牛顿水桶实验
牛顿的水桶
牛顿的水桶200多年前，牛顿提出了绝对空间。
牛顿对空间的理解是：“绝对空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。
”牛顿的理论体系是建立在绝对时间和绝对空间的假设之上的。
自从牛顿建立了绝对空间和绝对时间概念，人们从常识中感到这个概念似乎是非常正确的。
与建立牛顿的三大定律一样，牛顿在创立绝对的时空观时也广泛接受和采纳了前人的时空观点。
而其中，莫尔和巴罗的影响非常关键和重要。
英国皇家学会的会员莫尔十分关注物理自然和各种运动现象背后的形上诠释。
在他看来，自然界是一个充满了“自然精神”或“世界的普遍灵魂”的整体，莫尔视域中的空间实际上就是与物质的有无和运动状态变化无关的客观实在。
正是在这个意义上，后来牛顿的绝对时空概念便成了莫尔空间属性多元特征的精制化哲学抽象。
而巴罗同样是在有关上帝与时空的存在不可分割的关联这一方面对牛顿产生影响的。
他认为时间不过是本来就存在着的先后秩序之的说法，它与物质的有无及其运动的状况毫不相干。
而由于上帝的无所不在极其神力使我们所看到了数学计时上的清晰精确的时间概念。
因此塞耶说:“莫尔形成的剑桥圈子,包括巴罗在内,对牛顿的思想产生强烈的影响”。
无可争辩的是，此时的牛顿已经是一个绝对的忠实的早期基督教的一个有神论者。
他的科学思想开始无法摆脱神学的影响。
牛顿从绝对时空的假设进一步定义了“绝对运动”和“绝对静止”的概念，为了证明绝对运动的存在性，牛顿还在1689年构思了一个理想实验，即著名的水桶实验。
在牛顿看来，水的升高显示它脱离转轴的倾向，显示了水的真正的、绝对的圆周运动。
这个运动是可知的，并可从这一倾向测出，跟相对运动正好相反。
在开始时，桶中水的相对运动最大，但并无离开转轴的倾向；水既不偏向边缘，也不升高，而是保持平面，所以它的圆周运动尚未真正开始。
但是后来，相对运动减小时，水却趋于边缘，证明它有一种倾向要离开转轴。
这一倾向表明水的真正的圆周运动在不断增大，直到它达到最大值，这时水就在桶中作相对静止。
水桶实验
来源/fanwen/123/13896.html/bbs/viewthread.php?tid=3872716一、惯性概念的肇始和牛顿的综合惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。
人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月。
在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起过广泛的影响，然而他关于物理学的论述，许多都是错误的。
他把物体的运动分为自然运动和强制运动。
他认为圆周是完善的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外，地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如果没有其他物体阻碍，物体力图回到天然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。
他还进而指出，关于物体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时，运动也立即停止。
从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：一，自然运动不涉及曳力的问题，只有强制运动才存在力的问题；二、力是物体强制运动的原因。
从今天来看，这显然是错误的，然而它束缚了人们近两千年。
从这种把物体的运动归结为外力作用的观念，可以提取出静止物体具有惯性的概念。
开普勒在他1609年发表的著作《新天文学》和1619年发表的著作《宇宙谐和论》中写道；“天体有留在天空中任何地方的性质，除非它被拖曳着。
”“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性。
