關于物理學術論文
關于物理學術論文
物理是一門以實驗和觀察為基礎的自然科學。這是學習啦小編為大家整理的關于物理學術論文，僅供參考!
關于物理學術論文篇一
物理學
摘要: 對經典力學范圍內現行的慣性觀提出了不同的看法，認為對于慣性要區(qū)分：個別 研究 對象的性質與存在的性質;保持某種狀態(tài)的性質與改變某種狀態(tài)的性質;物 理學 規(guī)律 的動力學特性與審美性。
關鍵詞: 慣性;存在;時間;空間
慣性是經典力學中的一個基本概念，同時它又是人們日常生活中的一個基礎性觀念，并且慣性 問題 也是經常被界討論的一個話題(1)?？墒牵M管經典力學經過了漫長的 發(fā)展 時期，大部分的物理教師在此問題上還存在著很多的混亂性(2)，本文試從幾個方面對慣性進行了討論，望引起大家的共識。
一、慣性的意義
大家知道，慣性是物體保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質(3)。一個物體，只要不受外力作用，原來靜止的就會一直靜止下去，而原來運動的則會一直作勻速直線運動。這里的問題在于：慣性是否是物體的性質?依據牛頓第一運動定律，任何物體均具有慣性。因而，看來慣性不是被研究物體的性質，因為這一性質是一切物體所具有的，也就是說它與物體的個別特征無關。因而，慣性只能是存在的一個特征，是被研究對象周圍的 環(huán)境在此對象上的表現。換一句話說，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。
二十世紀初，德國數學家諾特爾(4)證明了：空間平移對稱性導致動量守恒、空間轉動對稱性導致角動量守恒、而時間均勻性導致能量守恒。事實上，物體的慣性是時間均勻性與空間對稱性的必然結果。因而它與個別的特殊研究對象無關。慣性不是個別存在物的性質，個別存在物只是慣性的顯現者，慣性的本質與個別存在物的特性無關。從而我們就不能用反映個別存在物性質的量(例如質量)來測度慣性。因為慣性作為存在的一種顯現，并無大小可言，它只是存在之狀態(tài)的表達。
二、慣性與物體運動狀態(tài)變化的難易程度無關
通常認為質量是物體慣性大小的量度是據于這樣的理由：質量大的物體在相同的力作用下其運動狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結論。而事實上物體運動狀態(tài)是否變化，物體運動狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無關的。慣性所揭示出的物體之性質不在于其使(或抗拒)物體運動狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力，而在于它的保持某種特定狀態(tài)(靜止或勻速直線運動)的本領：在最相似的物之間，錯覺說著最巧妙的謊;最小的罅隙是最難度(5)。因而慣性與物體的質量無關。倘若慣性與物體的質量有關的話，則我們也可以說力與慣性也有關系。因為對于相同質量的物體而言，力越小其運動狀態(tài)就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實上，在慣性概念發(fā)展的最初時期，牛頓就將慣性與力進行等價的思考，當然現在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯的了。如果要說質量與慣性確有 聯系的話，作者以為也只能從這樣的一個視角來看：慣性是由其表現物體周圍存在著的與時空有關的天體質量分布情況決定著的性質。這是因為，根據廣義相對論，空間的性質是由天體質量的分布所決定的。至于時間，自從奧古斯丁(6)提出“什么是時間?”以來，人們還沒有認清它的真面目，也因而從更深的層次上而言，人們只認識到什么是慣性而還沒有搞清慣性是什么。
慣性不是一種由個別物體自身所具備的原因(誠然，所有物體均會表現出慣性)，它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映，事實上，它是存在之美感的綻開。因而“慣性是物體對任何改變其運動狀態(tài)的外來作用的阻抗的性質”(7)這樣一種說法就是不當的。因為這一注釋還是從對牛頓第二定律的基本 分析 而來的，在這一注釋中已經隱藏了牛頓第二定律及對慣性與物體質量等價的認同感。其實，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在之性質，它使物體的存在行為非常簡單，而人們也往往由于常見到這種存在的簡單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠靜止，運動的永遠作勻速直線運動，慣性就是將存在如此單調而重復地顯現在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，作者以為均屬一種不當的詭辯行為。可是這種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經而且充斥著各種各樣的教科書(8)，我們來看一些下面的例子。
