物理學中的力的定義 - 百科問答

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問題 :物理學中的力的定義

遊客 (212.58.*.*)[格魯吉亞語 ]
類別 :[科學][其他]

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時間 :2017-11-24

力是力學中的基本概念之一，是使物體獲得加速度或形變的外因。在動力學中它等於物體的質量與加速度的乘積。
力的概念形成簡史推拉物體時，可以直覺意識到"力"的模糊概念。被推拉的物體發生運動以及物體滑行時，由於摩擦而逐漸變慢，最後停止下來，都反映了力的作用。中國古代文獻《墨經》就把這個概念總結為"力，形之所由奮也。"就是說，力是使物體奮起運動的原因。所以，力是那樣自然地反映到人的意識中來的。但是人們從直覺意識到"力"的概念到獲得"力"的嚴格科學定義，卻經歷了長期的鬥爭。
在西方，力的概念在物理科學中提出以前。首先在哲學中發生爭論。古希臘的宇宙論學派的泰勒斯(Thales)等人認為自然是有生命的，像人體一樣是自己運動的活的組織。在這種哲學思想指導下，不會產生運動的起源命題，也沒有"力"的概念。後來帕門尼德(Parmnides)從邏輯推理提出了運動並不存在的觀點。他的反對者提出了運動的源泉是"力"來證明運動是存在的。這樣就意味著承認了"力是因，運動是果"的原始的因果論觀點。
柏拉圖的力的概念基本上是非物質的，他認為自然之所以賦予運動的本性，完全因為有一個不朽的活著的精靈。自然間的所有力的最後源泉是隱藏著的世界靈魂，它才是一切物理活動的根源。當然，這種形而上學的觀點很難用來解釋象萬有引力所產生的那種運動。
在亞里士多德的著作中，力被看作是從一個物體發射到另一物體中去的.這種發射的力本身不是物質，而是一種"形式"，是依賴於物質而存在的.根據這種力的概念，其作用只限於相互接觸的物體;只有通過推或拉，才能相互影響作用.亞里士多德的這種力的概念完全否定了彼此不接觸而通過遠距作用的力的存在.於是只能假設行星自我發力驅使自己運動;恆星自己也是有生命的.但亞里士多德首先提出了所謂"運動定律"，認為運動物體的速度和通過介質時受到的阻力成正比.不過他並沒有提出所用的量的度量單位，也沒有測量這些量的方法.亞里士多德認為物體的重量是表示"自然運動"的，即表示物體有返還其自然位置的傾向，而不是表示物體受迫運動的原因.這種認識排除了把重量作為度量力的單位的可能性..
在整個中世紀的過程中，關於力的概念深受亞里士多德思想的束縛，沒有取得什麼進展。
伽利略對經典力學的建立有重要的貢獻，但對力並沒有形成完備的概念。他關於質量的定義是模糊的，所以，他不能給出清晰的既適用於靜力學，又適用於動力學的力的定義。當然，他對慣性原理是基本理解的。他的慣性原理指出，物體在不受外力作用的條件下，能連續作勻速運動。他把力和速度的變化聯繫在一起。破除了亞里士多德把力和速度聯繫在一起的長期的思想束縛，為I.牛頓把力和加速度聯繫在一起開闢了道路。
力的概念在牛頓力學中佔有最根本的位置。牛頓在1664年就提出了力的定義是動量的時間變率(動量等於質量乘速度)。牛頓第一定律(慣性定律)是力的定性的定義，它給出力在什麼條件下存在和什麼條件下不存在的定性條件。牛頓第二定律給出了力的定量的定義，即力等於動量的時間變率;如果質量不變，力也等於質量乘加速度。牛頓第三定律指出，對於每一個力而言，必有一大小相等方向相反的反作用力存在。它指出所有的力都是成對的，只在兩個物體相互作用時才能實現(見牛頓運動定律)。
牛頓的萬有引力理論的驚人成就，使超距作用力的概念推廣到物理學的其他分支中去。但是，牛頓並不能從物理上說清超距作用的實質，所以長期受到各方的嚴厲批評，直到A.愛因斯坦於1905年提出狹義相對論，指出一切物理作用傳播的最大速度是光速以後，人們才認識到牛頓有關超距作用力的概念有極大的局限性。愛因斯坦1915年在他的廣義相對論裡明確指出，萬有引力的傳播速度不可能大於光速。
在歷史上，有許多科學家和哲學家曾指出，牛頓力學中的力的概念只是一種方法論性質的工具，或是一種形而上學的東西。 G.R基爾霍夫、H.B.赫茲和E.馬赫都認為牛頓的力的概念很難說明力的實質，但都肯定力是一種計算用的量，代表質量和加速度的積。當然，牛頓提出的力的概念對科學進展的貢獻很大:沒有這種概念，物理就會失掉理論的連貫一致性。