”“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。
”这大概是关于物体惯性的最早陈述。
可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性，甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关，然而他显然受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有惯性的问题。
物理学史上的著名理想实验
物理学史上的著名理想实验在物理学发展的历史中，理想实验以其独特方式在物理学发展的许多关键时刻发挥了重要作用，直接或间接地导致了许多物理规律的发现和物理理论的建立。
下面我们一起欣赏物理学史上的著名理想实验，感怀物理学家的睿智。
1伽利略的“理想斜面”实验力与物体的运动的关系是力学的一个最基本的问题。
亚里士多德认为：物体的运动是由于外力的作用，当外力的作用停止时，运动的物体就会静止，所以力是维持物体运动的原因。
亚里士多德这一观点与人们的一些生活经验相一致，正是由于这样的原因，亚里士多德的观点易于被人们接受，以至于长期以来被人们奉为真理。
彻底推翻亚里士多德错误观点的是伽利略。
伽利略凭借的有力武器不是数学推导，不是真实的实验，而是理想实验。
伽利略设想：如图1在A点悬一单摆，拉至AB时放开，在忽略空气阻力的情况下，摆球会沿着弧线升至对面的C处。
如果在摆线经过的E或F处钉上小钉子，可以使摆球沿不同的弧线上升至同一水平高度G、H，由此得到单摆的等高性结论。
以单摆的等高性为基础，伽利略进一步设想，如图2中从A点释放一个光滑坚硬的小球，让它沿坚硬光滑的斜面AB下落。
到达B点后，小球将以获得的速度沿对面的BC、BD或BE中的某一斜面上升至通过A点的水平面，比较斜面BC、BD和BE，倾角越来越小，斜面越来越长，即小球在斜面上走过的距离越来越远，运动的时间越来越长。
当斜面的倾角为零而成为水平面BF时，物体由于不可能达到A点的高度而永远地运动下去。
至此，伽利略得出结论：“任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变……”伽利略的结论从根本上否定了亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的错误论断，指出力与运动的正确关系是：力是改变物体运动状态的原因。
伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。
在真实的实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想，但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过了事物的表面现象，看到了事物的本质。
物理学中十大著名的思想实验
物理学中十大著名的思想实验在物理学中，有一类特殊的实验：它们不需要购置昂贵的仪器，不需要大量的人力物力，需要的只是有逻辑的大脑;而这种实验却可以挑战前人的结论，建立新的理论，甚至引发人们对世界认识的重新思考。
这种实验就是传说中的思想实验。
历史上的许多伟大物理学家，都曾设计过发人深思的思想实验，伽利略、牛顿、爱因斯坦便是其中的代表，这些思想实验不仅对物理学的发展有着不可磨灭的作用，更是颠覆了人们对世界对宇宙的认识。
这篇文章将从易到难地介绍一下物理学历史上的几个著名思想实验。
1.惯性原理自从亚里士多德时代以来，人们一直以为力是运动的原因，没有力的作用物体的运动都会静止。
直到伽利略提出了下面这一个家喻户晓的思想实验，人们才知道了惯性原理——一个不受任何外力(或者合外力为0)的物体将保持静止或匀速直线运动。
#实验#设想一个一个竖直放置的V字形光滑导轨，一个小球可以在上面无摩擦的滚动。
让小球从左端往下滚动，小球将滚到右边的同样高度。
如果降低右侧导轨的斜率，小球仍然将滚动到同样高度，此时小球在水平方向上将滚得更远。
斜率越小，则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。
