时间：2022-04-17 05:18:06
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摘要: 对经典力学范围内现行的惯性观提出了不同的看法,认为对于惯性要区分:个别研究对象的性质与存在的性质;保持某种状态的性质与改变某种状态的性质;物理学规律的动力学特性与审美性。
关键词: 惯性;存在;时间;空间
惯性是经典力学中的一个基本概念,同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念,并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题(1)。可是,尽管经典力学经过了漫长的发展时期,大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性(2),本文试从几个方面对惯性进行了讨论,望引起大家的共识。
一、惯性的意义
大家知道,惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质(3)。一个物体,只要不受外力作用,原来静止的就会一直静止下去,而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于:惯性是否是物体的性质?依据牛顿第一运动定律,任何物体均具有惯性。因而,看来惯性不是被研究物体的性质,因为这一性质是一切物体所具有的,也就是说它与物体的个别特征无关。因而,惯性只能是存在的一个特征,是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说,它是存在于物体周围的一种条件,一种约束。
二十世纪初,德国数学家诺特尔(4)证明了:空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上,物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质,个别存在物只是惯性的显现者,惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量(例如质量)来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现,并无大小可言,它只是存在之状态的表达。
二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关
通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由:质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化,物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使(或抗拒)物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力,而在于它的保持某种特定状态(静止或匀速直线运动)的本领:在最相似的物之间,错觉说着最巧妙的谎;最小的罅隙是最难度(5)。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话,则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言,力越小其运动状态就越难改变。因而,也即力越小物体的惯性越大。事实上,在惯性概念发展的最初时期,牛顿就将惯性与力进行等价的思考,当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话,作者以为也只能从这样的一个视角来看:惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为,根据广义相对论,空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间,自从奥古斯丁(6)提出“什么是时间?”以来,人们还没有认清它的真面目,也因而从更深的层次上而言,人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。
惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因(诚然,所有物体均会表现出惯性),它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映,事实上,它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”(7)这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本分析而来的,在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实,惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质,它使物体的存在行为非常简单,而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止,运动的永远作匀速直线运动,惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的,作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书(8),我们来看一些下面的例子。
例1.惯性也有不利的一面,高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以,在城市的市区,对机动车的车速都有一定的限制,以利于行车安全。(9)
在这里,不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大?略作思考,读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是,由于车辆质量较大,而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小,不能使车辆很快地减速,从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大,那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
并且,这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。
例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下,斧头就牢牢地套在斧柄上了,这是什么缘故呢?(10)
通常标准答案是这样的:开始斧头和斧柄同时向下运动,当斧柄遇到障碍物时突然停止,而斧头由于惯性保持原来的运动状态,这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。
事实上,斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移,而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种(克服一定力的)运动,因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时,实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系,它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”,正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移,从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题,那么可以这样认为:虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力,但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能,正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看,一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移,二是斧头与斧柄的接触面上在发热。
如果仅从动力学的角度来看,斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间(或所通过的位移)所共同决定的,也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率,从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是,虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因,可严格地说,斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时 间也大有关系,因而,撞击“几下”也是一个非常重要的条件。
例3.小车上竖直放置一个木块,让木块随小车沿着桌面向右运动,当小车被档板制动时,车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢?(11)
教科书上的答案是这样的:小车突然停止的时候,由于木块和小车之间的摩擦,木块的底部也随着停止,可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态,所以木块向右倾倒。
事实上,本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物,小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩,从而木块向右倾倒。若以小车为参照物,小车被档板制动时已是一个非惯性系,作用在木块(重心)上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。
需要指出的是,在上述例2和例3中,斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题,而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是,在非惯性系中,我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立,从而也失去了此两例的代表意义。也就是说,这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象,而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子,毫无疑问是正确的(12),但我们许多的物理学工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时,用不着举更新鲜的特别例子,倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于,惯性不是使物体改变运动状态(使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒)的原因。严格地说,这些原因和物体的惯性无关,只和力有关,而至于火车制动得及时不及时,斧头套在斧柄上牢不牢,小木块倾倒得快不快,则不仅与力有关,还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。
惯性,这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质,其实是物体存在方式的一种条件性:“试取汽车为参考系统来研究‘当汽车急剧刹车的时候,车中乘客有向前倾倒的倾向’这个问题,在汽车急剧刹车前,相对于汽车而言,乘客是静止的,在汽车急剧刹车时,乘客突然向前倾,这就是说,以汽车为参考系统,乘客由静止而突然向前倾,并不保持其静止状态,并不表现出惯性”(13)。这个条件就是:物体要表现出惯性,它必须处于惯性参考系中。而“事物的存在顽强地延续维持不变,无论运动是快是慢抑或停止。”(14)也只在惯性系中才成立。在研究物体的运动学与动力学问题时,惯性系总有着特殊的地位。可是,这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳,并不是人类贪懒和间集化的一个报应,惯性系的存在有其形而上的基础:自然之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性,我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在计算上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式,其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是:存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。也因而,我们应当从审美的视角来看待惯性,而不应当将它看成一个恶魔或一件便宜货。
所有的老师都要求学生不要把惯性与惯性定律混为一谈,可是当我们的老师用动力学的观点来看待惯性——也就是说,把惯性与牛顿第二定律混为一谈的时候,对学生的这一期望是合适的吗?其实这是一个误区:当教完一些物理学的基本概念与规律以后,就要求学生用它们解释自然现象。事实上,物理学中有些基本概念与规律不是要求我们去解释自然现象,它没有这个功能,它只是告诉我们要去感受些什么,它提供给我们的不是一种推理的方式,而是一个判断的原则 :它促成我们的判断更接近于自然之美的呈现。
三、惯性定律与牛顿第二定律的关系