力的單位牛頓第二定律既可以看作是質量的定義，也可以看作是力的定義。前者把力看作是基本量，把質量看作是第二定律的導出量;後者則反之。
我們把長度單位定義為標準衡器在兩點之間的距離，或用特定的光譜線波長來度量.同樣，時間可以用標準運動的周期.如地球公轉週期，時鐘的擺動週期，或分子的振動週期來衡量.利用這種長度和時間的單位，我們就能給出速度和加速度的定義和度量.現在，我們通過兩種途徑探討牛頓第二定律，即絕對製和引力製.在絕對製中，我們引進標準物體的質量為單位質量，從而根據第二定律，把單位質量產生單位加速度的力作為單位力.其他質量原則上可以和標准單位質量相比，用單位力作用測定它的加速度.這樣求得的加速度同它的質量成反比.實驗證啁，質量是一個標量，而力和加速度則都是矢量，它們服從矢量合成和分解的規律..
在絕對製中，非相對論力學的牛頓第二定律可寫成:

F=ma，

式中F和a為力和加速度;m為該物體的質量。式右的m和a如果是已知的，則本式即為力的定義。所以在絕對製中，質量是基本量，力是導出量。力的量綱是MLT-2，其中M、L、T分別為質量、長度和時間的量綱。
在引力製中，用標準物體所受地球引力作為標準力，因而，引力製把力作為基本量，而根據第二定律，質量為聯繫力和加速度的比例因子，成為導出量.在引力製中，標準物體的重量作為單位力，引力加速度為g.任何物體的重量是用標準物體的重量來度量的.設物體的重量為W，則它的質量m可以寫成W/g.這個導出量m的量綱為FT2L-1，其中F為力的量綱.由於地球表面各處的地球引力加速度並不完全相等，所以物體在地球表面各處的重量，也不會完全相等.為了避免這種困難，規定地球表面的某一特定點作為測量標準物體的標準重量的場所.所以，引力製的絕對程度並不比所謂絕對製的絕對程度差..
絕對製的力的單位為達因和牛頓。 1達因是使1克的質量產生1厘米/秒2加速度的力;1牛頓是使1千克的質量產生1米/秒2加速度的力。 1牛頓等於105達因。國際單位制和中國法定計量單位中，力的單位是牛頓。

合力如果所有力的作用線都相交於一點，則這些力組成一個匯交力系。任一匯交力系的合力可以用矢量求和法求得，但這個合力必通過力系的匯交點。如果合力等於零，這個匯交力係是平衡的，亦即它們所作用的物體沒有加速度。
一般說來，任一較大的物體上可以有三種類型的力在作用:①在分散的一些點或某幾塊表面的面積上有外力的作用.②在物體內部，有外力所產生的反作用力的作用，或由於物體變形而產生的內部約束力的作用.這些內部變形約束力都是成對地產生的，合在一起互相抵銷，並不影響加速度.③在內部各部分有分佈力的作用.這些力一般都和各部分的質量成正比.例如，重量所產生的作用力和加速度所造成的慣性力都是體內分佈的力，總稱徹體力，簡稱體力.如果這一物體上所受各外力是匯交的，則其合力必和體力大小相等、方向相反.如果這合力通過該物體的質心，則合力必等於總質量乘該物體所產生的加速度.如果這些匯交的外力的合力不通過該物體的質心，可以把這合力化為一個作用在質心上的力和一個繞質心的力偶矩之和(見力系).前者的大小和作用線方向和原來的合力相同，只是其作用線平移到通過該物體質心的位置，後者即力偶矩等於合力乘質心到合力原作用線的垂直距離;前者引起物體質心的加速度運動，後者引起物體繞質心的角加速度轉動(見剛體動力學)..
一般說來，物體所受各外力不一定是匯交的。但其合成的作用同樣也可以化為一個通過質心的合力，和繞質心轉動的合力偶矩。

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