此时再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平，则根据前面的经验，如果无摩擦力阻碍，小球将会一直滚动下去，保持匀速直线运动。
在任何实际的实验当中，因为摩擦力总是无法忽略，所以任何真实的实验都无法严格地证明惯性原理，这也正是古人没有得出惯性原理的原因。
然而思想实验就可以做到，仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性原理的正确性，这一最简单的思想实验足以体现出思想实验的锋芒!2.两个小球同时落地仍是受亚里士多德的影响，伽利略之前的人们以为越重的物体下落越快，而越轻的物体下落越慢。
伽利略在比萨斜塔上的著名实验人尽皆知，可是很多人不知道的是，其实在这之前伽利略已经通过一个思想实验证明了两个小球必须同时落地：#实验#如果亚里士多德的论断是对的话，那么不妨设想把一个重球和一个轻球绑在一起下落。
马赫对牛顿水桶实验的评价
马赫对牛顿水桶实验的评价
牛顿提出的水桶实验是为了说明离心力的作用机制，即物体在旋转时会产生惯性力，使得离旋转轴越远的物体速度越快。
这一实验被视为经典力学的代表性实验之一，但马赫却对其进行了批评。
马赫认为，牛顿的水桶实验只是一种形象化的解释，而并未能提供实质性的证明。
他认为，这个实验所观测到的现象只是在桶内水流的惯性作用下产生的，并不是离心力的作用。
马赫提出了一种新的实验方法，即让一个重锤在圆形轨道上旋转，从而产生离心力作用，然后通过测量重锤运动轨迹的变化来证明离心力的存在。
马赫的实验方法得到了实验证明，被视为对牛顿水桶实验的一种修正和完善。
他的实验不仅证明了离心力的存在，还揭示了离心力的本质特征，即不仅取决于旋转速度和半径，还受到物体形状及其内部分布的影响。
综上所述，马赫对牛顿水桶实验的批评是有道理的。
他提出的实验方法为我们更好地理解离心力的作用机制提供了新的思路和方法。
- 1 -。
物理学中一桩300多年的悬案——牛顿旋转水桶实验证明了什么
牛顿旋转水桶实验证明了什么
郭应焕 郭振华 郭 巍
近来看到一些广泛流行的图书与资料，他们强 调了唯有牛顿绝对时空观才是正确的观点；并且人 们通常认为牛顿的旋转水桶实验证明了牛顿绝对空 间的存在。本文将指出，这些观点与看法可能是错 误的，值得商榷与澄清。正如资深物理学教授沈致 远先生所指出的： “这是 300 多年来物理学中的一个 基本问题，触及物理学之根本” ，因此，讨论并评述 牛顿旋转水桶实验将是很有意义的，有必要重新评 价牛顿的旋转水桶实验。本文将简要回顾并评述了 牛顿的经典力学、牛顿旋转水桶实验、马赫原理及 其实验检验、爱因斯坦与马赫原理，最后特别指出， 牛顿旋转水桶实验的结果，严格证明了在惯性参考 系中相对性原理是绝对成立的。 系，m 具有这个特性的结论叫惯性定律 (牛顿第一定 律 )。 这是人类认识的第一次大飞跃， 它把人们从 “走 得快时费力大”的经验，而认为力与速度有关的概 念彻底推翻。牛顿进一步把改变 m 的惯性运动状态 的外部作用称为力 F，当 m 确定时，F 与速度随 AT 的变化率 (加速度 a)成正比， 这即经典动力学定律 (牛 顿第二定律 )F=ma。因为 F－ ma=0，就把－ ma 叫 m 的惯性力， ma 和 F 的方向相反，数值相等，就把 － ma 叫相对于 F 的反作用力 (牛顿第三定律 )。把 m 称惯性质量，它是质点惯性大小的度量。从此牛顿 完成了他的经典动力学， 与他发现的万有引力定律， 合称经典力学。
·
58
·
现代物理知识
响的存在。 Ivash 实验 马赫原理。 这个实验是通过水星轨道进动来 测定的，得出 m/m<1.57×1010。这个结果也不支持
五、马赫原理的历史变迁
爱因斯坦 (1879 — 1955) 在广义相对性（广义协 变）原理、等效原理、马赫原理的基础上建立了广 义相对论。爱因斯坦曾强调“坚持这个原理（马赫 原理）的必要性，绝不是一切专业工作者都赞同的， 然而我感到，要使这条原理得到满足，那是绝对必 要的。根据 C（即马赫原理）按照引力（ G ）场方
物理学史上的著名“理想实验”