例1.慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時制動常造成 交通 事故。所以，在城市的市區(qū)，對機動車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。(9)
在這里，不能及時制動是由于慣性還是由于制動力不夠大?略作思考，讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒.唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是，由于車輛質量較大，而相應的制動力在如此質量的物體上所產生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時間內停下來。倘若對于質量較大的車輛來說制動力也允許更大，那么作者認為還是可以在一定的時間內制動車輛的。
并且，這個例子中的“高速行駛的車輛”及“對機動車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學生認為慣性和物體的運動速度有關。這對于初學者來說是一個很大的誤導。
例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什么緣故呢?(10)
通常標準答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時向下運動，當斧柄遇到障礙物時突然停止，而斧頭由于慣性保持原來的運動狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。
事實上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對于斧柄運動了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運動的原因。在此問題中的一個效果是斧頭相對于斧柄產生了某種(克服一定力的)運動，因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運動的實質。當以斧柄為參照時，實際上斧柄在撞擊的過程中是一個非慣性系，它相對于慣性系有一個向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個向下的“慣性力”，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對于斧柄前進了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來看斧頭在斧柄上套牢的問題，那么可以這樣認為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力，但相對于地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能，正是這個能量克服了阻力作功從而轉化為內能。所以從效果上看，一是斧頭相對于斧柄向下移動了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。
如果僅從動力學的角度來看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時間(或所通過的位移)所共同決定的，也就是說它和斧頭相對于斧柄的動能或動量變化有關。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個條件只是使斧柄產生了相對于水泥地面的較大的動量變化率，從而也使斧頭具有了相對于斧柄的慣性力。但是，雖然這個慣性力構成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴格地說，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時間也大有關系，因而，撞擊“幾下”也是一個非常重要的條件。
例3.小車上豎直放置一個木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運動，當小車被檔板制動時，車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢?(11)
教科書上的答案是這樣的：小車突然停止的時候，由于木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由于慣性要保持原來的運動狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。
事實上，本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對木塊的摩擦力對木塊的重心而言有一個順時針旋轉的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動時已是一個非慣性系，作用在木塊(重心)上的“慣性力”對木塊的底端也產生一個使木塊作順時針旋轉的力矩。