当物体所受的合外力为零时,从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是,仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体,而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质,因为这个“任何物体”,包括了天地间的万物,而万物的总称(15)即是宇宙:“四方上下曰宇,古往今来曰宙”.也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性:惯性是存在的特性,是存在着的时空的特性,是宇宙的特性。
其次,牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律,而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关,它是存在之状态的表述,它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性(16)构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位,从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问,物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系(17)。由此可见,不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例,恰恰相反,现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说,正是惯性现象,构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变,因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。
最后,牛顿把惯性定律放在三个运动定律的首位也是与其对自然的信仰因素有关的。因为在文艺复兴之前的绝大部分思想家继承了亚里士多德关于物体运动内在决定论的观点。但在牛顿看来,基本的物质粒子完全是惰性的,没有任何自发的运动,而电、磁、光这些‘非物质’的力量则成为神在自然中的行动的载体(18)。也就是说,惯性定律内隐含着牛顿否定亚里士多德运动观的内在目的论从而建立新力学的形而上基础。
四、惯性与具体物体的质量无关
从上面的讨论可以看出:“质量是物体惯性大小的量度”这个论题,在几个角度去看都是错误的。第一,质量不是物体惯性大小的量度。个别研究对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系,从内容上来看是个体与存在的关系,在它们之间,人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二,“物体(的)惯性”这样的说法缺乏依据,因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三,“惯性(的)大小”这样的说法也缺乏依据,因为惯性没有大小,惯性只是存在的一种表达方式,一种特定状态的显现。第四,既然惯性并无大小,我们也不可去进行量度,事实上,任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系,因为这一函数关系并不存在,它只是人们的一个虚假的逻辑推测,谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比 ,更不能得出它们之间的比例系数,因为这些关系均是虚假的。因而,物理学界流传的物体的惯性等于它的质量(19)只是人们一个随心所欲的错误言说。
由于物体质量与惯性无关,所以,将牛顿第二定律中的质量称为惯性质量就是不当的,质量的确对物体运动状态的改变有一种象力一样的阻抗作用,质量在改变物体运动的状态上而言似乎有一种“消解”、“抗拒”力的性质。因而作者认为可将现行的“惯性质量”改称为物体的“抗性质量”。正如牛顿所说:“物体只有当有其他力作用于它,或者要改变它的状态时,才会产生这种力。这种力的作用既可以看做是抵抗力,也可以看做是推斥力。(20)”因为质量与物体运动状态的变化快慢有关,它事实上具有动力学特征,当一个物体的质量大时,它对运动状态改变的阻抗能力就越大。
从逻辑上而言,我们只有将惯性从物质的内在因素中解除出来,才能完全地克服牛顿时代的机械论自然观与牛顿第一运动定律之间存在着的深刻矛盾。也就是说,这样才能使牛顿第一定律恰如其分地建立在由文艺复兴所形成的机械论而不是亚里士多德的目的论的形而上学基础之上。
五、惯性定律的表述方式
牛顿第一定律是动力学定律的基础,但它本身并不表征物体的某种动力学性质,它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据于上面的论述,对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分的:反映时间的均匀性,空间的对称性 ,及自然之美对人的呈现。可是,现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然,这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的,但以今天的眼光来看,这种差异性就成为值得商讨的了。
例如:一个物体,如果没有受到其他物体的作用,它就保持自己的静止状态或匀速直线运动状态(21)。这样的陈述可能离惯性定律的本义较远,因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的,陈述的对象是“一个物体”。这和牛顿第二定律的研究对象是一致的,这样方式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特例,因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。
另外一种常见的陈述方式是:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止。(22)这样一种表述比前一种完整多了,它几乎就是牛顿的原义,但这里的“一切物体”应当换成“任何物体”(23)。因为在此论述中的“任何物体”实际上是对一切物体的否定,而“有外力”应当换成“其它物体的作用”,因为惯性定律是不涉及力的,操作意义上的力这个动力学的基本概念与惯性无关。
作者试着这样来陈述惯性定律:存在着的宇宙有这样一种性质,它使任何物体在没有受到其它物体作用的时候总保持静止状态或匀速直线运动状态。或许,这样的一种陈述方式是较明晰的陈述方式,它强调了惯性与惯性的表现者(个别研究对象)的严格区分,这个陈述的主语是性质,这样的陈述才可称为关于“惯性”的定律。而我们也应当将惯性定义为:使物体保持静止或匀速直线运动状态的性质。
六、人们误解惯性的来源
人们在惯性问题上所犯的错误认识,既来源于历史上人们对于和惯性概念相联结的力与物体运动关系的一贯表达方式,又来源于牛顿的表述与对于牛顿力学理解上的偏差。“事实上,牛顿似乎注定要被人误解”。(24) 在牛顿所陈述的第一定律中:(25)“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态(Every body persists it's state of rest or of uniform motion in a straight line until it is compelled by some force to change that state.)”。牛顿对“除非有外力作用于它迫使它”作出了对应的理解,即认为保持其静止或匀速直线运动状态的物体是由内部原因的,这个内部原因即称为惯性:“vis insita,或物质固有的力,是一种起抵抗作用的力,它存在于每一个物体当中,大小与该物体相当,并使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动”。(26)在牛顿时代,作出这样的判断是无可厚非的:“一个物体,由于其物质的惰性(现称惯性——译者注),要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称它。”(27)因为在牛顿时代是无法判定惯性的本质的。从牛顿的这一段话我们大致可以判断出,他几乎是在第二定律的意义上来领会惯性的,因而他才认为(惯性)大小与该物体的运动和质量有关。
这一观点可以追踪到亚里士多德,它影响了包括牛顿在内的一大批科学家的思维方式。在牛顿之前的开普勒也就惯性说过(29):“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。”由此我们也可见,在开普勒那里已经有惯性等同于力与质量的观点了。
从上面的论述可以看出,人们对于惯性的错误理解主要是由历史原因所造成的,这个原因主要在于:人们普遍地认为事物外在的状态是有其内在原因的。当人们在物体之外找不到令人信服的可感觉的原因的时候,就只能把它归因于物体的内部。牛顿将惯性归因于物体的内部,把惯性看成阻碍物体改变其静止或匀速直线运动状况的内力,他假设的惯性非常接近布里丹的冲力——即:惯性作为一个内力,在缺乏外部动力或阻力时,会引起无定限的直线运动(30),另一方面,牛顿的惯性观又来自于他对古希腊关于自然具有灵魂观念的继承,我们可以从他的着作中强烈地感到,他具有自然界的物体与人一样会在受到作用时产生反作用这样一种强烈的思想意向。显然,在现代人看来,自然界的物体是与人具有本质区别的。
在牛顿以后,欧拉则将牛顿关于vis insita 的比较隐晦的注释作了同牛顿之前的有些科学家的直感一样的有一定危险性的表白:“惯性是物体保持静止或保持匀速直线运动的能力.....惯性的大小与质量成正比例。”(31) 可是现在看来,这种危险性中是带有错误的。从那以后到现在,人们对于惯性的理解基本上是庸俗性质的。随着现代物理学的发展,特别是诺特尔之后,我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关,而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。也就是说,我们必须对牛顿意义上的惯性作出更开放性与发展性的理解,牛顿的vis insita(惯性是一个消极的本原,靠此本原物体维持它们的运动或静止,按照作用力的大小接受运动,按照受到阻力的大小抵制运动。(32))可以深入为两个层面的结论:在没有外力的作用下,一个物体,它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性,即时间均匀性与空间对称性;在同样大小的力的作用下,一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性——抗性,即它的质量较大。
摘要: 对经典力学范围内现行的惯性观提出了不同的看法，认为对于惯性要区分：个别 研究 对象的性质与存在的性质；保持某种状态的性质与改变某种状态的性质；物 理学 规律 的动力学特性与审美性。
关键词: 惯性；存在；时间；空间
惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念，并且惯性 问题 也是经常被物理学界讨论的一个话题（1）。可是，尽管经典力学经过了漫长的 发展 时期，大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性（2），本文试从几个方面对惯性进行了讨论，望引起大家的共识。
一、惯性的意义
大家知道，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质（3）。一个物体，只要不受外力作用，原来静止的就会一直静止下去，而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于：惯性是否是物体的性质？依据牛顿第一运动定律，任何物体均具有惯性。因而，看来惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说它与物体的个别特征无关。因而，惯性只能是存在的一个特征，是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说，它是存在于物体周围的一种条件，一种约束。
二十世纪初，德国数学家诺特尔（4）证明了：空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上，物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质，个别存在物只是惯性的显现者，惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量（例如质量）来测度惯性。因为惯性作为存在的一种显现，并无大小可言，它只是存在之状态的表达。
二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关
通常认为质量是物体惯性大小的量度是据于这样的理由：质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。这是由牛顿第二定律所得到的基本结论。而事实上物体运动状态是否变化，物体运动状态的变化是难还是容易是与惯性无关的。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使（或抗拒）物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力，而在于它的保持某种特定状态（静止或匀速直线运动）的本领：在最相似的物之间，错觉说着最巧妙的谎；最小的罅隙是最难度（5）。因而惯性与物体的质量无关。倘若惯性与物体的质量有关的话，则我们也可以说力与惯性也有关系。因为对于相同质量的物体而言，力越小其运动状态就越难改变。因而，也即力越小物体的惯性越大。事实上，在惯性概念发展的最初时期，牛顿就将惯性与力进行等价的思考，当然现在大家知道牛顿的把惯性等同于力的思想是错的了。如果要说质量与惯性确有联系的话，作者以为也只能从这样的一个视角来看：惯性是由其表现物体周围存在着的与时空有关的天体质量分布情况决定着的性质。这是因为，根据广义相对论，空间的性质是由天体质量的分布所决定的。至于时间，自从奥古斯丁（6）提出“什么是时间？”以来，人们还没有认清它的真面目，也因而从更深的层次上而言，人们只认识到什么是惯性而还没有搞清惯性是什么。
