得过于复杂了。 ? 另外有一位物理学家叫马尔西（Marcus Marci，1595—1667），布拉格大学校长，在1639年发表了他研究碰撞问题的一些成果。书名是《运动的比例》（De Proportione motu）。在书中有一幅很生动的插图，如图1-9：一大理石球对心撞击一排大小相等的大理石球，运动传递给最后一球，中间一点不受影响。他的结论是：一个物体与另一大小相同处于静止状况的物体作弹性碰撞，就会失去自己的运动，而把速度等量地交给另一物体。不过他没有作出理论分析。 ? 1.5.2? 笛卡儿的碰撞理论 ? 最早建立碰撞理论的是笛卡儿，他是一位著名的哲学家，也是一位数学家。物理学的研究虽不太多，但他从哲学上给物理学开辟道路，对当时和后来的物理学有过深远影响。笛卡儿主张整 个世界是物质的，各种自然现象都可用力学通过数学演绎作出解释。 ? 1644年，笛卡儿在他的《哲学原理》一书中系统地发挥了这一思想。尽管他错误地把自然规律归之于“上帝”的安排，但运动量守恒的思想却有极为重要的意义，他写道①： 接着，笛卡儿提出了运动量的定义： “当一部分物质以两倍于另一部分物质的速度运动，而另一部分物质却大于这一部分物质的两倍时，我们有理由认为这两部分的物质具有相等的运动量，并且认为每当一部分的运动减少时，另一部分的运动就会相应地增加。” 显然，笛卡儿在这里肯定了运动量就是物质的量和速度的乘积，不过他那时还没有建立“质量”的概念，也就没法用数学写出动量的表达式。 在这本书中，笛卡儿还总结了七条碰撞规律，但是由于他不了解动量的矢量性，又没有具体分析弹性碰撞和非弹性碰撞的区别，七条规律中只有两条是正确的，即： （1）两个以大小相等，方向相反的速度碰撞的同样的物体，在碰撞后交换速度。 （2）如果物体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。 如果笛卡儿能把实验当作检验理论的依据而认真追查原因，也许他有可能纠正自己的错误，可惜他没有认识到这一点。由于他的学术在当时享有盛名，因此，他的模糊论点引起人们对碰撞理论的关注。 ? 1.5.3? 英国皇家学会的征文活动 ? 鉴于碰撞的研究是力学的基本问题之一，1668年英国的皇家学会决定发动科学界人士从实验和理论上搞清这个现象的规律，为此悬赏征文。有三人应征，系统地总结了他们各自独立进行的工作。最先提出论文的是瓦利斯（John Wallis），他讨论非弹性物体的碰撞。他认为碰撞中起决定作用的是动量，在碰撞前后动量的总和应保持不变。另两位讨论的是弹性碰撞，一位是雷恩，一位是惠更斯。雷恩提出弹性碰撞的特殊规律，即当两物体速度大小与质量成反比时，碰撞后各以原来的速度弹回，他还由此找出了求末速度的一般公式，不过雷恩只是从实验得到经验公式，没有进一步作出理论证明。 ? 1.5.4? 惠更斯的碰撞理论 ? 惠更斯是荷兰物理学家，在数学和天文学方面也有很高造诣，1629年生于海牙， 1655年获法学博士，由于在数学上有许多创造发现而闻名于世，1656年发明摆钟，1663年成了英国皇家学会的第一位外国会员，后来还当了法国科学院院士，在国际上享有盛名。 惠更斯从1652年开始研究弹性物体之间的碰撞，1656年把自己的结果收集在论文《论碰撞作用下物体的运动》（De motucorporum expercussione）中。当时没有发表，直到 1703年他去世后，才被人整理发表。他的兴趣是由笛卡儿的著作引起的，但是他不完全同意笛卡儿的论点。1668年英国皇家学会的征文活动，又重新激起了他对碰撞问题的兴趣。他提出的论文虽然比瓦利斯和雷恩晚，但却是唯一给出了理论证明的。 他提出了三个假设①： 第二个假设是：