运动生物力学的定义十篇

发布时间：2024-04-25 19:05:21

运动生物力学的定义篇1

关键词：数学方程函数几何图像数学语言和方法物理应用

随着科学的进步，学科渗透的现象在实际生活和生产中越来越多。在技校物理教学中，数学知识在其中运用的实例比比皆是。加强学生对该现象的认识，能培养学生实事求是的科学态度，促进学生用更加客观理性的态度看待周围事物，提高学生的综合素质和认识事物的能力。

一、数学的正、负号在物理中表示特定的物理意义

物理学中势能、电势、温度等物理量的正负表示与参考点（零值）的大小比较。在该参考点上方的物理量为正值，相反在该参考点下方的物理量为负值。例如把桌面作为势能的零点，那么桌面上方各处的势能均大于桌面下方各处的势能。

物理学中物体能量的增减可以用正和负表示，如由功的公式w=Fscosa可以看出，当a90°时，合外力对物体做负功，物体能量在减少，能量的增加量为负值。学生容易错误地认为增加量一定是正值，当看到增加量是负值时，有点不知所措。为了使学生正确地理解和计算功，一般笔者先带着学生复习特殊角的函数值，然后再进行功的学习。

物理学中物理矢量的方向用正负号表示，矢量的正负分别表示与规定的物理量方向相同或相反。在运动学中，在同一直线上运动的物体，一般先规定某方向为正方向，c其同向的矢量为正值，反之为负值，把矢量运算转化为标量运算。例如在直线运动中，一般选初速度的方向为正方向，加速度为负时，说明物体做减速运动，加速度为正时，说明物体做加速运动。在竖直上抛运动中，以抛点为原点，上方位移为正，下方位移为负，向上的速度为正，向下的速度为负。但在实际教学中，学生受数学中的正数一定比负数大的影响，总忽视方向性，错误地认为负值的矢量一定比正值的矢量小。如错误认为+3n的力大于-5n的力。为防止计算结果忽略矢量的方向，笔者要求学生做计算题时都要考虑用正负号表示每一个物理量的方向，计算结果自然就出现方向性。

物理量特殊意义的正负号表示相反的物理现象、性质或过程。如由功的公式形：Fscoso～可以看出，当a90°时，力做负功，表示力对物体运动起阻碍作用。正负电荷表示电荷所带电性相反。光学中正的像距表示成实像，负的像距表示成虚像。

在实际物理教学中，学生能理解数学正负号的特殊物理意义，体现了具体问题具体分析的辩证观点。

二、方程与物理问题

技校物理教学主要应用数学方程中的二元一次方程组（电学习题）或一元二次方程（运动学习题）解决物理问题。一般都是由物理条件和物理规律建立方程，然后根据方程解出需要量。比如用二元一次方程组解欧姆定律的习题时，有相当一部分学生用加减消元法（学生学习的经验认为该方法简单）解方程解不出来，笔者引导他们用代入消元法试一下，很快出来结果，从中学生认识到碰到实际问题要具体分析，选择合适的方法才能事半功倍。

三、数学函数表示物理量间的关系

数学函数图像可以直观、形象地反映物理量之间的相互关系，加深人们对物理规律的理解。例如劳动出版社出版的第五版物理教材2.2《自由落体运动》中，用自由落体运动的速度一时间图像推导出自由落体运动的位移公式。笔者要求学生会看图像和应用图像，一方面使学生深刻体会到数学函数图像在物理中的应用，另一方面培养学生的识图、用图和作图能力，以便为专业课看图纸打基础。

四、几何图形表示物理置间的关系

1.数学矢量加法在物理矢量合成中的应用

物理学中的矢量如力、速度、位移等合成均遵循平行四边形定则，技校物理大纲的要求是理解力的平行四边形定则，并能进行简单的计算。例如，两个共点力互相垂直，大小分别是120n和160n，求它们的合力。既用到了数学矢量加法即平行四边形定则，又用到数学图形平行四边形的特点和勾股定理。而在运动学部分，大纲要求较简单，只是理解矢量和标量的概念及它们的区别。例如某汽车沿正东方向直线行驶200m后，改道沿正南偏东方向30度行驶250m，求汽车的位移。教材上用作图法求位移，选择一恰当的比例（标度），根据题意画出汽车的位移，通过测量求得其大小及方向。虽然没有要求精确计算，但也体现了数学矢量加法的运算法则。这些数学知识的渗透符合学生认识事物的特点和认识能力逐渐发展的规律。

2.用坐标系描述物体的运动

运动学中定量描述做直线运动的物置变化时，以运动直线为x轴，在直线上规定原点、正方向和单位长度，建立直线坐标系。定量描述做平面运动的物置变化时，比如描述百米赛场上奔跑的运动员的运动，要建立平面直角坐标系来描述他的位置。而为了定量描述在空中飞行的飞机，因为飞机在三维空间运动，要建立三维直角坐标系描述它的位置。有些学生画坐标轴经常缺少方向，同一个数轴中单位长度不一样或不用直尺使作图不规范，学习态度不够严谨。为此，笔者经常让学生多做板书，师生共同评价，找出优缺点；或分组后，让学生组内互评，指导学生自身的学习。从而让学生亲身体验数学工具在物理中的应用，培养学生的合作精神和严谨的科学态度。

五、用数学方法定义物理量

物理量分为基本量和导出量两种，都可以用数学方法来定义。

比值定义法，用两个物理量的“比”值定义一个新物理量的方法。一种是用比值法描述物体运动状态特征的物理量，比如运动速度v表示运动快慢的物理量，在数值上等于位移与发生这段位移所用时间的比值。功率，表示做功快慢的物理量，在数值上等于完成这些功所用时间的比值。另一种是用比值法定义由本身决定物质或物体属性的物理量，它的基本特点是被定义的物理量往往是反映物质或物体的最本质的属性，它不随定义的物理量的大小而变化，如电场强度e、电阻R等。在教学中，一方面笔者要求学生从物理量的成立条件和物理意义本身理解这些概念，而不要死记公式，或只是简单地进行数学推导；另一方面让学生理解比值定义法的特点。这样学生就不会出现功率与功的大小成正比、与时间成反比，导体的电阻与电压成正比、与电流成反比等类似的错误。

另外，还有和差定义法、乘积定义法等。和差定义法就是用物理量的和差来定义一个新的物理量的方法。如动能的增量，动量的增量等。乘积定义法就是用两个或两个以上基本物理量的乘积来定义一个新的物理量的方法，如动能等。

运动生物力学的定义篇2

物体在受到外力（去掉外力性质的重力―引力及合外力不为零的情况下）的时候其内部到底发生了什么情况？这才是区别物体是否是广义惯性运动状态的根本标准。这涉及到牛顿力学物体概念内涵的改变。如果把熵状态（熵空间）作为力学思维的出发点，许多纠缠不清的问题都好解决。

前言

――把简单的事情搞复杂了，太累；把复杂的事情搞简单了，贡献。――摘自某电视广告词。

无论是维护还是反对广义相对论的人，其实都面对的是一团“乱麻”，说它对，也说不清对在哪，说它错，也说不清错在哪，那是因为没有一个“对的理论参考系”。我的惯性力学三定律，也许提供了此“参考系”。相对论的产生，就是把空间问题（也是场的问题）引进到物理学里来，无论如何，这是一个进步。但是，仅把“运动”当作出发点，来定义空间，总觉得有点犯了循环逻辑错误的嫌疑，因为运动（速度）本身就是由时间与空间（距离）来定义的。用时间与空间来定义时间与空间，就好象是自己拽自己的头发把自己拽起来一样，不解决问题。因为“运动”仅是物体对它物的位置关系，而位置关系仅是物体属性对外关系体现的一方面，不是全部。反过来，又仅以运动与空间角度来认识“属性”，就犯片面性的错误了。广义相对论还是正在“探索”过程中的不成熟的不能算作真正理论的理论。

我在我以前的文章里说过，物体的广义惯性的对它物关系的体现有两种，一个是力（作用关系），一个是运动（位置关系）。而许多人总是在运动（机械运动）上来思考什么惯性啊、引力啊、什么等效原理啊、什么参考系等等，这是片面的，是许多问题纠缠不清的根源之所在。又把“运动”关系当作出发点来思考，或仅以“运动”角度以为就可以解决什么属性问题，就是本末倒置了。通常说“标”与“本”的关系，在力学里，仅从“运动”角度来解决力学问题，就是“治标”，不是治本。广义相对论就是如此错误之大成者。永远要值得注意的是，关系是某物属性的体现，不是属性本身。抛开了某物及某物的属性，而要解决属性问题，是解决不了的。广义相对论就是抛开了物体这一最基本的前提，仅用什么度规什么坐标系（参考系）的变换来解决惯性及“引力”等问题，引得许多人到如今还在争论不休，就是此原因。我们还是回到“物体”本身上来，回到体现其属性的另一个关系――力作用关系上来。就容易解决许多纠缠不清的问题。在我这里，同样的物理常识，就有了不同的思维方式。我在此是在重新调整力学的思维方式。

一、受力的物体内部到底发生了什么情况？

有人说受力（接触力，像磁性力另说，而外力性质的重力与虚构性质的惯性力是在此我要重新认识的“作用”。）物体发生了形变，但这是外在的问题，此外在的形变也有因为物体内部的情况的变化引起的因素。受合外力为零（接触力）的物体也形变。我们要看看在受到合外力为零与不为零情况下的物体的内部到底发生了什么情况。我现在举几个现象方面的例子：先用水性质的物体来说明一下。

1.有“重”的情况：

（1）在地面上的装满水的容器，当该容器在水平方向上，受外力的作用（也有加速度），此容器中的水里就压强梯度情况发生。

（2）在离心机中的装满水的试管，在离心机转动的情况下，其水里也有压强梯度情况发生。

（3）静止在地面上的装满水的容器，在垂直发生方向上，其水里也有同样的压强梯度情况的发生。此容器的外力就是地面对其支撑的力。

2.“失重”的情况：

(1) 在地面上以静止或匀速直线运动的装满水的容器，水平方向上，水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。

(2)处在自由落体运动状态下的装满水的容器，其水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。

（3）在公转的太空实验室里装满水的容器，其水里没有压强梯度情况的发生。此情况没有外力作用之。

(4)在车厢里的地板上，有此装满水的容器，假设此容器与其地板之间没有摩擦力，当此车厢突然在水平方向上加速时，在车厢里的人看来，此容器有加速运动（在地面上的人看来，此容器还是静止的），但其容器里的水在水平方向上没有压强梯度情况的发生。此容器没有外力作用之。

说明：

（1）在原来的力学里，有“重”的情况的（1）与（2）的压强梯度被解释为虚构的惯性力（也被称为没有来源的力）造成的。其（3）的压强梯度被解释为“引力”（也是虚构的力）造成的。在我这里，其压强梯度不被解释，是认识的出发点（公理化。如果除了虚构的惯性力与引力的原因的解释，而有其他的原因的解释，我的此出发点不成立。）。是表示其物体有外力作用之，也是表示对此外力有反作用力，其反作用力就是其物体的广义惯性力。反过来，其物体有外力作用之，必有物体内部的此“压强梯度”情况的发生。其外力或其广义惯性力与此“压强梯度”在量上有正比关系。“失重”的情况也“统一”理解为没有外力作用之。

（2）气体也有此“压强梯度”情况的发生；固体的此“压强”表现为“胁强”。

（3）离心机里的此“压强梯度”的二阶导不为零。

（4）把此“压强梯度”的“唯象”性，变为抽象的ρ梯度（就是我的惯性力学三定律里的p内），是新的物理量，物理单位名称为“坦”。

（5）于是，原来牛顿力学的“刚性”的与“没有内部结构”的物体概念就变为有不是“绝对刚性”与有“内部结构”内涵的物体概念。

（6）当一辆汽车突然撞在“刚性”障碍物上时，此汽车就撞坏了，是由于其负加速度突然非常变大，依我的广义惯性运动定律，其汽车的p内也突然变大，也就是其质量部分的胁强变化突然变大，就造成了车体的破坏。其前面（被撞的部位）之所以被破坏得厉害，是因为汽车不是绝对刚性的物体（有一定的弹性）。

（7）在实践上，人们在说战斗机里发生的“失重”与“超重”时，已经没有了所谓的“引力与惯性离心力”原因的区别，已经都统一为“重力”的说法了。所以，我的“理论”容易被一般人理解，不是“超玄”的。完全可以直接代换中学力学里的“牛顿相应的定律”。在中学力学教材里独立的“失重与超重”问题，就不必讲了，此内容已经包含在惯性力学三定律里了。

（8）在爱因斯坦的“等效原理”里说什么“在惯性系（所谓的自由空间等）里与在引力场里的局部惯性系（某加速值的）里的所有的物理规律是相同的或所有的实验结果是相同的等同类不同方式的说法，比形而上学还形而上学。实际上只有一个“现象”是相同的，就是此“压强梯度”现象。如此的比形而上学还形而上学的“等效原理”，带来的直接错误后果就是把“光束与升降机的运动速度合成思维实验”带到了“动力学”里，也随带着把狭义相对论的理论带到了“动力学”里，于是，就繁衍出了什么“一级近似、强引力场、光线引力弯曲、引力透镜、黑洞”等劳什子。而爱因斯坦实际上是用“广义惯性”（用度规）在重力场里的“广义惯性运动”（测地线）

来定义引力场（弯曲时空），本来是“同一关系”，其定义结果――弯曲时空的前提（广义惯性）已经解释了“引力”，结果被人（爱因斯坦本人在此也糊涂）错误地理解为几何性质造成了引力的因果关系。如果还有人以为我的惯性力学三定律是什么广义相对论的什么级近似情况的定律，那实在是为广义相对论的继续存在找借口。不能为了“光”一定存在在力学里，把我们的认识搞混（昏或浑）了。我的惯性力学三定律是已经吸取了广义相对论的合理内核的结果。

(9)参考系是“观察”及“失重与有重”是体验，但这都是感性表达，而理论必须是客观性与理性的表达，于是，用此“压强梯度”现象与“ρ梯度”来说明与表达，这就是客观性与理性。（牛顿第一定律的物体的状态也是表示物体的失重状态）

二、空间问题

1.物体的内部空间问题

物理意义的空间与物体的内部空间的涵义是什么？这是困扰爱因斯坦一生的问题，（见爱因斯坦晚年对他的早年著作《狭义与广义相对论浅说》第十五版的附录）当物体有体积的时候，就应该说有内部空间。但是，爱因斯坦就在此问题上拿不定主意。比如一只两头没有盖（有盖也可以）的大油桶，你说此大油桶占据了什么空间，是圆柱体积？我想通了，是油桶的质量部分占据的空间才是物理意义上的物体内部空间。爱因斯坦的“物体具有空间的广延性”，应该就是此涵义。p内就是指此空间结构。