惯性不是一种由个别物体自身所具备的原因（诚然，所有物体均会表现出惯性），它不是我们的一种吃力的、需要支撑的、痛苦感的反映，事实上，它是存在之美感的绽开。因而“惯性是物体对任何改变其运动状态的外来作用的阻抗的性质”（7）这样一种说法就是不当的。因为这一注释还是从对牛顿第二定律的基本 分析 而来的，在这一注释中已经隐藏了牛顿第二定律及对惯性与物体质量等价的认同感。其实，惯性是一种令人十分安全的、舒适的、和谐的存在之性质，它使物体的存在行为非常简单，而人们也往往由于常见到这种存在的简单性而忽视了它的深层含义。静止的永远静止，运动的永远作匀速直线运动，惯性就是将存在如此单调而重复地显现在人们眼前。凡是背离了这两种物体的存在情况而用惯性去解释其存在原因的，作者以为均属一种不当的诡辩行为。可是这种诡辩行为不仅麻木了人的脑神经而且充斥着各种各样的教科书（8），我们来看一些下面的例子。
例1．惯性也有不利的一面，高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成 交通 事故。所以，在城市的市区，对机动车的车速都有一定的限制，以利于行车安全。（9）
在这里，不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大？略作思考，读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是，由于车辆质量较大，而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小，不能使车辆很快地减速，从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大，那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
并且，这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是一个很大的误导。
例2．把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下，斧头就牢牢地套在斧柄上了，这是什么缘故呢？（10）
通常标准答案是这样的：开始斧头和斧柄同时向下运动，当斧柄遇到障碍物时突然停止，而斧头由于惯性保持原来的运动状态，这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。
事实上，斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移，而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。在此问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种（克服一定力的）运动，因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时，实际上斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系，它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”，正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移，从而使斧头在斧柄上套牢。如果一定要以地面为参照系来看斧头在斧柄上套牢的问题，那么可以这样认为：虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力，但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能，正是这个能量克服了阻力作功从而转化为内能。所以从效果上看，一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移，二是斧头与斧柄的接触面上在发热。
如果仅从动力学的角度来看，斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间（或所通过的位移）所共同决定的，也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在“水泥地面”上“撞击”这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率，从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是，虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因，可严格地说，斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系，因而，撞击“几下”也是一个非常重要的条件。
例3．小车上竖直放置一个木块，让木块随小车沿着桌面向右运动，当小车被档板制动时，车上的木块向右倾倒。这是怎么回事呢？（11）
教科书上的答案是这样的：小车突然停止的时候，由于木块和小车之间的摩擦，木块的底部也随着停止，可是木块的上部由于惯性要保持原来的运动状态，所以木块向右倾倒。
事实上，本例中小车上木块的倾倒是由于力矩作用的缘故。若以地面为参照物，小车对木块的摩擦力对木块的重心而言有一个顺时针旋转的力矩，从而木块向右倾倒。若以小车为参照物，小车被档板制动时已是一个非惯性系，作用在木块（重心）上的“惯性力”对木块的底端也产生一个使木块作顺时针旋转的力矩。
需要指出的是，在上述例2和例3中，斧头在斧柄上套牢和木块在小车上倾倒已是一个涉及物体在非惯性系中的动力学的问题。其中例2是非惯性系中的质点动力学问题，而例3则是非惯性系中的刚体动力学问题。可是，在非惯性系中，我们通常意义上所论述的牛顿第一定律已不成立，从而也失去了此两例的代表意义。也就是说，这两个例子不仅是不准确的解释而且是不适当的例子。在涉及惯性的问题上我们必须分别那些是属于惯性现象，而那些则不属于惯性现象——即为动力学现象。牛顿的例子，毫无疑问是正确的（12），但我们许多的物理学工作者却将惯性对事物的解释范围作了相当随意而并不恰当的扩展或扭曲。其实在讲述惯性时，用不着举更新鲜的特别例子，倒是需指出惯性使我们对事物常态的存在方式太熟视无睹了。这里问题的关键在于，惯性不是使物体改变运动状态（使火车制动、使斧头套牢在斧柄上、使小木块倾倒）的原因。严格地说，这些原因和物体的惯性无关，只和力有关，而至于火车制动得及时不及时，斧头套在斧柄上牢不牢，小木块倾倒得快不快，则不仅与力有关，还和物体的质量、形体、初速度有关。但即使如此地与质量和初速有关却也与惯性无关。
惯性，这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质，其实是物体存在方式的一种条件性：“试取汽车为 参考 系统来研究‘当汽车急剧刹车的时候，车中乘客有向前倾倒的倾向’这个问题，在汽车急剧刹车前，相对于汽车而言，乘客是静止的，在汽车急剧刹车时，乘客突然向前倾，这就是说，以汽车为参考系统，乘客由静止而突然向前倾，并不保持其静止状态，并不表现出惯性”（13）。这个条件就是：物体要表现出惯性，它必须处于惯性参考系中。而“事物的存在顽强地延续维持不变,无论运动是快是慢抑或停止。”（14）也只在惯性系中才成立。在研究物体的运动学与动力学问题时，惯性系总有着特殊的地位。可是，这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳,并不是人类贪懒和间集化的一个报应，惯性系的存在有其形而上的基础： 自然 之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性，我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在 计算 上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式，其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是：存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。也因而，我们应当从审美的视角来看待惯性，而不应当将它看成一个恶魔或一件便宜货。
所有的老师都要求学生不要把惯性与惯性定律混为一谈，可是当我们的老师用动力学的观点来看待惯性——也就是说，把惯性与牛顿第二定律混为一谈的时候，对学生的这一期望是合适的吗？其实这是一个误区：当教完一些物理学的基本概念与规律以后，就要求学生用它们解释自然现象。事实上，物理学中有些基本概念与规律不是要求我们去解释自然现象，它没有这个功能，它只是告诉我们要去感受些什么，它提供给我们的不是一种推理的方式，而是一个判断的原则 ：它促成我们的判断更接近于自然之美的呈现。
三、惯性定律与牛顿第二定律的关系
当物体所受的合外力为零时，从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是，仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的 研究 对象是一个物体，而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质，因为这个“任何物体”，包括了天地间的万物，而万物的总称（15）即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今来曰宙”.也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性：惯性是存在的特性，是存在着的时空的特性，是宇宙的特性。
其次，牛顿第二定律是关于个别物体因果性的 规律 ，而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关，它是存在之状态的表述，它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性（16）构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位，从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问，物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系（17）。由此可见，不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例，恰恰相反，现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说，正是惯性现象，构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变，因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。
最后，牛顿把惯性定律放在三个运动定律的首位也是与其对 自然 的信仰因素有关的。因为在文艺复兴之前的绝大部分思想家继承了亚里士多德关于物体运动内在决定论的观点。但在牛顿看来，基本的物质粒子完全是惰性的，没有任何自发的运动，而电、磁、光这些‘非物质’的力量则成为神在自然中的行动的载体（18）。也就是说，惯性定律内隐含着牛顿否定亚里士多德运动观的内在目的论从而建立新力学的形而上基础。
四、惯性与具体物体的质量无关
从上面的讨论可以看出：“质量是物体惯性大小的量度”这个论题，在几个角度去看都是错误的。第一，质量不是物体惯性大小的量度。个别研究对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系，从 内容 上来看是个体与存在的关系，在它们之间，人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二，“物体（的）惯性”这样的说法缺乏依据，因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三，“惯性（的）大小”这样的说法也缺乏依据，因为惯性没有大小，惯性只是存在的一种表达方式，一种特定状态的显现。第四，既然惯性并无大小，我们也不可去进行量度，事实上，任何一本教科书上也没有指出惯性与质量的函数关系，因为这一函数关系并不存在，它只是人们的一个虚假的逻辑推测，谁也不能证明质量与惯性成正比或不成正比 ，更不能得出它们之间的比例系数，因为这些关系均是虚假的。因而，物 理学 界流传的物体的惯性等于它的质量（19）只是人们一个随心所欲的错误言说。
由于物体质量与惯性无关，所以，将牛顿第二定律中的质量称为惯性质量就是不当的，质量的确对物体运动状态的改变有一种象力一样的阻抗作用，质量在改变物体运动的状态上而言似乎有一种“消解”、“抗拒”力的性质。因而作者认为可将现行的“惯性质量”改称为物体的“抗性质量”。正如牛顿所说：“物体只有当有其他力作用于它，或者要改变它的状态时，才会产生这种力。这种力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。（20）”因为质量与物体运动状态的变化快慢有关，它事实上具有动力学特征，当一个物体的质量大时，它对运动状态改变的阻抗能力就越大。
从逻辑上而言，我们只有将惯性从物质的内在因素中解除出来，才能完全地克服牛顿 时代 的机械论自然观与牛顿第一运动定律之间存在着的深刻矛盾。也就是说，这样才能使牛顿第一定律恰如其分地建立在由文艺复兴所形成的机械论而不是亚里士多德的目的论的形而上学基础之上。
五、惯性定律的表述方式
牛顿第一定律是动力学定律的基础，但它本身并不表征物体的某种动力学性质，它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据于上面的论述，对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分的：反映时间的均匀性，空间的对称性，及自然之美对人的呈现。可是，现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然，这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的，但以今天的眼光来看，这种差异性就成为值得商讨的了。
