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力的概念在牛頓力學中占有!根本的位置。牛頓在1664年就提出了力的定義是動量的時間變率(動量等于質(zhì)量乘速度)。牛頓定律(慣性定律)是力的定性的定義,它給出力在什么條件下存在和什么條件下不存在的定性條件。牛頓第二定律給出了力的定量的定義,即力等于動量的時間變率;如果質(zhì)量不變,力也等于質(zhì)量乘加速度。牛頓第三定律指出,對于每一個力而言,!有一大小相等方向相反的反作用力存在。它指出所有的力都是成對的,只在兩個物體相互作用時才能實現(xiàn)(見牛頓運動定律)。
牛頓的萬有引力理論的驚人成就,使!距作用力的概念推廣到物理學的其他分支中去。但是,牛頓并不能從物理上說清!距作用的實質(zhì),所以長期受到各方的嚴厲批評,直到A.愛因斯坦于1905年提出狹義相對論,指出一切物理作用傳播的!大速度是光速以后,人們才認識到牛頓有關(guān)!距作用力的概念有!大的局限性。愛因斯坦1915年在他的廣義相對論里明確指出,萬有引力的傳播速度不可能大于光速。
在歷史上,有許多科學家和哲學家曾指出,牛頓力學中的力的概念只是一種方法論性質(zhì)的工具,或是一種形而上學的東西。G.R基爾霍夫、H.B.赫茲和E.馬赫都認為牛頓的力的概念很難說明力的實質(zhì),但都肯定力是一種計算用的量,代表質(zhì)量和加速度的積。當然,牛頓提出的力的概念對科學進展的貢獻很大:沒有這種概念,物理就會失掉理論的連貫一致性。
力的單位牛頓第二定律既可以看作是質(zhì)量的定義,也可以看作是力的定義。前者把力看作是基本量,把質(zhì)量看作是第二定律的導出量;后者則反之。
我們把長度單位定義為標準衡器在兩點之間的距離,或用特定的光譜線波長來度量。同樣,時間可以用標準運動的周期。如地球公轉(zhuǎn)周期,時鐘的擺動周期,或分子的振動周期來衡量。利用這種長度和時間的單位,我們就能給出速度和加速度的定義和度量?,F(xiàn)在,我們通過兩種途徑探討牛頓第二定律,即制和引力制。在制中,我們引進標準物體的質(zhì)量為單位質(zhì)量,從而根據(jù)第二定律,把單位質(zhì)量產(chǎn)生單位加速度的力作為單位力。其他質(zhì)量原則上可以和標準單位質(zhì)量相比,用單位力作用測定它的加速度。這樣求得的加速度同它的質(zhì)量成反比。實驗證啁,質(zhì)量是一個標量,而力和加速度則都是矢量,它們服從矢量合成和分解的規(guī)律。
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