爱因斯坦之所以没有总结出此惯性力学三定律，其原因是把注意力用在了参考系的变换，而忽略了物体的内部空间性，而他到了晚年认识到“物体（不是物质）具有空间的广延性”时（见《狭义与广义相对论浅说》第十五版的附录说明），就已经说明了他开始注意到了物体的内部空间（物体质量部分所占据的空间）性问题，但他已经来不及总结出此惯性力学三定律了。

2.物体的外部空间的问题

地球有重力场，地球也是物体，地球的内部空间也可以定义为物质质量部分占据的空间。地球的此空间，也有此质量部分的“压强梯度”现象（中聚度，如在地球的大气层与海洋中也有此压强梯度。），也可以说p内，但是，具有物理性质的重力场（空间）可以延伸至月球轨道之外，而与质量无关。为了解决此问题，只得承认有一个独特的有物理意义的空间――重力场。而此空间的物理量p外与p内的物理单位相同。p内与p外对距离的积分，还可以理解为有的书中所说的“内势与外势”问题。于是，就一定应该有具有重力场的物体与不具有重力场物体之分情况。只有此种区分，许多问题都顺理成章。进而，重力场必须是有范围的。否则，许多悖论都出现了，许多“应该”发生的“异常现象”没有发生就无法解释。比如：“九星连珠”现象的发生，按理（万有引力）应该有异常现象发生，结果，什么异常现象都没有发生。而按我的结论，就可以很好地说明为什么没有异常现象发生。所以，我说的“只有整体天体才具有重力场，而重力场是有范围的”，是合乎情理的。

3.引力场概念必须抛掉

只要承认在任何物体之间有所谓的引力，引力场概念就没有存在的意义。只要承认任何物体之间有引力作用，广义相对论也不成立，我的惯性力学三定律也不成立。有“引力”的作用，就没有“场”的“作用”（属性问题），这是不相容的。然而，奇怪的是，多年来学术界竟可以同时运用之。爱因斯坦把把统一场论问题留给了后人，而后人又把此问题转化为四种相互作用力的怎样统一的问题。而通常的解决此不相容的办法是假设什么微粒子的传递，复杂了，麻烦了。靠假设的“东西”（不是某客观东西的抽象）建立的理论，不是理论。

4. 熵空间

有重力场的空间与无重力场的空间是我的理论的前提，是思维的出发点。但是，最好是用“负熵空间与熵空间”（不是狭义的熵）来理解此出发点。因为此空间具有物理意义。有了我的惯性力学三定律，有了熵空间与负熵空间，与其分别对应的原来的绝对空间、欧氏空间、平直时空与惯性系及原来的弯曲时空、非惯性系与引力场这些概念也就没有存在的必要了。

离心分离机之所以有"分?quot;效应，也说明其试管在旋转的情况下，试管内部空间是负熵空间。而放在地球重力场内的静止的"试管"中也有此"分离"效应。

重力场可类比静电场，但又不是静电场。但有人把重力场（引力场）当作“电磁场”来看待，又弄出个什么“引力波”来，是没有客观事实根据的。

5.有关的若干问题

（1）什么绝对运动、相对运动、加速系、绝对时间、相对时间、平直时空、弯曲时空等等，统统撵回到纯运动学那里去；坐标系是描述用的；参考系是操作性问题，不是力学思考的前提问题。把参考系与坐标系也“撵”回到纯运动学那里去。物理就是研究物质的道理，抽象的空间、时间与运动的“本身”没有物理。去掉物体的抽象运动，是形式的问题。不能说空间有物理的属性，弯曲时空有“引力属性”是错误的。弯曲时空是不能证明存在与否的，因为是形式，是抽象的。物质的物理与其形式（空间时间与运动）是同一性关系（内容与形式的关系），不是因果关系。

在操作上，有重力场的空间有确定的参照物，而没有重力场的空间就是熵空间。通过我的广义惯性运动定律的加速度a可以转换出其他的运动形式，如a=v2/r等，然后再运用什么坐标系与参考系来描述。绝对参考系问题是具体问题具体分析的问题。如有绝对方向参考系，飞机上的“陀螺仪”就是例子。

（2）牛顿的惯性定律实际上包含两个涵义：物体在惯性运动状态时有“被动性”（无外力情况下），而在非惯性运动状态时（有外力的情况下）又有了要改变非惯性运动状态的主动性（能动性）。这才叫对立统一。然而人们只注意了“被动性”方面。

（3）自由落体运动（包括抛体运动），都是广义惯性运动。

（4）把物体的惯性问题与坐标系什么参考系结合起来，叫什么惯性系，这是把“关系”直接赋予了属性的逻辑错误。要把运动状态本身与为了描述运动状态的参考系问题分离开来。

（5）静止在空间中的卫星才可以用“引力定律”计算其“力”，但此力不是“引力”，是其卫星的广义惯性力，此广义惯性力的反作用力的外力应该是某一个阻止卫星下落的另一个实在“力”。宇宙中的天体运动都是广义惯性运动。而与其广义惯性力抗衡的外力，除了碰撞和爆炸等外力外，几乎没有恒定的其它外力与之进行“强”相互作用。所以，计算正在公转运动的行星“引力”是错误的。

（6）当我说“战斗机飞行员已经体验了等效原理的所有内涵”时，有人也许会问：战斗机是在地球的重力场内飞行的，重力场是大范围的ρ非均匀空间，而大范围的ρ均匀空间的等效原理的情况没有算在内，怎么能说战斗机飞行员已经体验了等效原理的所有内涵？回答是：因为地面的水平方向的空间也是ρ均匀空间，重力等势面是二维ρ均匀空间。

（7）像这样的提法：“一个观察者，当他的加速度计读数为零时，他不能辨别他是否在外层空间相对于恒星匀速运动，还是在地球重力场中自由降落因而相对于恒星作加速运动。”这是马赫哲学的提法。把恒星当作了“绝对参考系”。这是抽象的理论与具体问题分不开的错误，容易造成思维的混乱。

（8）之所以我说可能仅在恒星、大行星及部分的整体性的卫星周围存在重力场。也是考虑了重力场内的天体的广义惯性运动一般都是圆锥曲线运动，而拿不准星团、星系内的天体的运动是否是属于这样的运动，从而也拿不准其是否也具有重力场。但从星系内的星体的运动速度角度来看，不符合“引力”定律。因此，我倾向于星团和星系空间不是“重力场空间”的认识。它们仅是类似“流体力学旋涡效应”。接着，就不得不说星系内的真空空间不是“真空”。无论怎样的“真空”，在星系这样大空间范围内，仍然有“流体效应”。

所以，以“引力”为原因来描述天体起源过程，真是牵强附会的提法，而原始星云各粒子"小质量"之间不会达到足以吸引其它粒子的“能力”。在此方面问题上，笛卡儿的“旋涡理论”也许还有它的存在价值。

（9）当我们说产生重力场是整体天体的功能时，可用导电（直流电）螺线管产生磁场的类比来理解其不依赖中心“质量”的机制。而仅对于重力场本身，我们只要能够测量与描述它就够了。目前热核聚变控制问题是靠外因的控制方式，从整体科学的角度，最好是用系统自我控制方式才能解决。太阳就是自我控制方式的热核聚变，重力场的产生机制问题的解决，就与此相关。

（10）天狼星的视曲线的运动被解释为有密度非常大的伴星（白矮星）存在。掉过来的看法，则是其伴星也许仅是一般类似地球密度的行星，因其公转运动与天狼星无“力”的关系，其视曲线运动需另外解释。

（11）没有发现距离很近，且体积与质量都相等的两个星体互相公转的现象存在。天文观测发现某恒星亮度周期变化，说明有不发光的星体公转，可以类似日食现象。但不能说明是同样的星体。在宇宙中发现的两棵很近的恒星，实际距离很大，并不互为公转。所以，只有一种质量很大的中心星体，而绕其公转的星体体积相对来说又很小的现象存在。这说明如果水星体积与太阳体积同样大，那么会造成内部压强梯度不均匀分布的情况出现，于是，不是被这压强不均匀性所撕裂，也会落到太阳上去。客观上，天体在起源与演化过程中，自然就避免了这种情况的发生。如果水星的体积与太阳体积一样大，则会碎裂，因为会造成其内部的ρ梯度值方向的不平行情况。所以,要保证在重力场内的天体公转的广义惯性运动状态，还有其自身线度及与中心整体天体距离的限制（因为重力场的ρ梯度分布是不均匀的）。星体产生重力场也有尺度的限制，超过了，就爆炸。小了，就不能形成。行星是重力场产生后，有火山不断爆发的阶段及吸收大量星体撞击阶段。

（12）当有人说“苹果自由下落运动是惯性运动”时，有人就反驳道：“重力是万有引力，惯性是运动状态。”这是目前普遍典型的错误认识。“重力是万有引力”的错误自不必说。而“惯性是运动状态”错误认识的实质是把“关系当作了属性”，同时，又是抛开了惯性的另一个在“关系”方面的体现――“力”。

（13）在我的理论里，只有“卡文迪斯实验”与之不相容（实际上与广义相对论也不相容），除了此实验，一切都顺理成章。在此，我完全有理由声明：“卡文迪斯实验”是个伪事实。是一个人云亦云，以讹传讹的伪事实。也许是卡文迪斯本人的测量误差造成的，也可能是卡文迪斯有意的在欺骗公众。这也许是科学历史上最大的“欺骗事件”。如果此实验出现在牛顿发现“万有引力”之前，还有余地承认它。可是，此实验是发生在万有引力被发现之后，是“马后炮”，是“事后诸葛亮”，就有理由否定它了。

（14）有人说：1.新理论必须比现有的理论能解释更多的观察事实；2.新理论必须能够推出现有理论全部成功的结论；3.新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本。又有人说，一个好的理论，至少满足三个条件：1.与实验事实符合；2.能解释现有现象；3.能预测新的现象。

我的惯性力学三定律满足了“新理论必须能够推出现有理论全部成功的结论”条件，因为，该三个定律能推导出牛顿第二三定律、自由落体定律、牛顿引力定律、浮力定律与包含了爱因斯坦的“等效原理”。我的惯性力学三定律本身就满足了“新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本”的条件。我的此三定律与重力场仅产生于整体天体的结论，已经解释了大量的现有现象（也算被我的理论排除的原来理论解释的现象）。我的新理论仅与“卡文迪斯实验”不符合（是伪事实），其它都符合。实际上，“能够预测新的现象”条件是非常重要的条件，也就是说有指导“实践”的意义。我的理论能预测人类能够制造“重力场”，接着，就能够解决“热核控制”等实际问题。

广义相对论似乎也满足该条件，但是，其一，把牛顿力学借口为“近似”，就原封不动地退回到中学教科书中去，没有满足“新理论建立的基础必须比现有的理论的基础更深刻、更基本”的条件；其二，没有“比现有的理论能解释更多的观察事实”；其三，仅预测了太阳的星光偏转现象，而此现象可有另外的解释。其它的预测，如引力波、黑洞等，到目前还没有证实；其四，到目前还没有表现出具有指导实践意义的事例。可以说，广义相对论仅有一句话有意义，就是“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重性’”这句话。也就是这一句话，才有“一字千金”的份量，在科学的历史上有“永垂不朽”的价值，从而，把人类对大自然的认识向前推进了一大步。

广义相对论也许还有一个价值，让许许多多的物理人跟着学了一遍连“数学系”都当作“选修科目”的黎曼几何，不白学，也许还有“书到用时方狠少”的意义。如果黎曼在天有灵，应该对爱因斯坦感激涕零。

2001年8月9日完稿

参考文献

[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。

[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。

[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。

［4］马英卓：等效原理的对与错，《当代物理世界―物理论文集》网站。

［5］马英卓：万有引力真的失灵了吗？《当代物理世界―物理论文集》网站。

[6]马英卓：用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界―物理论文集》网站。

运动生物力学的定义篇3

关键词：事物；指导；物理学

辩证唯物主义哲学是自然知识和社会知识的科学概括。物理学是研究自然界的物质相互作用和运动规律的自然科学。物理学的发展需要哲学作为指导，物理学的发展成果充分证明了辩证唯物主义哲学的正确性、科学性。教师在物理教学中运用辩证唯物主义的观点和方法，有利于学生认识物理现象所蕴含的规律，有利于学生认识各个知识点间的内在联系。

一、世界是物质的，物质是运动的，物质的运动形式是多种多样的，这对我们学习和研究物理中的运动有指导作用

物理学中谈及物质的运动更多的是物体的机械运动，物理学研究的对象大到宇宙天体，小到分子、原子、夸克等基本粒子以及普遍存在宇宙中的特殊物质―场。物质都是在不停的变化与运动之中，体现了物质运动的普遍性与永恒性。在教学中学习参照物、机械运动，运用辩证唯物主义观点认识运动的相对性，从而加深理解物质是运动的，运动是物质存在的形式的观点。教学中引导学生观察宏观运动、扩散运动、布朗运动等现象，指导学生了解热运动、天然放射现象、人工原子核反应等现象，同时对这些现象进行分析思考，抽象概括其中所蕴含的客观规律，促使学生建立物质运动论的观点，使学生深刻体会到物质的运动是有规律的，规律是可以认识的，这些规律是人类从事长期的实践活动中总结概括出来的，并将这些规律指导生产实践活动。

二、哲学中的量变与质变对立统一关系在学习物理中的指导作用

宇宙间的万事万物，总是在不断地发展变化之中。事物的发展首先表现为量变，当量变达到一定程度就会引起质的飞跃，此后又会进行新的量变。探究光从光密介质斜射入光疏介质中的折射规律，当入射角增大到一定角度时（即临界角），折射光线消失，只有反射光线，物理学中把这种现象叫全反射现象。这一现象中折射光线的强度随着入射角的增大逐渐减弱，反射光线强度逐渐加强，这是量的积累，当入射角等于临界角，折射角大于90度，折射光线消失，只有反射光线，这就是质变。实践教学中，教师可以运用量变与质变对立统一的观点引导学生观察和理解全反射现象。量变引起质变的现象，中学物理学中还有：击穿电压、液体的沸点、晶体的熔点、压迫限度、弹性限度等现象。教师在实践教学中指导学生运用哲学中的这一规律观察、分析这些现象，并归纳概括其中蕴含的规律并理解、运用于实践。量变与质变对立统一规律培养学生在人生道路上，刻苦积累、持之以恒，方可勇攀高峰。

