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理论力学的研究过程,是人们认识客观世界的过程。正确的科学研究方法,必须要符合辩证唯物主义的认识论。笔者根据多年的教学实践,谈谈理论力学的研究方法。
一、总结力学最基础的规律
对生活和生产实践中的各种现象进行科学的分析、综合和归纳,总结出力学最基础的规律。力学是一门自然科学,并在长期的生活和生产实践中被人们所认识。在远古时代,人们为了从低处提水,制成了辘轳;为了搬运重物,使用了杠杆和斜面;为了利用风力和水力制成了风车和水车。这些生活和生产工具的产生,使人们对运动有了初步认识并积累了大量的经验。经过分析、综合和归纳,逐步形成了“力”和“力矩”等基础概念以及“二力平衡”、“杠杆原理”等力学基本规律,并总结于科学著作中。如我国古代的科学著作《墨经》中记载“力,刑之所以奋也”“刑”同“形”,指物体,“奋”作运动变化讲,也就是说力是使物体发生运动变化的原因。“正而不可摇,说在转”,说明物体在力矩作用下才会发生转动。东汉法家王充在《论衡》一书中写道:“力重不能自举须人乃举”,“古之多力者,身能负载千钧,手能决角伸钩。使之自举,不能离地”,说明物体的内力不能使物体发生运动。随着社会的进一步发展,人们为了更深刻地认识客观规律,不仅在生活和生产实践中进行了观察和分析,而且还进行了大量的实验。通过对复杂自然现象的模拟来测定、分析和计算各个因素间的关系,因此实验也是形成正确理论的重要手段。伽利略的自由落体和库仑摩擦定律是建立在大量实验基础上形成的正确理论,直到今天,我们仍可用库仑摩擦定律实验来测定两物体间的摩擦系数。英国物理学家、古典力学的创始人之一牛顿也正是在前人已有的实践材料和自己的观察、实验和总结的基础上,完成了伟大著作《自然哲学的数学原理》,并在书中提出了著名的三定律:惯性定律、加速度定律、作用反作用定律,它们为后来人们研究理论力学奠定了基础。
二、建立力学模型,为人们认识和总结事物之间的内在规律提供了科学的方法
在对事物观察和实验的基础上,经过抽象化建立力学模型,为人们认识和总结事物之间的内在规律提供了科学的方法。人们在长期的研究过程中,运用辩证唯物主义的观点和方法,不断地观察、实验,对事物的认识产生了多次反复,再经过“去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里”的思考分析过程,形成了科学的概念。这些概念的形成是一个抽象化的过程,理论力学中的力、约束、刚体、质点等概念,都是经过抽象化形成的理想模型。
抽象化的方法就是在研究复杂的客观规律的过程中,抓住主要矛盾,舍去次要的、局部的因素,深入现象的本质,明确事物的内在联系,从而形成力学中的重要模型。我们在研究物体的平衡时,忽略其受力后的变形因素得到理想刚体的力学模型;在不计摩擦对结构平衡状态的影响时,就能得到理想约束的力学模型;在研究天体的运动规律时,忽略星体的大小而得到质点的力学模型。正是这些理想的力学模型,简化了我们要分析、研究的问题,同时也能客观深入地反映事物的本质和内在规律。辩证唯物主义的认识论要求我们研究不同的问题时,要站在不同的角度。抽象模型都是受限制的,有条件的,相对的。研究讨论的问题变了,采用的力学模型也有改变。在静力学中研究物体的平衡时使用刚体的模型,能够揭示物体间的内在联系,其结果比较令人满意。但要研究物体内部的受力情况和其变形规律时,则必须抽象出理想弹性体的模型才能客观地反映事物的内在规律。在茫茫的宇宙中,星体就是质点,牛顿从大量具体的分析中得出具有普遍意义的万有引力定律,人们又用该定律的计算结果发现了海王星和冥王星。因此列宁指出:“物质的抽象,自然规律的抽象,价值的抽象等等,一句话,那一切科学抽象都更深刻、更正确、更完全地反映着自然。”