需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個涉及物體在非慣性系中的動力學的問題。其中例2是非慣性系中的質點動力學問題，而例3則是非慣性系中的剛體動力學問題?？墒牵诜菓T性系中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說，這兩個例子不僅是不準確的解釋而且是不適當的例子。在涉及慣性的問題上我們必須分別那些是屬于慣性現象，而那些則不屬于慣性現象——即為動力學現象。牛頓的例子，毫無疑問是正確的(12)，但我們許多的 工作者卻將慣性對事物的解釋范圍作了相當隨意而并不恰當的擴展或扭曲。其實在講述慣性時，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對事物常態(tài)的存在方式太熟視無睹了。這里問題的關鍵在于，慣性不是使物體改變運動狀態(tài)(使火車制動、使斧頭套牢在斧柄上、使小木塊傾倒)的原因。嚴格地說，這些原因和物體的慣性無關，只和力有關，而至于火車制動得及時不及時，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關，還和物體的質量、形體、初速度有關。但即使如此地與質量和初速有關卻也與慣性無關。
慣性，這個我們通常認為是由物體內在因素決定的性質，其實是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為 參考 系統來研究‘當汽車急劇剎車的時候，車中乘客有向前傾倒的傾向’這個問題，在汽車急劇剎車前，相對于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時，乘客突然向前傾，這就是說，以汽車為參考系統，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止狀態(tài)，并不表現出慣性”(13)。這個條件就是：物體要表現出慣性，它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強地延續(xù)維持不變,無論運動是快是慢抑或停止。”(14)也只在慣性系中才成立。在研究物體的運動學與動力學問題時，慣性系總有著特殊的地位?？墒?，這個特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個報應，慣性系的存在有其形而上的基礎： 自然 之美的呈現及人對自然之美呈現體認的同一性。如果沒有了存在的時間均勻性與空間對稱性，我們選取的相對于地面作勻速直線運動的參考系對研究動力學問題而言也就將成為一個畸形的怪胎。慣性系不僅在 計算 上向人類提供了聯系物體的相互作用與相對運動的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是：存在是美的。而慣性系則是自然對人的一個饋贈。也因而，我們應當從審美的視角來看待慣性，而不應當將它看成一個惡魔或一件便宜貨。
所有的老師都要求學生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當我們的老師用動力學的觀點來看待慣性——也就是說，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時候，對學生的這一期望是合適的嗎?其實這是一個誤區(qū)：當教完一些的基本概念與規(guī)律以后，就要求學生用它們解釋自然現象。事實上，中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們去解釋自然現象，它沒有這個功能，它只是告訴我們要去感受些什么，它提供給我們的不是一種推理的方式，而是一個判斷的原則 ：它促成我們的判斷更接近于自然之美的呈現。
三、慣性定律與牛頓第二定律的關系
當物體所受的合外力為零時，從牛頓第二定律可知物體處于靜止狀態(tài)或作勻速直線運動。可是，僅依據這一點卻不能認為牛頓第一定律是牛頓第二定律的一個特例。因為這兩個定律的論述對象其實是不一樣的。牛頓第二定律的研究對象是一個物體，而牛頓第一定律論述的是整個存在的性質。慣性——這個任何物體均具有的性質其實不是我們的個別研究對象所具有的性質，因為這個“任何物體”，包括了天地間的萬物，而萬物的總稱(15)即是宇宙：“四方上下曰宇，古往今來曰宙”.也即任何個別的物體都不可能無條件地具有慣性：慣性是存在的特性，是存在著的時空的特性，是宇宙的特性。
其次，牛頓第二定律是關于個別物體因果性的規(guī)律，而牛頓第一定律卻與個別物體的因果性無關，它是存在之狀態(tài)的表述，它的表述是與具體的特定的時間無關的、瞬時性的。正是這種非時間性(16)構成了牛頓力學的本質特征。也正是牛頓第一定律所成立的時間均勻性與空間對稱性構成了慣性系的特殊地位，從而使我們可以在牛頓第二定律的意義上來研究物體的動力學關系。因為毫無疑問，物體的運動性質和規(guī)律與采用怎樣的空間和時間來度量有著密切的關系(17)。由此可見，不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律和特例，恰恰相反，現行的動力學規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個體事物上的展現。慣性定律比牛頓第二定律具有更強的基礎性。也就是說，正是慣性現象，構成了牛頓動力學所以成立的操作平臺。由于物體在不受外力作用下保持其速度不變，因而物體運動速度的變化才跟物體的受力相關。