三、事物变化发展的内因与外因辩证关系在物理教学中的指导作用

辩证唯物主义指出：事物在发展变化的过程中，外因是事物发展变化的条件，内因是事物发展变化的根据，外因通过内因起作用。教学中探究导体中形成电流的条件，教师可以引导学生从内因和外因的辩证关系理解电流形成的条件。外部原因―电势差，导体两端有电势差是引起导体内自由电荷定向移动的“动力”。但物体两端有电势差，物体中不一定就有了电流，只有外因而没有内因（物体内的大量能自由移动的电荷）是不能够形成电流的。电势差只能通过物体内的大量的自由电荷起作用，从而形成电流。物体内有了大量的自由移动的电荷，具备了形成电流的内因，加之外部的条件―导体两端的电势差，就形成了电流。由此，教师引导学生从事物发展变化的内外因的辩证关系理解这样物理量及规律，可以做到事半功倍，提高学生学习效率。

四、事物处于不断发展变化之中，事物发展过程中遵从否定之否定规律，此规律对物理学研究和发展有其指导意义

人们最初对光的本性的认识微粒说，后来人们对光的干涉、衍射现象的发现，用微粒说无法解释，从而否定了微粒说，确立光的波动说，后来人们发现光电效应，光的波动说又陷入了困境，提出光的量子说，这是对最初的认识的否定之否定，但并没回到最初认识的基础上，而是有了认识质的飞跃，对光的本性的进一步研究，发现了光的波粒二象性。随着科学技术的发展，对光的本性的认识不断深入，光的波粒二象性也仅是现阶段的相对真理。教师在教学中引导学生从哲学的否定之否定规律角度对光的本质等物理问题的探究，这样有利于学生不断解放思想，敢于创新。

运动生物力学的定义篇4

1、直接作用与超距作用的双重涵义（误区1）

人类是从对改造自然界的过程中来认识自然界的，是人类的感觉器官的感觉直接获得外界的“信息”而有“感性”认识的。从原来物理学科的分类角度，就充分地说明了这一点，说物理学是关于“力”、“热”、“声”、“光”、“电”、“磁”的学问，除了电与磁的因素，其力、热、声、光四大因素，恰恰是与人的触觉、听觉、视觉相对应的。而力概念最初是人类的肢体对外在物体的“直接作用”（推、拉、拽、抛等作用）的过程中建立起来的。当把具有感觉性质的“力”外化为客观（理性）的概念性质后，力概念最初的涵义是“物体对物体的‘直接’作用”。但是，在今天的教科书里，说“力”概念时，已经把“直接”作用性取消了，变成了“力是物体对物体的作用”的定义了。也就是说，还有“超距”作用情况也包含在内了。其概念的内涵被无意地扩大了。然而，今天的绝大多数的人在运用“力”概念时，都还有回归到“直接作用”性上的理解才感到“塌实”的心理趋向。所以，就引起了一个要把一切“超距作用”回归到“直接作用”性（接触力，也是作用方式力）上的研究意向。此意向的研究“假说”在过去与今天，随处可见。比如，到今天，还有人在假设什么“微粒子”（有各种各样的名称）或什么连续媒质（什么以太等不同的名称）变为“直接作用性”来解释“引力”的“超距作用”，在“场”的概念出现后，也出现了把引力场变为弥漫在场空间里无数的无形的飞来飞去“微粒子”或是无形的连续媒质对物体的直接作用的解释。此类的解释性的“假说”的实质就是此“意向”的产物。这是一个无形的“陷阱”，是一个误区。是在无形地无情地消耗浪费无数人的才华和精力。

实际上，所谓的“超距作用”力概括来说（仅指宏观现象范围），就是引力、电场力、磁场力这三类力（非接触力）。我对“引力”与“引力场”已经在我的惯性力学三定律里已经取消了超距作用性的解释。有了实实在在的解释。而对电场力与磁场力，可以借鉴我对引力（或引力场）的解释（属性力的解释）。在具体一起运用惯性力学三定律与电场、磁场有关的数学公式时，是把它们的强度加在一起来计算合理还是分别转化作为“外力”角度来计算合理，我在此方面没有深入地研究。这是惯性力学的基本命题与电磁性力学的基本命题合理衔接的问题。

本节结论：

所以，如果避免理论思维的混乱，就应该把“力是物体对物体的‘直接’作用”涵义当作力概念的唯一的定义。

2、力是作用与力是物体加速运动的原因的双重涵义（误区2）

实际上，牛顿力学力概念有“力是物体对物体的直接作用”与“力是物体加速运动的原因”这双重涵义。我在我以前的名为《惯性力学与整体科学体系》的文章里，我提到过“力概念”的双重涵义所造成的理论思维的混乱，但没有详细地论述，在此我进一步地说明一下。

此双重涵义，实质上是作用与作用的原因的区别。古代人认为力是使物体运动的原因。而后来伽里略又准确地把力定义为时，实质是在客观（理性）的角度来定义的。

当初牛顿为什么会认为“自由落体运动（加速运动）与行星公转的向心加速度”有“力”正在作用之呢？把此种“力”称为“引力”。当然是由于“力是使物体加速运动的原因”的观念了。

问题的关键：是不是所有物体（仅指宏观物体）的加速运动的原因都归于“力”（外在的作用）。力是使物体加速运动的原因是一码事；物体加速运动的原因是否都是由于力的原因，是另一码事。然而，如今的人们把此两码事当作是一码事的观念是根深蒂固的。引力错误概念的根源就在于此。

当我提出了惯性力学三定律后，“力是物体加速运动的原因”的结论是有条件的结论了，也就是说：只有在牛顿绝对空间里，此结论才成立。也可以说：在重力场里，“力是物体静止或匀速直线运动的原因”了。而自由落体的加速运动的原因是由于物体的“广义惯性”及重力场的属性，不是由于“力”。牛顿之所以用虚构的“引力”来解释，是因为当时还没有重力“场”的概念。反过来，在牛顿绝对空间里，物体的惯性运动状态是静止或直线运动状态；在重力场里，物体惯性运动状态是除了静止或平动运动状态以外的其它某些运动状态。

牛顿第一二定律是仅适用于牛顿绝对空间的定律；伽里略自由落体定律与阿基米德浮力定律是仅适用于局部重力场空间的定律；牛顿的“引力”定律是适用于大范围整体重力场空间的定律；牛顿第一二定律、伽里略自由落体定律与阿基米德浮力定律、牛顿的“引力”定律是在我的惯性力学三定律的分别特殊条件下成立的定律，是其推论。牛顿“引力”定律的合理实质是重力场强度的平方反比率。3、关于惯性质量与引力质量（误区3）

在引力神话没有“破灭”之前，才会有人把所谓的惯性质量与引力质量相等当作了“等效原理”（所谓的弱等效原理）本身。实质还是认为有“引力”而产生的结论。当我总结出了惯性力学三定律后，就没有了什么惯性质量与引力质量之分了。我打一个比方：一个演员在某一个剧场演一个“坏人”，又在另一个剧场演一个“好人”，我们能说一个坏人与一个好人相等吗。而是说“一个”人由于其演员的“性质”在不同的场合可以表现坏人在另一个场合又可以表现一个好人。也就是说，应该这样认为：一个物体的同一质量由于其同一广义惯性在绝对空间里表现为“惯性质量”（牛顿惯性），在重力场空间里表现为“重性质量”。实际上，以后没有必要再分为两种“质量”了，都统一为“广义惯性”质量了。而“广义惯性力”的定义是：“物体对其合外力（合外力不为零）的反作用力。”（见我的惯性力学三定律中的“广义惯性力定律”。）在此定义中已经取消了“引力与外力性质的牛顿惯性力”了。如果承认“引力与外力性质的牛顿惯性力”存在，此定义就不成立。4、主动作用与被动作用（误区4）

物体的广义惯性对立统一性，在我的前面的文章里提到过，但我没有强调，在此我特别强调一下。

1、力作用的主动性与被动性是相对的。当我们用手“推”一个物体时（合外力不为零时），我们会说此物体有被动性（惯性），但是，这是针对物体而言的。当我们针对我们的“手”而言，为什么不可以说物体主动作用（由于惯性属性）于我们的手呢。

2、物体处在广义惯性运动状态时（失重状态时），有被动性；物体处在非广义惯性运动状态时（有重状态时），有能动性（主动性。去掉了“引力”的理解。）。举一例：以地球重力场的角度，当我们手拿着一个铅球时，此铅球（物体）就有能动性，它有挣脱你的手（外力）而要下落的趋向。当你松开你的手时，此铅球就开始了自由落体运动。此铅球在没有到达地面之前，是处在广义惯性运动状态，是没有外力作用之（或合外力为零），又具有了被动性。

目前教科书上解此类习题，是把手拿着铅球时，当作合外力（把重力也当作了外力）为零；而此铅球正在做自由落体运动时，当作合外力不为零。实质上，恰恰相反（可用我的惯性力学三定律来解）。

5、属性的原因变为外力原因（误区5）那么为什么静止在地面上的物体或我们每个人在拿一个物体时，还认为是有外力在作用此“重物”呢？这可是牛顿以后的人们的认识了，因为，先有了“引力”的解释。实际上，如果一个人没有学过牛顿力学，他就会像牛顿以前的人们一样，认为是由于物体有“重”的性质，才有“重”的感觉。此时的“重力”是物体作用在“手”上的。当牛顿“发现”了“引力”后，“重力”才转化为“外力”的认识。于是，成了外力性质的“重力”作用在物体上，然后，又通过物体再作用在手上的认识。如此的认识的“转化”，就成了一个“思维”定势（固定的观念）。由于教育的普及，今天的人在他降生在这个世界上几年后，就会知道他手里拿的“物体”有“重”的感觉或松开手后其物体就会自由下落的现象是由于“地心引力”的原因。（实际上，当物体在重力场里，自由落体运动是广义惯性运动状态；而静止在地面上时的运动状态是非广义惯性运动状态。但是，在经典力学里，是没有此区分的，认为都是有“引力”正在作用之。是糊涂认识。）实际上，人们在手拿着“重物”时，是这样理解的：就像有一个“橡皮筋”正在“拽”着此“重物”（无论是拿着还是松开手此物自由落下）。如此的思维定势，已经深深地固定在牛顿以后至今的人们的头脑中了。当我说到此时，我也深深地感到不安，人们是不会容易改变此思维定势的。真是“撼山易，憾传统观念难”。（如果我用我的惯性力学三定律教没有学过牛顿力学的中学生，可以说，仅用一个星期时间就可以教会，为什么？因为他们还没有牛顿力学的思维定势。）就是爱因斯坦，也没有“敢”改变它，也只不过“喃喃地”说了句“物体的同一性质按照不同的处境或表现为‘惯性’，或表现为‘重性’。”此后，爱因斯坦就转入了“弯曲空间”方面去了，特别是“光”的方面去了。实际上，当我明确地提出了惯性力学三定律后，此爱因斯坦的话应该是这样说：“物体的同一性质（广义惯性）按照不同的处境（绝对空间或重力场空间）或表现为‘惯性’（牛顿惯性），或表现为‘重性’。”

但是，之所以说爱因斯坦是伟大的“天才”，就是因为在“司空见惯”的现象中看到了不寻常的地方——爱因斯坦在1907年在伯尔尼专利局工作时，就注意到了一个现象：一个人在自由下落时，感觉不到自己的重量（失重。这是伟大的科学发现，虽然所有的人都知道这一点。所谓的科学发现不在于谁知道，而是在于谁认识到某现象在科学上的价值和意义。），这是爱因斯坦建立广义相对论最初的动因。而牛顿第二定律中的“加速度”的物体是“有重”（惯性力）的。出矛盾了！于是，我们的科学界也会“变戏法”，干脆把牛顿第二定律的含义再改变一下吧——在“绝对空间里”，如果出现了物体对外力的反作用力，那么干脆就把“惯性力”也变为“外力性质”的“力”吧。就像把“重力”变为外力性质的“引力”一样。“一波未平，一波又起”，此外力性质的“惯性力”又成了“没有来源的力”了。因为“引力是有来源的力（地心质量来源）”。紧接着，在“绝对空间”里的加速系里的“自由加速运动的物体”也被认为是有一个“惯性力”在作用之，但是，此没有来源的力，不好说，只得说什么“虚构力”了（实质是在“重复”运用牛顿第二定律。）。于是，此外力性质的“惯性力”的来源问题（连中学生也会常常提出此让老师难堪的问题）就成为一个永远也解不开的谜。{又引得许多人来假设什么存在真空中有一种“连续媒质”作为阻力来解释（代替）其外在性质的惯性力。在科学领域，由错误的前提产生的“迷”太多了，浪费了多少的仁人志士的精力！比如什么“双生子佯谬”、黑洞等等。}如果读者对我提出的“惯性力学三定律”有了一定的了解（我并不奢望理解），应该觉得此“迷”有了答案。在我这里，牛顿惯性力与重力都不是外力性质的“力”了，而是物体本身由于其“广义惯性”的原因，是物体本身作用与合外力的“力”了。

当初牛顿提到“引力”的解释的时候，已经意味着一个结论：所有的“物体”（质量）之间都有引力。这实在是一个似是而非的结论。当初牛顿说自己在此方面的成就仅是发现了“自由落体现象与行星公转现象”是属于同一个性质（严格说来，此发现的证实，在“航天器进入太阳系空间里时”才算真正地实现了。）这是一码事；而此同一个性质到底是什么？又是一码事，也就是说，把此同一个性质归于“引力”是另一码事，这是我们认识的分水岭。也就是说，此同一个性质还可能有另外的解释的“余地"。此另外解释的“余地”，就是爱因斯坦的重新回到“重性”的解释。当爱因斯坦发现了物体的“重性”与牛顿惯性是同一属性的时候，已经意味着牛顿力学的基础被动摇了，牛顿力学面临着“重组”（观念、核心基本概念与命题及其它们的关系的重新调整）的境域。当物体的牛顿惯性与重性统一后，要分出在什么情况下表现为牛顿惯性或表现为“重性”，就出现了新的问题——出现了牛顿力学里没有的物体的不同的外部空间的新情况。要不是爱因斯坦在空间（场概念的出现）问题上出现了长期的“困惑”，及引入了“光”因素而走了弯路，此“重组”的问题早就解决了。当我总结出了“惯性力学三定律”后，应该算是解决了“重组”的基础前提问题。现在看来，当初牛顿正是由于没有不同“空间”（场概念）的意识，而是用“虚构”的“引力”来弥补他的理论系统的“缺口”的。遗憾的是，当初牛顿自己都怀疑的“引力”解释，到如今，已经成为根深蒂固的思维定势了，上至物理学诺贝尔奖得主下到学龄前儿童，当看到“苹果落地时”都是在用一个“虚假”的原因来解释：由于地心引力。

（二）相对论的实质

二十世纪初以来的所谓的理论物理学两大“板块”——相对论与量子力学，是适应了人类向宇观与微观认识扩展的背景而产生的新的理论。量子力学是一科在思维方法与观念相对独立与独特的“纯”关于微观的学科。所以，我在此把它拿出来放在一边，不涉及它。而相对论是分为狭义相对论与广义相对论的。相对论所对应的现象范围与牛顿力学基本上是一样的。所以，相对论应该是牛顿力学（经典力学）进化与扩展方面的理论。关于相对论的看法已经在我以前的文章里零散地议论了，我在此不多说了，在此仅进行对我以前的看法进行归纳和总结一下。

