第11章 风起云涌 (完)(3 / 4)

律。

牛顿的万有引力理论的惊人成就,使超距作用力的概念推广到物理学的其他分支中去。但是,牛顿并不能从物理上说清超距作用的实质,所以长期受到各方的严厉批评,直到a爱因斯坦于1905年提出狭义相对论,指出一切物理作用传播的最大速度是光速以后,人们才认识到牛顿有关超距作用力的概念有极大的局限性。爱因斯坦1915年在他的广义相对论里明确指出,万有引力的传播速度不可能大于光速。

在历史上,有许多科学家和哲学家曾指出,牛顿力学中的力的概念只是一种方法论性质的工具,r基尔霍夫、hb赫兹和e马赫都认为牛顿的力的概念很难说明力的实质,但都肯定力是一种计算用的量,代表质量和加速度的积。当然,牛顿提出的力的概念对科学进展的贡献很大没有这种概念,物理就会失掉理论的连贯一致性。

力的单位牛顿第二定律既可以看作是质量的定义,也可以看作是力的定义。前者把力看作是基本量,把质量看作是第二定律的导出量;后者则反之。

我们把长度单位定义为标准衡器在两点之间的距离,或用特定的光谱线波长来度量。同样,时间可以用标准运动的周期。如地球公转周期,时钟的摆动周期,或分子的振动周期来衡量。利用这种长度和时间的单位,我们就能给出速度和加速度的定义和度量。现在,我们通过两种途径探讨牛顿第二定律,即绝对制和引力制。在绝对制中,我们引进标准物体的质量为单位质量,从而根据第二定律,把单位质量产生单位加速度的力作为单位力。其他质量原则上可以和标准单位质量相比,用单位力作用测定它的加速度。这样求得的加速度同它的质量成反比。实验证啁,质量是一个标量,而力和加速度则都是矢量,它们服从矢量合成和分解的规律。

在绝对制中,非相对论力学的牛顿第二定律可写成

fa,

式中f和a为力和加速度;为该物体的质量。式右的和a如果是已知的,则本式即为力的定义。所以在绝对制中,质量是基本量,力是导出量。力的量纲是lt2,其中、l、t分别为质量、长度和时间的量纲。

在引力制中,用标准物体所受地球引力作为标准力,因而,引力制把力作为基本量,而根据第二定律,质量为联系力和加速度的比例因子,成为导出量。在引力制中,标准物体的重量作为单位力,引力加速度为g。任何物体的重量是用标准物体的重量来度量的。设物体的重量为,则它的质量可以写成g。这个导出量的量纲为ft2l1,其中f为力的量纲。由于地球表面各处的地球引力加速度并不完全相等,所以物体在地球表面各处的重量,也不会完全相等。为了避免这种困难,规定地球表面的某一特定点作为测量标准物体的标准重量的场所。所以,引力制的绝对程度并不比所谓绝对制的绝对程度差。

绝对制的力的单位为达因和牛顿。1达因是使1克的质量产生1厘米秒2加速度的力;1牛顿是使1千克的质量产生1米秒2加速度的力。1牛顿等于105达因。国际单位制和中国法定计量单位中,力的单位是牛顿。

合力如果所有力的作用线都相交于一点,则这些力组成一个汇交力系。任一汇交力系的合力可以用矢量求和法求得,但这个合力必通过力系的汇交点。如果合力等于零,这个汇交力系是平衡的,亦即它们所作用的物体没有加速度。

一般说来,任一较大的物体上可以有三种类型的力在作用1在分散的一些点或某几块表面的面积上有外力的作用。2在物体内部,有外力所产生的反作用力的作用,或由于物体变形而产生的内部约束力的作用。这些内部变形约束力都是成对地产生的,合在一起互相抵销,并不影响加速度。3在内部各部分有分布力的作用。这些力一般都和各部分的质量成正比。例如,重