最后，牛頓把慣性定律放在三個運動定律的首位也是與其對自然的信仰因素有關的。因為在文藝復興之前的絕大部分思想家繼承了亞里士多德關于物體運動內在決定論的觀點。但在牛頓看來，基本的物質粒子完全是惰性的，沒有任何自發(fā)的運動，而電、磁、光這些‘非物質’的力量則成為神在自然中的行動的載體(18)。也就是說，慣性定律內隱含著牛頓否定亞里士多德運動觀的內在目的論從而建立新力學的形而上基礎。
四、慣性與具體物體的質量無關
從上面的討論可以看出：“質量是物體慣性大小的量度”這個論題，在幾個角度去看都是錯誤的。第一，質量不是物體慣性大小的量度。個別 研究 對象的質量與其所揭示的慣性毫無關聯。因為這兩者從數量上來看是一對無窮大的關系，從 內容 上來看是個體與存在的關系，在它們之間，人類的理性不可能找到邏輯上的因果鏈。第二，“物體(的)慣性”這樣的說法缺乏依據，因為慣性不是物體的性質。物體只是作為慣性的表現者而存在的。第三，“慣性(的)大小”這樣的說法也缺乏依據，因為慣性沒有大小，慣性只是存在的一種表達方式，一種特定狀態(tài)的顯現。第四，既然慣性并無大小，我們也不可去進行量度，事實上，任何一本教科書上也沒有指出慣性與質量的函數關系，因為這一函數關系并不存在，它只是人們的一個虛假的邏輯推測，誰也不能證明質量與慣性成正比或不成正比 ，更不能得出它們之間的比例系數，因為這些關系均是虛假的。因而，物 理學 界流傳的物體的慣性等于它的質量(19)只是人們一個隨心所欲的錯誤言說。
由于物體質量與慣性無關，所以，將牛頓第二定律中的質量稱為慣性質量就是不當的，質量的確對物體運動狀態(tài)的改變有一種象力一樣的阻抗作用，質量在改變物體運動的狀態(tài)上而言似乎有一種“消解”、“抗拒”力的性質。因而作者認為可將現行的“慣性質量”改稱為物體的“抗性質量”。正如牛頓所說：“物體只有當有其他力作用于它，或者要改變它的狀態(tài)時，才會產生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力。(20)”因為質量與物體運動狀態(tài)的變化快慢有關，它事實上具有動力學特征，當一個物體的質量大時，它對運動狀態(tài)改變的阻抗能力就越大。
從邏輯上而言，我們只有將慣性從物質的內在因素中解除出來，才能完全地克服牛頓 時代 的 機械論 自然 觀與牛頓第一運動定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說，這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復興所形成的機械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學基礎之上。
五、慣性定律的表述方式
牛頓第一定律是動力學定律的基礎，但它本身并不表征物體的某種動力學性質，它是關于人類體認自然之美、自然之和諧的陳述。據于上面的論述，對牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的：反映時間的均勻性，空間的對稱性，及自然之美對人的呈現?？墒?，現行的許多教科書中對牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當然，這種不一致性用老眼光來看是無傷大雅的，但以今天的眼光來看，這種差異性就成為值得商討的了。
例如：一個物體，如果沒有受到其他物體的作用，它就保持自己的靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)(21)。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠，因為這一陳述的方式是在動力學的維度上來進行的，陳述的對象是“一個物體”。這和牛頓第二定律的研究對象是一致的，這樣方式的陳述毫無疑問地可以把慣性定律認為是牛頓第二定律的一個特例，因為“如果沒有”這幾個字就表達了陳述事件的某種特殊性。
另外一種常見的陳述方式是：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。(22)這樣一種表述比前一種完整多了，它幾乎就是牛頓的原義，但這里的“一切物體”應當換成“任何物體”(23)。因為在此論述中的“任何物體”實際上是對一切物體的否定，而“有外力”應當換成“其它物體的作用”，因為慣性定律是不涉及力的，操作意義上的力這個動力學的基本概念與慣性無關。
作者試著這樣來陳述慣性定律：存在著的宇宙有這樣一種性質，它使任何物體在沒有受到其它物體作用的時候總保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)?；蛟S，這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式，它強調了慣性與慣性的表現者(個別研究對象)的嚴格區(qū)分，這個陳述的主語是性質，這樣的陳述才可稱為關于“慣性”的定律。而我們也應當將慣性定義為：使物體保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質。
