藍(lán)永康 陜西省西安思源學(xué)院基礎(chǔ)部物理教研室，西安 710038

從速度的定義談運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)

藍(lán)永康 陜西省西安思源學(xué)院基礎(chǔ)部物理教研室，西安 710038

分析了速度概念的起源、目的和意義，并從勻速運(yùn)動(dòng)的速度定義式中揭開了時(shí)間引入物理學(xué)中的深刻含義，即定義式中的時(shí)間就是一種假想的、抽象的勻速運(yùn)動(dòng)。從瞬時(shí)速度的定義中發(fā)現(xiàn)，描述客觀運(yùn)動(dòng)的物理量只能反映運(yùn)動(dòng)的某個(gè)屬性，并不是整個(gè)運(yùn)動(dòng)本身。進(jìn)一步分析了用動(dòng)量和動(dòng)能來量度運(yùn)動(dòng)的意義。

勻速運(yùn)動(dòng)；瞬時(shí)速度；時(shí)間

uniform motion; instantaneous velocity; time

自然界中的一切物質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)存在的形式。因此，對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的研究尤為重要。要研究運(yùn)動(dòng)，首先要描述它。人們對運(yùn)動(dòng)最直觀的認(rèn)識(shí)就是通過觀察發(fā)現(xiàn)，自然界中的物體的運(yùn)動(dòng)是不一樣的。對這種差別最早的描述就是物體運(yùn)動(dòng)的快慢不同。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體同時(shí)在一個(gè)場景中出現(xiàn)時(shí)，或者簡單說就是同時(shí)出現(xiàn)在我們眼前時(shí)，通過觀察、比較就可以發(fā)現(xiàn)它們運(yùn)動(dòng)不一樣。人們用“快慢”這一詞來區(qū)別這種差別。物體運(yùn)動(dòng)快慢是一種直觀、定性、模糊地描述。它對同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)場景中的運(yùn)動(dòng)物體有效。對于不是同時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)或者是不在同一場景里的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，就很難判斷哪個(gè)物體運(yùn)動(dòng)快，哪個(gè)慢了。例如，某人觀察A物體的運(yùn)動(dòng)，再過一段時(shí)間再觀察B物體的運(yùn)動(dòng)，他就很難判斷誰快誰慢了。如果是兩個(gè)人分別去觀察A、B兩物體的運(yùn)動(dòng)，那就更難判斷。

要區(qū)別不同時(shí)空中的兩個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)，就需要更精確更有效的量來描述它。因此，伽利略定義了速度這個(gè)物理量來描述運(yùn)動(dòng)。自然界中物體的運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜多變的，但科學(xué)研究往往從最簡單的入手。最簡單的運(yùn)動(dòng)當(dāng)然是勻速運(yùn)動(dòng)。伽利略定義勻速運(yùn)動(dòng)為：“任意相等的時(shí)間間隔內(nèi)通過相等的距離”。因此，對于勻速運(yùn)動(dòng)的物體，描述它的物理量速度 就可以定義為，這個(gè)公式有兩層含義。第一層含義是：勻速運(yùn)動(dòng)的物體，速度等于物體在某段時(shí)間內(nèi)物體通過的路程和所用時(shí)間之比。這就使速度這個(gè)物理量具有可測量性。因?yàn)槁烦碳撮L度可以測量得到，時(shí)間也是可以測量的量。這樣速度就是一個(gè)可以變得更精確的量。第二層含義是：它在這里用比值法定義的量。比值的數(shù)學(xué)意義就是比較[1]。在不同時(shí)空中的A、B兩運(yùn)動(dòng)物體不能直接比較。需要一個(gè)中間比較物來間接比較。如果A物體和C物體在同一時(shí)空中，C物體和B物體在同一時(shí)空中，那么就可以先比較A和C的運(yùn)動(dòng)，再比較B和C的運(yùn)動(dòng)，這樣就可以間接地比較A和B的運(yùn)動(dòng)了。因此，速度定義式中s實(shí)際上就相當(dāng)于A物體的運(yùn)動(dòng)，t就相當(dāng)于中間比較物C的運(yùn)動(dòng)。同樣，B物體的速度就是B物體的運(yùn)動(dòng)和C物體的運(yùn)動(dòng)之比。這樣，A、B兩物體的運(yùn)動(dòng)差別就可以從比值得到的數(shù)值中知道。所以，勻速運(yùn)動(dòng)的速度定義式中的t，我們常稱為時(shí)間，從某種意義上來說它就是一個(gè)中間比較物?；蛘哒f它是一個(gè)理想的運(yùn)動(dòng)。這種理想運(yùn)動(dòng)在現(xiàn)實(shí)中可以選擇一些近似規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，如地球的自轉(zhuǎn)、月亮的運(yùn)動(dòng)、沙漏、鐘表等運(yùn)動(dòng)，選擇這些有周期性的運(yùn)動(dòng)是為了便于定量化，最后都統(tǒng)一成了鐘表的運(yùn)動(dòng)。由于人具有記憶和想象能力，鐘表的運(yùn)動(dòng)可以在大腦里保存、再現(xiàn)，因此，久而久之，鐘表的運(yùn)動(dòng)并不需要真實(shí)存在，可以把它抽象成一種假想的運(yùn)動(dòng)，這就是人所感覺到的“時(shí)間”。

