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刻舟求劍的物理原理

佚名 2025-03-26 11:23:13

、河岸與水三者之間誰在運動?天與地
、月與云誰在運動?這是古代人最關(guān)心的運動學問題
。這里同時涉及參考坐標與相對運動兩方面的問題。船
、河岸與水三者誰在運動的問題
,幾乎同時困擾了古代東西方的哲人
。亞里士多德曾經(jīng)提出
,停泊于河中的船實際上處于運動之中,因為不斷有新水流與該船接觸
。“不能同時踏進同一條河”的命題就是由此而來的
。古代中國人以自己的思考方式回答這些問題。晉代天文學家束皙〔xi西〕說:乘舟以涉水
,水去而船不徙矣
。(《隋書·天文志》)這個立論方式恰恰與亞里士多德相反。束皙認為
,這動著的船實際上是不運動的
。如果過江時保持船與河岸的垂直狀態(tài),船與河床的相對位置就不改變
。將參考坐標取在過江線或河床上
,這時就得出“水去而船不徙”的結(jié)論(圖2-10)。另一種看法是
,任船與水同速漂流
,將參考坐標取在整個水流上,船對于水也不發(fā)生位置移動

圖2-10船過江示意圖船c從a點過江

,它總是在兩岸的aa’線上,而水流b卻隨時在改變它與aa’線的相對位置
。從物理學看
,決定空間位置或運動與否必須有一個參考系。否則
,就會“西家謂之東家,東家謂之西家
,雖皋〔gao高〕陶〔古音yao腰〕之理,也不能定其處”(《淮南子·齊物訓》)
,連古圣皋陶都不能斷其是非
。不清楚參考坐標的人,就像“刻舟求劍”一樣胡涂
。刻舟求劍的故事原出于戰(zhàn)國末期呂不韋(
?-公元前235年)主持編纂的《呂氏春秋》
,至今讀起來還膾炙人口
。它所包含的物理意義是極其深刻的。該故事說:有一個楚國人乘船過江
,他身上的佩劍突然掉落江中。他立即在船艙板上作一記號
,對其船友說:“這是我的劍掉落的地方
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!钡搅撕影叮A?div id="d48novz" class="flower left">
,他就在畫記號的地方下水取劍?div id="d48novz" class="flower left">
!爸垡研幸?div id="d48novz" class="flower left">
,而劍不行
。求劍若此,不亦惑乎
?”(《呂氏春秋·慎大覽·貴因篇》)如此求劍
,不是犯胡涂嗎
?從故事編纂者的口氣來看,他是知道如何才能找到掉落江中的劍
。從物理角度看,找到這把劍落水的位置有兩種辦法:一、記下掉落位置離岸上某標志的方向和距離
。這就是說,以河岸作為參考坐標
。二
、在船不改變方向和速度的情況下
,記下劍掉落時刻、船速與航行時間
,據(jù)此求出靠岸的船與劍掉落地點的距離
。這就是說,以船作為參考坐標
。至于真正找到這把劍
,還得考慮水流
、浮力等其他因素。參考坐標選取適當與否
,對解決運動學和動力學中的問題是很重要的
。在相對運動中
,選取不同的坐標就有不同的運動結(jié)論。古代人常說:“仰游云以觀
,日月常動而云不移”(《隋書·天文志》),“見游云西行
,而謂月之東馳”(《抱樸子·內(nèi)篇·塞難》)
。而在行船艙板上人們感覺的是
,“不疑行舫動,唯看遠樹來”(南朝梁元帝詩《早發(fā)龍巢》)
,“看山恰似走來迎”(《敦煌曲子詞集》)。由于參考坐標的關(guān)系,原來不動的物體都成為運動的了
,這是不足為怪的。令人驚奇的是
,這些極為典型的相對運動的事例
,很早就成為中國文人筆下的力作佳句
。然而,古代人在判斷“天”與“地”的相對運動時
,并不像上述事例那么簡單明了
。在古代人看來
,“天左旋,地右動”(《春秋緯·元命苞》)
。也就是,以天上星體的東升西落(左旋)來證明地的右旋運動
。漢代王充提出了另一種看法:日月星體實際上是附著在天上右旋運動的
,只是因為“天”的左旋運動比起日月星體來要快
,因此才把日月星體當成左旋。這種情形就像螞蟻行走在轉(zhuǎn)動著的磨上
,人們見不到螞蟻右行,而只看見磨左轉(zhuǎn)
,因此以為螞蟻也是左行的(《論衡·說日篇》)
。我們暫且不管“天”是什么
,是否在運動,僅從物理學角度看
,王充等人的思想是高明的
。他們不僅看到了相對運動
,而且還企圖以相對速度的概念來確定運動的“真實”情況。在歷史上,許多人參加了這場左右旋轉(zhuǎn)的爭論
。迄至宋代,由于理學大師朱熹的名氣
,他所堅持的“左旋說”又占了上風。這場爭論
,長達2000余年
。直到明代
,偉大的科學家朱載堉作出物理判決之后,還爭論未了
。朱載堉說:左右二說
,孰是耶
?曰
,此千載不決之疑也。人在舟中
,蟻行磨上
,緩速二船
,良駑二馬之喻,各主一理
,似則皆似矣。茍非凌空御氣
,飛到日月之旁,親睹其實
,孰能辨其左右哉
?(《律歷融通》卷四)天與地
、人與舟、蟻與磨、快慢二船
、良駑二馬,如果沒有第三者作參考坐標
,就很難辨明它們各自的運動狀態(tài)
。物理學上對兩個彼此作相對運動的物體a和b
,既可以看作a動b不動,也可以看作b動a不動
。這兩種看法都有效。若要爭論它們的運動方向或誰動誰靜
,那真是“千載不決之疑”。朱載堉的回答完全符合運動相對性的物理意義
。然而朱載堉不明白,即使飛到日月旁
,也不能辨其左右,而只能回答“似則皆似矣”
。以相對運動的觀點來解釋天
、地的運動
,在古代的東西方都是一致的。但像朱載堉那樣對相對運動作出物理判決的人
,在伽利略(公元1564-1642年)之前找不到第二位
。要解決地靜還是地動的問題
,關(guān)鍵是要提出令人信服的證據(jù)證明地動的不可覺察性,這樣
,才能牢固地確立地動的觀念。完成這任務(wù)
,在近代物理學史上是伽利略的功勞
。然而,古代中國人卻從經(jīng)驗事實中總結(jié)出這一偉大的發(fā)現(xiàn)
。早在漢代成書的《尚書緯·考靈曜》寫道:地恒動不止,而人不知
。譬如人在大舟中
,閉牖〔you友〕而坐
,舟行而人不覺也。關(guān)閉的船艙
,在物理學著作中被看成是最普通
、最易被理解的近似的慣性系統(tǒng)。在一個封閉的慣性系統(tǒng)內(nèi)
,無論什么樣的力學實驗都不能判斷該系統(tǒng)是處在靜止狀態(tài)、還是在作勻速直線運動
。這個原理又稱為伽利略相對性原理
?div id="jfovm50" class="index-wrap">?墒牵谫だ灾凹s1500年
,中國人就提出了這個原理的最古老的說法。這是中國科學史上最偉大的理論成就之一

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