例如：一个物体，如果没有受到其他物体的作用，它就保持自己的静止状态或匀速直线运动状态（21）。这样的陈述可能离惯性定律的本义较远，因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的，陈述的对象是“一个物体”。这和牛顿第二定律的研究对象是一致的，这样方式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特例，因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。
另外一种常见的陈述方式是：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。（22）这样一种表述比前一种完整多了，它几乎就是牛顿的原义，但这里的“一切物体”应当换成“任何物体”（23）。因为在此论述中的“任何物体”实际上是对一切物体的否定，而“有外力”应当换成“其它物体的作用”，因为惯性定律是不涉及力的，操作意义上的力这个动力学的基本概念与惯性无关。
作者试着这样来陈述惯性定律：存在着的宇宙有这样一种性质，它使任何物体在没有受到其它物体作用的时候总保持静止状态或匀速直线运动状态。或许，这样的一种陈述方式是较明晰的陈述方式，它强调了惯性与惯性的表现者（个别研究对象）的严格区分，这个陈述的主语是性质，这样的陈述才可称为关于“惯性”的定律。而我们也应当将惯性定义为：使物体保持静止或匀速直线运动状态的性质。
六、人们误解惯性的来源
人们在惯性 问题 上所犯的错误认识，既来源于 历史 上人们对于和惯性概念相联结的力与物体运动关系的一贯表达方式，又来源于牛顿的表述与对于牛顿力学理解上的偏差。“事实上，牛顿似乎注定要被人误解”。（24） 在牛顿所陈述的第一定律中：（25）“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫使它改变那个状态（every body persists it's state of rest or of uniform motion in a straight line until it is compelled by some force to change that state.）”。牛顿对“除非有外力作用于它迫使它”作出了对应的理解，即认为保持其静止或匀速直线运动状态的物体是由内部原因的，这个内部原因即称为惯性：“vis insita,或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体当中，大小与该物体相当，并使之保持其现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动”。（26）在牛顿时代，作出这样的判断是无可厚非的：“一个物体，由于其物质的惰性（现称惯性——译者注），要改变它的静止或运动状态就极其不易。因此这种固有的力可以用一个最确切的名称‘惯性’或‘惰性力’来称它。”（27）因为在牛顿时代是无法判定惯性的本质的。从牛顿的这一段话我们大致可以判断出，他几乎是在第二定律的意义上来领会惯性的，因而他才认为（惯性）大小与该物体的运动和质量有关。
这一观点可以追踪到亚里士多德，它 影响 了包括牛顿在内的一大批 科学 家的思维方式。在牛顿之前的开普勒也就惯性说过（29）：“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。”由此我们也可见，在开普勒那里已经有惯性等同于力与质量的观点了。
从上面的论述可以看出，人们对于惯性的错误理解主要是由历史原因所造成的，这个原因主要在于：人们普遍地认为事物外在的状态是有其内在原因的。当人们在物体之外找不到令人信服的可感觉的原因的时候，就只能把它归因于物体的内部。牛顿将惯性归因于物体的内部，把惯性看成阻碍物体改变其静止或匀速直线运动状况的内力，他假设的惯性非常接近布里丹的冲力——即：惯性作为一个内力，在缺乏外部动力或阻力时，会引起无定限的直线运动（30），另一方面，牛顿的惯性观又来自于他对古希腊关于自然具有灵魂观念的继承，我们可以从他的著作中强烈地感到，他具有自然界的物体与人一样会在受到作用时产生反作用这样一种强烈的思想意向。显然，在 现代 人看来，自然界的物体是与人具有本质区别的。
在牛顿以后，欧拉则将牛顿关于vis insita 的比较隐晦的注释作了同牛顿之前的有些科学家的直感一样的有一定危险性的表白：“惯性是物体保持静止或保持匀速直线运动的能力．．．．．惯性的大小与质量成正比例。”（31） 可是现在看来，这种危险性中是带有错误的。从那以后到现在，人们对于惯性的理解基本上是庸俗性质的。随着现代物理学的 发展 ，特别是诺特尔之后，我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关，而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。也就是说，我们必须对牛顿意义上的惯性作出更开放性与发展性的理解，牛顿的vis insita（惯性是一个消极的本原，靠此本原物体维持它们的运动或静止，按照作用力的大小接受运动，按照受到阻力的大小抵制运动。（32））可以深入为两个层面的结论：在没有外力的作用下，一个物体，它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性，即时间均匀性与空间对称性；在同样大小的力的作用下，一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性——抗性，即它的质量较大。
【摘 要】经典力学，作为高中物理的重要章节之一，在考试中也占据着较高的分值。那么，如何让高中学生学好物理的经典力学是我们教师一直在关注的话题。就此，本文针对高中生如何更好地学习高中物理之经典力学的学习方法提出相关建议。
【关键词】高中物理 经典力学 学习方法 建议
力学贯穿着整个高中物理的学习，学生学好经典力学的板块，有利于他们今后在物理方面的深入学习，让他们后续的物理学习变得更加容易。当然，要学好某种知识讲究的是方法，方法对了，自然离成功也就近了，下面就来分享我经过多年教学而提炼出的针对高中生对经典力学的学习方法及相关建议。
一、理解掌握概念，巩固基础知识
对于理科学习，如果仅仅靠死记硬背来学习理科知识的办法是不可取的。尤其对于我们的物理学科，学生需要的是理解和记忆。只有这样两项结合，学生才能把基础知识学的更扎实，才能得巩固所学的知识，只有基础知识掌握牢固了，才谈得上更深入的学习。 就拿学生学习摩擦力来说，学生首先要掌握的是摩擦力的定义：“两个互相接触的物体，当它们要发生或已经发生相对运动时。就会在接触面上产生一种阻碍相对运动的力，这种力就叫做摩擦力”。其次通过定义需要总结出物体之间产生摩擦力必须要具备的条件：第一，物体间有相互接触、挤压；第二，接触面必须要粗糙；第三，物体间有相对运动趋势或者是相对运动。我们不需要学生硬性的去记住这些定义以及摩擦力产生的条件。但是，学生需要通过理解的方式来掌握我们所讲解的知识点。再者，学生可以通过生活中的一些例子，去感受摩擦力的存在，领悟产生摩擦力所需要的条件。比如，人在走路时，鞋底与地面的摩擦，在我们前进的时候也相对于地面发生了位移，也就是与地面发生了相对运动，而且地面也是粗糙的。这样的例子既贴近生活，而且也包含了学生需要掌握的知识。让学生通过生活中的事例，理解知识，进而掌握知识，是学生在物理知识的学习上应该具备的能力。
二、掌握相关解决经典力学试题的典型方法
（一）整体隔离法在物理上的有效运用
所谓的整体法就是把多个物体看成一个整体的大物体。当学生对物体进行受力分析时，就不需要去考虑物体之间的内力，就只需要考虑外力对于物体的作用效果。在使用整体法时，学生省去对内力的求解。在一定程度上，让学生在做题时计算量减小，而且更容易理解物体的运动情况。当然，学生在使用整体法的时候需要注意以下这些方面：首先要明确研究的系统的运动状态、过程；其次画出系统的受力示意图；最后根据相关的物理知识，进行列方程并求解。
隔离法就是把需要我们分析的物体从一个体系中隔离出来。这时需要我们学生的想象，把我们隔离出来的物体想象成单个物体，通过对隔离出来的物体进行分析。此时，不用考虑其他的物体对该物体的作用力。对于隔离法的使用，学生应该注意的是：首先要明确隔离的对象，其次对隔离出的物理运动状态加以分析，再画出物体的受力示意图，最后在运用相关的物理知识列出方程求解。
在物理经典力学中，连接体处使用整体隔离方法 ，可以让学生的计算量简化，并且对于物体的受力分析更清楚。计算量的简化在考试中能节约学生的时间，也让结果的正确率也提高了很多。
（二）改变研究对象法在经典力学上的运用
在我们的物理试题中连接体的试题是非常常见的。这类题会让学生求出其中一个物体在克服摩擦方面做了多少功。往往要分析清楚该物体的运动情况对于高中学生来说并不容易，而且也很容易出错，而与此物体连接的另一个物体的受力情况、运动情况是很容易分析出来的。这时我们便可以通过改变研究对象来解决此题。就比如说，一个放在粗糙的木板的A物体经过一根细线，再通过一定滑轮连接一竖直静止的B物体（通过手捧住，保证物体最先处于静止状态），当松手后，B物体往下运动的过程中，求物体A的内能如何变化？对于该问题，当我们只对A分析时，过程是比较复杂，如果我们更换研究对象。对于体系来说，B物体的机械能的减少也就等于A物体的内能增加。对于这类题，当我们改变研究对象，把复杂的运动过程简单化，让我们的物理解题速度加快，正确率也会提高。
（三）模型法在高中物理之经典力学上的运用
所谓的模型法就是通过模型去揭示原型的本质特征。在物理上通过模型法，去解决试题的运用是相当广泛的。我们有理想化模型质点、点电荷，有想象模型电场线、磁感线……，总之模型法在我们物理上运用是比较多的。在遇到的试题中，同样有可以采取模型法去解答试题，比如我们常考的板块模型。学生可以通过老师讲解板块模型的基础知识去应对考试中改编版的板块模型试题。
三、端正态度，学习物理
（一）端正态度学习物理的好处
有了前面介绍的对高中物理经典力学的学习方法后，学生还应当作的就是端正学习态度。态度是决定做好一件事情的因素之一，有了好的学习物理的方法后，学生还要端正态度去对待物理的学习，这样才会让学生在物理学习方面取得更高的成就。
（二）课前预习，课中听课，课后温习
我们要求学生对所学知识提前进行预习，是让学生带着目的听课，学生不可能一节课都做到全神贯注，所以让学生有目的地，可以提高听课效率，课堂中我们要求学生是在他们困惑之处认真听，当然，课后的温习可以加深学生对课堂知识的印象，再者，在温习时去发现上课没明白的地方，通过问老师或者同学，可以把知识点弄明白。
（三）学会归纳总结
对所学过的知识进行归纳、总结，再比较知识点之间的差异，是学生学习每一科都很实用的方法。对于我们物理的学习，学生在学完一个章节时，把所学的知识分类，通过对比找出各知识点间的差异。这样不仅可以锻炼学生的归纳能力，而且利于学生对知识点的掌握。因为在物理的力学学习中，有些概念学生并不容易区分，如果他们自己通过去归纳，而找出其中的不同，这样能帮助他们在易混淆的概念上区分清楚。
总之，对于高中学生学习物理经典力学的板块是有一定难度的，然而经典力学却伴随着整个高中物理学习。只有学生采取正确的学习经典力学的方法时，才能更好地学习力学部分。以上是我根据多年的教学而感悟出的学习高中物理经典力学的方法。我还将继续探寻如何让学生更好地学懂经典力学知识的方法，也希望其他物理老师能提出相关的建议，让我们的学生更好地学习物理。
摘 要： 在实际高中物理教学中，从高一《万有引力与航天》这一章开始就遇到一些关于经典力学局限性的问题，高三复习时也有此类问题。本文立足高中物理教学就经典力学的局限性问题做了初步讨论。
关键词： 高中物理 经典力学 局限性
经典力学的基础是牛顿运动定律，随着科学的发展和社会的进步，牛顿于1687年在《自然哲学的数学原理》中发表了万有引力定律，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速、弱引力的广阔领域，包括在天体力学的研究中经受实践的检验，显示出牛顿运动定律的正确性和经典力学的魅力。但是，再伟大的科学理论，也不会穷尽一切真理，经典力学也有自己的局限性。那么经典力学的局限性究竟在哪里？要搞清楚这个问题，我们首先了解一下宇宙。
一、宇宙
1.经典的时空观
在《自然哲学的数学原理》中关于时间，牛顿写道：绝对的、真实的和数学的时间，由其特性决定，自身均匀地流逝，与一切外在事物无关，又名延续；相对的、表观的和通常的时间是可感知和外在的（不论是精确的或者是不均匀的）对运动之延续的量度，它常被以代替真实时间，如一小时、一天、一月、一年。
关于空间，牛顿写道：绝对空间，就其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动。相对空间是一些可以在绝对空间中运动的结构，或是绝对空间的量度，我们通过它与物体的相对位置感知它；它一般被当做不可移动的空间。也就是说，时间自宇宙中均匀的流逝着，而空间就好像一个容器，两者之间没有联系，也不与物质运动发生关系。
牛顿的时空观与我们的经验是那样吻合，以至于我们会情不自禁地认为时间和空间的概念太浅显了，而探索“时空究竟是什么”似乎成了一个多余而天真的问题。
然而，在1905年的时候，爱因斯坦提出了一种崭新的时空观念。他指出，在研究物体的高速运动（速度接近真空中的光速）时，物体的长度即物体占有的空间，以及物理过程、化学过程、甚至还有生命过程的持续时间，都与它们的运动状态有关。这样，时间和空间不再与物体及其运动无关而独立存在了，世界在世人面前翻开了新的一页。
2.爱因斯坦的时空观
（1）狭义相对论的时空观
爱因斯坦的侠义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。一是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关；二是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。
从这两个基本假设出发，爱因斯坦得出以下主要结论：（1）长度收缩，即运动物体在运动方向长度缩短；（2）时钟变慢，即运动着的时钟要变慢；（3）光速极限，即任何物体的速度都不可能超过光速；（4）同时性是相对的，即在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个惯性系中测量便不是同时发生的；（5）如果物质运动的速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，因此相对论比牛顿力学具有更普遍的意义。