1、狭义相对论的实质

狭义相对论的实质仅是以某种物理信号的传播的速度与信号源的运动速度无关的性质，{像水表面波、声波、与光（电磁波）等为载体的信号都有这种性质。}在信号接受器与信号源相对运动的情况下，其信号接受器所接收到的信号时间间隔出现了变化的结果。但是，目前人们的理解把它的涵义扩大了。以为客观的时间真的可以变化。什么人在接近光速的情况下，其寿命（客观时间）可以延长的理解是错误的。狭义相对论与牛顿力学的关系，仅是把牛顿力学的纯运动学的内容方面增加了一个新的内容，是有“测量”意义的相对独立的小理论。不能把狭义相对论当作独立于牛顿力学之外的或把牛顿力学当作是其“低速”情况下的理论。

2、广义相对论的实质

有人说广义相对论的实质是关于“空间、时间与引力”的理论，是有一定的道理的。那是因为确实把空间（场）问题作为力学里的一个新的基本概念及新的前提而提出来了。也就是说，在牛顿力学里引进了一个新的基本概念及新的前提。从而，牛顿力学的基础需要重新调整了。我认为我所总结的惯性力学三定律就是重新调整的结果。广义相对论是惯性力学三定律之前的过渡阶段的不完善的理论。在惯性力学三定律中的运动定律里，p外为零的情况下，就是意味着是物体的外部空间是牛顿的绝对空间；p外的不为零的情况下，就是意味着是物体的外部空间是重力场空间。当我总结出了惯性力学三定律后，以前由于广义相对论的过渡性质的不完善性而造成的许多理论思维的混乱及理论的混乱，就应该结束了。

3、空间前提与判断空间的区分

在惯性力学三定律里，牛顿绝对空间与重力场空间是理论的前提是一码事；而怎样了解、判断与区分它们又是一码事。广义相对论在此问题上是模糊不清的。物体的“短程线”运动，（在广义相对论里，用“光”的短程线运动来说明）就是物体的“广义惯性运动”。当物体的短程线运动是匀速直线运动时，就可以判断物体的外部空间是牛顿绝对空间；当物体的短程线运动是非匀速直线运动时，就可以判断物体的外部空间是重力场空间及了解重力场空间的结构。

广义相对论用短程线运动来定义重力场（引力场或弯曲时空），同时又用弯曲时空来解释引力，又用弯曲时空的曲率的无穷小来定义牛顿绝对空间。实质是判断性质的思维方法。把此方法又当作了理论的前提，就造成了理论思维的混乱。当然，也是爱因斯坦糊涂，是在没有认识到短程线运动本身就已经解释了引力涵义的情况下，糊涂地说什么弯曲时空“造成”了引力（逻辑循环错误）。真是一笔糊涂账。以至于他以后的科学界就有了一个定论：广义相对论是把引力归于几何性质的理论。广义相对论的又一笔糊涂账是牛顿绝对空间与“欧氏几何”及直角坐标系对应，弯曲时空与黎曼几何及曲线坐标对应。把什么参考系、真实的背景空间、坐标系、运动的空间（四维时空）、场的属性（物理意义的空间）等等胡乱地混在（排列组合）一起，造成了理论思维的极度的混乱，如此混乱的结果在今天的有关的书及论文里到处可见，实在是悲哀。

当许多的理论物理人士被广义相对论的混乱不堪的状况折磨得不成样子以后，就企图用量子力学来解决“引力”问题。但是，爱因斯坦已经在他的名为《相对论的意义》一书的最后就告诫想用量子力学解决引力问题的一些人：“……但是无人知道怎样获得这种理论的基础”。也就是说，没有引力与微观量子有关的经验事实基础，此企图是行不通的。

4、关于熵空间

牛顿绝对空间与熵空间及有重力场空间与负熵空间的区别是：负熵空间是具有复杂物理性质的空间，是我们科学要继续努力探讨的空间。熵空间在形式上（不是实质）有“各向同性”，负熵空间则没有“各向同性”。有无重力场空间仅是熵和负熵空间复杂物理性质中的一方面。一般的来说，有重力场的空间就是负熵空间，仅在恒星、行星及某些卫星周围存在。

5、关于参考系问题

参考系问题是力学的操作性问题，有一定的“人为性”。这是属于“科学共同体”约定的问题。我在此不进行抽象地长篇累牍地来说明。我仅仅举一个实际的例子。对“太空实验室”里的“失重”状态，有两种选择：一是把太空实验室里的任何物体（包括小微粒等）都看作是围绕地球公转的“物体”来对待，其参考系是地球，其背景是地球的重力场空间；二是把太空实验室里的空间及其“邻域”“当作”“绝对空间”，但是，此“绝对空间”的真实背景仍是地球的重力场空间。背景空间是“绝对的”（客观的）。不能把坐标系与背景空间混在一起。

（三）“重力场是产生出来”的事实根据

还有一个非常重要的问题。就是重力场的产生问题。此问题几乎在我的所有的文章里都提到了。我在此节补充了一个新的事实，就是我在杂志上发表的名为“引力是产生出来的”的文章里着重提到的一个被人们忽视的事实。（那篇文章之所以没有直接说“重力场是产生出来”，是因为当初我担心杂志的“编审”不能通过我的关于“引力”内容的第一次发表的文章。）

牛顿的“任何物体之间都有超距的引力”的认识有两方面的错误：一是任何物体[没有区分开有演化过程的天体物体（整体天体，见我以前的文章）与没有演化过程的物体（包括某些天体）]；二是引力（由牛顿惯性的局限性产生的）。关于“引力”本身的错误我已经讲了。

牛顿的“绝对空间”是自然而然存在的；但是，重力场如果也是“自然而然”存在的，就会出现了难解决的新矛盾。在爱因斯坦那里，重力场（他说是引力场）的产生问题是被明确“搁置”的问题（见爱因斯坦的有关原著）。物体的“广义惯性”的不同表现问题仅是物体与其外部空间的关系问题，是一个相对于“重力场产生问题”的独立的问题。同时，爱因斯坦也试图把“自然而然”存在的“牛顿绝对空间”问题转化为“不存在”的问题，也就是说，当作“弯曲空间”的曲率半径无限大的极限情况。以此可以回避重力场的“来源”问题。

我之所以说有了牛顿的“任何物体之间都有引力”结论，那么什么引力场概念或什么“等效原理”（低速的）及我的惯性力学三定律，都没有成立的必要。为什么？因为有了“引力”何必用“场”呢，（力与场的概念上的理解，我已经在我以前的文章里多次阐述过了）不是多余了吗。如果我们承认“引力场”概念，那么牛顿的“任何物体之间都有引力”结论就无形地转化为“任何物体（质量）周围都会‘自然而然’存在引力场”的结论。如此的推论，就会产生新的问题新的矛盾：用物体依其“广义惯性”在重力场里运动，那么，此物体本身的周围是否也有“引力场”？如果有，那么此物体本身的“引力场”与其不是本身的引力场有什么关系？是谁在谁的引力场里？那么物体本身的“广义惯性”有没有必要存在了？……。有人说什么：爱因斯坦说的，如果手里拿着一根铁棍，让它高速旋转，就会产生“引力波”（我也不知道此说法的出处）。如此的推论，不还是牛顿的前提吗。目前在此问题上的思维的混乱不是到处可见吗！我的结论是：牛顿的“绝对空间”是自然而然存在的；但是，重力场可不是自然而然存在的，是产生出来的。（于是，什么“引力波”存在的结论是没有根据的。既然是没有根据，为什么还要花巨资建造设备去企图发现根本就不存在的“引力波”。）那么，就必须取消“任何物体（质量）都可以‘产生’重力场”的结论。”问题的关键在于是不是所有的“物体（质量）都会‘有’重力场”。如果都会有，那还是回到牛顿的“引力”那里去吧，何必还要什么“引力场”、什么“等效原理”、什么惯性力学三定律等。如果“不”都会有，则必须有“事实根据”：哪些物体之间没有“引力”，哪些物体之间有“引力”。于是，问题就转化为“物体”上了。也就是说，客观物体必须有区别，也就是不仅仅都是有质量，就没有了区别，而是除了“质量”的共性以外，还有区别。此区别，我已经在我以前的文章里说过了。

我现在列举两个观测事实：（我担心有的人没有看到我在杂志上的文章，我就在此重复叙述一下。）

1、在“海洋中，按重力理论（注：是指牛顿引力理论）应该引起很大的负值重力异常，可是重力异常却接近于零。（注：在海洋面位置，地球的重力等势面与海洋面同一。在海洋位置的重力等势面的重力值是地球“整体”的“平均”值，也就是基准值或正常值。所谓的重力异常，就是偏离此正常值。而海洋的“质量”小于地壳固体的“质量”，按牛顿的“质量小引力也小”的理论，所以，应该引起很大的负值重力异常，但是，实际测得的结果是重力异常接近于零，说明地球的局部质量没有“引力”效应。）在山岳地区应该引起很大的正值重力异常（大于正常值），但实际所测得的结果往往小于正常值。”（摘自《物理通报丛书》，第二集，《近代物理学介绍》第236页，科学技术出版社，1959年版）（注：此在山岳地区实际测得的值也是说明地球的局部质量没有“引力”效应）

2、“发现了由喜马拉雅山的吸引力（是牛顿引力）对垂直线的影响，只占山应有的吸引力的三分之一。在南美洲及其他地区也发现了类似的现象。甚至有人测量因山的吸引力而发生的倾斜，不仅为零，有时还为负数。”（摘自李四光的著作，《天文、地质、古生物》第78页，科学出版社，1972年版。）（注：所谓的“应有的吸引力”是指在正常的山的质量按牛顿引力计算的值。此测量结果说明山的“质量”大小与“引力”无关。）对于此类测量结果，有人就提出了地壳均衡代偿假说来解释此现象。但是，李四光作为一位严谨的科学家，又指出了：“事实上，地壳各部分均衡代偿现象是极不均衡的”（该文的第80页）。也就是说，此假说也不成立。于是，只有一个解释，无论山的质量有大有小，都没有牛顿的引力效应。

总结以上的两个观测事实，地球上的局部质量没有牛顿的引力效应。而作为地球的“整体”才有“引力”效应。可想而知，卡文迪斯的实验结果应该是“虚假”的。也就是说，连山的“引力”都没有，何况是比山的质量小几个数量级的实验室里的两个小球！那么，就只有一个结论，仅是像地球一样的天体的“整体”才有重力场。可以说：我总结的惯性力学三定律是对前人成就的总结，没有给人们带来真正意义上的“新的知识”，那么，我又可以说，我的“仅是像地球一样的天体的‘整体’才有重力场”的结论，才给人们带来了真正意义上“新的知识”。惯性力学三定律与此结论在理论逻辑上有其自恰性。

关于进一步的“整体”方面的论述，我已经在我以前的文章里基本上叙述了。在此，我就不重复了。由于我在杂志上发表《惯性力学与整体科学体系》文章时受篇幅的限制，有一段关于“整体概念的哲学角度的定义”没有写上去，我在此文补充上。如下：

哲学上的整体概念

整体这一词的内涵是：整体是若干要素以一定方式联系起来的统一体。以前哲学及日常概念中的整体概念往往与“总体”混在一起，总体概念没有“若干要素与联系方式”内涵。上面“整体自然观的本体论”一节所列举的整体就是整体概念外延的自然整体部分。所谓联系方式就是结构。整体有其本身要素所不具备的性质。整体观有联系观（结构）与发展观（变化的目的性与演化性）两大组成部分。当说到“世界是具有普遍联系的整体的时候”，这也是笼统的认识。只有整体观及整体的结构观才有其清晰的认识。

从整体的组成要素角度，整体可分为基本整体与系统整体（系统整体这一词在具体运用时，可省略整体这一词）这两大类。基本整体的组成要素都是非整体；系统的组成要素含有两个以上基本整体；大系统的组成要素含有子系统。比如：地球的组成要素有地核、地幔、地壳、大气层，其中的每一个要素都不能构成独立的整体，所以，地球是基本整体；太阳系的组成要素是太阳与九大行星，其中的每一个要素都是整体，所以，太阳系是系统。又由于九大行星中有行星系这一子系统，太阳系又是大系统。在具体运用基本整体、系统与大系统这三个概念时，要限制在某一层次左右、某一种类的整体及有某种联系的角度的范畴，否则，容易造成表达涵义上的混乱。比如：当我们说地球整体的组成要素的时候，就不能说还有氧分子要素，因为氧分子属于微观层次。

从整体结构形式的角度，整体有两种基本结构，即中心式与耦合式。比如：地球、太阳系与细胞，就是中心式结构；而分子则是耦合式结构。比较高级与复杂的系统一般同时具备这两种结构。中心式系统的核心整体，在系统中往往具有决定系统整体属性的重要地位。

（四）关于“引力”研究的历史脉络

在此节我来叙述一下“关于‘引力’研究的历史脉络”内容的同时，我还要表达我对科学理论研究的一种很强烈的“情绪”：（1）任何站得住脚的科学理论或科学理论的每一个进步一定有其“确定”的经验事实为其基础；（2）任何真理，如果超过了它的“限度”，就会成为“谬误”。也就是说，某一个经验事实的范围就决定了在它基础上所建立的理论的“适用范围”，如果理论的“扩展”远远地超出了此“适用范围”，那么，其扩展的理论部分，往往是错的，是短命的理论，迟早是要被历史所淘汰的。

下面：没有删除线的内容是表示对的标示；有单删除线的内容是有对又有错的标示；有双删除线的内容是错误的标示。我继承了对的方面的东西。牛顿的“绝对空间”范围。重力场空间范围。

爱因斯坦以牛顿绝对空间和重力场这两种空间为前提下的认识：

我的在牛顿绝对空间与重力场空间

前提下的认识：

（五）结尾的话

1、常言说，如果你说一句谎言，还得用三十句谎言为代价来维护此谎言。同样，在科学上，你有了一个错误的基本“假设”（认识）前提，就会产生更多的错误的“假设”：在“引力”与“广义相对论”的问题上，不正是如此结果吗！归根结底，所有的人对“引力”本质的认识，到目前为止，都还是完全以外在的原因角度来解释，此外在的原因往往是虚假与虚构的，而作为前提的“引力”本来就是虚假的。我的理论与虚假的理论的根本区别就是把“原因”回归到物体本身的属性上来（当然，也有重力场属性的外在因素），于是，所有的“假设”就都没有了。