六、人們誤解慣性的來源
人們在慣性 問題 上所犯的錯誤認識，既來源于 歷史 上人們對于和慣性概念相聯結的力與物體運動關系的一貫表達方式，又來源于牛頓的表述與對于牛頓力學理解上的偏差。“事實上，牛頓似乎注定要被人誤解”。(24)
在牛頓所陳述的第一定律中：(25)“每個物體都保持其靜止、或勻速直線運動的狀態(tài)，除非有外力作用于它迫使它改變那個狀態(tài)(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.)”。牛頓對“除非有外力作用于它迫使它”作出了對應的理解，即認為保持其靜止或勻速直線運動狀態(tài)的物體是由內部原因的，這個內部原因即稱為慣性：“vis insita,或物質固有的力，是一種起抵抗作用的力，它存在于每一個物體當中，大小與該物體相當，并使之保持其現有的狀態(tài)，或是靜止，或是勻速直線運動”。(26)在牛頓時代，作出這樣的判斷是無可厚非的：“一個物體，由于其物質的惰性(現稱慣性——譯者注)，要改變它的靜止或運動狀態(tài)就極其不易。因此這種固有的力可以用一個最確切的名稱‘慣性’或‘惰性力’來稱它。”(27)因為在牛頓時代是無法判定慣性的本質的。從牛頓的這一段話我們大致可以判斷出，他幾乎是在第二定律的意義上來領會慣性的，因而他才認為(慣性)大小與該物體的運動和質量有關。
這一觀點可以追蹤到亞里士多德，它 影響 了包括牛頓在內的一大批 科學 家的思維方式。在牛頓之前的開普勒也就慣性說過(29)：“如果天體不賦有類似于重量的慣性，要使它運動就不需要力，最小的動力就足以使它有無限的速度，但由于天體公轉需要用一定的時間，有的長些，有的短些，因此非常明顯，物質必須具有能說明這些差別的慣性”;“慣性，或對運動的阻力是物質的一種特性，在給定的體積中，物質的量愈多，慣性愈強。”由此我們也可見，在開普勒那里已經有慣性等同于力與質量的觀點了。
從上面的論述可以看出，人們對于慣性的錯誤理解主要是由歷史原因所造成的，這個原因主要在于：人們普遍地認為事物外在的狀態(tài)是有其內在原因的。當人們在物體之外找不到令人信服的可感覺的原因的時候，就只能把它歸因于物體的內部。牛頓將慣性歸因于物體的內部，把慣性看成阻礙物體改變其靜止或勻速直線運動狀況的內力，他假設的慣性非常接近布里丹的沖力——即：慣性作為一個內力，在缺乏外部動力或阻力時，會引起無定限的直線運動(30)，另一方面，牛頓的慣性觀又來自于他對古希臘關于自然具有靈魂觀念的繼承，我們可以從他的著作中強烈地感到，他具有自然界的物體與人一樣會在受到作用時產生反作用這樣一種強烈的思想意向。顯然，在 現代 人看來，自然界的物體是與人具有本質區(qū)別的。
在牛頓以后，歐拉則將牛頓關于vis insita 的比較隱晦的注釋作了同牛頓之前的有些科學家的直感一樣的有一定危險性的表白：“慣性是物體保持靜止或保持勻速直線運動的能力.....慣性的大小與質量成正比例。”(31) 可是現在看來，這種危險性中是帶有錯誤的。從那以后到現在，人們對于慣性的理解基本上是庸俗性質的。隨著現代的 發(fā)展 ，特別是諾特爾之后，我們可以認識到使物體保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的原因并不在物體的內部、也跟力無關，而是由于物體所處的時間均勻性與空間對稱性。也就是說，我們必須對牛頓意義上的慣性作出更開放性與發(fā)展性的理解，牛頓的vis insita(慣性是一個消極的本原，靠此本原物體維持它們的運動或靜止，按照作用力的大小接受運動，按照受到阻力的大小抵制運動。(32))可以深入為兩個層面的結論：在沒有外力的作用下，一個物體，它能保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動是由于慣性，即時間均勻性與空間對稱性;在同樣大小的力的作用下，一個物體它的運動狀態(tài)較難改變是由于它的動力學特性——抗性，即它的質量較大。
參考 文獻 ：
(1) 鄒榮. 質量是物體慣性大小的量度嗎? 新世紀 教育 文集. 中國 廣播電視出版社，2000，11，1版，454.
鄧昭鏡.鄧玉蘭. 質量是慣性的量度,還是物質之量的量度. 物理教師，2000，12，33.
(2) 徐祖年. 質量是慣性或引力的量度. 物理教師，2001，11，27.
(3) 梁昆淼.力學，上冊(修訂版).高等教學出版社，1978，12修訂第2版，64.
(4) 漆安慎 杜嬋英. 力學, 高等教育出版社. 1997,7,1版,222.
〔美〕阿 · 熱.可怕的對稱.湖南科學技術出版社，1992，2.1版，126.
曾謹言. 量子力學 卷Ⅱ.科學出版社, 1993,9,1版,231.
(5) 尼采文集.查拉斯圖拉卷.青海人民出版社，1995，11，1版，163.
(6)〔古羅馬〕奧古斯丁.懺悔錄.商務印書館，1963，7,1版，242.
(7) 中國大百科全書，，Ⅱ.中國大百科全書出版社，1987，7，1版，1236.
(8) 同(3),65.