时间和空间的相对性和统一性，是狭义相对论的核心思想。狭义相对论从数学关系上精确地揭示了空间和时间的统一性，所谓孤立的空间和孤立的时间在自然界是不存在的。爱因斯坦的这一新的时空观由他的大学数学老师闵可夫斯基（MinkowskiH，1864―1909）做了重大发展。他在通常的三个空间坐标系以外，又引入了新的第四个坐标，从此人们才弄清楚，原来自然界的每一真实事件，都只能在四维时空连续区才能作出全面描述。
（2）广义相对论的时空观
爱因斯坦对于1905年提出的相对论并不满意，因为其中只涉及了相对做匀速运动的参照系，而没考虑到加速运动，所以并不完备。这也是今天我们称它为“狭义”相对论的原因。1915年，爱因斯坦进而把相对性状原理从匀速运动推广到加速运动，完成了广义相对论的表述。1916年，他写成总结性论文《广义相对论的基础》，宣告了广义相对论的诞生。
广义相对论基础的两个基本原理：（1）广义相对性原理；（2）等效原理。广义相对论实际上是关于空间、时间与万有引力关系的理论，它指出空间、时间不可能脱离物质而独立存在，空间、时间随物质分布和运动速度的变化而变化，揭示了时空与物质的内在联系。广义相对论进一步指出，由于物质的存在，时间和空间会发生弯曲，万有引力实际上是时空弯曲的表现。
对这两种时空观有一个基本的认识后，我们再讨论一下经典力学适应的领域。
二、惯性系和非惯性系
描写物体的运动，可以考虑研究问题的方便，而任意选择参考系。一个乘客在加速的火车车厢里行走，描述他的运动，可以用地面作参考系，也可以用车厢作参考系。但是，确定运动和力关系的牛顿运动定律，却不是对任何参考系都成立。
我们生活在地球上，通常是相对地面参考系研究物体运动的。伽利略的理想实验及高中物理里做过的研究运动和力关系的实验，都是用地面作参考系的。在地面上所做的许多观察和实验表明，牛顿运动定律对地面参考系是成立的。
那么，除了地面参考系外，牛顿运动定律还对什么参考系成立呢？
1632年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，他对于在船舱里观察到的现象有一段生动的描述：“……船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向各方向飞行，鱼向各个方向随意游动，水滴滴进下面的罐中；你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相同。当你仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右的摆动，你将发现，所有上述现象都没有丝毫变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动……”
伽利略的这段描述说明：在相对于地面做匀速直线运动的船舱里进行的力学实验和观测，与地面上的力学实验和观测，结果并没有差异。这就是说，以相对于地面做匀速直线运动的物体作为参考系，牛顿运动定律也是成立的。
那么，在相对于地面做变速运动的参考系中，牛顿运动定律是否成立呢？
先设想有一辆做匀速直线运动的车厢，在车厢的桌面上放一个小球。相对于车厢参考系来说，小球保持静止，小球所受的合外力为零，符合牛顿运动定律。现在设想车厢开始向右做加速运动，在车厢里观测，小球将向左做加速运动，而小球并没有受到其他物体的作用力，所受的合力仍为零。这说明：在相对于地面做变速运动的车厢里，牛顿运动定律不再成立。
在物理学中，把牛顿运动定律成立的参考系，称为惯性参考系，简称惯性系。牛顿运动定律不成立的参考系，称为非惯性系。研究地面上物体的运动，地面参考系通常可认为是惯性系，相对地面做匀速直线运动的参考系，也是惯性系。在高中物理中，我们一般以惯性系作为参考系。
经典力学在处理宏观物体的低速运动问题时（如上面提到的各种宏观物体的运动），是完全适用的。20世纪初，著名的物理学家爱因斯坦（1879―1955）提出了狭义相对论，改变了经典力学的一些结论。在经典力学中，物体的质量是固定不变的，而相对论指出质量要随速度的增大而增大。即
m=■
式中m■是物体静止时的质量，m是物体速度为v时的质量，c是真空中的光速。
按照上式计算，在低速运动中，如地球以3×10■ m/s的速度绕太阳公转时，质量的增大十分微小，经典力学完全适用。当速度接近光速c时，如速度v=0.8c时，质量约增大到原质量的1.7倍。这时，经典力学就不适用了。
19世纪末20世纪初，物理学的研究深入微观世界，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，而且具有波动性，它们的运动规律不能用经典力学说明。20世纪初期，建立了量子力学，它能正确地描述微观粒子的正确性，并在现代科学技术中发挥重要作用。这就是说，经典力学也不适用于微观粒子。
综上所述，我们可以发现，经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子。
【摘要】梁氏（笔者）对经典力学的思考发现其基本定律（公理）是牛顿――梁氏定律，对时空理论的思考发现其基本方程是梁氏变换，对重力理论的思考发现重力场场强的相对性和物体重力的相对性。
【关键词】牛顿――梁氏定律；梁氏变换；牛顿――梁氏力学；梁氏相对论
1. 对经典力学的思考经典力学是实验科学，其概念、方程、定理、定律、原理等等都直接来源于实验（实验可重复，实验结果可观测）。牛顿力学引入不可观测（找不到）的惯性系和不可测量（不可作实验检验）的惯性力是错的，不是实验科学的概念。经典力学理论之公理只有一条，即牛顿――梁氏定律。经典力学之基本方程（即数学基础）是牛顿――梁氏定律数学表达式，经典力学之基本定理是动量定理、动量矩定理和动能定理（这些定理的数学表达式均由基本方程导出），这样的经典力学称为普适经典力学或牛顿――梁氏力学。普适经典力学适用于任何一个参照系，地面参照系S上的经典力学称为S上的普适经典力学（其基本方程是牛顿――梁氏定律在S上的表达式F=ma ，此式被迄今物理学误认为是牛顿第二定律表达式〔1〕），相对于S匀速平动的参照系Sv上的经典力学称为Sv上的普适经典力学（其基本方程是牛顿――梁氏定律在Sv上的表达式Fv=mav，相对于S变速运动的参照系S`上的经典力学称为S`上的经典力学（其基本方程是牛顿――梁氏定律在S`上的表达式 F`=ma`），天宫一号实验室S*上的经典力学称为S*上的普适经典力学（其基本方程是牛顿――梁氏定律在S*上的表达式 ΣFi=ma*）。若将F=ma ， F=mav ， F`=ma`和ΣFi=ma*统一表为F合=ma 合（即质点所受合力等于质点质量乘以质点加速度），则牛顿――梁氏定律表达式就是F合=ma 合 。因此，迄今物理学将S上的经典力学称为牛顿力学成为历史性错误。牛顿力学基本定律只有一条牛顿第二定律，因其基本方程 F=ma 与牛顿第一、三定律无关，故牛顿第一、三定律不是牛顿力学之公理。公理愈少的理论体系愈好。值得指出，经典力学的应用其实就是牛顿――梁氏定律的应用， F=ma 的应用被误认为是牛顿定律应用，天空一号上的质量测量实验被误为是牛顿定律实验。还值得指出， Fv=mav证明伽利略相对性原理不成立（随之狭义相对性原理不成立）；因为实验方程 包含 ，所以 反映的物理定律不能称为梁氏定律而只能称为牛顿――梁氏定律，随之经典力学不能称为梁氏力学只能称为牛顿――梁氏力学（又称普适经典力学，其中普适之意不言自明）。到此可见，牛顿――梁氏力学才是名符其实的实验的经典力学。
2. 对时空理论的思考以时间空间变换式（简称时空变换〔2〕）为基本方程（即数学基础）的理论称为时间空间理论，简称时空理论。洛伦兹变换是两坐标系（参照系）相对匀速平动的时空变换，因此狭义相对论是匀速平动情况的时空理论（简称为匀速平动时空理论或匀速平动相对论）。两坐标系的普遍的相对运动是变速运动，于是梁氏发现了变速运动情况的时空变换――梁氏变换〔2〕，以梁氏变换为基本方程的时空理论称为变速运动情况的时空理论，简称为梁氏时空理论或变速运动相对论或梁氏相对论。洛伦兹变换和梁氏变换（以及超光速梁氏变换）均可由光速不变性原理推导出来，说明时空理论基本原理（公理）仅一条光速不变性原理。由时空变换导出钟慢关系式、尺缩关系式、质速关系式、质能关系式、能量动量关系式等等有无实际意义（称为物理意义）均由光速不变性原理有无物理意义来决定。因为物理学是实验科学，物理学理论（例如牛顿力学）之公理（例如牛顿第二定律）必须是可作实验检验的公理（不符合公理可以不证明之说），可见牛顿第二定律是实验定律（误认为牛顿第二定律是理想定律而不是实验定律成为历史性错误）。无法证明光速不变性原理（找不到实验证明，也找不到数学证明），因此时空理论肯定没有物理意义，其数学意义是有的，数学理论之公理不用证明，例如欧氏几何、非欧几何只有数学意义而无物理意义。到此可见，时空理论（相对论）不是物理理论而本质是数学理论。值得一提，广义相对性原理不是物理学原理（无实验依据），等效原理同样不是物理学原理（爱因斯坦用理想实验证明等效原理成立，其实是用“理想实验”概念偷换物理学的“实验”概念，爱因斯坦无道理将惯性力说成引力随之将广义相对论说成引力论）；另外，广义相对论构不成逻辑体系，不但不成物理学理论，而且不成数学理论。到此可见，爱因斯坦的地位比牛顿（世界最伟大的自然科学家）低一个层次是合理的，将爱因斯坦说成“人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星”不成立（评价过高）。另外，值得一提，怀疑一种理论，首先应思考其公理，再到基本方程（凭空想出来的方程――例如爱因斯坦重力场方程，根本没有意义），再到其他（例如概念，爱因斯坦用理想实验或称思想实验证明的同时性的相对性完全没有实际意义即物理意义）……。还值得一提，梁氏将梁氏相对论称为普适相对论意在强调变速运动的普遍性，将普适相对论称为爱氏――梁氏相对论意在借爱因斯坦这位假神促使人们相信梁氏变换，其实狭义相对论就是爱氏相对论，普适相对论就是梁氏相对论。
3. 对重力理论的思考众所周知，地球附近的物体的重力就是地球的吸引力或其一个分力，万有引力定律是重力理论的唯一基本定律。我们将哥白尼日心说推广为宇宙旋转说：地球绕太阳转，太阳系绕银河系中心转，银河系中心绕银河系集团中心转，……。于是，我们可以说明地球附近的物体其重力虽然是宇宙所有其他物体对它的吸引力之合力，但是太阳对它的吸引力恰好提供它跟随地球公转所需向心力、银河系中心对它的吸引力恰好提供它跟随银河系中心绕银河系集团中心公转所需向心力，……，因此它的重力只能由地球吸引力产生。同理，月球上物体的重力只能由月球吸引力产生。根据万有引力定律和力的分解，很容易得到地球附近各种参照系上的重力场场强方程，这些方程表明上述参照系S、Sv和S`上的重力场场强（即重力加速度），分别为 g、gv和g'且gv≠ g'≠g （此不等式反映了重力加速度的相对性）。重力加速度的相对性导致物体重力的相对性：质量为m的同一物体，对S、Sv、和 S`而言有不同的重力，分别为 mg、mgv 和mg'。迄今物理学没有认识到重力加速度的相对性和物体重力的相对性，误认为同一物体不管在S上还是在Sv上还是在S`上的重力都一样。这一错误导致引入惯性力这种鬼力，于是有所谓质点相对运动动力学基本方程，于是误导爱因斯坦将数学当成物理学。
4. 梁氏相对论的应用经典力学的应用，归根结底是牛顿――梁氏定律的应用（本文文献〔1〕有几个应用之举例，天空一号上的抛体运动是运动学）。梁氏相对论的应用，归根结底是梁氏变换的应用。应用梁氏变换可解释双生子佯谬、转动参照系上钟慢、 μ子实验、1971年原子钟环球飞行实验、光谱线红移和本文文献〔1〕中设想王亚平带原子钟环球飞行实验，都证明动钟变慢；应用梁氏变换可解释迈――莫实验、水星近日点运动、火车进入隧道的争论、转动参照系上尺长，转盘圆周率大于π ，都证明静尺缩短。文献〔2〕应用梁氏变换给出了双生子佯谬、 μ子实验、1971年原子钟环球飞行实验、水星近日点运动、光谱线红移、迈――莫实验、火车进入隧道的争论、光线弯曲和平面弯曲的数学解释，显示了梁氏相对论是比狭义相对论更普遍和更好的相对论。
5. 结论
（1）牛顿――梁氏定律是经典力学唯一基本定律，它导致了牛顿力学的修正，随之要改写经典物理学史。
（2）梁氏变换是最普遍的时空变换，它导致了爱因斯坦相对论的修正，随之要改写近代物理学史。
6. 后语梁氏希望世界物理学家以本文及本文文献〔1〕〔2〕来思考牛顿――梁氏定律和梁氏变换，公开发表评论，欢迎推倒它从而制止来自中国大陆（广西桂平市）的物理学大地震。
【摘要】牛顿是物理学家、数学家、天文学家，他在科学上的贡献是非常巨大的，写成了伟大著作《自然哲学的数学原理》一书。
【关键词】三大运动定律 万有引力
牛顿（1643～1727）是英国物理学家、数学家、天文学家，经典物理学的创始人。幼年时代就喜欢制作机械玩具。1665年发现二项式定理。 1667年他进入三一学院当研究生，次年获硕士学位。 1689年和1701年，牛顿两次以剑桥大学代表的身份被选入议会。 1703年起担任英国皇家学会会长。1727年3月20日逝世于伦敦。
牛顿在科学上的贡献是非常巨大的。1686年底，牛顿写成《自然哲学的数学原理》一书。 这部科学史上伟大的著作在1687年出版。牛顿在这部书中，从力学的基本概念（质量、动量、惯性、力）和基本定律（运动三定律）出发，运用他所发明的微积分这一数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。
在当今人类继续享受牛顿经典力学给我们带来的科技与文明成果的同时，我们也有必要追寻三大定律所包含的物理规律之深刻的本质意义。本文就牛顿在经典力学方面的杰出贡献简要谈谈自己的认识和理解。
一、牛顿第一运动定律
300多年前，伽利略认识到：运动物体受到的阻力越小，它的运动速度减小得就越慢，他运动的时间就越长。他还进一步推理得出，在理想情况下，如果水平表面绝对光滑，它的速度将不会减慢，这时物体将以恒定不变的速度永远运动下去。
1675年的著作《解释光属性的解说》中，牛顿假定了以太的存在，认为粒子间力的传递是透过以太进行的。）并把以太作为绝对理想的参考系的前提下产生的，牛顿曾经说过：“我是站在巨人的肩膀上才成功的。”这句话就是针对伽利略的。所以牛顿概括了前人的研究结果，总结出了著名的牛顿第一定律。
一切物体在没有受力的作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态。这就是牛顿第一定律。