物理学史上的著名“理想实验”物理学史上的著名理想实验在物理学发展的历史中，理想实验以其独特方式在物理学发展的许多关键时刻发挥了重要作用，直接或间接地导致了许多物理规律的发现和物理理论的建立。
下面我们一起欣赏物理学史上的著名理想实验，感怀物理学家的睿智。
1伽利略的“理想斜面”实验力与物体的运动的关系是力学的一个最基本的问题。
亚里士多德认为：物体的运动是由于外力的作用，当外力的作用停止时，运动的物体就会静止，所以力是维持物体运动的原因。
亚里士多德这一观点与人们的一些生活经验相一致，正是由于这样的原因，亚里士多德的观点易于被人们接受，以至于长期以来被人们奉为真理。
彻底推翻亚里士多德错误观点的是伽利略。
伽利略凭借的有力武器不是数学推导，不是真实的实验，而是理想实验。
伽利略设想：如图1在A点悬一单摆，拉至AB时放开，在忽略空气阻力的情况下，摆球会沿着弧线升至对面的C 处。
如果在摆线经过的E或F处钉上小钉子，可以使摆球沿不同的弧线上升至同一水平高度G、H，由此得到单摆的等高性结论。
以单摆的等高性为基础，伽利略进一步设想，如图2中从A点释放一个光滑坚硬的小球，让它沿坚硬光滑的斜面AB下落。
到达B点后，小球将以获得的速度沿对面的BC、BD或BE中的某一斜面上升至通过A点的水平面，比较斜面BC、BD和BE，倾角越来越小，斜面越来越长，即小球在斜面上走过的距离越来越远，运动的时间越来越长。
当斜面的倾角为零而成为水平面BF时，物体由于不可能达到A点的高度而永远地运动下去。
至此，伽利略得出结论：“任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变……”伽利略的结论从根本上否定了亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”的错误论断，指出力与运动的正确关系是：力是改变物体运动状态的原因。
伽利略从单摆等高性的理想实验到理想斜面实验，忽略了空气阻力和摩擦力，而这些忽略在现实中都是无法真正实现的。
在真实的实验中，人们可以用各种方法减小空气阻力和摩擦力，但永远也无法彻底消除它们，因而人们无法用真实的实验去验证这些理想化的设想，但是，伽利略的理想实验，不仅让人们觉得合情合理，而且使人们透过了事物的表面现象，看到了事物的本质。
牛顿水桶实验
马赫认为远方的星系是导致水面凹下的原 因(提供离心力）。但是有一个问题就是 它没有说明离心力是如何传到这里的，因 为显示宇宙中远方星系离我们至少有几亿 光年，但是我们在地球旋转一个系统时， 在瞬间出现离心力。远方星系的作用即使 以光速传播，要到达我们这里，至少也要 几亿年的时间，于是我们不得不怀疑远方 的星系是否起到直接的作用。
y r g /
2
所以不同的 小环停在不同的y处
下面我们证明等势面为一抛物线
设物体以角速度
半径为R旋转，则：
2
f in m R 1 2 2 U in R 2 1 2 2 U total U in U g mgz R C 2 2 2 2 又 R X Y
一圆形光滑弯管，绕铅直轴以匀角速度转动。圆形 2 2 2 方程为 x ( y r ) r ，小环套在弯管上。小环 如何运动？
mx 对小环： mgtan
又：x 2
2
( y r) r
2
2
dy. x 对x求微分得： dx r y dy 又： tan dx
还有一种观点是区域惯性系。这个区域惯性系是引入远 方星系后才有的，远方星系的引力使得太阳系向它们做 自由落体运动，我们这处于太阳系这个升降机内。我们 知道离心力是在旋转时瞬间产生的，我们便不得不排除 远方的星系。假如上帝把远方的星系拿走，由于相对论 因果律的限制，远方星系消失的后果至少要几亿年才传 到地球上，所以在这段时间内，在地球上所作的一切实 验（包括水桶实验），将会如往常家一样，不会有什么 异常的现象。所以我们断定决定水面凹下的原因是临近 的区域惯性系。但是所有的区域惯性系，都是有物质产 生的。其实引入星系的作用，就是让他在水桶附近构造 一个区域惯性系，一旦区域惯性系构造完毕，即使拿掉 星系，在因果律允许的时间内，区域惯性系不会马上消 失，水面仍旧是凹下的。