2、宇宙中有透镜现象是一码事。而造成此现象的原因又是一码事。现象与现象的原因不能混在一起。就像太阳附近的光媒质一样，宇宙中的透镜现象也可以是由于宇宙中的光折射媒质折射光的原因。宇宙中有大量的弥漫星云存在，这是事实。所以，不能说有透镜现象就一定是由于‘引力’（弯曲时空）的原因造成的。

3、我总结的惯性力学三定律中的量纲系数问题，在得到科学界承认的前提下，是有待科学界共同“约定”的问题。

4、错误的理论严重地阻碍了科学的发展，也就是说，错误的理论妨碍了新的真正有价值的课题与研究方向的产生。我的关于重力场是产生出来的结论，导致了新的真正有价值的课题与研究方向的产生——探索产生重力场的物理机制。错误的理论又导致了错误的课题与研究方向，有浪费许多人的精力与人力物力的罪过。

参考文献

[1]马英卓：引力是产生出来的，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1998年第五期。

[2]马英卓：引力与广义力学、整体天体，〈科学〉（科学美国人中文版）杂志，1999年第三期。

[3]马英卓：惯性力学与整体科学体系，《科学》（科学美国人中文版）杂志，2000年第七期。

［4］马英卓：等效原理的对与错，《当代物理世界—物理论文集》网站。

［5］马英卓：万有引力真的失灵了吗？《当代物理世界—物理论文集》网站。

[6]马英卓：用惯性力学三定律解力学习题。《当代物理世界—物理论文集》网站。

[7]马英卓：潮汐成因另探。《当代物理世界—物理论文集》网站。

[8]马英卓：研究物理的终极目的是属性。《当代物理世界—物理论文集》网站。

运动生物力学的定义篇5

陈新亮（1970.3-），男，汉族，河北怀来人，河北北方学院艺术学院党委书记，公共管理硕士，社会科学副研究员，主要研究方向大学生思想政治教育管理。

摘要：时空观是关于时间和空间的根本看法和根本观点，是自然观的重要组成部分。在科学史上，每一次重大理论的变革往往伴随着新时空观的诞生。在牛顿力学体系中产生的绝对时空观使人们的思维机械化，世间一切皆在做机械运动。20世纪初，相对论诞生于世，从而赋予了时间和空间以崭新的概念，改变了传统的绝对时空观。相对论从根本上改变了人们对时间和空间的看法：时间和空间是紧密联系的，时间、空间和物质密不可分，时空告诉物质怎样运动，物质告诉时空怎样弯曲。相对论革新了旧的牛顿时空观，对科学和哲学产生了巨大的影响。本文先论述前爱因斯坦的牛顿绝对时空观，再阐述爱因斯坦相对论对时空理论的变革，进而说明爱因斯坦相对论变革时空观对科学和哲学的意义。

关键词：时空观；牛顿的绝对时间观和绝对空间观；相对论

时空观，顾名思义，就是对时间和空间的根本看法和根本观点，它构成了哲学上自然观的重要内容和组成部分。随着科学与社会的发展，人们对于时间和空间的认识也在不断地加深。20世纪初发生了现代物理学革命，在这个激动人心的年代里，爱因斯坦相对论的诞生彻底否定了牛顿经典力学体系的绝对时空观，深刻地揭示了时间和空间所具有的本质属性和它们与物质以及物质运动的关系，引起了时空学说的一次重大变革，形成了新的时空观并产生了深远的影响。目前学者们对于爱因斯坦相对论引起时空观变革这一问题的研究已经取得了重大成果，但是对此问题应当有个简明、清晰的系统阐述。本文预从介绍前爱因斯坦的时空观，重点介绍牛顿的绝对时空观入手，进而阐明爱因斯坦相对论变革时空观的内容和意义。

一、对爱因斯坦时空观的概述

从古至今，无论在中国还是在西方，科学上和哲学上的一个大的课题就是关于时间和空间的问题，人们总是在问时间和空间究竟是什么。中国古代就有这样的说法，古往今来为宙，上下四方为宇。显而易见，在这里，“宙”指的是时间，即过去、当今和未来以及白天与黑夜的更替、春夏秋冬的更迭，而这种时间的观念来自于平日里对自然现象的观察和经验的直觉。“宇”则指的是空间，即上下左右前后、东南西北。时间是无始无终的，空间是无边无际的。在西方，许多先哲也思考了时间和空间的问题。

（一）时空观概述

古希腊哲学家德谟克利特认为空间和时间是没有物质的时空，柏拉图则认为时间是在存在之外的。对时间和空间形成系统认识的人，最早是古希腊的亚里士多德，关于时间的问题，亚里士多德提出时间是描述“运动”的“数”，他指出：“变化总是或快或慢，而时间没有快慢。因为快慢是用时间确定的：所谓快就是时间短而变化大，所谓慢就是时间长而变化小；而时间不能用时间确定，也不用运动变化中已达到的量或已达到的质来确定。”[1]由此可见时间不是运动，而是描述运动的数。亚里士多德认为大地是球形的，地球是宇宙的中心。物体在宇宙中的位置具有关键的作用，每个物体都有各自的天然位置，只要没有阻挡，它们都会到达各自的天然位置。[2]在当时教会统治人们思想的社会背景下以及当时的社会和科学发展水平，加之亚里士多德的时空观符合人们当时对自然现象的认识，以至于亚里士多德的时空观对人们的思维造成了很长时间的影响。但是，由于科学技术的进步，哥白尼提出了日心说，彻底否定了地球是宇宙中心的说法。到17世纪，伽利略提出了力学相对性原理，亚里士多德的时空观才被伽利略用明确的语言和简单的物理现象所批驳。紧随其后，牛顿提出了绝对时间观和绝对空间观。之后，康德认为时间和空间意识是人类的先天直观形式，而不是从感觉经验中得来的。当然，人们对于时间和空间性质的认识不仅仅停留在哲学层次上，关于时间和空间问题的思考也不只是哲学家所专有的事情。在科学层次上，科学家们也在不断地探索时间和空间的属性，法国科学家彭加勒认为时间和空间都不是先天的，而是为了某种目的约定的。爱因斯坦相对论时空观主要革新了牛顿的绝对时空观，因此重点介绍一下牛顿的绝对时间观和绝对空间观。

（二）牛顿的绝对时空观

牛顿站在巨人的肩膀上，综合了哥白尼和伽利略等人的科学成就，建立了牛顿经典力学体系，并且给他的经典力学理论引入了绝对时间和绝对空间的概念，创立了绝对时间观和绝对空间观。

牛顿为何要引入绝对时间和绝对空间的概念？我们又该如何理解牛顿所定义的绝对时间和绝对空间，想要弄清这些问题就要从牛顿所建立的经典力学说起了。物体的运动状态及其改变是经典力学讨论的主要对象，而万事万物的运动又都离不开时间和空间，都要在一定的时间和空间中进行。[3]一切运动都是物体本身位置的变化，这样看来位置就用到了空间的含义，变化则用到了速度，也就是用到了时间的含义，所以牛顿的经典力学体系必定要与一定的时间和空间相联系。然而，描述机械运动又必然不能离开参照系，但是并不是所有的参照系都适用于牛顿定律，我们常常把适用于牛顿定律的参照系称之为惯性参照系。那么惯性参照系到底是什么呢，牛顿经典力学本身的理论框架也不能对此给出确切的说明。因此，为了解决这个问题，牛顿便引入了绝对时间和绝对空间的概念。牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中写道：“绝对的、真正的和数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关。”“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变。”[4]这里的时间，我们可以形象地把它比拟成永远流逝着的水，也可以把它想象成一根无限延长的线，无论哪样，它都与周围的任何环境无关；而这里的空间，我们也可以把它形象地比拟成一个与任何特殊物质无关的、能够容纳万事万物的、静止的大容器。

牛顿把自己定义的这样的时间和空间称为绝对时间和绝对空间，由此便形成了牛顿的绝对时间观和绝对空间观。对于牛顿绝对时空观的基本思想，主要有下列三个方面。

1.同时性是绝对的

在牛顿的绝对时空观中，同时性是绝对的、无条件的，也就是说，在不同地方发生的两件事情，如果对一个惯性参照系来说是同时发生的，那么无论对其它任何惯性参照系来说必定都是同时发生的。所以，对准过的两个钟表，不管把它们放在任何不同的地方，无论它们是否有相对运动产生，钟表总是同步的。在这个方面上，牛顿的绝对时空观似乎是符合我们的生活经验的。

2.时间是绝对的，空间也是绝对的

在这里，时间是绝对的指的是时间间隔的绝对性。也就是说，如果一个房间的时钟走了十分钟，那么世界上任何时钟都走了十分钟，无论它们在何种运动状态下。而空间也是绝对的指的是空间距离的绝对性。比如说，一根笔的长度，当以某一个参照系测量它是十厘米时，那么从别的参照系测量它时，它也是十厘米，而与参照系的运动状态无关。

3.时间和空间是各自独立，互不相关的并且与物质及其运动无关

按照牛顿绝对时间和绝对空间的观点，时间和空间各不相关，而且时间和空间是脱离物质运动而存在的，时间和空间具有绝对性，这也就是说，时间和空间只是单独的存在，这种存在不受周围任何事物的影响。

牛顿的绝对时间观和绝对空间观是符合我们的生活经验的，并且适用于当时的科学实验，因而人们很容易理解和接受这种观点。随着科学的进步，到19世纪末，麦克斯韦电磁理论发展起来，牛顿的绝对时空观显现出它自身的局限性，牛顿绝对时空观只适用于物体在宏观低速下的运动规律，而对于在微观高速下的运动则无能为力。正是在这种背景下，发生了现代物理学革命，相对论出现在人们眼前。爱因斯坦相对论革新了牛顿的时空理论，创建了新的时空学说。

二、爱因斯坦相对论对时空观的变革

历史上每一次新的时空理论的产生总是离不开科学的发展。19世纪末，当时的物理学界普遍认为物理学的大厦已经落成，正在他们展望物理学的美好前景时，物理学晴朗的天空上却被两朵乌云所笼罩，即“以太漂移的零结果”和“黑体辐射”。由此爆发了现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学。爱因斯坦曾说“相对论同时间和空间的理论有密切的关系”[5]。爱因斯坦相对论研究的是关于时间、空间和物质、运动之间的内在联系，由狭义相对论和广义相对论组成。而新的时空观正是以相对论为理论依据的，它认为时间和空间相互影响，彼此不可分离，形成一个四维时空统一体，时间和空间受物质及其运动的影响。从某些方面来说，新的时空理论也就是爱因斯坦的相对论，正是狭义相对论告诉了人们时间和空间与物质运动的密切关系，而广义相对论又进一步告诉了人们时间和空间的性质与物质本身的存在及其分布密不可分。[6]

（一）狭义相对论对时空理论的革新

自从光的波动说复活以来，物理学家们开始对“以太”问题进行激烈的探讨，后来著名的迈克尔逊—莫雷实验的零结果彻底否定了“以太”的存在，但是这种结果却使更多的物理学家困惑不解。为了更好的解决迈克尔逊—莫雷实验的困惑，1905年，爱因斯坦发表《论运动物体的电动力学》一文，放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间概念，提出了光速不变原理和相对性原理这两个基本前提假设，宣告了狭义相对论的诞生，从而形成了新的爱因斯坦时空观。

为了更好的理解爱因斯坦狭义相对论对时空观作了哪些方面的革新，也就是爱因斯坦新的时空观是怎样的，我们首先要来说明一下光速不变原理和相对性原理，因为这两个原理是狭义相对论得以成立的基本前提假设。光速不变原理，指的是不论光的观察者运动与否，光速在真空中都是一样的、不变的，即都是一个常数c；相对性原理，指的是自然规律在所有惯性参照系中，都是一样的、不变的。[7]只要抛弃牛顿绝对时间的概念，这两条基本原理就能够彼此相容，这样两个惯性参照系之间的时间和空间变换就满足洛仑兹变换。爱因斯坦狭义相对论对时空理论的革新以及爱因斯坦时空的重要性质就包含在这个变换中，主要有下列三个方面。

1.同时性是相对的

依照光速不变原理，狭义相对论认为不同地方的两件事情，在某一惯性参照系中来看，它们是同时发生的，然而相对于这一惯性参照系运动的其它任一惯性参照系来看，它们就不是同时发生的。因而同时性是相对的，时间与物质运动有关。这里需要注意的是，如果发生在同一个地点或者说是同一个点的两个事件，其同时性就是绝对的，与参照系的运动和选择无关。

2.时间是相对的，空间也是相对的

与牛顿的时空理论不同，爱因斯坦狭义相对论的时空观认为时间间隔是相对的，也就是说，某一个过程中延续的时间在不同的惯性参照系中所测量的结果是不一样的，这是由同时性是相对的自然而然推导出的结果。最能说明这一点的便是大家熟知的运动的时钟会变慢，即时间延缓效应，它主要说的是对于每一位观察者来说，都有他们自己的时间测度，如果在天空中有一个高速飞驰的时钟，那么它对于地面上静止不动的观察者而言，钟的时间走的慢了，并且时钟飞驰运动得速度越快，钟的时间走得就越慢，这就反映了时间是相对的。

空间也不是牛顿时空理论中所认为的那样是绝对的，空间也是相对的，长度的相对性就证明了空间是相对的。也就是说，同样的一把尺子，根据所选择的惯性参照系，它们的长度是不一样的。假如a尺子是运动的，速度近于光速时，那么B尺子就会看到a尺子缩短了。[8]这就是著名的运动的尺子要缩短，即空间收缩效应。这个效应表示空间的大小是相对的。

这两个时间和空间效应都是相对论的一种效应，它主要归结于时间和空间所具有的基本属性，这与牛顿的绝对时空观是不同的。但是这些效应又是很难被日常生活中的我们所理解的，因为这些效应都是在速度接近光速的高速运动过程中产生的，而我们通常生活在低速运动中。

3.时间和空间是紧密相联的，并且与物质运动密不可分

在牛顿绝对时空观中，时间均匀流逝，不受任何外在环境影响，空间则是个与任何事物无关的、静止不动的容器。而爱因斯坦狭义相对论的时空学说认为时间和空间不能各自独立存在，时间与空间是紧密联系的。一个物体的长宽高表明它的空间，可却是以时间为尺度的；太阳所在位置的不同则表明时间的不同。时间和空间与物质运动更是不可分开的，时间和空间的性质要通过物质运动表现出来。时间和空间是运动着的物质的存在方式，时间是物质运动的连续，空间则是物质运动的延伸。离开物质运动而独立存在的时间和空间是毫无意义的。