物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势，没有外力，它的运动状态是不会改变的。物体的保持原有运动状态不变的性质称为惯性 ，惯性的大小由质量量度。所以牛顿第一定律也称为惯性定律 。
需要我们注意的是：
1.惯性运动是理论上的、概论性的物理现象，在宇宙中，不存在纯理论上的惯性运动，牛顿第一定律是通过分析事实，再进一步概括、推理得出的。我们 不可能用实验来直接验证这一定律。牛顿动力学基本定律是建立在绝对运动的基础上， 但是，宇宙中的任何物体都是运动的，根本不存在绝对静止的空间，自然也找不到绝对静止的惯性坐标系。
然而，从定律得出的一切推论，都经受住了实践的检验，牛顿第一定律已成为大家公认的力学基本定律之一。
2.惯性系的必然条件，是它相对于另一个系统，特别是一个更大的系统而表现为匀速直线运动或静止的状态。判定地表或地球是否是惯性系统，显然必须站在太空的角度。牛顿第一定律并不是在所有的参照系里都成立，实际上它只在惯性参照系里才成立。（地球是惯性系吗？）因此常常把牛顿第一定律是否成立，作为一个参照系是否是惯性参照系的判据。
二、牛顿第二运动定律（惯性定律）
物体在受到合外力的作用时会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小与物体的惯性质量成反比。
如果用m表示质点的质量，F和a分别表示作用于质点上的力和质点的加速度，我们只要选取适当的单位，则第二定律可表示为：F合=ma
定律给出了质点运动的加速度与其所受力之间的瞬时关系，说明作用力并不直接决定质点的速度，力对于质点运动的影响是通过加速度表现出来的，而速度的方向可完全不同于作用力的方向。
同时，这个定律说明质点的加速度不仅取决于作用力，而且与质点的质量有关。若使不同的质点获得同样的加速度，质量较大的质点则需要较大的力，这说明较大的质量具有较大的惯性。由此可知，质量是质点惯性的度量。由于平动物体可以看作质点，所以质量也是平动物体惯性的度量。牛顿在万有引力定律中引入了引力质量以显示物体产生和接受引力的强弱，他定义的惯性质量与引力质量是等价的。
同样，在应用牛顿第二定律时需要我们注意的是：
（1）F=ma是一个矢量方程，应用时应规定正方向。
（2）牛顿第二定律是力的瞬时作用规律。
（3）根据力的独立作用原理，用牛顿第二定律处理物体在一个平面内运动的问题时，可将物体所受各力正交分解，在两个互相垂直的方向上分别应用牛顿第二定律的分量形式：Fx=max，Fy=may。
三、牛顿第三运动定律
两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。
表达式： F1=-F2
说明：牛顿第三定律中力的特点，在于揭示的是内力的作用规律，是牛顿第一定律和牛顿第二定律的内部作用机制。要改变一个物体的运动状态，必须有其他物体和它相互作用。物体之间的相互作用是通过力体现的。并且指出力的作用是相互的，有作用必有反作用力。
在应用时需要注意的是：
1.作用力和反作用力成对出现，同时产生、同时消失。
2.这一对力是作用在不同物体上，不可能抵消。
3.作用力和反作用力是同一性质的力。
4.相互作用力区别于平衡力 。
5.牛顿第三定律是动量守恒定律在经典力学中的表现形式.牛顿第三定律有两个前提条件，即“直接性”和“瞬时性”。“直接性”是指两物体之间由于接触（即：两物体之间的距离可忽略）而产生的相互作用；“瞬时性”是指相互作用的两物体在某一时刻分别受到对方施加的力。
四、万有引力定律
在牛顿以前，天文学家一直无法圆满地解释一个问题：为什么行星要按照一定的规律围绕太阳运行？在牛顿发现万有引力之前，已经有许多科学家严肃地考虑过这个问题，比如开普勒就认识到，要维持行星沿椭圆轨道运动必定有一种力在起作用，这种力像磁石吸铁一样。1659年，惠更斯从研究摆的运动中发现，保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。
1673年，惠更斯推导出向心力定律；1679年，胡克和哈雷从向心力定律和开普勒第三定律，推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。
牛顿自己回忆，1666年前后，他在老家居住的时候已经考虑过万有引力的问题。最有名的一个说法是：在假期里，他常常在花园里小坐片刻。有一次，像以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来……
1679年，胡克曾经写信问牛顿，能不能根据向心力定律和引力同距离的平方成反比的定律，来证明行星沿椭圆轨道运动，但是他不擅长数学计算 。牛顿没有回答这个问题。牛顿高明的地方就在于他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。1685年，哈雷登门拜访牛顿时，牛顿已经发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比。
当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据可以供计算使用。牛顿向哈雷证明地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。
牛顿在临终前对自己的生活道路是这样总结的：“我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自己看来，我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。” 这当然是牛顿的谦逊。
1727年3月20日，伟大的艾萨克？牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人一样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着：
让人们欢呼这样一位多么伟大的人类，荣耀曾经在世界上存在。
【摘要】梁氏（笔者）对经典力学的思考发现其基本定律（公理）是牛顿——梁氏定律，对时空理论的思考发现其基本方程是梁氏变换，对重力理论的思考发现重力场场强的相对性和物体重力的相对性。
【关键词】牛顿——梁氏定律；梁氏变换；牛顿——梁氏力学；梁氏相对论
1. 对经典力学的思考
经典力学是实验科学，其概念、方程、定理、定律、原理等等都直接来源于实验（实验可重复，实验结果可观测）。牛顿力学引入不可观测（找不到）的惯性系和不可测量（不可作实验检验）的惯性力是错的，不是实验科学的概念。经典力学理论之公理只有一条，即牛顿——梁氏定律。经典力学之基本方程（即数学基础）是牛顿——梁氏定律数学表达式，经典力学之基本定理是动量定理、动量矩定理和动能定理（这些定理的数学表达式均由基本方程导出），这样的经典力学称为普适经典力学或牛顿——梁氏力学。普适经典力学适用于任何一个参照系，地面参照系S上的经典力学称为S上的普适经典力学（其基本方程是牛顿——梁氏定律在S上的表达式F=ma ，此式被迄今物理学误认为是牛顿第二定律表达式〔1〕），相对于S匀速平动的参照系Sv上的经典力学称为Sv上的普适经典力学（其基本方程是牛顿——梁氏定律在Sv上的表达式Fv=mav，相对于S变速运动的参照系S`上的经典力学称为S`上的经典力学（其基本方程是牛顿——梁氏定律在S`上的表达式 F`=ma`），天宫一号实验室S*上的经典力学称为S*上的普适经典力学（其基本方程是牛顿——梁氏定律在S*上的表达式 ΣFi=ma*）。若将F=ma ， F=mav ， F`=ma`和ΣFi=ma*统一表为F合=ma 合（即质点所受合力等于质点质量乘以质点加速度），则牛顿——梁氏定律表达式就是F合=ma 合 。因此，迄今物理学将S上的经典力学称为牛顿力学成为历史性错误。牛顿力学基本定律只有一条牛顿第二定律，因其基本方程 F=ma 与牛顿第一、三定律无关，故牛顿第一、三定律不是牛顿力学之公理。公理愈少的理论体系愈好。值得指出，经典力学的应用其实就是牛顿——梁氏定律的应用， F=ma 的应用被误认为是牛顿定律应用，天空一号上的质量测量实验被误为是牛顿定律实验。还值得指出， Fv=mav证明伽利略相对性原理不成立（随之狭义相对性原理不成立）；因为实验方程 包含 ，所以 反映的物理定律不能称为梁氏定律而只能称为牛顿——梁氏定律，随之经典力学不能称为梁氏力学只能称为牛顿——梁氏力学（又称普适经典力学，其中普适之意不言自明）。到此可见，牛顿——梁氏力学才是名符其实的实验的经典力学。
2. 对时空理论的思考
以时间空间变换式（简称时空变换〔2〕）为基本方程（即数学基础）的理论称为时间空间理论，简称时空理论。洛伦兹变换是两坐标系（参照系）相对匀速平动的时空变换，因此狭义相对论是匀速平动情况的时空理论（简称为匀速平动时空理论或匀速平动相对论）。两坐标系的普遍的相对运动是变速运动，于是梁氏发现了变速运动情况的时空变换——梁氏变换〔2〕，以梁氏变换为基本方程的时空理论称为变速运动情况的时空理论，简称为梁氏时空理论或变速运动相对论或梁氏相对论。洛伦兹变换和梁氏变换（以及超光速梁氏变换）均可由光速不变性原理推导出来，说明时空理论基本原理（公理）仅一条光速不变性原理。由时空变换导出钟慢关系式、尺缩关系式、质速关系式、质能关系式、能量动量关系式等等有无实际意义（称为物理意义）均由光速不变性原理有无物理意义来决定。因为物理学是实验科学，物理学理论（例如牛顿力学）之公理（例如牛顿第二定律）必须是可作实验检验的公理（不符合公理可以不证明之说），可见牛顿第二定律是实验定律（误认为牛顿第二定律是理想定律而不是实验定律成为历史性错误）。无法证明光速不变性原理（找不到实验证明，也找不到数学证明），因此时空理论肯定没有物理意义，其数学意义是有的，数学理论之公理不用证明，例如欧氏几何、非欧几何只有数学意义而无物理意义。到此可见，时空理论（相对论）不是物理理论而本质是数学理论。值得一提，广义相对性原理不是物理学原理（无实验依据），等效原理同样不是物理学原理（爱因斯坦用理想实验证明等效原理成立，其实是用“理想实验”概念偷换物理学的“实验”概念，爱因斯坦无道理将惯性力说成引力随之将广义相对论说成引力论）；另外，广义相对论构不成逻辑体系，不但不成物理学理论，而且不成数学理论。到此可见，爱因斯坦的地位比牛顿（世界最伟大的自然科学家）低一个层次是合理的，将爱因斯坦说成“人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星”不成立（评价过高）。另外，值得一提，怀疑一种理论，首先应思考其公理，再到基本方程（凭空想出来的方程——例如爱因斯坦重力场方程，根本没有意义），再到其他（例如概念，爱因斯坦用理想实验或称思想实验证明的同时性的相对性完全没有实际意义即物理意义）……。还值得一提，梁氏将梁氏相对论称为普适相对论意在强调变速运动的普遍性，将普适相对论称为爱氏——梁氏相对论意在借爱因斯坦这位假神促使人们相信梁氏变换，其实狭义相对论就是爱氏相对论，普适相对论就是梁氏相对论。
3. 对重力理论的思考
众所周知，地球附近的物体的重力就是地球的吸引力或其一个分力，万有引力定律是重力理论的唯一基本定律。我们将哥白尼日心说推广为宇宙旋转说：地球绕太阳转，太阳系绕银河系中心转，银河系中心绕银河系集团中心转，……。于是，我们可以说明地球附近的物体其重力虽然是宇宙所有其他物体对它的吸引力之合力，但是太阳对它的吸引力恰好提供它跟随地球公转所需向心力、银河系中心对它的吸引力恰好提供它跟随银河系中心绕银河系集团中心公转所需向心力，……，因此它的重力只能由地球吸引力产生。同理，月球上物体的重力只能由月球吸引力产生。根据万有引力定律和力的分解，很容易得到地球附近各种参照系上的重力场场强方程，这些方程表明上述参照系S、Sv和S`上的重力场场强（即重力加速度），分别为 g、gv和g'且gv≠ g'≠g （此不等式反映了重力加速度的相对性）。重力加速度的相对性导致物体重力的相对性：质量为m的同一物体，对S、Sv、和 S`而言有不同的重力，分别为 mg、mgv 和mg'。迄今物理学没有认识到重力加速度的相对性和物体重力的相对性，误认为同一物体不管在S上还是在Sv上还是在S`上的重力都一样。这一错误导致引入惯性力这种鬼力，于是有所谓质点相对运动动力学基本方程，于是误导爱因斯坦将数学当成物理学。
4. 梁氏相对论的应用
经典力学的应用，归根结底是牛顿——梁氏定律的应用（本文文献〔1〕有几个应用之举例，天空一号上的抛体运动是运动学）。梁氏相对论的应用，归根结底是梁氏变换的应用。应用梁氏变换可解释双生子佯谬、转动参照系上钟慢、 μ子实验、1971年原子钟环球飞行实验、光谱线红移和本文文献〔1〕中设想王亚平带原子钟环球飞行实验，都证明动钟变慢；应用梁氏变换可解释迈——莫实验、水星近日点运动、火车进入隧道的争论、转动参照系上尺长，转盘圆周率大于π ，都证明静尺缩短。文献〔2〕应用梁氏变换给出了双生子佯谬、 μ子实验、1971年原子钟环球飞行实验、水星近日点运动、光谱线红移、迈——莫实验、火车进入隧道的争论、光线弯曲和平面弯曲的数学解释，显示了梁氏相对论是比狭义相对论更普遍和更好的相对论。
5. 结论
（1）牛顿——梁氏定律是经典力学唯一基本定律，它导致了牛顿力学的修正，随之要改写经典物理学史。
（2）梁氏变换是最普遍的时空变换，它导致了爱因斯坦相对论的修正，随之要改写近代物理学史。
6. 后语
梁氏希望世界物理学家以本文及本文文献〔1〕〔2〕来思考牛顿——梁氏定律和梁氏变换，公开发表评论，欢迎推倒它从而制止来自中国大陆（广西桂平市）的物理学大地震。
摘 要 以经典力学为理论基础的二元论和唯物主义，在相反的立场上对意识的说明是心物关系问题日益复杂的重要原因之一。经典力学作为传统心物关系理论的固有范式，在说明意识的整体性等问题上存在困难。量子力学有可能为意识研究开辟一条新的研究路径。
关键词 心身二元论 经典力学 观察者 意识
意识涵盖了大部分的心理现象，它既是我们体验到的对心理状态的复杂的内省，又等同于“觉醒”的状态，或者感知状态。因此，在给意识下定义时就会出现困难，它所涉及的分支众多，难以用一个单一的定义将意识所包含的方面全部囊括其中。意识的核心问题是“现象性”，理解意识的关键在于弄清楚现象性本身的本质及其起源。在早期西方哲学历史上，意识问题是以“心身问题”为标志开始的，意识是“心灵”的一个特征。从最早时期开始，意识与死亡相关联，人们希望并且相信，意识是与物质性的身体相区别的东西。因此，对意识的研究首先要回溯到早期历史上的心身问题。
自从笛卡尔提出“心身二元论”，赋予“心灵”以实体地位以来，对于心灵是否存在、怎样存在、如果存在，心灵该如何与身体相互作用等问题的争论延续至今。笛卡尔认为，心灵与物质是独立的两个实体，物质具有广延的属性，却不能思考，心灵能够思考却不占有空间。从对日常经验的内在主义素朴描述出发来看，心灵与身体之间和谐地相互作用，促使人们能够相信，心灵必然有其独特的存在地位。为了说明两者如何互动作用，笛卡尔提出“松果腺”这一概念。但是“松果腺”的提出，却恰恰暴露出笛卡尔的心灵观念存在的矛盾。