速度只是人們用來描述運(yùn)動(dòng)的一種物理量而已，它并沒有完全反映運(yùn)動(dòng)的所有性質(zhì)。把速度完全等同于運(yùn)動(dòng)本身，就會(huì)帶來一些困難。例如芝諾悖論中的飛矢不動(dòng)悖論中認(rèn)為：飛箭在運(yùn)動(dòng)的任一瞬間必定在一個(gè)確定位置，因而飛箭是靜止的，所以飛箭就不能處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[3]。在這里芝諾把位置的變化（位移）當(dāng)成了運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)原因了。位移和時(shí)間只是用來描述運(yùn)動(dòng)的物理量，它們和運(yùn)動(dòng)并沒有因果關(guān)系。確切地說一個(gè)物體在某一瞬間處于某一位置，我們是無法從這一信息判斷它是否在運(yùn)動(dòng)的。我們可以通過物體位移的改變來判斷物體有運(yùn)動(dòng)，但反過來，運(yùn)動(dòng)的物體一定有位移就不一定正確了，這還需要看我們是如何觀測的。由此可見，速度對運(yùn)動(dòng)的描述是不完備的，只是對運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的一種反映。也可以這樣理解，物體運(yùn)動(dòng)速度具有相對性，對不同觀察者運(yùn)動(dòng)速度是不一樣的，具有一定的主觀性。所以用速度這一物理量來描述運(yùn)動(dòng)是不夠的，必須用更完備的物理量來描述運(yùn)動(dòng)。

