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2007/10/10 23:07:44瀏覽1097|回應1|推薦9 | |
最近上網查詢媒體新聞,可以發現一個好玩的標題:「 Jolin 挨轟 搞混牛頓定律」。 據說是網友發現的,然而,網友或媒體的糾正真的是對嗎? Jolin 真的是錯嗎? 讓我們好好來搞清楚牛頓的三大運動定律,再來研究誰對誰錯吧! 第一定律:又稱「慣性定律」,凡是物體在不受力或所受合力為零 ( 力量彼此抵銷 ) 的情況下,一律均有維持其自身原本「運動狀態」的傾向,亦即靜止者恆靜止,運動者恆以等速度運動 ( 等速度運動的特徵即是移動速率不變,並沿一直線固定方向前進,也稱「慣性運動」 ) 。 第二定律:又稱「力的定義」,凡是物體不依照第一定律的方式運動,則可以稱為該物體受到某種力量,也許不只一個力,這些力的總和結果,也就是合力, 物體所受合力 = 物體之質量 × 物體之加速度 舉例來說,質量 1kg 的物體受到 1 牛頓的作用力量時,每經過 1 秒,其速度會改變 1 公尺 / 秒。 第三定律:又稱「反作用定律」,受力者若受一外來之作用力,該受力者必會施一反作用力回饋給施力者。此二力互為對方之反作用力,兩者大小相等、方向相反、位於同一直線上 ( 二力的二條無限延伸直線,彼此重疊 ) 、分別各自作用於施力者與受力者 ( 也可稱作用於不同物體身上 ) 、同時產生、同時消失、種類相同 ( 若甲給乙施一磁力,則乙必還施一磁力;若甲給乙施一電力,則乙必還施一電力 ) ,此二力均為真實之力 ( 觀察者若能同時觀察或測量到此二力,則觀察者自身的運動方式必定遵守第一定律 ) 。 第一定律中所謂的「運動狀態」就是「靜止狀態」或者是「等速度運動狀態」。維持運動狀態,其實就是維持原先的速度。若原先速度是零,那麼維持的結果,就是維持靜止;若原先是沿著某個方向運動,維持的意思就是維持快慢不變、方向也不變。所以「慣性定律」規範的是物體不受力或者合力為零的運動狀態表現。在不受力或合力為零的情況下,所有的物質都做慣性運動。但是,卻並沒有說明「慣性」這個東西到底是什麼!讀者也許心想:「是嗎?第一定律的陳述已經很明白了啊!怎麼會沒有說明?」 在物理中,能夠被討論的名詞,幾乎都是有數量與單位的、有意義的量,也就是「物理量」。 既然,「慣性」是物體的特徵,這個特徵可以使物體維持運動狀態,那麼,到底是如何維持呢?當我們試圖改變物體的運動狀態,所謂的物體維持效應,將會如何的抵抗我們外加的改變呢?這才是我們進一步瞭解何謂「慣性」的關鍵!那就是第二定律給我們的提示! 在尚未有牛頓第二運動定律以前,人們雖然有「力」的名詞,知道施力給物體,可以使物體運動,卻不清楚這個造成運動的「力」該怎麼定義,所以,有了第二運動定律以後,就知道使物體運動的力該怎麼描述了! 是嗎?真的就這樣簡單?就這樣知道了力的定義? 實際的情況是…牛頓時代的人們對於「力」 = 「質量」 ×「加速度」這個式子裡只認識加速度而已,況且,那還是伽利略先生辛辛苦苦的結果,才好不容易把速度的時變率定義為加速度。所以,對於「力」、「質量」這兩位陌生來客還是不清楚他們的本質為何。也就是說,如果我們要清楚力是什麼,就要先清楚「質量」是什麼! 對啊!什麼是「質量」?在筆者的少年時代第一次從教科書看到的描述是這樣的… 質量:物質含有的量。 