从内在主义的角度看，心灵确实与物质相互作用，意愿、欲望能够促成行为的发生，导致行为对象的改变等。但是，由于心灵不具有广延且不占有空间的属性，又导致人们无法运用在经典力学基础之上形成的认知图式，来理解和说明心灵的存在形式，心灵怎样与物质相互作用更成为了一个难题。如果承认心灵的独特实体地位，则有悖于经典力学的科学原则，如果依照唯物主义的基本观点，把心灵与物质等同起来，用大脑内部的物质之间的相互作用来说明意识活动，则导致无法说明为什么存在主观体验和感受的问题，这显然又违背了人类体验的直觉。因此，无论是坚持二元论还是唯物主义一元论，心物互动问题都面临着极大的理论困难，坚持内在主义观点，就必须说明心灵有别于物质的本体论地位以及心身互动的作用机制；坚持唯物主义的观点，就必须说明为什么人会有主观体验和感受。本文认为，除了上述两种对心物关系的说明之外，存在第三种对心物关系的思考，即对经典力学原则在说明心灵问题上是否具有适用性的质疑：经典力学的原则是万能的吗？它是否能够作为评判心灵是否存在以及怎样存在的标准？心物关系问题难以有所进展，是否因为我们用来评判心灵存在的标准出了问题？量子力学能否作为新的研究范式来推进心灵的研究？
随着人们认知程度的提高，自然科学的发展，对心灵问题的讨论更加如火如荼。古老神秘的“心灵”概念也逐渐以“意识”这一崭新的形式出现在哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多学科的交叉研究视域中。本文将以“意识”这一概念来论述笛卡尔心物二元论中所提及的“心灵”。
“有一种古老的观点：自然由两部分组成，一部分包含感觉和思想，另一部分在运动中包含有物质对象。这个观点在笛卡尔的时代复活，并成为经典物理学的基础。”①1687年，牛顿出版了著名的《自然哲学的数学原理》一书，掀起了科学的革命。在这本书中，宇宙被描述成一个遵循严格规律的大机器，依照数学的精密性在空间中运动。一切事物都可以被还原成遵循严格规律运动的物质实体，作为因果决定链条上的一环，按照既定的规律运行。因此，经典物理学的世界被冠以具有决定论和客观性的特征。但是在涉及到微观世界的对象时，经典物理学的基本原则就失效了。
意识问题是当代哲学、神经科学、心理学、计算机科学等多个交叉学科进行跨学科研究的热点难题。众多学科关注意识的原因在于，它是关乎人的本性根基和人与外部世界关系的根本性问题。不论是唯物主义立场，还是二元论立场来看待意识，都有不可回避的理论困难。
以上两种立场在说明意识问题的过程中，会遭遇到困难的原因，除了意识问题本身的复杂性之外，另一个重要的原因是，唯物主义和二元论均把研究宏观事物低速运动规律的经典力学，作为思考意识问题的理论基础。二元论产生的部分原因是迫于经典力学的还原论和客观性压力，人们无法调和与说明物质活动和意识之间存在形式的不协调，但是却又难以违背自己体验的常识，放弃意识的主观性特征。唯物主义则恰恰相反，它遵循经典力学的客观性、决定论、还原论等根本规律，把物质放在优先地位，试图用经典力学的规律来同化或拒斥意识的主观性特征。在一定程度上，二元论与唯物主义这两种相对立的立场都是以经典力学的原则为根本依据，朝着各自相反的方向建构自己的理论，但是，二元论从理论内部割裂了意识与物质的关联，而唯物主义又混淆了意识与物质的差别。
以牛顿运动定律为主要内容的经典力学在20世纪以前被称为最美的物理学，它通过把“意识”排斥在研究范围之外来实现其理论的完备性。它假定时空的绝对性和依据初始值可进行精确预测等特征，为人类认识自然、了解自身的本性描绘了一幅因果封闭、清晰可测的蓝图。世界上的任何物理系统都能够被分解为各个组成元素，各个组成元素只能够与彼此相邻的元素发生相互作用，物理系统遵循着严格的物理因果封闭定律，根据一定的可观测的物理量，能够做出无限精确的预测。经典力学的唯物主义世界观已经否定了意识是有别于物质，具有独立存在地位的实体。大脑是世界上最为精密且复杂的整体系统，它作为意识活动发生的场所已经是毋庸置疑的科学事实。按照经典力学的观点，大脑与意识同样应该遵守经典力学的根本原则，但显然意识的诸多属性以及对应的神经活动的规律都无法用经典力学来说明。
神经科学的研究成果已经表明，意识活动的发生受到大脑整体活动的控制，它并不是固定发生在大脑的某一个区域。同样，大脑的某一部分神经通路也不是意识发生的场所，完整的意识的出现，需要调动大脑内部不同脑区的神经元进行放电。不同的意识场景所对应的神经元活动的组合也不一样。就目前的神经研究成果而言，神经科学只能够对意识活动的说明进行基于科学经验上的描述，而不能够进行充分的因果说明。经典力学中的整体可以分解成部分的组合的原则，无法说明意识的高度统一性；相邻部分的因果互动原则更加无法解释不同脑区的神经活动，怎样能够作为单一的意识活动的组成部分。发生在个体大脑中的意识转瞬即逝，难以捕捉，甚至毫无规律可循。大脑内部呈现的意识场景为什么具有统一整合性和动态的分化性，归属于不同脑区的神经元为什么能同时放电而形成单一的意识场景，控制这些神经元活动的机制是什么？这些问题，对于研究宏观事物运动规律的经典力学而言存在困难。经典力学中不需要涉及对微观事物的化学过程的说明，而这一点对于大脑研究来说，则非常重要。
如果从大脑内部和大脑外部两个维度，来对意识进行一种描述上的区分，从大脑外部，引入一个“观察者”，那么对意识就可以做出两种不同的描述。这两种维度的描述之间的区别也表明，经典力学难以说明意识。
按照经典力学的原则，每个脑区的神经元只能够与它紧邻的神经元发生互动，并根据所处的大脑区域的定域性而非全局性来表征意识场景。对意识的内在描述不是从外在的“观察者”或者元素集合所体现出的整体功能性角度进行描述，而是对这些独立的神经元描述的组合的描述。“根据经典力学，对物理系统和它的动力学的状态的描述，能够在内在的层次上表达出来。但是人们怎样来理解经验的整体思想的发生呢？”②
外在描述是在引入一个外部“观察者”之后而做出的描述，观察者知道大脑内部描述是由诸多元素所构成，但是，他能够从外在维度对内部元素进行整合，使内部元素组合起来具有整体的表征属性。同时，外部的观察者能够从整体的功能性角度出发来进行整体表征，在观察者的意识中形成的整体性描述，不会受到各个不同脑区神经元活动的区域性限制。总之，这个外在的观察者不仅具备“知道”大脑内部是由多个元素组合的能力，还具备把这些元素集合成整体的能力。因此，在内在描述层次上的独立元素的集合，在外在层次上可以被称为是一个单一的整体。
从功能的角度出发，大脑被看作是一个功能性的整体，但是在经典力学的框架中，功能基本上不具备任何实际的意义，因为大脑的过程受到不同脑区神经活动的控制，然而，大脑部分与部分之间的相互作用不可能实现大脑的整体性功能作用。从根本上来说，一个从外在层次所描述的功能性整体，所表现出来的整体性含义要比逻辑上独立的要素的简单集合要复杂得多，而这一点恰恰是与经典力学的根本原则相悖。因此，意识的整体功能性概念在经典力学框架中也无法得到合理的说明。
依据经典力学的法则，整体可以被分解为独立的局部要素的集合。“功能性”对于物理因果封闭定律而言是无效的，因而不具备任何存在的理由，唯一承认它的理由就是方便我们从外在层次对它进行直接的理解。
灵感与顿悟是经常出现在人类思考过程中的真实存在的心理现象，在艺术和科学研究中表现尤为明显。它们具有突发性、偶然性、丰富性、瞬息变化等特征，它们常常会受到当下场景或意识内容的刺激而产生，但是其产生的机制与结果却远远超出了人对当下对意识的研究水平。按照经典力学的可预测性原则，依据一定的可观测的物理量，就能够对事物做出精确的预测，但是在灵感和顿悟这类具有突发性的心理现象上，经典力学的根本原则显然不适用。
根据经典力学的根本原则来解决意识问题面临诸多的理论困难，意识的高度整合性和高度的分化性、主观体验的整体性和动态多样性、从外在的功能角度所描述的大脑的整体功能性特征、灵感和顿悟这类突发性的心理现象都无法从经典力学理论中得到科学合理的说明。
斯塔普（Henry Stapp）认为，对于经典力学而言，意识和行为之间的紧密关系不可能从逻辑上推导出来，相反，这恰恰意味着经典力学的不完整性。经典力学不能够蕴含意识的现象性方面，除非意识是一种副现象。但是，如果意识是副现象，则显然有悖了直觉。如果经典力学控制自然的整个动态过程，那么作为人类大脑高度进化发展结果的意识就是一个令人怀疑的神话。经典力学的动态原则既不蕴含现象实在的存在，也不能够对它们怎样从简单形式进化到高级阶段提供一种自然的动态说明。在经典力学的理论框架当中，人类的体验既没有存在地位，它也无法对大脑的动态作用提供充分合理的自然说明，那么我们就应该放弃用经典力学的整体逻辑结构来研究意识，并转而寻求一种能让我们的体验充分发挥动态作用，且完全不同的逻辑结构的模式，这一模式就是量子力学。
量子力学的诞生打破了人类对经典力学关于世界的固有认识，传统的物质观念、物理封闭因果定律、决定论和连续性观点都遭到了破坏。量子力学重新为人类描述了一个新奇的、感官不可知、反常识的世界。量子力学的理论框架内，大脑被看作一个量子系统。
意识与大脑之间的紧密联系已经是一个不争的科学事实，虽然经典力学在说明意识问题上存在许多的理论困难，但是科学的发展趋势表明，我们始终要在科学的框架内来说明意识。因此，意识研究必须转换一种新的研究范式。目前，最有希望将意识重新纳入到物质世界的科学理论只有量子力学。“冯诺依曼、诺伯特维纳和霍尔丹指出，自然的量子力学方面似乎是为了将意识重新纳入我们现有的物质概念而为意识量身定做。”③
经典力学与量子力学的不同之处在于，量子力学引入了“观察者”因素，测量结果不再是具有绝对的客观性。尤其是在对意识进行研究的过程中，“观察者”本身也作为物理系统的一部分而参与和影响着对意识的测量结果。由于意识具有高度的分化性，各种心理事件瞬息万变，每一次对意识的测量都会取得不同的结果，为了对意识现象做出完备的描述，每一次的测量结果彼此之间呈互补关系，这种互补性取消了在经典力学框架内应该具有的严格因果律，意识呈现出非因果性的特征。
当代著名的心灵哲学家查默斯也多次在其著作中谈到意识可能与量子力学有紧密的关系，但是对此他常常又持一种怀疑的态度。作为提出“意识的困难问题”而闻名于世的哲学家来说，他始终关注的是意识的主观经验问题，但是，在他看来，量子力学与经典力学相比，在意识问题上具有一定的优势，但是即便如此，这一范式目前还未能说明为什么会有主观感受的发生。“问题在于物理理论的基本元素都要归结到两点：结构和物理过程的动力学，但是从结构和动力学出发，我们只能获得更多的结构和动力学，而有意识的经验仍然没有被涉及。”④尽管如此，量子力学在意识研究上仍有许多探讨的空间。
【摘 要】新形势下，地方师范院校面临着两方面的任务：一是培养能胜任素质教育的中学教师；二是培养具有创新意识的科研型学习人才。而当前地方院校的转型已经落后于素质教育的推广和高中新课改的全面实施。因此，改变传统的课程定位、教学模式、教学目标势在必行。本文讨论了经典力学课堂教学在学生角色转变、职业技能培养和科研能力培养等方面的作用。
【关键词】地方师范院校 课堂教学 桥梁作用 教师职业技能 科研创新能力
进入21世纪，特别是在素质教育全面实施、高中新课改全面推行、本科教育面向大众化的新形势下，地方师范院校的人才培养目标也将发生相应的调整。一方面需立足于地方性和师范性，担负起为地方培养素质教育合格人才（中学教师）的任务；另一方面，由于本科教育已经面向大众化，研究生教育已经是一种趋势，因此，地方师范院校还承担着为研究生培养输送合格的科研型学习人才的任务。所以，地方师范院校的课堂教学既不能实行单一的知识讲解和理论灌输，也不能完全脱离教学的师范性，将地方师范教育转变为考研加工厂。下面笔者以经典力学为例，谈谈课堂教学的几点思考。
一 在课堂教学中发挥力学教学的桥梁作用
地方师范院校的力学课程往往是在大学一年级开设，此时，学生在学习方法和认知能力等方面还停留在高中阶段，对物理学科的认识往往有很大的偏差，对物理学习的整体印象还停留在强化记忆、定量计算上，不习惯或不能够对物理对象做完整而详细的定性分析，不习惯用物理语言、数学语言去描述物理现象和运用数学手段去解决物理问题。因而教师在课堂教学中，应该注重培养学生的科学素养，养成用学术语言去定义物理概念，用物理语言去解释数学公式，用数学手段解决物理问题的物理思维，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，调动学生学习的积极性和主动性，逐步引导他们从中学物理的学习方式转变到大学物理的学习方式上来，逐步适应大学的课堂教学方式，从而充分发挥经典力学课堂教学在学生角色转变上的桥梁作用。力学教学的另一桥梁作用体现在力学课程中蕴含的物理规律、科学思维、研究方法等对后续经典物理学基础课程的影响，经典物理学中电磁学、声学、光学、热学等基础物理理论的建立无一不与经典力学理论有着密切的联系，在学习方法和思维模式上深受经典力学的影响。电磁学的学习首先是从电场和磁场力的属性及能量的属性开始的，库仑定律、麦克斯韦方程组等理论的建立无一不是类比或借鉴于经典力学理论。在声学中声音被视为是弹性介质空气中的机械振动。在热学理论中，热运动被归结为分子无规则机械运动的统计表现，能量守恒被引入到热力学三定律的建立之中，而光学中光电效应爱因斯坦方程恰是功能关系的体现。可以说，整个经典物理理论均渗透着经典力学的痕迹，因而，在经典力学的课堂教学中，教师应该引导学生了解力学与其他学科的关系，发挥经典力学在物理学知识体系中的桥梁作用，激发学生的学习兴趣和积极主动性。
二 在课堂教学中培养师范类学生的职业技能
在素质教育和新课改全面推行的新形势下，对教师的职业技能要求越来越高，地方师范院校传统的职业技能训练往往采取的是学生分组试讲、教师单独指导，这一模式由于受时间短、试讲课堂虚拟化、教师指导理想化等客观因素的限制，很难将学生培养成为一名合格的素质教育工作者，因而在日常的教学活动中不仅要传授知识，更应该让其参与到教学活动中来，积极学“教”。但在物理学的很多课程中由于受课时少、教学任务重、知识内容相对较难等因素的影响，要想让学生站在“准教师”的立场参与到教学中来，是一件不容易的事情。而经典力学由于在知识层面上有很大一部分与高中知识点相重叠，课程相对较简单，因而在力学的课堂教学中，教师可以积极引导学生参与到教学活动中来，鼓励他们以“准教师”的立场去讨论和理解在中学阶段曾经接触过的物理问题，培养他们基本的职业技能，从而改变传统的教学模式，真正让学生参与到教学中来，在日常的教学活动中学习“教”，逐步培养和提高他们的教师职业素养。
