书城教材教辅中学理科课程资源-探寻物理起源
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第10章 动量

动量是物理学的一个基本概念,它是在量度物体的运动的研究和实验中引入和形成的。早在17世纪初,意大利物理学家伽利略首先引入了“动量”这个名词,伽利略的定义是指物体的重量和速度的乘积,这是用来描写物体遇到阻碍时所产生的效果的。

法国杰出的数学家与哲学家笛卡尔继承和发展了伽利略提出的动量概念。1644年,他在《哲学原理》一书中写道:“当一部分物质以两倍于另一部分物质的速度运动,而另一部分物质却大于这部分物质两倍时,我们应该认为这部分的物质具有相同的运动。”显然,笛卡尔是把物质的多少(质量)与速度的乘积(即mv)作为动量——物体“运动的量”的量度的。但由于那时“质量”的概念尚未建立,而且笛卡尔还未考虑到速度的方向性,因此动量的意义还未显示明确。

荷兰科学家惠更斯在研究物体碰撞问题时做出了突出的贡献。他在研究中发现动量是个矢量,在计算动量时,考虑到了速度的方向性。这是对动量概念的一大发展,但是惠更斯和笛卡尔一样还没有明确的质量概念,并常常把重量概念和质量概念混用,因此这时的动量概念还是处在形成和发展过程中。

1687年,英国物理学家牛顿在《自然哲学之数学原理》的巨著中,首次显示明确地定义了质量的概念,紧接着就定义了动量。他说:“运动的量是用它的速度与质量一起来量度的。”在这里,牛顿关于运动量度的思想是同笛卡尔、惠更斯等一致的,但因为建立了质量的概念与明确了速度的方向性,把动量作为一个矢量。因此,这是物理学的发展史上第一次真正建立了动量的概念。牛顿还通过他所总结出的牛顿第二定律,揭示出了在物体的相互作用中,正是动量这个物理量反映着物体运动变化的客观效果。

笛卡尔、惠更斯、牛顿等关于动量概念的思想,并没有得到一些科学家的赞同,并由此引起了一场长达半个多世纪的关于物质运动量度的争论,并在这场争论中,使动量概念得到了进一步的明确和发展。发起这场争论的首先是德国哲学家、科学家莱布尼兹,他在1686年发表的《关于笛卡尔和其他人在确定物体的运动量中的错误的简要论证》一文中,对笛卡尔学派及其他人的关于动量量度提出了批判。莱布尼兹在批判笛卡尔关于运动量量度的同时也看到了笛卡尔提出的量度在某些情况下是适用的,所以他又于1696年指出运动的量度显示分为“死力”(mv)与“活力”mv2。用他的说法,“死力”可用物体的质量与该物体由静止状态转入运动状态时获得的速度的乘积来度量,即用动量的变化来量度“死力”的大小,而宇宙中真正量度是“活力”。

关于两种量度的争论,长达半个多世纪,其中有不少著名的数学家、物理学家、哲学家都参加了这场讨论。1743年法国力学家达朗贝尔(1717-1788)在《动力学论》一书的序言中对这场争论作了“最后的判决”,他指出了两种量度的同样有效性,他认为“力”的量度显示分为两种情况:当物体平衡时,力用质量和物体虚速度的乘积即动量来量度,当物体受阻碍而停止时,则显示用质量乘速度的平方(即动能)来量度。在这里谈到了动量的变化与力的作用时间相关。

达朗贝尔认为这场争论只是一场“咬文嚼字”式的无意义的争论,两种量度同样有效,它们是从不同的侧面来反映物质的运动。在经过了大约一百三十年后,由于能量概念的建立与能量守恒定律的发现,使关于物质运动的量度问题更为明确。