在歷史上就出現(xiàn)過關(guān)于運(yùn)動(dòng)量度問題之爭。笛卡爾、牛頓等人用來描述運(yùn)動(dòng)，牛頓在第二運(yùn)動(dòng)定律中用的也是即今天說的動(dòng)量。但是當(dāng)時(shí)惠更斯研究碰撞問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，不僅動(dòng)量守恒，還有另一物理量守恒，后來德國科學(xué)家萊布尼茲接受惠更斯的思想，他從對落體運(yùn)動(dòng)的分析中發(fā)現(xiàn)使1磅重的物體下落4英尺和使4磅重的物體下落1英尺，不相等但相等，因此建議用來作為“運(yùn)動(dòng)量”的量度。后來法國科學(xué)家科里奧利建議把改為，就是現(xiàn)在的動(dòng)能形式。后來到了能量概念及能量守恒和轉(zhuǎn)換定律比較明確后，認(rèn)為動(dòng)量和動(dòng)能都是量度機(jī)械運(yùn)動(dòng)不可缺少的物理量。恩格斯在《自然辯證法》一書中明確指出：“機(jī)械運(yùn)動(dòng)確實(shí)有兩種量度： 是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)來量度機(jī)械運(yùn)動(dòng)本身，而是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一定量的其他形式的運(yùn)動(dòng)的能力即以動(dòng)能來量度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)”[4]。在這里進(jìn)一步分析動(dòng)量與動(dòng)能之間的本質(zhì)區(qū)別。用動(dòng)量來描述運(yùn)動(dòng)是從系統(tǒng)整體的角度來描述運(yùn)動(dòng)的，要直接完整的描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)很困難的，單獨(dú)用速度這一物理量并不能反映運(yùn)動(dòng)本身，因此把物體的運(yùn)動(dòng)放入一系統(tǒng)中從系統(tǒng)整體的變化來認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)如果在一個(gè)孤立系統(tǒng)中（不受其他系統(tǒng)的影響），系統(tǒng)總的這個(gè)量沒有變化，對系統(tǒng)中的一個(gè)物體，它是以為整體傳遞給系統(tǒng)中其它物體。因此和物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)，能反映運(yùn)動(dòng)的特定性質(zhì)，所以可以用動(dòng)量來描述運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。如果系統(tǒng)受到其他系統(tǒng)的影響的情況下，該系統(tǒng)的就會(huì)發(fā)生變化，但是該系統(tǒng)確實(shí)也在“運(yùn)動(dòng)”中，那怎樣來描述該“運(yùn)動(dòng)”呢？人們認(rèn)識(shí)到兩相互作用的系統(tǒng)中，一個(gè)系統(tǒng)的這個(gè)量的減少等于另一系統(tǒng)該量的增量。所以不能直接描述該系統(tǒng)的“運(yùn)動(dòng)”，但可以從與它相互作用的系統(tǒng)的變化來認(rèn)識(shí)該系統(tǒng)的“運(yùn)動(dòng)”。也就是恩格斯說的以機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一定量的其他形式的運(yùn)動(dòng)的能力即以動(dòng)能來量度的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。由此可見，不管是動(dòng)量還是動(dòng)能，都只是從某一方面來反映運(yùn)動(dòng)本身，也不完全等同于運(yùn)動(dòng)本身。

物質(zhì)都是在運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)存在的形式。但是，人們并不能完全認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。最初只用速度來描述運(yùn)動(dòng)，芝諾悖論暴露了速度描述運(yùn)動(dòng)的缺陷，后來用動(dòng)量和動(dòng)能來量度運(yùn)動(dòng)，它們也只是把物體放入系統(tǒng)整體中來認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的某一性質(zhì)。但是并沒有完全認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)本身。物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這種自然界中最本質(zhì)、最普遍的現(xiàn)象，其實(shí)是最深刻、最能體現(xiàn)自然界規(guī)律的表現(xiàn)，對它的認(rèn)識(shí)也就是對自然界的認(rèn)識(shí)，還需要我們更深入的探索。

[1]邢紅軍.按照比值定義法的本質(zhì)改進(jìn)高中物理概念的編寫[J].物理教師.2004, 25(4)

[2]張欣,劉筠.瞬時(shí)速度測量方法的探討[J].科技信息.2010(24)

[3]劉二中.解析芝諾悖論內(nèi)含的邏輯漏洞[J].自然辯證法研究,2005,21(11)

[4]張學(xué)恭.物理學(xué)發(fā)展史[M].西安交通大學(xué)出版社.1994(1):88-89

Analyses the origin of the concept of velocity, And discover that the time in the type of deined unifrom motion is actually a hypothetical and abstract uniform motion.From the definition of the instantaneous velocity, we found that the physical describe objective movement only reflects someone of movement properties, and not the movement itself.With further analyzed the sigificance of the momentum and kinetic to measure movement.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.020

藍(lán)永康，男，助教，研究方向?yàn)榛A(chǔ)物理。