三 在课堂教学中培养学生的科研创新能力
本科教育已经走向大众化，地方师范院校完全的师范性教育既不能满足学生的发展需要，也不能促进学校本身的发展。因而，如何以科研促进教学，积极培养合格的“准研究生”已经是当前地方师范院校面临的难题之一。合格的“准研究生”不仅要求学生具有系统而扎实的专业基础，还应具备自主创新的学习能力和科学探究能力，对本专业的前沿知识和发展前景均应有所了解，这些知识技能的获得，要经过长期的学习和熏陶，逐步积累和总结才能习得。所以，教师在日常的课堂教学中，必须把握和贯彻这一理念。经典力学作为师范类专业学生进入大学后较早接触的专业基础课之一，是整个物理学的基石，其课程内容具有基础性和实用性的特点，经典力学概念及其理论从形成到发展，都蕴含了丰富的物理学思维。经典力学研究问题的方法对学生认知能力的培养起着不可替代的作用。经典力学的研究手段是整个物理学乃至自然科学的常用手段之一。经典力学课程的这些特点是课程本身的精华所在，在教学中，教师应积极引导学生去把握、探究这些科学思想、思维方式和研究方法，逐步养成研究式的学习方法，而不是单纯地接受知识。教师在教学中，应该加大介绍物理学发展的前沿理念和科学技术的力度，
拓展学生视野，帮助他们理清物理的学习思路，引导他们走上物理学习和研究之路。
地方师范院校的教学改革，已经远远落后于素质教育的推广和高中新课改的推行，作为衔接中学物理和大学物理桥梁的基础物理课程，特别是物理学基础课程之中的核心课程——经典力学，其教学改革和教学模式的好坏直接影响着地方师范院校在人才培养方面能否取得长足进步，因而，探讨和推行经典力学课程教学改革具有举足轻重的作用。
摘要：人类从愚昧走向文明，从神学走向科学，在认识自我的过程中，物理学起到了绝对重要的作用。而物理学的第一次颠覆时刻就是经典力学的建立。但创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，重点论述了经典力学的局限性。
关键词：经典力学；牛顿；局限性
在高中阶段，我们所学习的力学知识主要是以牛顿运动定律为基础的经典力学。那么经典力学是如何形成的、它的局限性表现在哪些方面?让我们一一解答。
一、经典力学的形成
17世纪牛顿力学构成了体系，可以说，这是物理学的第一次伟大综合。牛顿建立了两个定律，一个是运动定律，一个是万有引力定律，并发展了变量数学微积分，具有了解决实际问题的能力。他开创了天体力学这一科学，海王星和冥王星的发现就充分证明了这一点。
二、经典力学的主要观点
牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。牛顿对于力学最重要的贡献则是万有引力的发现。
牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，建立起经典力学的理论大厦。牛顿把他的力学理论应用于太阳系，解决了天体力学中的一系列问题。他拿出了计算太阳质量和行星质量的方法，证明了地球是一个赤道凸出的扁球，解释了岁差现象，说明了潮汐的涨落，分析了彗星运动的轨迹和天体摄动现象等。
18世纪及以后的一系列事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。对证实牛顿万有引力定律有重要意义的事实，一是哈雷彗星的发现，二是地球形状的证实，三是关于行星摄动现象的证实。此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。
三、经典力学的局限性
创造历史的人们总是不可避免地要受到历史的制约，牛顿当然也不例外。由于受到时代的局限，牛顿创立的经典力学的基本概念和基本原理存在着固有的局限性，主要表现在以下几个方面：
1.引入了绝对时间、绝对空间等基本概念
按照牛顿的说法，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关、永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所的移动。
莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，但却没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出了狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成了相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它；另一方面，时空的性质也决定于物体及其运动本身。
量子论的发展，对时间概念提出了根本的问题。量子论的结论之一就足：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖于现在的。
因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合适的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。
2.在经典力学中，物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关
在相对论中质量这一概念的外延被大大地扩展了。爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的。一方面，任何物质系统既可用质量m来表志它的数量，也可用能量E来表志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也会相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。
3.经典力学定律只适用于宏观低速世界
经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其他任何事物——速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系而变化。
同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如坠雾中。
经典力学的基本概念和基本原理在热力学中也遇到了一些麻烦。1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理作保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。
四、广义相对论的提出
由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加，它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量，但它不是导致原子弹诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，与有些天文观测到的现象符合。
传统上，在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期，人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系作为狭义与广义相对论分类的标志。随着相对论理论的发展，这种分类方法越来越显示出其缺陷——参考系是跟观察者有关的，以这样一个相对的物理对象来划分物理理论，被认为不能真实地反映问题的本质。目前，一般认为，狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力(弯曲时空)，即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的，即四维平凡流型配以闵氏度规，其曲率张量为零，又称闵氏时空；而广义相对论的背景时空则是弯曲的，其曲率张量不为零。
事实上，物理学在每一个历史时期都有它自己的基本概念和基本原理，而继后的时期人们又往往夸大它们的作用，不适当地把它们误用到其所能及的范围之外。为了消除这种误用，每--W历史时期都需要一种新的启蒙，正是这种永不止息的启蒙精神，才使科学不致变为僵化的教条。
(作者单位 山西省大同市农业机械化学校)
我们对物理这门学科并不陌生，早在17世纪，伟大的物理学家伽利略就曾想出用理想斜面来研究力和运动的关系。他开创了“观察实验、科学思维、与数学相结合的研究方法”，发现了惯性定律、自由落体规律、力学相对性原理，从此奠定了动力学的基础。而天才的物理学家牛顿将研究方法发挥到极至他在前人研究的基础上，采用归纳演绎、综合分析的方法，总结出牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学。同时也确立了他在物理学界至高无上的地位,并被称为经典力学之父。但是人创造了历史必然也会受到历史的制约，因此经典力学有其巨大的成就性，但其也存在着局限性。
一、经典力学的成就
经典力学理论体系的完美和实用威力的强大使物理学家相信,天地四方,古往今来发生的一切现象都能够用力学来描述.许多科学家宣称物理学的大厦已基本建成，留给后人的只是补充与完善。经过三次革命，第一次,是一位年轻的物理学家几乎仅靠单枪匹马之力引发的。他就是伟大的理论物理学家，阿尔伯特•爱因斯坦。19世纪末科学家们发现,当研究有关光的问题时,用经典物理的理论解释一些相关现象,就会产生尖锐的矛盾.为了解决这一矛盾,爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论；第二次革命的导火索是物理学史上的三大发现：伦琴发现X射线、汤姆生发现电子、贝克勒耳发现天然放射线 ,使物理学的研究从宏观领域进入了微观世界,人们发现,微观粒子所表现出的现象用经典物理理论根本无法解释，为了克服这一困难,德国物理学家普朗克大胆提出了量子的观点,爱因斯坦等物理学家又将量子论进一步丰富、发展，形成了现代量子力学理论.因此对其做出阐述是：经典物理对物理学思想和科学方法作了重点总结，它只适用于宏观低速的物体，相对论和量子论则适用于微观高速粒子的运动。因此，相对论和量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。
二、经典力学的局限性
（一）绝对时间、绝对空间等基本概念引入。按照伟大的物理学家牛顿所阐述的是，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动。但是莱布尼兹、贝克莱、马赫等先后都对绝对空间、时间观念提出过有价值的异议，指出过，没有证据能表明牛顿绝对空间的存在。爱因斯坦推广了上述的相对性原理，提出狭义相对论。在狭义相对论中，长度和时间间隔也变成相对量，运动的尺相对于静止的尺变短，运动的钟相对于静止的钟变慢。在广义相对论中，时空的性质不是与物体运动无关的：一方面，物体运动的性质要决定于用怎样的空间时间参照系来描写它另一方面时空的性质也决定于物体及其运动本身。另一方面量子论的发展，对时间概念提出了更根本的问题。量子论的结论之一就是：对于一个体系在过去可能存在于什么状态的判断结果，要决定于在现今的测量中做怎样的选择。这种现在与过去之间的相互关系，是与因果顺序概念十分不同的，暗含于时间概念中的因果序列要求过去的存在应是不依赖现在的。因此，用时间来描述事件发生的顺序，可能并不总是合用的。空间与时间是事物之间的一种次序，但并不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一种近似。
（二）牛顿虽然对引力作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。爱因斯坦的广义相对论对万有引力做出一种解释，就是时空本身是有弹性的，可以弯曲、伸展。当一个有质量的物体置于某一空间时，空间就会弯曲变形，质量越大，空间弯曲变形就越严重。那么，空间为什么会在有质量的物体周围弯曲呢？爱因斯坦也没能给出答案。所以，爱因斯坦的弯曲空间理论也没有说明引力的本质是什么。量子力学关于电荷间的电磁力和强子间的强相互作用力的传递原理的解释也没有说明引力的本质是什么。认为引力是通过引力场或引力子来传递的观点也未得到肯定，因而至今科学家也没有找到传递万有引力作用的引力子。
（三）在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。在相对论中质量这一概念的外延就被大大地扩展了。.爱因斯坦著名的质能方程E=mc2使到原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来，成了统一的“质能守恒定律”，它充分反映了物质和运动的统一性。质能方程说明，质量和能量是不可分割而联系着的.一方面，任何物质系统既可用质量m来标志它的数量，也可用能量E来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加。爱因斯坦从力学的观点出发，考虑两个球体的弹性碰撞，利用动量守恒定理和相对论速度相加定理能够导出著名的质速度公式 ，该式说明，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。
（四）经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。
（五）在经典物理学中，最难使人满意之处恐怕莫过于对光的描述了。如果微粒说是正确的，那么人们不禁要问，当光被吸收的时候，组成光的粒子变成了什么呢？而且为了既表示可称量物质又表示光，必须在讨论中引入不同的实体，这无论如何也不能使人心安理得。
同样，纳入力学框架中的光的波动论也难以自圆其说。按照波动论，光被解释为充满宇宙空间的以太的振动。由于光是横波，因此以太必须具有承受切应力而不承受压应力的能力，又由于以太对可称量物质并不产生可观察到的阻力，它又必须具有极小的密度。为此，人们绞尽脑汁，臆想出种种以太模型。这种无所不能、无奇不有的以太反倒使人如堕五里雾中。在1865年，克劳修斯确立了热力学第二定律，该定律揭示出与热现象有关的物理过程具有不可逆性。在经典力学中，从来也未发现类似的情况，力学过程的可逆性是由普遍的力学原理作保证的。可是热力学第二定律也是普遍成立的，因此，这个矛盾是无法用力学的基本观念予以解释的。
总之，物理学在每一个历史时期都有它自己的基本概念和基本原理，而继后的时期人们又往往夸大它们的作用，不适当地把它们误用到其所能及的范围之外。为了消除这种误用，每个历史时期都需要一种新的启蒙，正是这种永不止息的启蒙精神，才使科学不致变为僵化的教条。