（二）广义相对论对时空理论的革新

爱因斯坦狭义相对论的创建，引发了时空理论的变革，但他随之发现这种狭义相对论时空观与牛顿的万有引力定律是不相容的，于是，他又开始研究引力问题。1916年，爱因斯坦以惯性质量与引力质量相等为基础，提出了著名的等效原理和广义协变原理，创立了广义相对论。广义相对论把引力看成一个弯曲的时空，而不再把引力看成是一种力。等效原理和广义协变原理构成了广义相对论的主要内容，等效原理说的是，一个运动在含有引力场的惯性系中和在加速度系统中是完全相同的，即存在引力场的惯性系等效于加速度的非惯性系；广义协变原理是把相对性原理从惯性系推广到了非惯性系，即在任何参照系中，自然界的规律都是相同的，与我们所选择的参照系无关。

依据广义相对论，空间是一个服从黎曼几何的弯曲空间，空间弯曲的程度取决于物质本身在空间的分布。物质分布越密集的地方，引力场的强度就越大，时空弯曲得也就越厉害。因而，广义相对论告诉人们，时间和空间的性质与物质本身的分布也是紧密相关的。“物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动”[9]。时间和空间与物质息息相关，时间、空间和物质构成了一个有机整体。这就是广义相对论对时空理论所作的进一步变革。

总之，爱因斯坦相对论革新了旧的牛顿力学的时空观，建立起了爱因斯坦相对论的时空观，是时空理论上的一次史无前例的巨大变革。正是爱因斯坦相对论改变了人们以往对时间和空间的理解。狭义相对论只适用于惯性系，它的时空背景是欧几里得的平直时空，狭义相对论的时空观使人们认识到时空都不是绝对的而是相对的，时空不能脱离彼此而独立存在，时空和物质运动也是密不可分的；而广义相对论则适用于一切参考系，它的时空背景是黎曼几何的弯曲空间，广义相对论的时空观使人们进一步认识到时间和空间的性质还与物质本身的分布有关，物质告诉时空怎样弯曲，时空告诉物质怎样运动，从而说明了时间—空间与物质的统一性。无论怎样，爱因斯坦相对论所引起的时空观变革都产生了深远的影响，都具有无可比拟的意义。

三、爱因斯坦相对论变革时空观的意义

19世纪末20世纪初，在物理学史上，那是一个既光明又黑暗的时期，但就是这样的一个时期，却发生了一场影响深远的现代物理学革命，诞生了相对论和量子力学，使之成为了一个激动人心的年代。[10]爱因斯坦相对论对时空理论所作的变革无论是在当时还是在日后，都对科学和哲学产生了不可磨灭的影响，意义巨大。

（一）在科学上，推动了物理学和科学技术的发展

时空观的变革与科学尤其是物理学的发展是相辅相成的，物理学的发展推动了人们对时间和空间性质的认识，而每一次时空理论的新变革又都是物理学进一步发展的基本前提和主要标志。爱因斯坦相对论对时空观所作的变革无疑是巨大的，它推进了现代物理学革命，为现代物理学的发展奠定了理论基石，从而推动了科学技术的发展。[11]可以说，爱因斯坦相对论时空观的出现是世纪之交中的创举之一。

在爱因斯坦狭义相对论时空观中，不仅否定了牛顿经典力学体系中关于时间和空间的概念及其之间的关系，还赋予了质量和能量及其之间的关系以全新的含义。质量并不是绝对不变的，物体在运动速度近于光速时，质量就会接近无穷大；质能关系式则告诉人们质量和能量也不是单独存在的，而是一个质能统一体，质量守恒定律与能量守恒定律是融合在一起的，这就为原子核物理学的发展和应用开辟了新天地。爱因斯坦广义相对论时空观使人们开始对宇宙时空产生了浓厚的兴趣，是人们关于天文学中时空理论的一次大变革。所有这些变革都毫无疑问的促进了自然科学的发展。

（二）在哲学上，丰富和发展了辩证唯物主义时空观

爱因斯坦相对论对时空理论的变革不只是对物理学和科学有重大意义，并且在哲学方面也具有无法比拟的影响，可以说，爱因斯坦相对论时空观本身就具有哲学的意味。

爱因斯坦相对论时空观认为时间和空间之间是互相关联的，时间和空间作为客观存在是绝对的，但同时又是相对的。物质本身以及物质运动与时间和空间是不可分割的，离开任意一方谈论彼此都是没有意义的。这就说明了时间、空间和物质三者之间存在的联系，揭示了时空是运动着的物质的存在方式，改变了人们以往对时空与物质关系的认识，从而有力的批判了机械唯物主义中把时间和空间与物质及其运动割裂开来的形而上学时空观。[12]爱因斯坦相对论对时空观的变革进一步丰富和发展了辩证唯物主义时空观。

爱因斯坦相对论对时空观的变革还提高了人们的认识能力，使人们的思维方式发生了深刻的变化。爱因斯坦曾说：“世界上可能只有12个人能够看懂相对论，但是世界上却有几十亿人借此明白没有什么是绝对的”[13]。从此人们开始认识到：对于同样的一个事物，如果不同的人从不同的角度来看，就会产生不同的结果，任何事物都不是绝对的。所以我们要用相对的眼光来看问题，而不能用绝对的眼光来看问题。世界上任何事物都不是绝对存在的，它们都是相对存在的。“长”相对于“短”而存在，“大”则是相对于“小”而言的。因此，我们不能再用牛顿绝对时空观中的机械思维来思考问题，而要以爱因斯坦相对论时空观所揭示的哲学思维来思考问题。

综上所述，通过对爱因斯坦相对论变革时空观的思考，我们不难发现，无论是在科学上，还是在哲学上，爱因斯坦相对时空观都有巨大的推动作用，它对人类社会产生了深远的影响。正是爱因斯坦相对论对时空观的变革将我们带入了一个不一样的时空世界，这个世界不再是牛顿所描述的绝对时间和绝对空间的世界，在这里我们要学会用更加开放的思维和眼光来看待它。爱因斯坦相对论时空观取代旧的牛顿时空观，不管是在科学上还是哲学上都是时空理论的一次巨大的变革。然而，任何事物都不是绝对的，当然也就不存在绝对真理，随着科学的不断发展进步，不久的将来一定会产生新的时空观，使时空世界更加绚丽多彩。（作者单位：1.天津大学；2.河北北方学院艺术学院）

参考文献：

[1]亚里士多德，张竹明/译.物理学[m].北京：商务印书馆，1982.30.

[2]邹敏.爱因斯坦时空观的哲学探索[D].华中科技大学，2008.

[3]爱因斯坦（美），杨润殷/译.狭义与广义相对论浅说[m].北京：北京大学出版社，2006.17.

[4]牛顿，王克迪/译.自然哲学的数学原理[m].陕西：陕西人民出版社，2001.13.

[5]徐良英/译.爱因斯坦文集[m].北京：商务印书馆，1977.第一卷156.

[6]乐传新.相对论时空观新探[J].自然辩证法研究，1997，（04）：25-27.

[7]李升.从牛顿到爱因斯坦时空观变革的哲学意义[J].西北师大学报（社会科学版），1991，（01）：85-90.

[8]郑庆璋，崔世治.相对论与时空[m].山西：山西科学技术出版社，2005.21.

[9]王鸿生.科学技术史[m].北京：中国人民大学出版社，2011.208.

[10]李醒民.激动人心的年代[m].北京：中国人民大学出版社，2009.40-45.

[11]关小蓉.时空观的三次变革及其产生的影响[J].玉林师专学报（自然科学版），1998，（03）：44-47.

运动生物力学的定义篇6

关键词：马克思主义；社会主义观；科学性；哲学解析

abstruct：recently,withtheeconomicdevelopmentofthecapitalism,therearemanychangesinthecapitalistsocieties.previously,k.marxandf.englsthinktheoldcapitalistregimewasonitslastlegs,buttheyaredoingwell,now.somanypeoplecametosuspectthescientificpointsofsocialisttheoryofthemarxism.whatismore,theycametodenythewholemarxism.so,ithinkitisnecessarytoanalyzethescientificpointsofthesocialisttheoryofthemarxism.now,theimportantproblemishowtodevelopthesocialistviewofthemarxism.thisistherealessenceofthesocialistviewofthemarxism.

keywords：marxism;socialistview;scientificpoints;philosophicanalysis

社会主义观就是关于社会主义的思想观念体系，即对社会主义的产生、发展、演变的历程及其规律的认识，又称“社会主义认识”、“社会主义思想”、“社会主义学说”等。当今世界存在着各种各样的社会主义观，诸如有社会民主党的社会主义观、民族国家的社会主义观、西方社会主义观、马克思主义社会主义观等等。对马克思主义社会主义观的认识、理解和界定也是仁者见仁、智者见智、争议颇多。我们认为，马克思主义社会主义观就是指在马克思主义基本原理指导下对社会主义的产生、发展、演变的历程及其规律的认识。它有广义和狭义之分。狭义的马克思主义社会主义观主要指马克思、恩格斯有关社会主义的观点、学说的体系，即马克思主义的科学社会主义部分。广义的马克思主义社会主义观不仅指马克思、恩格斯有关社会主义的观点、学说而且还包括列宁、毛泽东、邓小平、江泽民等党和国家领导人对社会主义的产生、发展规律的认识和理解。即把列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想中有关对社会主义的认识和理解，都融于马克思主义社会主义观的范畴之中。它的内涵非常丰富，主要包括：什么是社会主义；社会主义为什么会产生，如何产生；怎样建设社会主义；社会主义最终的发展前途；社会主义的发展规律等等。本文是从广义的马克思主义社会主义观出发，把它作为一个开放的体系进行研究，认为马克思主义社会主义观具有与时俱进的理论品质，其科学性是不容置疑的。

一、近代自然科学的全面发展为其科学性奠定了自然科学基础

近代后期自然科学的全面发展给马克思主义社会主义观的产生提供了更为成熟的自然科学理论基础。近代前期，自然科学多数处于搜集材料阶段，研究方法主要依靠分析和解剖，研究对象主要是既成的事物，还没有深入到事物的演化和发展，只有力学的发展比较完善。由于力学的较高发展，人们似乎以为力学规律是万能的，企图用“力”解释千变万化的自然现象，把自然界中的各种运动形式都简单地归结为机械的运动，看不到事物的发展变化，从而逐渐形成自然科学研究中长达几个世纪所特有的形而上学的思维模式。18世纪中叶以来，西欧工业革命促使整个自然科学发展到一个新的阶段。这一时期，在自然科学中出现了一系列重大发现。首先是康德—拉普拉斯的星云假说——他用原始星云的吸引和排斥作用解释了太阳系的起源，否定了神的第一推动作用；并在此基础上提出了潮汐摩擦理论，说明了太阳系不仅有一个起源过程，而且还有一个演变灭亡的过程，在僵化的形而上学自然观上打开了第一个缺口。接着是英国地质学家c.赖尔用地球表面对立的力量解释了地球表面的发展变化即：水成作用和火成作用，批判了当时占统治地位的灾变说，打开了形而上学自然观的第二个缺口。在物理学领域，能量守恒和转化定律（热力学第一定律）的发现，揭示了自然界各种运动形式之间的普遍联系；麦克斯韦电磁理论证明了电、磁、光之间的同一性；热力学第二定律也揭示了物理—化学过程的不可逆性等，这些理论的提出打开了形而上学自然观的新缺口。原子—分子学说的建立确立了化学的基础；元素周期律的发现揭示了自然界的量转化为质的规律；德国的f.韦勒用无机原料人工合成尿素，证明了无机界同有机界之间的联系对形而上学的自然观造成了巨大的冲击。生物学家m.j.施莱登和t.施旺分别发现了植物细胞和动物细胞，消除了动物界同植物界之间的壁垒；c.r.达尔文又以丰富的事实论证了生物通过自然选择而进化的历程有力地批判了目的论、神创论和不变论。由此，辩证唯物主义产生了，它认为：世界上的各种事物是普遍联系的；自然界的物质和运动是不可分离的，物质和运动不仅有量的差别和变化，还有质的差别和变化，是多样性的统一。高级运动形式由低级运动形式转化而来，它包含低级运动形式，但不能完全还原为低级运动形式；物质是发展演化和永恒循环的，在这个循环中，物质的任何有限的存在方式，不论是太阳或星云，个别的动物或动物种属，化学的化合或分解，这种发展演化和循环是永恒不变的，而这种运动、变化和发展的根本原因在于事物内部的矛盾性。近代自然科学的全面发展推动了古代朴素唯物主义到近代形而上学唯物主义再到辩证唯物主义的伟大变革。马克思主义社会主义观就是在这种科学的辩证唯物主义哲学的指导下建立起来的。

二、马克思恩格斯创立的辩证唯物主义观为其科学性奠定了哲学基础

马克思、恩格斯在近代自然科学全面发展的基础上提出了辩证唯物主义，但他们最早只将其运用于对自然界的研究，后来他们在这种辩证唯物主义思维方式的指导下将辩证唯物主义的思想引入了人类社会领域创造性地提出了历史唯物主义开创了唯物主义发展的新阶段。历史唯物主义认为：社会历史的发展有其自身固有的客观规律。物质生活的生产方式决定社会生活、政治生活和精神生活的一般过程；社会存在决定社会意识，社会意识又反作用于社会存在；生产力和生产关系之间的矛盾、经济基础与上层建筑之间的矛盾，是推动一切社会发展的基本矛盾；在阶级社会中，社会基本矛盾表现为阶级斗争，阶级斗争是阶级社会发展的直接动力；阶级斗争的最高形式是进行社会革命——以暴力的革命推翻暴力的反革命最终夺取国家政权；社会发展的历史是人民群众的实践活动的历史，人民群众是历史的创造者。可见，资本主义这种社会制度是社会生产力发展到一定历史阶段的产物，随着生产力的继续发展，它最终必然被新的更适合生产力发展需要的社会制度所取代。在马克思恩格斯眼里，这种社会制度就是全社会所有人共同参加劳动，劳动产品归全社会所有人共同占有的生产资料公有制的社会制度——社会主义、共产主义制度。

三、马克思主义与时俱进的理论品质为其科学性奠定了实践基础

19世纪中叶，马克思、恩格斯创立了马克思主义社会主义观，他们还没来得及将其付诸实践就离开了我们。但是，马克思主义社会主义观却没有连同他们离去从此静止不动，而是被继承了下来，还得到了不断的发展和完善。1895年，伦琴发现x射线；1896年，贝克莱尔发现放射性；1897年，汤姆逊发现电子；这三大物理实验的新发现冲击着经典物理学。爱因斯坦的狭义相对论——狭义相对性原理，光速不变原理，推论；广义相对论——广义相对性原理，等效原理，推论。普朗克提出的量子论；爱因斯坦的光量子理论；波尔的量子化原子轨道理论；德布罗意的物质波概念；海森堡的矩阵力学；薛定谔的波动力学；矩阵力学和波动力学的统一等现代物理学的发展和化学、天文学、地学、生物学、系统科学等现代科学的发展一方面论证了马克思、恩格斯创立的辩证唯物主义哲学中基本原则的科学性；另一方面，又对其提出了新的要求。为此，列宁在此基础上对辩证唯物主义做了新发展，论证了物理学唯心主义产生的根源是夸大数学的作用，不懂得真正的辩证法；真理是相对真理和绝对真理的统一。并在此基础上回答了在资本主义发展相对比较落后国家如何建设和发展社会主义的问题。中国领导人在马克思主义辩证唯物主义和历史唯物主义的指导下提出了在亚洲的半殖民地半封建中国如何发展和建设社会主义、在冷战后社会主义事业处于低谷资本主义又发生了很多新变化的情况下如何继续坚持社会主义事业等问题。

现在，随着资本主义经济的发展，资本主义社会出现了一些新情况，诸如资本主义开始运用国家宏观调控等手段干预国家经济，与此同时，资产阶级还运用很多新手段改善资产阶级与无产阶级的矛盾，使其矛盾或者得到缓和或者用更隐蔽的方式掩盖了起来，这些新情况的出现必然对传统的马克思主义社会主义观构成挑战，但是由此就否定马克思主义社会主义观就被这些新情况误导了，我们要分清：资本主义经济发展的手段与其本质的区别，要看到它们的新变化，看到19世纪诞生的马克思主义社会主义观没有也不可能全面地回答今年资本主义社会中出现的这些新问题，但同时也应该看到这是马克思主义社会主义观如何与时俱进发展的问题而不是其是否科学的问题。只有这样，才真正掌握了马克思主义社会主义观的科学实质，最终推动马克思主义社会主义观的不断发展和完善。

参考文献：

[1]严书翰.社会主义和谐社会研究还有很大的空间[j].当代世界与社会主义,2007,(3).