(9) 九年義務教育三年制初級中學試用課本,物理,第一冊.上海科學技術出版社,1996,5,1版,109.
(10) 同(9).
(11) 同(9),108.
(12)〔英〕伊薩克·牛頓. 自然 哲學 之數學原理.陜西人民出版社.2001,1,1版,18.
關于物理學術論文篇二
物理量的測量及物理學的本質
一、引言
物理學是一門測量科學.[1]物理學家們首先創(chuàng)造出合適的物理量作為研究工具，然后通過對物理量的測量去找出規(guī)律或與事先假定的物理理論所預測的值去比較.這是物理學最核心的內容，也是物理學的本質.[2]
2015年浙江省高考理科綜合卷第22題(以下簡稱浙江卷第22題)的圖2給學生展示了四只電表所顯示的通過調節(jié)滑動變阻器所得到的兩組電流表與電壓表的示數(見圖1)，要求學生根據這四個示數來計算小燈泡在滑動變阻器調節(jié)前后的電阻值.這題貼近實際(表的示數是根據實際拍攝的)，考查學生在測量中所表現出來的操作能力(讀數和計算)，更為重要的是，它強調了測量在物理學中的重要性.可是，在所給出的權威性參考答案中，[3]筆者認為其在測量和誤差理論方面存在問題.如果以此答案為評分標準，勢必會導致閱卷中的差錯和不公平，更為重要的是，它會使人們對測量原理和物理學的本質產生誤解.
為此，本文將從信息、測量和誤差的基本理論著手，通過對浙江卷第22題的參考答案的分析，來闡述物理學作為一門測量科學的本質，從而引起物理課程標準的制訂者、物理教材編寫者和廣大物理教師對測量教學在物理教育中的重要性的關注.
二、測量是獲取信息的過程
根據信息學的原理，人們通過一定的方式向信息源獲取一定量的信息.信息源所含的符號越多，人們每得到一個符號所獲取的信息量就越多.因此，在信息學中，信息量的單位1比特是這樣定義的：一個具有兩種不同符號的信息源每發(fā)射一個符號所傳遞的信息量為1比特.比如，交通信號燈(紅-綠燈)是一個含有兩種不同符號的信息源.當我們接收到其中一個符號時，比如綠燈亮時，我們就獲得了1比特的信息量.同理，一個具有4種不同符號的信息源每發(fā)射一個符號所傳遞的信息量為2比特.以此類推，一個具有Z種不同符號的信息源每發(fā)射一個符號所傳遞的信息量H為：
當我們測量某個物理量時，我們就從測量工具那里得到了一定量的信息.比如，一臺廚房用的臺秤最多可稱2千克的質量，它的最小讀數是10克.因而，關于“物體的質量有多大”的問題，這臺臺秤可以做出200種不同的回答.那么，相應的符號數為200，與答案相應的信息量約為8比特.再比如，一般的溫度計的精確度為1℃.如果它的測量范圍是-30℃到90℃，則相應的符號數為120個.當我們測得一個溫度值時，我們就接收到了7比特的信息.測量儀器的精確度越高，測得一個值時所接收的信息量就越多.粗略地說，一個測量值所對應的信息量大約為10比特.[4]
現行中學物理課程標準和教材中沒有涉及信息學的知識，這就導致教師無法向學生講清測量的這一信息學本質.在普通高中物理課程標準[5]和現行普通高中物理教材[6]中，教師和學生只能籠統地知道物理學是一門實驗科學，他們不會關注到物理實驗的本質是測量，而測量是獲取信息的過程.有些師生甚至對物理學形成這樣的印象：物理定律是數學推導的結果，物理學家們所做的工作僅僅是像做習題一樣的一種數學演算.為此，我們強烈建議，在高中物理課程標準和教材中，應適當引入信息學的基本知識，從而使教師和學生加深對物理學本質的理解.
