【胡克引導定律】
用一彈簧連接兩個鐵塊置於光滑冰面上,彈簧之伸縮能使兩個鐵塊產生加速度
我們做如下實驗:
在冰面的立牆處卡住(固定住)鐵塊甲,並用彈簧將鐵塊甲乙連接起來,此時鐵塊乙在冰面上處於自由狀態
我們將彈簧壓縮到一個確定長度L1後,鬆開彈簧,來看鐵塊乙因彈簧伸張獲得的加速度a1
然後我們將被卡住的鐵塊甲換成鐵塊丙,來做同樣的實驗,發現只要彈簧被壓縮到指定長度L1,鐵塊乙因彈簧伸張獲得的加速度a1始終相同
我們繼續將被卡住的鐵塊換成其他各種鐵塊,重複上述實驗,仍發現:
只要彈簧被壓縮到指定長度L1,鐵塊乙因彈簧伸張獲得的加速度a1始終相同,此結果與被卡住的鐵塊完全無關
然後我們做下面的實驗:將上述實驗中彈簧被壓縮到的長度改為L2,發現彈簧伸張時使得鐵塊乙獲得的加速度變為a2,且當我們更換被卡住的鐵塊時,對此結果毫無影響
我們嘗試修改彈簧被壓縮到的長度為L3、L4、L5。。。等等,重複上述實驗,發現每個彈簧長度都對應使鐵塊乙獲得一個加速度a3、a4、a5。。。等等,每個加速度大小隻和彈簧被壓縮後長度有關,與被卡住的鐵塊無關
比較所有數據L1、L2、L3、L4、L5。。。和a1、a2、a3、a4、a5。。。發現一個規律:
如果彈簧自由伸展時原長L0,那麼:
a1∝L-L1
a2∝L-L2
a3∝L-L3
a4∝L-L4
a5∝L-L5
。。。
∝為正比例符號
上述式子右側均為彈簧被壓縮後縮短的長度,我們將它記為x,則鐵塊乙因彈簧獲得的加速度a滿足:
a=Nx
其中N是一個比例常數
現在我們已知道,同一鐵塊在前述彈簧實驗中因彈簧伸張所獲得的加速度滿足a=Nx關係
但不同彈簧伸張時對同一鐵塊產生的加速度a滿足何等規律?
我們對同一個鐵塊更換不同彈簧後重複上述實驗發現,如果給彈簧編號1,2,3。。。等,就能得到一組新公式:
a=N1x
a=N2x
a=N3x
。。。。
我們發現每個彈簧都對應了自己的一個公式,每個彈簧在自己的公式里都對應一個比例係數N,N叫做彈簧的勁度係數(請注意這裡我們沒有考慮不同鐵塊質量的影響,如果你了解力的定義式F=ma以及胡克定律的一般形式F=-kx你就會發現我們這裡引導定律的N比胡克定律一般形式的k少了-m係數)
【注】這裡我們介紹的是【胡克定律】的引導形式,它無需質量、力這些概念的基礎。看過後文大家會發現,此引導形式定律反而可以用來定義【慣性質量】這個關鍵概念
【慣性質量】
在胡克引導定律中我們了解到,同一彈簧擁有確定的勁度係數N,那麼這根彈簧對不同鐵塊產生的加速度滿足何種規律?
我們已知實驗彈簧的勁度係數N,現在找來一系列不同的鐵塊,給它們標號1,2,3。。。。
現在我們用這根彈簧對每個鐵塊做上述實驗(將每個鐵塊都作為冰面上的自由鐵塊使用)
然後對每個鐵塊我們都得到一個公式:
a1=N1x
a2=N2x
a3=N3x
。。。。
對同一根彈簧來說,不同的鐵塊對應了不同的勁度係數N
如果我們設最初那塊鐵塊乙為標準鐵塊,標號為1,那麼a1=N1x這個公式就是我們原來的a=Nx
我們發現a越大,N越大
於是我們意識到有些鐵塊可以天然地從相同伸張條件的彈簧那裡得到更大的加速度,有些鐵塊獲得的加速度卻要小些
我們可以在數學上直觀得出:
a1=a1N1/N1=a2N1/N2=a3N1/N3=。。。。=anN1/Nn
我們把鐵塊獲得加速度的能力的強弱用一個新的物理量Z來表示,稱之為可加速性,定義為:
標準鐵塊1從標準彈簧那裡獲得加速度a1的能力為 可加速性Z=1
其他鐵塊(標號n)從標準彈簧那裡獲得加速度的能力為 可加速性Zn=an/a1=Nn/N1
有定義可知,任意鐵塊(或其他物體)的可加速性皆可通過把該物體作為自由鐵塊,並使用標準彈簧進行前述實驗來通過公式Zn=Nn/N1測得(由於加速度a對於不同彈簧壓縮量x可變,不宜方便使用,所以取不隨x改變的係數N來確定Z)
物理學家考慮到與【引力質量】這個概念建立聯繫時,Z這個物理量的倒數m=1/Z更為方便,所以物理學上通常把 可加速性Z的倒數m=1/Z稱為慣性,或稱為慣性質量
由此我們知道:
m=N1/Nn
即標準鐵塊從標準彈簧那裡獲得加速的勁度係數N1與非標準物體從標準彈簧那裡獲得加速的勁度係數Nn之比