“天宫讲堂”第四课开讲 专家解析小球磕碰背面的大道理

　　9月21日下午，神舟十六号乘组航天员在梦天试验舱为咱们咱们带来了第四次“天宫讲堂”。通过了前三次的经历堆集，本次除了持续出现使用疏水毛巾来打水球乒乓的兴趣试验外又有新的打破，航天员桂海潮用他亲身预备的质量到达3千克的大陀螺为咱们展现了经典的角动量守恒试验，还第一次在空间站中做了有明火的球形火焰试验。

　　在方格布景前做的小钢球磕碰试验，则是笔者最重视的试验内容。一方面是由于这块起到“坐标纸”作用的方格布景布是笔者在前期预备中主张参加的，这样就可以终究靠格子给出的方位和视频本身的时刻，定量地确认两个球精确的速度巨细和方向，让试验从定性调查可以上升到定量丈量的层次。同学们在通过试验的奇特现象激起好奇心、培育想象力的一起，进一步开端测验深化定量探求、当心求证，在学习科学的道路上更上一个新台阶；另一方面则是磕碰试验本身在物理学树立和开展进程中的重要根底性作用，事实上，今日物理学中最根底的动量、动能、力等概念，正是在对磕碰问题的研讨根底上树立起来的。

　　伽利略最早在研讨冲击现象时，定性地提出了“应考虑锤子的分量和速度对冲击作用的影响”；笛卡尔在《哲学原理》中针对磕碰问题提出“假如一个物体与另一个强于它的物体相磕碰，它并不失掉任何运动；但假如它与一个较弱的物体磕碰，它就会失掉与它传给另一个物体相同的运动的量。”这儿用物体的巨细与速率的乘积来作为运动衡量的计划，是动量概念的雏形，而且包含了守恒的观念。当然，笛卡尔的这个计划并不是今日咱们了解的动量，首要它是个没有方向的标量；其次从笛卡尔的哲学系统来看，运动是一种奥秘的力气在每一会儿注入物体的，“运动的量”并非是对运动状况的描绘。

　　惠更斯在1669年用一个思维试验调查同一个磕碰进程，别离从匀速行进的船上和河边两个参考系，证明了笛卡尔“运动的量”守恒的提法严格说来并不精确，应该为“运动的量”引进方向，在形式上形成了今日咱们了解的描绘运动的物理量——动量。惠更斯还提出了多个物体磕碰时的一起重心坚持匀速直线运动的规律，可以看做“系统的动量守恒规律”雏形。

　　惠更斯在磕碰问题的研讨中其实还发现了别的一个守恒量，质量与速度平方的乘积。从今日的视角看，惠更斯从完全弹性磕碰中发现的这个守恒量其实是动能的前身，这个守恒联系实际上的意思便是完全弹性磕碰中的动能守恒。但其时惠更斯并没有赋予这个守恒量一个清晰的物理含义。

　　1686年，莱布尼茨掀起了一段闻名的科学史公案——“生机之争”。在笛卡尔的系统中，一种奥秘力气赋予了物体运动，意味着运动便是“力”。而莱布尼茨指出运动应该是物体自己的性质，是物置的改变，和“力”是不同的东西。他通过对落体运动的剖析，以为运动中守恒的不是“运动的量”而是“力”，而且提出这个“力”的衡量是物质的多少与速度平方的乘积。由于这种力可以在实际中发生对应的作用，如终究总能转化为将一个重物举高或下降必定的高度，莱布尼茨把这种“力”又叫做“生机”。

　　达朗贝尔在1743年宣布《论动力学》终结了这段争辩。依照今日的观念，“笛卡尔力”对应的动量是牛顿界说下的力在时刻中累积的成果，莱布尼茨的“生机”对应的动能则是牛顿界说下的力在空间中累积的成果。两个守恒联系别离对应着弹性磕碰中的动量守恒和动能守恒。

　　当1807年托马斯·杨引进能量的概念、1829年科里奥利引进功的概念、1849—1851年开尔文勋爵引进术语动能、1853年兰金引进势能后，机械能守恒规律得以表述。在功与能概念完善的根底上，通过以迈尔、焦耳、亥姆霍兹等为代表的很多科学家对永动机、热功转化，甚至化学、生理等方面很多进程的研讨，进一步形成了更广泛的能量守恒规律，其使用场景规模比动量守恒更广。

　　在物理学树立前期，便在笛卡尔、莱布尼茨这样顶尖睿智的头脑中，“力”的概念仍然较为含糊，在他们的物理图画中的“力”都是物体本身具有的某种东西的测量，更挨近从推车、负重时人体肌肉的严重或膂力的耗费中笼统出的那个自然语言中的“力气”的概念。而咱们今日了解的物理学中的力，即牛顿第二规律界说下的力，表面上看仅仅把动量对时刻的改变率界说为力，实际上代表相互作用的作用强弱，它与笛卡尔、莱布尼茨的物理图画有着非常大的不同。笛卡尔、莱布尼茨的“力”是物体本身具有某种东西的测量，是归于每一个物体自己的；而牛顿界说下的力则是物体之间相互作用强度的测量，相互作用自然是归于两个物体之间的，独自一个物体并没有力可言。

　　小小的磕碰背面，其实是物理学从奠基到开展的大道理。在赏识试验兴趣的一起，朋友们也无妨了解背面的前史和思维开展进程，然后更深刻地了解概念，领会其间的科学才智。