从速度的定义谈运动的本质

蓝永康 陕西省西安思源学院基础部物理教研室，西安 710038

从速度的定义谈运动的本质

蓝永康 陕西省西安思源学院基础部物理教研室，西安 710038

分析了速度概念的起源、目的和意义，并从匀速运动的速度定义式中揭开了时间引入物理学中的深刻含义，即定义式中的时间就是一种假想的、抽象的匀速运动。从瞬时速度的定义中发现，描述客观运动的物理量只能反映运动的某个属性，并不是整个运动本身。进一步分析了用动量和动能来量度运动的意义。

匀速运动；瞬时速度；时间

uniform motion; instantaneous velocity; time

自然界中的一切物质都在运动，运动是物质存在的形式。因此，对物质运动的研究尤为重要。要研究运动，首先要描述它。人们对运动最直观的认识就是通过观察发现，自然界中的物体的运动是不一样的。对这种差别最早的描述就是物体运动的快慢不同。当两个或多个运动的物体同时在一个场景中出现时，或者简单说就是同时出现在我们眼前时，通过观察、比较就可以发现它们运动不一样。人们用“快慢”这一词来区别这种差别。物体运动快慢是一种直观、定性、模糊地描述。它对同时出现在一个场景中的运动物体有效。对于不是同时出现的两个运动或者是不在同一场景里的两个运动，就很难判断哪个物体运动快，哪个慢了。例如，某人观察A物体的运动，再过一段时间再观察B物体的运动，他就很难判断谁快谁慢了。如果是两个人分别去观察A、B两物体的运动，那就更难判断。

要区别不同时空中的两个物体的运动，就需要更精确更有效的量来描述它。因此，伽利略定义了速度这个物理量来描述运动。自然界中物体的运动是复杂多变的，但科学研究往往从最简单的入手。最简单的运动当然是匀速运动。伽利略定义匀速运动为：“任意相等的时间间隔内通过相等的距离”。因此，对于匀速运动的物体，描述它的物理量速度 就可以定义为，这个公式有两层含义。第一层含义是：匀速运动的物体，速度等于物体在某段时间内物体通过的路程和所用时间之比。这就使速度这个物理量具有可测量性。因为路程即长度可以测量得到，时间也是可以测量的量。这样速度就是一个可以变得更精确的量。第二层含义是：它在这里用比值法定义的量。比值的数学意义就是比较[1]。在不同时空中的A、B两运动物体不能直接比较。需要一个中间比较物来间接比较。如果A物体和C物体在同一时空中，C物体和B物体在同一时空中，那么就可以先比较A和C的运动，再比较B和C的运动，这样就可以间接地比较A和B的运动了。因此，速度定义式中s实际上就相当于A物体的运动，t就相当于中间比较物C的运动。同样，B物体的速度就是B物体的运动和C物体的运动之比。这样，A、B两物体的运动差别就可以从比值得到的数值中知道。所以，匀速运动的速度定义式中的t，我们常称为时间，从某种意义上来说它就是一个中间比较物。或者说它是一个理想的运动。这种理想运动在现实中可以选择一些近似规则的运动，如地球的自转、月亮的运动、沙漏、钟表等运动，选择这些有周期性的运动是为了便于定量化，最后都统一成了钟表的运动。由于人具有记忆和想象能力，钟表的运动可以在大脑里保存、再现，因此，久而久之，钟表的运动并不需要真实存在，可以把它抽象成一种假想的运动，这就是人所感觉到的“时间”。

速度只是人们用来描述运动的一种物理量而已，它并没有完全反映运动的所有性质。把速度完全等同于运动本身，就会带来一些困难。例如芝诺悖论中的飞矢不动悖论中认为：飞箭在运动的任一瞬间必定在一个确定位置，因而飞箭是静止的，所以飞箭就不能处于运动状态[3]。在这里芝诺把位置的变化（位移）当成了运动的本质原因了。位移和时间只是用来描述运动的物理量，它们和运动并没有因果关系。确切地说一个物体在某一瞬间处于某一位置，我们是无法从这一信息判断它是否在运动的。我们可以通过物体位移的改变来判断物体有运动，但反过来，运动的物体一定有位移就不一定正确了，这还需要看我们是如何观测的。由此可见，速度对运动的描述是不完备的，只是对运动现象的一种反映。也可以这样理解，物体运动速度具有相对性，对不同观察者运动速度是不一样的，具有一定的主观性。所以用速度这一物理量来描述运动是不够的，必须用更完备的物理量来描述运动。

在历史上就出现过关于运动量度问题之争。笛卡尔、牛顿等人用来描述运动，牛顿在第二运动定律中用的也是即今天说的动量。但是当时惠更斯研究碰撞问题时发现，不仅动量守恒，还有另一物理量守恒，后来德国科学家莱布尼兹接受惠更斯的思想，他从对落体运动的分析中发现使1磅重的物体下落4英尺和使4磅重的物体下落1英尺，不相等但相等，因此建议用来作为“运动量”的量度。后来法国科学家科里奥利建议把改为，就是现在的动能形式。后来到了能量概念及能量守恒和转换定律比较明确后，认为动量和动能都是量度机械运动不可缺少的物理量。恩格斯在《自然辩证法》一书中明确指出：“机械运动确实有两种量度： 是以机械运动来量度机械运动本身，而是以机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力即以动能来量度的机械运动”[4]。在这里进一步分析动量与动能之间的本质区别。用动量来描述运动是从系统整体的角度来描述运动的，要直接完整的描述一个物体的运动很困难的，单独用速度这一物理量并不能反映运动本身，因此把物体的运动放入一系统中从系统整体的变化来认识运动的性质，发现如果在一个孤立系统中（不受其他系统的影响），系统总的这个量没有变化，对系统中的一个物体，它是以为整体传递给系统中其它物体。因此和物体运动有关，能反映运动的特定性质，所以可以用动量来描述运动的性质。如果系统受到其他系统的影响的情况下，该系统的就会发生变化，但是该系统确实也在“运动”中，那怎样来描述该“运动”呢？人们认识到两相互作用的系统中，一个系统的这个量的减少等于另一系统该量的增量。所以不能直接描述该系统的“运动”，但可以从与它相互作用的系统的变化来认识该系统的“运动”。也就是恩格斯说的以机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力即以动能来量度的机械运动。由此可见，不管是动量还是动能，都只是从某一方面来反映运动本身，也不完全等同于运动本身。

物质都是在运动的，运动是物质存在的形式。但是，人们并不能完全认识运动的本质。最初只用速度来描述运动，芝诺悖论暴露了速度描述运动的缺陷，后来用动量和动能来量度运动，它们也只是把物体放入系统整体中来认识运动的某一性质。但是并没有完全认识运动本身。物体的机械运动，这种自然界中最本质、最普遍的现象，其实是最深刻、最能体现自然界规律的表现，对它的认识也就是对自然界的认识，还需要我们更深入的探索。

[1]邢红军.按照比值定义法的本质改进高中物理概念的编写[J].物理教师.2004, 25(4)

[2]张欣,刘筠.瞬时速度测量方法的探讨[J].科技信息.2010(24)

[3]刘二中.解析芝诺悖论内含的逻辑漏洞[J].自然辩证法研究,2005,21(11)

[4]张学恭.物理学发展史[M].西安交通大学出版社.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

蓝永康，男，助教，研究方向为基础物理。