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2010/11/23 06:38:02瀏覽8411|回應11|推薦36 | |
文 /安康高中 朱晉杰(小豬老師) 今天來跟大家談慣性,很多人說,慣性很簡單啊,就是牛頓第一定律,就是那「靜者恆靜,動者恆做等速度運動」,可是你知道背後發展的歷史嗎?還有誰才是真正第一個提出慣性定律的人? 記得在上學期參加某出版社高二教科書審編會議上,有老師提出慣性到底是誰先提出的?結果傳統認知的伽利略被否決,他說:有學生來跟他說,笛卡兒才是真正提出慣性定律的人,歷史老師說的! 呵呵,是誰提出的有這麼重要嗎?物理老師的傳統認知被歷史老師打掉,於是乎,小豬老師為探求真理,特別尋求最佳答案,也希望藉此能導正大家的觀念,並且將學習慣性並不是只是背背定理,而不知道其背後深厚的物理史。 慣性定律是牛頓力學的重要基石之一,從亞里斯多德的自然哲學轉變到牛頓的經典力學,最深刻的變化就在於建立了慣性定律。前者(亞里斯多德)認為一切物體的運動都是由於其它物體的作用;而後者(牛頓)認為“每一個物體都會繼續保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態,除非有力加於其上,迫使它改變這種狀態。”這就是牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中,作為第一條公理提出的基本原理。 牛頓在他的手稿《慣性定律片斷》中寫道:“所有那些古人知道第一定律,他們歸之於原子在虛空中直線運動,因為沒有阻力,運動極快而永恆。” 這裡所謂的古人,可以追溯到古希臘時代,德漠克利特(Democritus,西元前460-371)、伊壁鳩魯(Epicurus,西元前342-270)都有這樣的看法。 例如,伊壁鳩魯就說過:“當原子在虛空裡被帶向前進而沒有東西與它們碰撞時,它們一定以相等的速度運動。”應該指出,不論是古希臘的哲學家還是後來他們的信徒,都無法證實這條原理,只能看成是猜測或推想的結果。 亞里斯多德的錯誤 他把物體的運動分為運動和強制運動。 他認為圓周是完善的幾何圖形,圓周運動對於所有星體都是天然的,因而是自然運動;另外,地球上的物體都具有其天然位置,重物趨於向下,輕物趨於向上,如果沒有其他物體阻礙,物體力圖回到天然位置的運動也是自然運動;其他所有形式的運動則都是強制運動。 他還進而指出,關於物體的強制運動,只有在外力的不斷作用下才能發生;當外力的作用停止時,運動也立即停止。 從這裡可以看出亞里斯多德肯定了兩點: 一、自然運動不涉及曳力的問題,只有強制運動才存在力的問題。 二、力是物體強制運動的原因。 從今天來看,這顯然是錯誤的,然而它束縛了人們近兩千年。 克卜勒的慣性論 克卜勒在他1609年發表的著作《新天文學》和1619年發表的著作《宇宙諧和論》中寫道;“天體有留在天空中任何地方的性質,除非它被拖曳著。” “如果天體不賦有類似於重量的慣性,要使它運動就不需要力,最小的動力就足以使它有無限的速度,但由於天體公轉需要用一定的時間,有的長些,有的短些,因此非常明顯,物質必須具有能說明這些差別的慣性。”“慣性,或對運動的阻力是物質的一種特性,在給定的體積中,物質的量愈多,慣性愈強。”這大概是關於物體慣性的最早陳述。可以看出克卜勒所說的慣性是指靜止物體的慣性,甚至他已經認識到物體的慣性與它的質量有關,然而他顯然受到亞里斯多德思想的束縛,不可能思考運動物體是否具有慣性的問題。 他對於亞裡士 多德關於物體運動的粗糙的日常觀察、抽象的猜測玄想和想當然的思辨推理十分不滿,他通過科學實驗和科學推理得到許多正確的結果,在他的著作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》(1632年)和《關於力學和運動兩門新科學的對話。