無物理不科學，訂閱「科學物理人」
物理量的定義依賴於什麼？
周小新
物理量是物理學大廈的基本單元，那麼這些物理量的如何定義的呢？定義物理量需要遵循什麼樣的準則嗎？科學物理人思考這個問題很久了，但感覺這是一個看起來就比較高大上的問題，好像對於科學物理人來說不是一件簡單的事情，所以說下面的一些見解只是科學物理人的一家之言，也歡迎各位讀者一起發表見解。當然物理量分好多種類，在這裡我就舉幾個具體的例子來說明。在講述具體的例子之前，首先需要明確一點的是：
給任何一個物理量下定義，都需要給出原則上（理論上）可行的測量方案，這其實就是操作性定義。原則上可行就是說不要求實驗上可行，因為可能實驗手段還不夠先進。很多同學在學習的過程中是不會去考慮電荷量q到底是怎麼定義的，而在很多問題中又經常用到類似於1庫倫、2庫倫等。那自然就要問電荷量q到底是怎麼定義的呢？首先我們需要一個實驗規律：如下兩圖，點電荷AB之間的距離等於r，點電荷AC之間的距離也為r，可以測出AB和AC之間的力FAB和 FAC，將A點電荷換成其他點電荷D、E等，同樣可以測出FDB、FDC, FEB、FEC，並且有這樣一個規律
改變上面實驗中的r，同樣可以得到相同的規律。這說明什麼？說明這個比值只與B、C兩個電荷有關。
其實有了這個實驗規律，我們就可以給電荷量下定義了，我們可以將這個比值定義為
我們注意到，如果沒有我們上面說的這個實驗規律，我們就不可以這樣定義電荷量。比如，要是我們發現的實驗規律是這樣子的
是的，物理量的定義並不全是人為，它必須在一定的實驗基礎上。當然有了這樣有了我們上面的實驗規律，電荷量也可以定義為
是的，你沒有看錯，就是可以這樣，因為這樣滿足實驗規律，也有原則上可行的操作方案，只不過，看起來它就太麻煩了，所以我們不喜歡這樣的定義。一個質量為m的物體在力F的作用下運動，取一小段軌跡，我們會發現這樣一件事情：
可能有的同學對這些式子覺得陌生，看不懂，因為這涉及到微分（其實不過是微元法的高級表述）如果降低到高中生能看明白的層次那就應該是
正是基於這樣一個規律，我們才給FS取了一個專門的名字叫做功，也給專門取個名字叫做動能。其實，這就是功和動能的定義，這個規律就被我們稱為動能定理。這也是為什麼動能前面有一個係數½的道理。注意，從邏輯上是先有上面的規律，才有功和動能的定義。如果說這個規律不是這樣的，比如是下面的樣子，那麼動能就應該定義為
是的，就是這樣。那有人就會問，怎麼可能是這樣子呢？其實這就涉及到自然規律了，在我們知道這個宇宙的運行規律之前，我們當然可以做這樣的假象，畢竟牛頓定律也是要基於實驗事實的。總結起來就是，還是那樣，
動能和功的定義都依賴於上面說到的規律。
如果對物理有一定了解的人就知道，物理學上質量有兩種，一個叫做慣性質量，另一個叫做引力質量，當然，物理學中這兩個質量是相等的，但是物理含義是不一樣的。慣性質量反映的是運動狀態的惰性（慣性）方面的屬性，引力質量反映的是物體間相互吸引力的屬性。科學物理人曾經在給學生將這個內容時將「引力質量」取名為「引力荷」。有點離題，回到慣性質量的定義。我們發現將兩個物體（1和2）放置於光滑水平面上，讓兩者以一定的速度運動，並發生碰撞，發現兩個物體的速度都會發生變化，速度變化分別為△v11、△v21（分別表示第一個物體和第二個物體在第一次實驗中速度的變化），多次實驗，會得到△v12、△v22、△v13、△v23（如△v23表示第二個物體在第三次實驗中速度的變化）
並且換另外兩個物體來做實驗，一樣可以得到相同的結論，只不過這個比值不一樣而已，而且這個比值為一個負數。基於這樣一個實驗事實，我們就可以將這個這個比值定義為- m2/m1，如果我將物體2作為一個單位，那麼物體1的慣性質量的定義就有了，即
也就是說，如果沒有我們上面的這個規律，那麼慣性質量就不可以這樣定義了，還是依賴於規律。上面幾個例子都是基於客觀規律，那麼有沒有什麼物理量不是基於客觀規律的呢？我想是有的，比如位移，路程，速度，加速度，角速度這樣的物理量，這些就是純粹的描述性的物理量，完全是人們為了研究問題方便引入的一些比較有用的物理量。大家在學習這些物理量的時候好像也不需要知道什麼物理規律。在這裡就不對這些物理量的定義進行詳細展開了。
最後總結一下，除了描述性的物理量，其他的物理量的定義都需要基於客觀規律。並且，所有物理量的提出都應該是為了解決問題而提出來的。
其實說到這裡，有一點心裡比較虛，那就是時間是怎麼定義的？空間是怎麼定義的？往往看起來簡單的東西，是最有挑戰性的。
科學物理人往期經典（前期文章的集合）
高中物理機車啟動問題教學問題思考
高中物理圖像專題（六）
科學物理人福州市空中課堂錄播之電磁感應章末複習
科學物理人福州市空中課堂錄播之電磁感應習題課
動能&動能定理直播課視頻
科學物理人停課不停學之拋體運動複習直播反思
恆定功率機車啟動問題應注意科學性和自洽性
動能定理習題課直播視頻
高考真題頻頻驚現幾百年沒有設計出來的永動機是怎麼回事？
兩道忽視磁場邊界不確定性帶來多解情況的高考題
機械能習題課直播錄像
物理學從來都是理想主義的
描述圓周運動的物理量直播視頻
追溯光與實物粒子的愛恨糾葛——從最速降線說起
電錶的改裝
從向心加速度的物理意義說起
圓周運動實例分析習題課直播視頻
許久未見，甚是想念，相約人間五月，共賞大美福一
靜摩擦力能量搬運的詳細解釋
說開方
物理概念的必要性？——由學生的一個問題想到的
夢想中的科學物理人工作室
什麼是動量？物理概念存在的使命是有什麼用！——學生的問題引發的思考
養成良好習慣，學好高中物理不是夢
2019-2020福州一中高一物理期末考試講評
發電機發了太多的電怎麼辦？
做個自由的老師，才能帶的動有趣的靈魂 ——祝全國的教師同行們節日快樂
一些「不太好」解釋的有意思的問題
我要永遠是那追風少年
無物理不科學，訂閱「科學物理人」