三、測量值總是一個區(qū)間
在解釋為什么需要測量時，我們通常抱有這樣的觀念：在測量前這個值是未知的，在測量后這個值是已知的.實際上，這是一個錯誤的觀念.首先，在測量前我們對物理量的值并不是一點也不知道.其次，在測量后我們并不知道物理量的真實值.測量值總是一個區(qū)間(圖2).在用儀器測量前，我們知道這個值是某一較大的區(qū)間.在用儀器測量后，我們仍只知道這個值是某一區(qū)間，但這個區(qū)間比用儀器測量前的要小了.如果用儀器測量后這個區(qū)間明顯地縮小了，我們說這是一個好的測量;如果這個區(qū)間只縮小了一點點，我們說這是一個不好的測量，或不精密的測量.
人本身也是一個測量工具，人通過感官來“估計”也是一種測量，也能獲得信息.物理學雖然是一門定量科學，但它并不是一門精確的科學.物理學家并不能確定某個物理量的真實值，而只能借用精密的測量儀器和根據他們的判斷能力來縮小物理量的測量值的區(qū)間，從而獲取更多的信息.
根據這一考慮，我們可以來定義一個表征對量X測量的好壞的數，這個數就是測量前后的兩個區(qū)間的比值，即.
由于H表示在測量中所獲得的信息量，所以它的單位為信息量的單位.這個量告訴我們，在測量中，物理量的值的信息量增加了多少比特(bit).比如，在測量一支鉛筆的長度時，假定在用儀器測量前我們用肉眼測出這支筆的長度不會小于10cm，也不會大于20cm.用尺子測量后我們知道這支筆的長度在10.5cm和10.6cm之間.我們來計算在用尺子測量這支鉛筆的長度中所獲得的信息量：
而在權威發(fā)布的參考答案中所給出的不是一個區(qū)間，而是四個值：0.10A、0.24A、0.27V和2.00V. 顯然，如果學生的答案落在上述區(qū)間內，我們應認為其答案是對的.尤其是對于第4只表的讀數(即U1的測量值)，參考答案給出了“0.27V”.如果學生讀出0.25V、0.26V或0.28V是否會被認為是錯的呢?
四、誤差傳播是有規(guī)律的
在現行教材中，普遍把測量值跟被測物理量的真實值之間的差異叫作誤差(error).[6]根據前面所述，真實值是不存在的，我們所能測得的總是一個區(qū)間.誤差包括系統誤差(systematic error)和偶然誤差(random error)，而系統誤差又包括儀器誤差、理論(方法)誤差和個人誤差.在某次直接測量中，我們可以根據測量儀器的精確度知道此儀器所導致的儀器誤差.比如，在用上面所提到的四只表測量時，僅由這些表所產生的絕對誤差分別為δI1=δI2= 0.01A，δU1=δU2=0.05V.
這里所指的絕對誤差，其實就是某一測量值的不確定范圍的一半(uncertainty).它不同于對同一物理量的兩個測量值之間的差異(discrepancy)(圖3).因此，對某個量多次測量后，可以用其平均值來代表所有測量值.測量次數越多，這個平均值與任何一次測量值之間的差異會越小.然而，不管測量次數有多少，最后只能用一個值(平均值)來代表這個量的測量值.
根據相應的公式通過對直接測量值的計算得到某一物理量的值，這一過程叫作間接測量.直接測量值的誤差會在計算過程中進一步傳播，并產生新的誤差，這一過程叫作誤差傳播(error propagation).對于不同的計算公式，誤差傳播的規(guī)律是不同的.下面是幾個常用的誤差傳播公式：
而參考答案中所給出的R1和R2的值分別為(2.7±0.1)Ω和(8.3±0.1)Ω.顯然，參考答案的作者沒有用誤差傳播公式來計算這兩個間接測量值，而隨意地在±號后面定了0.1這個數.這將給考生帶來一定的不公正性.盡管在高中物理教學中我們并不要求給學生講誤差傳播知識，但作為參考答案中的間接測量值，還是要根據誤差傳播公式來計算的.
五、結束語
物 理學是一門測量科學.物理學家們通過對物理量的測量來獲取信息.對任何物理量的測量值都是一個區(qū)間.測量值的區(qū)間是我們不斷探索的空間.我們建議，在高中物理課程標準和教材中，應增加信息學的內容(建議將信息學的內容和振動與波的知識合在一起)，應強調測量在物理學中的重要性，適當增加測量的原理、誤差分析等知識.這是學生理解物理學本質所必需的知識.