(1638年)中,其中一個重要的結果如下。 假設沿斜面AB落下的物體,以B點得到的速度沿另一斜面BC向上運動,則物體不受BC傾斜的影響仍將達到與A點相同的高度,只是需要的時間不同;當第二個斜面變成既不上升,亦不下降的水平面時,物體將一直以已獲得的速度永遠向前運動。 伽利略的思想無疑地比他的前輩前進了一大步,他認識到不受其他物體的作用,物體可以永恆地運動,這已經很接近慣性定律,但是伽利略還沒有擺脫亞里斯多德的影響,他所說的水平面是和地球同心的球面,也就是說,那種不受其他物體作用的物體的永恆運動是圓周運動,因此我們還不能說伽略發現了慣性定律。 1. 如附圖,一個數磅之物體以A線懸之,此線恰能支持,其下方亦以同樣的B線繫之,手持下端之繩,則 (A)手逐漸加力時A繩先斷 (B) B繩先斷 (C)兩繩同時斷 (D)若手是用力猛然一拉時,A先斷 (E)在D中,B先斷 答案:AE 解析:如果逐漸用力,物體慣性已被改變,A線受力為物重加上手的力。如果猛然一拉,則物體類似牆壁,它有保持原靜止慣性,B線先斷。
2. 下列物理現象何者可用慣性性質解釋? (A)賽跑者到終點仍向前衝幾步 (B)斧頭鬆脫時,執柄向下方敲擊,斧頭即自嵌入柄內 (C)一玻璃杯置於長條紙上,若用手急拉長條紙,則杯穩然不動 (D)站在汽車內的乘客,當汽車突然開動易向後仰,突然停止易向前傾 (E)從火車上跳下的人仍須向前走幾步,才不會跌倒 答案:ABCDE 慣性定律的笑話 一位住在板橋的小姐,上了一列自強號火車才發現板橋站不停,因此她向列車長苦苦哀求,希望能破例在板橋站停一下。 其二: 老師瞪了他一眼,可他仍我行我素。老師:我剛才講了什麼內容? 學生:慣性 老師:請你舉個實例 學生:剛才我在下面講話,雖然您瞪了我一眼,但我沒法馬上停住,這就是慣性。 其三: 她氣呼呼的說:瞧你那德行。那位先生笑著說:這不是德行,是慣性。 習慣說 慣性定律看來似乎是很基本又有趣的定律,小豬老師每次教授這個定律時,除了想到以上的三個笑話,還會想到中學時代學到的國文文章─習慣說。 原文是這樣子的: 一日,父來室中,顧而笑曰:「一室之不治,何以天下國家為?」命童子取土平之。 小豬老師特別製作了影音朗誦版的,這要歸功於福氣老師教授的軟體製作出來的。 文章翻譯是這樣子的: 有一天,父親來到房裏,看見窪洞便笑著說:「一個房間都管不好,如果能處理天下國家的大事呢?」便吩咐小書僮取出土填平它。 後來我才踩上那裡,總像踏到甚麼一樣的嚇一跳,好像是地面忽然隆起一般,低頭看地面,則又非常平坦。過了一會兒,又是一樣,日子久了,也就習慣了。 唉!習慣影響人真是大啊!人的腳習慣於踩平地,本不能適應凹陷的窪洞;可是踩久了,凹陷的窪洞卻像平地。時間一久,等到後來窪洞恢復原來的平坦,腳接觸到平坦的地面,反而感到有障礙而不安。可見君子研究學問,一開始便要謹慎地養成好習慣。 習慣的養成真的很重要,以小豬老師為例,養成了早起的好習慣,每天早晨,我活力滿滿地起床,迎接美好的一天,靜下心來規劃一天的工作與維護部落格、寫文章。 讀書的習慣養成也是,如果養成天天看書或常常看書的好習慣,久而久之,一定會博覽群書,如遇到考試,也會迎刃而解。 行善的習慣也是,像國內有好多善心人士,他們將行善當習慣,時時刻刻做善事,讓這個國家社會處處充滿溫暖。 作部落格也是,很多不錯的部落客,將寫部落格當習慣,分享出很棒的好文章與作品。 獻給要參加部落格比賽的師生們,寫部落格就要有慣性的思維,你不動它,就永遠就動不了,你持續動了,這一篇一篇的文章就這樣慢慢呈現,而作品也會越寫越好喔!
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