從速度的定義談運動的本質

藍永康 陜西省西安思源學院基礎部物理教研室，西安 710038

從速度的定義談運動的本質

藍永康 陜西省西安思源學院基礎部物理教研室，西安 710038

分析了速度概念的起源、目的和意義，并從勻速運動的速度定義式中揭開了時間引入物理學中的深刻含義，即定義式中的時間就是一種假想的、抽象的勻速運動。從瞬時速度的定義中發現，描述客觀運動的物理量只能反映運動的某個屬性，并不是整個運動本身。進一步分析了用動量和動能來量度運動的意義。

勻速運動；瞬時速度；時間

uniform motion; instantaneous velocity; time

自然界中的一切物質都在運動，運動是物質存在的形式。因此，對物質運動的研究尤為重要。要研究運動，首先要描述它。人們對運動最直觀的認識就是通過觀察發現，自然界中的物體的運動是不一樣的。對這種差別最早的描述就是物體運動的快慢不同。當兩個或多個運動的物體同時在一個場景中出現時，或者簡單說就是同時出現在我們眼前時，通過觀察、比較就可以發現它們運動不一樣。人們用“快慢”這一詞來區別這種差別。物體運動快慢是一種直觀、定性、模糊地描述。它對同時出現在一個場景中的運動物體有效。對于不是同時出現的兩個運動或者是不在同一場景里的兩個運動，就很難判斷哪個物體運動快，哪個慢了。例如，某人觀察A物體的運動，再過一段時間再觀察B物體的運動，他就很難判斷誰快誰慢了。如果是兩個人分別去觀察A、B兩物體的運動，那就更難判斷。

要區別不同時空中的兩個物體的運動，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物理量來描述運動。自然界中物體的運動是復雜多變的，但科學研究往往從最簡單的入手。最簡單的運動當然是勻速運動。伽利略定義勻速運動為：“任意相等的時間間隔內通過相等的距離”。因此，對于勻速運動的物體，描述它的物理量速度 就可以定義為，這個公式有兩層含義。第一層含義是：勻速運動的物體，速度等于物體在某段時間內物體通過的路程和所用時間之比。這就使速度這個物理量具有可測量性。因為路程即長度可以測量得到，時間也是可以測量的量。這樣速度就是一個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。比值的數學意義就是比較[1]。在不同時空中的A、B兩運動物體不能直接比較。需要一個中間比較物來間接比較。如果A物體和C物體在同一時空中，C物體和B物體在同一時空中，那么就可以先比較A和C的運動，再比較B和C的運動，這樣就可以間接地比較A和B的運動了。因此，速度定義式中s實際上就相當于A物體的運動，t就相當于中間比較物C的運動。同樣，B物體的速度就是B物體的運動和C物體的運動之比。這樣，A、B兩物體的運動差別就可以從比值得到的數值中知道。所以，勻速運動的速度定義式中的t，我們常稱為時間，從某種意義上來說它就是一個中間比較物。或者說它是一個理想的運動。這種理想運動在現實中可以選擇一些近似規則的運動，如地球的自轉、月亮的運動、沙漏、鐘表等運動，選擇這些有周期性的運動是為了便于定量化，最后都統一成了鐘表的運動。由于人具有記憶和想象能力，鐘表的運動可以在大腦里保存、再現，因此，久而久之，鐘表的運動并不需要真實存在，可以把它抽象成一種假想的運動，這就是人所感覺到的“時間”。

速度只是人們用來描述運動的一種物理量而已，它并沒有完全反映運動的所有性質。把速度完全等同于運動本身，就會帶來一些困難。例如芝諾悖論中的飛矢不動悖論中認為：飛箭在運動的任一瞬間必定在一個確定位置，因而飛箭是靜止的，所以飛箭就不能處于運動狀態[3]。在這里芝諾把位置的變化（位移）當成了運動的本質原因了。位移和時間只是用來描述運動的物理量，它們和運動并沒有因果關系。確切地說一個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動的。我們可以通過物體位移的改變來判斷物體有運動，但反過來，運動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，速度對運動的描述是不完備的，只是對運動現象的一種反映。也可以這樣理解，物體運動速度具有相對性，對不同觀察者運動速度是不一樣的，具有一定的主觀性。所以用速度這一物理量來描述運動是不夠的，必須用更完備的物理量來描述運動。

在歷史上就出現過關于運動量度問題之爭。笛卡爾、牛頓等人用來描述運動，牛頓在第二運動定律中用的也是即今天說的動量。但是當時惠更斯研究碰撞問題時發現，不僅動量守恒，還有另一物理量守恒，后來德國科學家萊布尼茲接受惠更斯的思想，他從對落體運動的分析中發現使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“運動量”的量度。后來法國科學家科里奧利建議把改為，就是現在的動能形式。后來到了能量概念及能量守恒和轉換定律比較明確后，認為動量和動能都是量度機械運動不可缺少的物理量。恩格斯在《自然辯證法》一書中明確指出：“機械運動確實有兩種量度： 是以機械運動來量度機械運動本身，而是以機械運動轉化為一定量的其他形式的運動的能力即以動能來量度的機械運動”[4]。在這里進一步分析動量與動能之間的本質區別。用動量來描述運動是從系統整體的角度來描述運動的，要直接完整的描述一個物體的運動很困難的，單獨用速度這一物理量并不能反映運動本身，因此把物體的運動放入一系統中從系統整體的變化來認識運動的性質，發現如果在一個孤立系統中（不受其他系統的影響），系統總的這個量沒有變化，對系統中的一個物體，它是以為整體傳遞給系統中其它物體。因此和物體運動有關，能反映運動的特定性質，所以可以用動量來描述運動的性質。如果系統受到其他系統的影響的情況下，該系統的就會發生變化，但是該系統確實也在“運動”中，那怎樣來描述該“運動”呢？人們認識到兩相互作用的系統中，一個系統的這個量的減少等于另一系統該量的增量。所以不能直接描述該系統的“運動”，但可以從與它相互作用的系統的變化來認識該系統的“運動”。也就是恩格斯說的以機械運動轉化為一定量的其他形式的運動的能力即以動能來量度的機械運動。由此可見，不管是動量還是動能，都只是從某一方面來反映運動本身，也不完全等同于運動本身。

物質都是在運動的，運動是物質存在的形式。但是，人們并不能完全認識運動的本質。最初只用速度來描述運動，芝諾悖論暴露了速度描述運動的缺陷，后來用動量和動能來量度運動，它們也只是把物體放入系統整體中來認識運動的某一性質。但是并沒有完全認識運動本身。物體的機械運動，這種自然界中最本質、最普遍的現象，其實是最深刻、最能體現自然界規律的表現，對它的認識也就是對自然界的認識，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改進高中物理概念的編寫[J].物理教師.2004, 25(4)

[2]張欣,劉筠.瞬時速度測量方法的探討[J].科技信息.2010(24)

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

[4]張學恭.物理學發展史[M].西安交通大學出版社.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

藍永康，男，助教，研究方向為基礎物理。