三、得出正确的具有物理意义和实用价值的定理和结论
在建立力学模型的基础上,从基本规律出发,用数学演绎和逻辑推理的方法,得出正确的具有物理意义和实用价值的定理和结论。理论力学的基本规律,均属古典力学的范畴,适用于速度远小于光速的宏观物体的运动,这已为人类长期的生产实践所证实。然而,人们在生活生产实践所遇到的问题是复杂多变的,不是几条基本规律能直接解决的,这就要求指导实践的理论进一步地完善起来。伽利略第一个走上以采用精确的数学分析和总结实验数据为特点的物理学研究道路;而牛顿则第一个大量运用数学方法来系统地整理、组织一些研究成果,由经验积累上升到理性概括,由零碎的知识上升到系统的理论,使人们对客观事物内在规律的认识进一步深化。因此,数学演绎和逻辑推理这一有效的科学工具广泛地运用在理论力学的研究和发展中,通过数学表达式更进一步地揭示物理量间的内在联系,使力学理论能够更直接地解决复杂的实际问题。牛顿在他所总结的力学原理中,明确地界定了表征外部对物体的作用强度的力和表征物体运动状态变化的加速度的关系,从而确定了严格的、用数学方式表达的机械运动的因果关系,成为解决非常繁杂的力学问题的基础。海王星的发现过程,有力地证明了力学原理的正确性,也充分说明实践是检验真理和发展真理的唯一标准。毛泽东曾经指出:“许多自然科学理论之所以被称为真理,不但在于自然科学家创立这些学说的时候,而且在于为尔后的科学实践所证实的时候。”
随着科学技术的飞速发展,力学理论广泛地应用于各个领域,并形成了许多分支,研究设施也更加完善。但是观察生活、服务生产、科学实验、经验总结、数学演绎和归纳,抽象化的模型仍是我们研究和发展理论力学的正确途径和科学方法。
(作者单位:河南省周口市技工学校)
一、总结力学最基础的规律
对生活和生产实践中的各种现象进行科学的分析、综合和归纳,总结出力学最基础的规律。力学是一门自然科学,并在长期的生活和生产实践中被人们所认识。在远古时代,人们为了从低处提水,制成了辘轳;为了搬运重物,使用了杠杆和斜面;为了利用风力和水力制成了风车和水车。这些生活和生产工具的产生,使人们对运动有了初步认识并积累了大量的经验。经过分析、综合和归纳,逐步形成了“力”和“力矩”等基础概念以及“二力平衡”、“杠杆原理”等力学基本规律,并总结于科学著作中。如我国古代的科学著作《墨经》中记载“力,刑之所以奋也”“刑”同“形”,指物体,“奋”作运动变化讲,也就是说力是使物体发生运动变化的原因。“正而不可摇,说在转”,说明物体在力矩作用下才会发生转动。东汉法家王充在《论衡》一书中写道:“力重不能自举须人乃举”,“古之多力者,身能负载千钧,手能决角伸钩。使之自举,不能离地”,说明物体的内力不能使物体发生运动。随着社会的进一步发展,人们为了更深刻地认识客观规律,不仅在生活和生产实践中进行了观察和分析,而且还进行了大量的实验。通过对复杂自然现象的模拟来测定、分析和计算各个因素间的关系,因此实验也是形成正确理论的重要手段。伽利略的自由落体和库仑摩擦定律是建立在大量实验基础上形成的正确理论,直到今天,我们仍可用库仑摩擦定律实验来测定两物体间的摩擦系数。英国物理学家、古典力学的创始人之一牛顿也正是在前人已有的实践材料和自己的观察、实验和总结的基础上,完成了伟大著作《自然哲学的数学原理》,并在书中提出了著名的三定律:惯性定律、加速度定律、作用反作用定律,它们为后来人们研究理论力学奠定了基础。