[2]李屏南.论马克思主义社会主义观的与时俱进[j].社会主义研究,2003,(4).

运动生物力学的定义篇7

一、处理好初、高中教材内容深度、表述方式和要求的衔接初中物理介绍物理量重点讲它的量度、定义，而对其物理意义讲解较少。

如对力这一物理量，仅要求学生知道“力是物体对物体的作用”,目的仅让学生知道“力的作用是相互的”，对作用力与反作用避而不谈。又如介绍动能和势能时，只介绍名称和它们的数值与哪些因素有关，不介绍计算公式。整体来说，初中力学特点是内容浅、涉及面窄，介绍客观现象多，抽象概念少，介绍静态多而动态少。高中物理在介绍物理量时，重点要介绍其物理意义。如介绍动能、势能和动量时，着重介绍它们都是表示物体运动状态的物理量，但又要区分三者之间的不同。在介绍基本规律时，首先介绍此基本规律是在什么条件下产生的，再介绍它的物理意义。如牛顿第二定律、动能定理、功能原理、动量定理及动量守恒定律，都各自具有一定的适用条件及物理意义，却又都可以用来解决一些力学问题，而要达到能正确运用，还必须要弄清这些基本规律之间的区别及内在联系。不难看出，高中力学介绍的内容的特点是直观的少，抽象的多；静态的少，动态的多。

二、建立理想化模型，降低教学难度初、高中物理在处理问题时的一个很大区别就是初中物理以客观事物为依据对其进行研究，而高中物理研究问题的一个重要方法就是理想化——理想化模型和理想化过程的建立。

高一学生接触到的质点、简谐振动、单摆等都是理想化模型；匀速直线运动，匀变速度直线运动、匀速周运动、平抛运动、简谐振动等都是理想化过程。高一学生由于科学的抽象和概括能力差，使理想化模型和理想化过程的建立遇到了困难。为了使学生掌握这种科学抽象和概括的思维方法，第一应使学生明确建立概念和模型的事实根据及过程，知道它的适用范围、适用条件。如建立“质点”这个理想化模型，首先应使学生明确引入质点是为了突出物体具有质量这一特征，而忽略物体具有大小这一次要因素。其次要使学生明确什么情况下物体可看作质点（大小可忽略），什么情况下不能看作质点。第二，应使学生学会把实际的物体或过程，在某些条件下看作是学过的模型或过程中的哪个模型或过程，这是运用知识解决实际问题的关键。

三、传授思维的基本方法,做好衔接工作初、高中的物理学习中思维方式的一个显著区别就是初中以形象思维为主，高中以抽象思维为主。

从某种意义上来说，学生学习的最大障碍也就是思维的障碍，平时我们向学生介绍某个物理量时，一般要介绍它的物理概念、定义和量值，即定义它的大小的公式、是标量还是矢量、单位及注意事项等等。其中以介绍物理意义为起点和重点，诚然，这些都是必要的。但是，某个物理量的物理概念和意义都是从大量现象中抽象出来的，因此，教给学生学会从物理现象中抽象出物理概念、理解其物理意义的方法，就显得尤为重要。为此首必须仔细挑选所要介绍的客观现象，使之能够从中明白地抽象出所要说明的物理概念。其次，所选取的对象必须形象、直观为学生所熟悉。再者，为引人同一概念所选取的对象必须具有相关性。如介绍动能时，可以通过分析相扑运动员与小孩赛跑达到终点运动状态，质量相同的铁锤以不同速度锤击物体和不同质量的铁锤以相同速度锤击物体的效果等事例。抽象出物体的运动状态与物体的质量和速度有关。动能是一个与物体运动状态有关的物理量，它反映物体的做功本领等本质性的内容，帮助学生全面而准确理解动能。

四、整合信息技术，变革学习方式，构建在网络环境下学生自主学习的方式，是信息技术与物理课程整合所追求的目标。

在教学过程中别用多媒体集成工具或网页开发工具，将需要呈现的教学内容别用光盘、网络检索，获取大量信息资源，并通过与计算机的交互进行集成、加工处理转化成为数字化学习资源，在教师和同学的协作交流中，开展自主学习和网络协作，同时根据教学需要创设一定的情景，并让学生在这些情景中探究、发现，以达到构建物理知识、提高学习能力的目的。如在进行《动能定理》这一章节教学时，传统的教学对动能定理的得出和其实质的揭示，一般采用单纯讲授的方法，间或穿插演示实验，学生只能从老师所作的实验现象和讲解中去体会。而由于实验条件、教学空间的限制，往往有部分学生无法准确地观察到明显的实验现象，在理解动能定理的实质这一重要环节时，教师要力求讲透实并不容易。如果在此过程中先让学生自己动手,别用实验室中已有的实验仪器,在感知的基础上再借助多媒体网络资源进行理论分析，会得到事半功倍的效果。

五、变革物理实验方式，充分发挥实验探究活动的作用

运动生物力学的定义篇8

【关键词】物理教学德育融合

如何在初中物理教学中有机地融合德育教育，笔者在多年的物理教学实践中进行探索认为：初中物理教学与德育教学的融合可以从辩证唯物主义教育、爱国主义教育、品德个性心理素质教育几方面进行渗透。

1、辩证唯物主义教育

（1）从物理学的产生来看，最初包含在哲学之中，只是近代才从哲学中分离出来，它本身的内容就带着唯物辩证法的思想。在教学中应培养学生辨证的思想，树立辩证唯物主义的观点。初步形成全面、运动和分析问题的科学思想方法，为树立科学的世界观打下基础，这也是作为辩证唯物主义教育的基本内容。

（2）世界是物质的，物质存在形式多种多样，坚持物质第一性，意识第二性是辩证唯物主义哲学的基本观点，也是物理学的基本思想方法，它不以人的意识的存在而存在。

（3）一切物质都在做永恒的运动，静止是相对的，物体运动的形式多种多样，然而物体的运动也是有规律可循的。从客观物体的运动和静止的判断来看，决定于所选的参照系，但微观运动并不和参照系有关。如：热运动。

（4）否定之否定是马克思主义辩证法的基本规律。任何事物都是从对立走向统一。如：有关光的认识过程，经历了从粒子说和波光说对立面到波粒二者的完美统一。又如：光的折射现象，光从光密物质进入光疏物质时入射角大于临界角时会发生全反射现象。

（5）实践是检验真理的唯一标准，真理是绝对的又是相对的。

2、爱国主义教育。爱国是一种政治思想意识，在不同的历史时期，不同的阶级有不同的概念。在社会主义国家里，主要是指爱社会主义的新中国，爱整个中华民族。但是进行爱国主义教育的同时，又要以实事求是的态度对待外国的物理文化成就，去其糟粕取其精华。在物理教学中可以从以下几个方面来培养学生的爱国主义思想和爱国主义情感。

（1）运用我国古代科学史上取得的成就及对世界文明的贡献史实，介绍我国现代科技已在许多重要领域接近或超过世界先进水平的事实，进行爱国主义教育，培养学生的民族自尊心和民族自豪感。

（2）针对近代我国物理学发展迟缓的原因，通过我国物理学与西方国家的科技发展存在一定的差距，唤起民族自强意识，增强学生的历史责任感。产生为祖国的社会主义现代化建设而努力学习的热切愿望。

（3）介绍新中国成立后我国的现状，许多科学家为了祖国的繁荣昌盛，为振兴中华放弃国外的优厚待遇和良好的工作环境，毅然回到祖国，参加社会主义建设的动人事迹。如：地质学家李四光。让学生将爱祖国的思想感情体现在掌握真才实学，追求科学真理的实际行动中。

（4）通过新中国成立后，社会主义现代化建设的发展速度，特别是三十年来的改革开放，所取得的最大成就。引导学生认识只有社会主义才能救中国，社会主义才能建设中国的坚定信念。

3、品德个性心理素质教育。品德个性心理素质教育是影响学生学习的态度和形成良好人格的一个重要的非智力因素。具备了良好的品德个性心理素质，才能正确对待学习，才会有恒心、有毅力。可以从以下几方面进行教育：

（1）实事求是的科学态度。结合物理教学，介绍物理学家的一丝不苟、严谨认真的科学态度，不迷信权威，敢于用事实说话，向权威挑战。并引导学生相信科学，尊重科学，按科学规律办事，初步养成严肃认真、实事求是的科学态度。

（2）合作研究的精神。虽然在很多的发明研究成果中可能是个人的研究成果，但在研究过程中需要很多人的参与，从物理学的发展来看，它需要一个不断完善的过程。如：牛顿第一定律，它是通过伽利略、笛卡尔、牛顿三位科学家的不懈研究总结才得出的一个重要力学定律。

（3）培养社会责任感。随着物理学科的发展，改变了人们的生产和生活环境，推动了社会的发展。但由于在应用过程中难免给社会造成危害。如：噪声、热、光、电磁、核污染等。要让他们了解某些物理污染的危害性和具体事例。树立保护环境的思想意识和培养社会责任感。

运动生物力学的定义篇9

一、惯性概念的肇始和牛顿的综合

惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月。

在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起过广泛的影响，然而他关于物理学的论述，许多都是错误的。他把物体的运动分为自然运动和强制运动。他认为圆周是完善的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外，地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如果没有其他物体阻碍，物体力图回到天然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。他还进而指出，关于物体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时，运动也立即停止。从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：一，自然运动不涉及曳力的问题，只有强制运动才存在力的问题；二、力是物体强制运动的原因。从今天来看，这显然是错误的，然而它束缚了人们近两千年。

从这种把物体的运动归结为外力作用的观念，可以提取出静止物体具有惯性的概念。开普勒在他1609年发表的著作《新天文学》和1619年发表的著作《宇宙谐和论》中写道；“天体有留在天空中任何地方的性质，除非它被拖曳着。”“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性。”“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”这大概是关于物体惯性的最早陈述。可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性，甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关，然而他显然受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有惯性的问题。

伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学和运动两门新科学的对话。（1638年）中，其中一个重要的结果如下。假设沿斜面aB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与a点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面变成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认识到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响，他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动，因此我们还不能说伽略发现了惯性定律。

最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛卡儿是唯理论哲学家，他试图建立起整个宇宙在内的各种自然现象都能从基本原理中推演出来的体系，惯性定律就是他的体系中的一条基本原理。他在他的《哲学原理》（1644年）一书中把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。

牛顿1661年进入剑桥大学学习亚里士多德的运动论，1664年他从事力学的研究，摆脱了亚里士多德的影响。他继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，他也继承了笛卡儿的研究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，澄清了动量概念和力的概念。1687年出版著作《自然哲学的数学原理》，以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系。惯性定律就是牛顿第一定律，表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它的力迫使它改变这种状态。”惯性定律真正成为力学理论的出发点。

根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态的属性，这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性，运动的物体也具有惯性；物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此，人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度。从此，人们对于运动中的种种惯性现象都能很好地理解；在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。

二、惯性与能量

对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。

能量是物理学里普遍关注的问题。运动的物体有动能；相互作用的物体有势能，如重力势能、引力势能、电势能等等；其他还有热能等等。在研究弹性变形体和流体的运动时，人们认识到经受应力的物体的势能分归属于物体的每一部分，而流体的输运则伴随有能量的传送。麦克斯韦电磁场理论建立和被赫兹电磁波实验证实之后，人们认识到电磁作用是通过场实现的，电磁场的实在性在认识上开始形成，场中不仅贮存有能量，能量的传送也是通过场来传输的，即存在能流：能流与场的动量联系在一起。人们研究电子的运动，运动电子周围存在变化的电场，变化的电场又产生磁场，两者的共存又导致存在能流和动量，它们同电子的速度平行。因此这一附加的动量意味着电子存在附加的惯性质量。有一时期，甚至有人猜测可能电子的全部质量来源于电磁场。这里第一次遇到电磁能量的惯性，提示了惯性与能量的联系。

1905年爱因斯坦发表狭义相对论，这是一个崭新的物理理论，它统一了力学理论和电磁学理论，带来了时空观的根本变革。爱因斯坦随后证明质能关系，e=mc2，一定的质量对应于一定的能量，反之一定的能量对应一定的质量。在这里，能量包括了能量的各种形式，突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样，惯性是能量的属性，能量具有惯性（质量），任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位，如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。

能量具有惯性拓宽了对于惯性的认识，也拓宽了对于能量的认识。它带来的重大实用价值就是核能的释放。在裂变反应中，裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量，质量亏损释放出大量裂变能；在聚变反应中，聚变产物的静质量小于聚变前物质的静质量，质量亏损释放出大量的聚变能。它也使得人们很好地认识许多物理现象，包括涉及物质的全部质量与能量转化的正反粒子对的产生和湮没过程。

三、牛顿的绝对空间和马赫原理

让我们再回到惯性定律。惯性定律是近代力学的基础。作为基础性的定律是值得深思的。显而易见，考查物体的运动离不开参考系。惯性定律并非在任意的参考系中都成立。惯性定律成立的参考系称为惯性系，凡是相对于惯性系作匀速直线运动的参考系也都是惯性系，惯性定律在其中都成立；而相对于惯性系作变速运动的参考系，惯性定律都不成立，它们就称为非惯性系。在非惯性系中考查物体运动，牛顿第二定律也不成立。为了在非惯性系中仍然保持牛顿第二定律的形式，除了物体之间实在的相互作用之外，还必须考虑一种与物体质量有关且与非惯性系相对于惯性系的加速度有关的力。这个力因为与物体的惯性有关，故称为惯性力。通常认为它不是物体之间实在的相互作用力，因而是“虚拟的”。