各位看倌瞧清楚了嗎?這樣的陳述,能讓您瞭解的話,您一定是大學教授或是天才啊!不過,有時候,學習就是這樣子,在搞不清楚的情況下,摸索摸索…久了,大概也會覺得好像懂了某些事物或概念。舉例來說:「人」的定義是啥?各位知道嗎?或者聽過哪位大人物給「人」下了個嚴謹、清楚又完整的定義?好像沒有吧!不過,「人」這個字眼卻經常出現在我們的日常用語中,好像也沒有讓我們有太大的困擾喔!但是,對於科學而言,要是有某個不清楚的東西滲雜在討論或研究的對象裡,那就非得要搞清楚不可! 現在,我再問一次,什麼是「質量」?各位讀者可以嚴謹、清楚而完整的回答嗎?也許有人會這麼說:「我知道了!可以這樣寫嘛!」 質量 = 力 ÷ 加速度 這就成了套套邏輯 ( 有點像遞迴或迴圈 ) !一個含有兩個不清楚概念的數量的方程式,自身如何可以說明或證明自身的不清楚呢? 可是,很妙的,還真的是這樣呢!耐心點,聽筆者娓娓道來吧! 『力 ÷ 加速度』表示的就是第一定律對於「慣性」描述不足的地方。第一定律只是描述慣性的平常表現 ( 沒有力量作用或力量彼此抵銷的狀況 ) ,當有作用力出現時,物體的維持運動的傾向在有作用力的情況下,會出現抵抗,所謂的抵抗就是同樣的時間與同樣的作用力之下,物體的表現依照程度列出: 加速度較大 → 較容易改變速度 → 就是較不抵抗的或維持的能力較差的 → 力 ÷ 加速度 之值較小 …A 物體的情況 加速度較小 → 較不容易改變速度 → 就是比較會抵抗的或維持的能力較強的 → 力 ÷ 加速度 之值較大 …B 物體的情況 這告訴我們比第一定律還要深刻的事情:原來物體維持自身的運動狀態的傾向也有能力的強弱分別,由上列分析看起來 B 物體的「慣性」比 A 物體的「慣性」要大。而且,這份能力的強弱與「力 ÷ 加速度」的量 ( 也就是所謂的「質量」 ) 成正比。所以,我們得到一個重要的概念! 「慣性」正比於「質量」 但是,既然在不清不楚的情況中,好不容易找到了一盞明燈,我們還要搞得更複雜嗎?把事情簡單化一點吧!各位觀眾一起喊出下面這一句話吧! 「慣性」就等於「質量」 到了這裡,筆者可以說,牛頓第二運動定律給了我們所謂「慣性」的深刻意義!也只有牛頓第二運動定律才能辦到這件事呢!第一定律只是一個慣性 ( 質量 ) 的平常表現,而慣性 ( 質量 ) 的不平常表現,則是第二定律才能說清楚的!! 總而言之,筆者想要說的就是:雖然,牛頓第一運動定律稱為「慣性定律」,但是真正可以給出「慣性」的定義的,卻是牛頓第二運動定律呢! ( 事實上,牛頓第二運動定律同時給出了「質量」、「力」兩個概念的定義! ) 話到最後,筆者雖然也喜歡 Jolin ,卻沒打算為她辯白,她有沒有犯了搞錯牛頓定律的疑惑,只有她自己知道,但是,可以很清楚的是,「牛頓第二定律愛是慣性的默契」,因為這一句歌詞讓網友認為是 Jolin 或者是寫詞的林白先生對於「慣性」的誤解,又怎麼知道林白先生或 Jolin 不知道牛頓第二定律與慣性、質量間的深刻關連呢?也許許多網友自己也不見得明白吧? 後記:力除以加速度的定義,稱為「慣性質量」,而利用重力理論定義的質量 ( 天平稱的質量 ) 則稱為「重力質量」。牛頓認為兩者分屬不同的概念,但是兩者恆成正比,而愛因斯坦則認為兩者在本質上根本就相等,沒有一點點的不同。 |
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