二、建立力学模型,为人们认识和总结事物之间的内在规律提供了科学的方法
在对事物观察和实验的基础上,经过抽象化建立力学模型,为人们认识和总结事物之间的内在规律提供了科学的方法。人们在长期的研究过程中,运用辩证唯物主义的观点和方法,不断地观察、实验,对事物的认识产生了多次反复,再经过“去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里”的思考分析过程,形成了科学的概念。这些概念的形成是一个抽象化的过程,理论力学中的力、约束、刚体、质点等概念,都是经过抽象化形成的理想模型。
抽象化的方法就是在研究复杂的客观规律的过程中,抓住主要矛盾,舍去次要的、局部的因素,深入现象的本质,明确事物的内在联系,从而形成力学中的重要模型。我们在研究物体的平衡时,忽略其受力后的变形因素得到理想刚体的力学模型;在不计摩擦对结构平衡状态的影响时,就能得到理想约束的力学模型;在研究天体的运动规律时,忽略星体的大小而得到质点的力学模型。正是这些理想的力学模型,简化了我们要分析、研究的问题,同时也能客观深入地反映事物的本质和内在规律。辩证唯物主义的认识论要求我们研究不同的问题时,要站在不同的角度。抽象模型都是受限制的,有条件的,相对的。研究讨论的问题变了,采用的力学模型也有改变。在静力学中研究物体的平衡时使用刚体的模型,能够揭示物体间的内在联系,其结果比较令人满意。但要研究物体内部的受力情况和其变形规律时,则必须抽象出理想弹性体的模型才能客观地反映事物的内在规律。在茫茫的宇宙中,星体就是质点,牛顿从大量具体的分析中得出具有普遍意义的万有引力定律,人们又用该定律的计算结果发现了海王星和冥王星。因此列宁指出:“物质的抽象,自然规律的抽象,价值的抽象等等,一句话,那一切科学抽象都更深刻、更正确、更完全地反映着自然。”
三、得出正确的具有物理意义和实用价值的定理和结论
在建立力学模型的基础上,从基本规律出发,用数学演绎和逻辑推理的方法,得出正确的具有物理意义和实用价值的定理和结论。理论力学的基本规律,均属古典力学的范畴,适用于速度远小于光速的宏观物体的运动,这已为人类长期的生产实践所证实。然而,人们在生活生产实践所遇到的问题是复杂多变的,不是几条基本规律能直接解决的,这就要求指导实践的理论进一步地完善起来。伽利略第一个走上以采用精确的数学分析和总结实验数据为特点的物理学研究道路;而牛顿则第一个大量运用数学方法来系统地整理、组织一些研究成果,由经验积累上升到理性概括,由零碎的知识上升到系统的理论,使人们对客观事物内在规律的认识进一步深化。因此,数学演绎和逻辑推理这一有效的科学工具广泛地运用在理论力学的研究和发展中,通过数学表达式更进一步地揭示物理量间的内在联系,使力学理论能够更直接地解决复杂的实际问题。牛顿在他所总结的力学原理中,明确地界定了表征外部对物体的作用强度的力和表征物体运动状态变化的加速度的关系,从而确定了严格的、用数学方式表达的机械运动的因果关系,成为解决非常繁杂的力学问题的基础。海王星的发现过程,有力地证明了力学原理的正确性,也充分说明实践是检验真理和发展真理的唯一标准。毛泽东曾经指出:“许多自然科学理论之所以被称为真理,不但在于自然科学家创立这些学说的时候,而且在于为尔后的科学实践所证实的时候。”
随着科学技术的飞速发展,力学理论广泛地应用于各个领域,并形成了许多分支,研究设施也更加完善。但是观察生活、服务生产、科学实验、经验总结、数学演绎和归纳,抽象化的模型仍是我们研究和发展理论力学的正确途径和科学方法。
(作者单位:河南省周口市技工学校)