立刻产生一个问题，惯性系在哪里，或者什么样的参考系是惯性系？深入地研究发现，这在理论上和实践上都存在根本的困难。首先，要问什么是惯性系，回答是惯性系就是惯性定律成立的参考系，那就是说，在这个参考系中一个不受外力作用的物体总是处于静止或匀速直线运动状态。那么不受外力作用又是什么意思呢？这就是说，在惯性系中处于静止或匀速直线运动状态的物体是不受外力作用的。这样就又回到什么是惯性系的问题。这是一具逻辑循环，无助于解决什么样的参考系是惯性系的问题。其次，在实践中地球是一个相当好的近似的惯性系，我们在观察实验室中的许多力学现象，都可以把地球看作惯性生活费，但是地球肖自转，并且绕着太阳在旋转，有一些力学现象显示出地球的这种转动效应，例如惯性离心力，科利奥莱力等，因此地球并不是严格的惯性系。太阳及其邻近的恒星组成的参考系是比地球更好的惯性系。进一步的研究表明太阳是银河系中的一颗普通恒星，它同其他银河系听恒星一起绕银心旋转，作变速运动，因而太阳参考系也不是严格的惯性系。根据这种经验，我们可以取更大的天体系统的平均静止参考系以趋近严格的惯性系。看来我们可以不断地趋近惯性系，但却不能找到严格的惯性系。

这样，我们有了支配物体运动的力学规律（牛顿定律）但是却无法确定牛顿定律成立的惯性系。牛顿的力学理论如同建立在沙滩上的建筑物。牛顿深知他的力学理论中的这一脆弱的根基。他提出的解决办法是引入绝对空间。他想信存在绝对空间，“绝对空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”，这样就可以在绝对空间里区别物体是处于静止、匀速运动还是变速运动，从而也就能够确定惯性系和非惯性系。为了说明绝对空间和绝对运动的存在，他提出一个著名的“水桶实验”，其大意如下。一个盛有一半水的桶挂在拧得很紧的绳子上，松开手后，桶和水的运动经历以下三种情形：（1）开始，桶在绳恢复原有状态的作用下快速旋转，由于水和桶的粘滞力很小，水尚未旋转起来，水面是平的；（2）在粘滞力长时间的作用下，水和桶一起旋转，水受到惯性离心力的作用向桶壁挤压，水面呈下凹形；（3）让桶突然静止，水仍在旋转，水面仍然是下凹。牛顿分析以上实验结果认为，在（1）（3）两种情形，水对于桶都有相对运动，但前者水面是平的，而后者是下凹的，在（2）（3）两种情形，无论水对于桶是否有相对运动，水面都是下凹的，因此，水对于桶的相对运动不是水面下凹的原因，水面下凹的真正原因在于水在空间里作绝对转动，受到惯性离心力造成的。这说明存在着可以观察出物体作绝对运动的绝对空间，加速度是绝对的。

牛顿的绝对空间和绝对运动继承了人们自古以来认为空间和时间物质及其运动相对独立而无论的直觉，被大多数人所接受，它还受到哲学家康德的支持，康德说过；“我们永远不能表象出没有空间，可是我们却很能设想空间中没有对象。”但是牛顿的绝对空间和绝对运动受到他同时代人的批评，其中著名的有莱布尼兹和贝克莱，莱布尼兹认为那种与物质客体相分离的任何空间概念都是哲学上没有必要的，贝克莱则指出，认为空间是“一种永久的、自存的、无限的、不可分的、不可变的东西”“是有害的、荒谬的”，然而他们都未能提出任何观念，发展一种新的动力学理论来替代牛顿理论，不过他们的看起来十分挑剔的批评对后有着潜在的影响。

对牛顿绝对空间的第一个建设性批评来自两百年后奥地利的物理学家和哲学家马赫。马赫在他1883年出版的《力学史评》一书中对牛顿的绝对空间和绝对运动作了深刻的批评。关于牛顿的“水桶实验”，书中写道：“牛顿的旋转水桶实验只是告诉我们，水对于桶壁的相对旋转不引起显著的离心力，而这离心力是由水对地球及其他天体质量的相对转动所产生的。如果桶壁愈来愈厚，愈来愈重，直到厚达几英里时，那就没有人能说这实验会得出什么样的结果。”“如果把水桶固定，让众恒星旋转，能够再次证明离心力会不会存在吗？”在马赫看来，牛顿水桶实验中凹行为并不能区分究竟是水相对绝对空间的转动，还是水相对于众星体的转动，因此，并不能由此得出存在绝对空间的结论，相反地，把水面下凹行为看成是由于水相对于从星体转动，水桶内壁以外的所质量的吸引和带动所造成的，要更自然些。

马赫是出于他关于我们的世界的一种非常儿到的哲学见解，对牛顿的绝对空间作出深刻批判的。他在书中写到；“我们不要忘记，世界上的一切事物都是相互联系、相互依赖的。”要注意，马赫强调的是相互联系、相互依赖、相互影响，那种只有一方依赖于一方而不被另一方所依赖，一方可影响另一方而不被另一方所影响的事物是不存在的，是虚构的，也是“同科学中的思维方式相矛盾的”（爱因斯坦语）。在牛顿力学中绝对空间就是这样的虚构，它会影响到物体的动力学性质，譬如，只有相对经来说，惯性定律才成立，但是物质的运动反过来却不能对绝对空间产生丝毫影响。既然是一种不能被人们的经验所证实的虚构，它就应该从科学中剔除出去。概括起来，马赫的观点是，物体的运动不是绝对空间中的绝对运动，而是相对于宇宙中其他物质的相对运动，因而不仅速度是相对的，加速度也是相对的；在非惯性系中物体所受的惯性力不是“虚拟的”，而是一种引力的表现，是宇宙中其他物质对该物体的总作用；物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质作用的结果。马赫的精辟见解被爱因斯坦取名为马赫原理。

马赫的批判带来了人们对于运动和惯性认识的重大变革。牛顿认为存在着绝对空间和绝对运动；物体的惯性是它自身的属性，如果撤掉了一个物体周围的所有其他物质，那么这个物体将由于它自身的惯性作惯性运动。而马赫则认为，根本不存在绝对空间和绝对运动，物体的运动是相对于宇宙中天体的运动；物体的惯性是宇宙中所有天体作用的结果，撤掉一个物体周围的所有其他物质，则无法去判断它作什么运动，因而它也就不再具有惯性。

马赫独树一帜的思想深刻地提示了牛顿力学理论根基上的纰漏，同时也指出了改造牛顿力学理论的契机，这就是放弃绝对空间和绝对运动，把物体的惯性与宇宙中所有其他物质对它的作用联系起来。

爱因斯坦建立狭义相对论后就认识到“狭义相对论不过是必然发展过程的第一步”，他时而思考狭义相对论的不足。一方面，狭义相对论指出，所有的惯性系都是等价的，速度是相对的，不存在绝对静止的惯性系，因此狭义相对论否定了一个优越的参考系（绝对静止的惯性系）；但是它却肯定了一类特别优越的参考系，那就是惯性生活费，它比非惯性系更要优越，其中的物理规律特别简捷。然而对于为什么惯性系在物理上比其他参考系更优越，狭义相对论不能作出回答。另一方面，狭认相对论指出，物理作用传播的极限速度是光速c，这样狭义相对论就在整个物理学中排除了超距作用。引力是力学研究的重要课题。然而牛顿引力定律的表述是超距作用的，牛顿引力定律与狭义相对论不相容。因此需要发展一种把引力问题纳入，且能回答是否存在特别优越参考系的更为广泛的相对论。马赫的思想对于爱因斯坦无疑是一个重要的启发。爱因斯坦曾说过：“……可以十分正确地认为马赫是广义相对论的先驱。”

四、惯性质量和引力质量

发展一种新的理论，仅有哲学上的启迪和对于旧理论的批判是不够的，还需寻找建立新理论的突破口。爱因斯坦建立广义相对论的突破口来自三百年前伽利略的另一项重要贡献。

伽利略在他的《关于力学和运动两门新科学的对话》中写道：“我曾经做过试验，可以向你保证，从200肘尺高处放下的一颗一两百磅甚至更重的炮弹，不会比一同放下的仅重半磅的枪弹到达地面要领先一秒钟。”这段叙述表明所有物体的重力加速度相同。亚里士多德曾根据他的运动风，重物下落是物体回归天然位置的自然运动，物体越重，趋向天然位置的倾向就越大，自然得出物体越重，下落得越快。伽利略反对亚里士多德的运动知识化，他以实验事实作了不力的反驳。然而他并同有认识到这条定律的深刻含义。

所有物体的重力加速度均相同，反映的是任何物体的惯性质量与引力质量相等。根据牛顿定律，作用在物体上的外力等于物体的质量乘以获得的加速度，这里的质量是物体的惯性质量；另一方面，物体下落时，作用在物体上的力是地球对它的吸引力，它与物体的引力质量成正比。既然物体在重力作用下加速度不依赖于物体，则引力质量与惯性质量成正比；选取相同的单位，两者相等。

我们知道，惯性质量是物体惯性的量度，反映物体对加速度的阻抗，而引力质量是物体引力属性的量度，反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性，描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题，并第一次想到用实验来明确检验两者的等同性。他在他的《原理》一书中记叙了他所做的实验。他做了两只等大的圆木盒，用11英尺长的细绳悬挂起来构成摆，一只装满了木料，另一只装入得量的金或银、铅、玻璃、沙、食盐、水以及小麦等等，比较它们的摆动周期。根据牛顿定律容易得出周期t。可以看出仅当惯性质量m惯与引力质量m引之比与材料无关，两摆的周期才会相等。牛顿实验中没有观察到两摆周期的差异，由此他推算出m引/m惯=1+0（10-3），即两者相符合的精度在10-3以内。以后又有不少物理学家做实验，把精度提高了许多，如1830年贝塞耳得0（10-5），1889年厄缶得0（10-8），1964年迪克得0（10-11），1971年布拉金斯基得0（10-12）。

看来惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。那么，这是一种巧合吗，还是有更深刻的原因？它意味着什么？这是又一个值得思考的问题。人们研究发现，在牛顿力学中无法加以说明，于是长时期里它就成为游离于物理学之外而不加重视的一个结论。

爱因斯坦对于惯性质量和引力质量严格相等的印象很深，他在给英国格拉斯哥大不所作的报告《广义相对论的来源》中说：“在引力场中，一切物体都具有同一加速度。这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等的定律，它当时就使我认识到它的全部得要性。我为它的存在感到极为惊奇，并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。”他一直深信：“一个有希望受到应有的信任的理论，必须建立在有普遍意义的事实上。”而这一惯性质量同引力质量相等的定律的确是一个奇特的具有普遍意义的事实。他不断地思考这一问题，终于有一天找到了问题的答案。他于1922年在日本京都大学所作的报告《我是如何发现相对论》中说道：“这个难题的突破点突然在某一天找到了。那天，我坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现一个念头：如果一个人正在自由下落，他决不会感到他有重量。我吃了一惊。这个简单的想象给我的印象太深刻了。它把我引向新的引力理论。我继续想下去：下落的人正在作加速运动，可是在这个加速参考系中，他有什么感觉？他如何判断面前所发生的事情？”爱因斯坦在这里所说的突然闪现的念头就是那著名的爱因斯坦升降机的理想实验。设想观察者在一个密封的升降机里做力学实验，一种情形是升降机静止在地面上（地球看成是惯性系），它是一个惯性生活费，其中存在地球的引力场，由于m惯=m引，任何物体的重力加速度均相等为g；另一种情形是升降机远离一切物体，即处于没有引力场的地方，它相对于某个惯性系以加速度g上升，它是一个非惯性系。在这两种情况下，观察者测得物体下落的加速度是g，他观察到的力学现象都相同，他无法断定他所在的参考系究竟是有引力场的惯性系还是并无引力的非惯性系。这表明物体在非惯性系中的运动等效于引力场作用下的运动，或者说非惯性生活费与引力场等效，爱因斯坦把它称为“等效原理。”根据等效原理，引力场可以用非惯性来消除，例如在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力，在这个自由落体系中，惯性定律很好地成立，一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态，这一参考系实在是很好的惯性系，其中物理规律具有狭义相对论的形式。另外，非惯性系与引力场等效，非惯性系与惯性系就没有原则性的区别，它们都可以同样好地用来描述物体的运动，没有哪一个比另一个更优越。由此爱因斯坦把狭义相对性原理推广为一切参考系都是等价的，没有哪一个比另一个更优越，爱因斯坦把它称为广义相对性原理。爱因斯坦的广义相对论就是在等效原理和广义相对性原理这两条原理的基础上发展起来的。在广义相对论中，惯性系不再是理论上和实践上不可捉摸的，它就是自由落体系；前述狭义相对论的两点不足通过等效原理和广义相对性原理联系在一起一揽子加以解决，广义相对论清楚地回答了不存在特别优越的惯性系，所有的参考系对于描述物体的运动都是等价的，而引力问题通过广义的时空坐标变换纳入相对论理论中。

由此可见，原来牛顿力学中无法加说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实，而是成为意义得大的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石，并由此发展了广义相对，这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

五、马赫原理的检验和评价

马赫的思想启发爱因斯坦，引导他改造牛顿力学，建立了广义相对论，马赫的功绩不可磨。然而马赫认为物体的惯性来源于宇宙中其他物质作用的想法（马赫原理）还值得进一步研究。

根据马赫原理，物体的惯性不是物体自身的属性，而是宇宙中其他物质对物体作用的结果，那么物体近旁如果有一个大质量物体，它就会对物体的惯性产生影响。例如，处在银河系中的一个物体的质量应来自两部分，一部分来自宇宙整体的影响，它是各向同性的；另一部分来自银河系的影响，它应是各向异性的，物体朝着或离开银心加速时惯性质量会稍有不同。是否存在这一各向异性的影响是物理学家关心的问题。

有一些关于马赫原理的实验检验，其中一个实验的要点如下，如果惯性质量是各向同性的，原子Li7的基态能级在磁场中劈裂为四个等间距的能级，能级之间跃迁的吸收光谱是一条谱线；但如果惯性质量是各向异性的，能级的劈裂不是等距的，则能级之间跃迁的吸收光谱不是一条而是靠得很近的三条谱线。实验在12小时间隔内进行，在此时间内地球的自转相对于银心处于不同位置。结果没有观察到谱线分裂，根据观察到的线宽，估计出质量的各向异性部分与各向同性部分之比m/m<10-21。结果并不支持马赫原理。

运动生物力学的定义篇10