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关于惯性在物理学中的几点认识
作者杨小民指导教师姜小云
摘要惯性是经典力学中的一个基本概念,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,同时它又是人们日常生活中的一个基础性观念,并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话题。惯性只能是存在的一个特征,是被研究对象周围的环境在此对象上的表现,换一句话说,它是存在于物体周围的一种条件,一种约束。根据惯性定律,物体具有保持原有运动状态的属性,这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性,运动的物体也具有惯性;物体惯性的大小用其质量大小来衡量。惯性与能量对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系可是,尽管经典力学经过了漫长的发展时期。
惯性不仅是物理学中最基本的概念之一,也是学****物理学最早遇到的概念之一。这一极为普通和平凡的概念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析,促进物理学重大进展,其中蕴涵着深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法的教益,是培养学生科学地思考问题的能力非常有效的素材。大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性,本文试从几个方面对惯性进行了讨论,望引起大家的共识。
关键词惯性定律本质质量能量物体的运动
一、惯性概念的远源
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:
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1、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;2、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;“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。
伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法,并用于研究物体的运动。他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果,总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》(1632年)和《关于力学和运动两门新科学的对话》(1638年)中。其中一个重要的结果如下:假设沿斜面AB落下的物体,以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动,则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度,只是需要的时间不同;当第二个斜面变成既不上升,亦不下降的水平面时,物体将一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步,他认识到不受其他物体的作用,物体可以永恒地运动,这已经很接近惯性定律,但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响,他所说的水平面是和地球同心的球面,也就是说,那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动,因此我们还不能说伽略发现了惯性定律。
最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。他在他的《哲学原理》(1644年)一书中把这条基本原理表述为两条定律:1、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态,直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止;2、所有的运动,其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种思想,其中许多是错误的,不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。
牛顿1661年进入剑桥大学学****亚里士多德的运动论,1664年他从事力学的研究,摆脱了亚里士多德的影响。他继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法,他也继承了笛卡儿的研究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题,
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澄清了动量概念和力的概念。1687年出版著作《自然哲学的数学原理》,以“定义”和“公理,即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系。惯性定律就是牛顿第一定律,表述为“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态(Everybodypersistsit'sstateofrestorofuniformmotioninastraightlineuntilitiscompelledbysomeforcetochangethatstate.)”。惯性定律真正成为力学理论的出发点。
根据惯性定律,物体具有保持原有运动状态的属性,这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性,运动的物体也具有惯性;物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此,人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度。从此,人们对于运动中的种种惯性现象都能很好地理解;在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。
“惯性”的本质。惯性是物体的固有属性,不论宏大物体,还是微小粒子,不论固体、液体、气体,不论静止物体,还是运动物体,不论物体在地球上,还是在月球上。一切物体在任何时刻,任何情况下都具有惯性
二、惯性的意义
“惯性”的本质。惯性是物体的固有属性,不论宏大物体,还是微小粒子,不论固体、液体、气体,不论静止物体,还是运动物体,不论物体在地球上,还是在月球上。一切物体在任何时刻,任何情况下都具有惯性。它是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质,一个物体,只要不受外力作用,原来静止的就会一直静止下去,而原来运动的则会一直作匀速直线运动。这里的问题在于:惯性是否是物体的性质?依据牛顿第一运动定律,任何物体均具有惯性。因而,看来惯性不是被研究物体的性质,因为这一性质是一切物体所具有的,也就是说它与物体的个别特征无关。因而,惯性只能是存在的一个特征,是被研究对象周围的环境在此对象上的表现。换一句话说,它是存在于物体周围的一种条件,一种约束。
二十世纪初,德国数学家诺特尔证明了:空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。事实上,物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。因而它与个别的特殊研究对象无关。惯性不是个别存在物的性质,个别存在物只是惯性的显现者,惯性的本质与个别存在物的特性无关。从而我们就不能用反映个别存在物性质的量(例如质量)来测度惯性。因为惯性作为
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存在的一种显现,并无大小可言,它只是存在之状态的表达。所谓的惯性的大小的描述只是人们的****惯叫法,只是反映物体在惯性的作用下表现出来的能量。
三、惯性与质量
“质量是物体惯性大小的量度”这个论题,究竟是否正确呢?持反对意见的人认为:惯性与具体物体的质量无关第一,质量不是物体惯性大小的量度。个别研究对象的质量与其所揭示的惯性毫无关联。因为这两者从数量上来看是一对无穷大的关系,从内容上来看是个体与存在的关系,在它们之间,人类的理性不可能找到逻辑上的因果链。第二,“物体(的)惯性”这样的说法缺乏依据,因为惯性不是物体的性质。物体只是作为惯性的表现者而存在的。第三,“惯性(的)大小”这样的说法也缺乏依据,因为惯性没有大小,惯性只是存在的一种表达方式,一种特定状态的显现。第四,既然惯性并无大小,我们也不可去进行量度。
持肯定意见的人认为:所有的物体都阻碍其自身运动状态的改变,一切物体都有这种属性-惯性。但是有些物体这种阻碍变化的性质比另一些物体要大些,绝对是这样的。物体阻碍其自身状态改变的性质取决于的质量。一个物体的质量越大,它的惯性越大,它的运动状态越难改变。
在这里我们就必须去看一下“惯性”与“第一定律”的区别,即“惯性”与“惯性定律”的区别。1、惯性是一切物体固有的属性,是不依外界(作用力)条件而改变,它始终伴随物体而存在。2、牛顿第一定律则是研究物体在不受外力作用时如何运动的问题,是一条运动定律,它指出了“物体保持匀速直线运动状态或静止状态”的原因。而惯性是“物体具有保持原来的匀速直线运动状态或静止状态”的特性;两者完全不同。为何牛顿第一定律又叫惯性定律,是因为定律中所描述的现象是物体的惯性的一个方面的表现,当物体受到外力作用(合外力不为零)时,物体不可能保持匀速直线运动状态或静止状态,但物体力图保持原有运动状态不变的性质(惯性)仍顽强地表现出来。很明显,第一种说法是泛指的惯性的含义;第二种说法是指代运动状态下的惯性,但实质是物体在惯性的作用下表现出来的能量。
四、惯性与物体的运动
在谈到惯性与物体的运动的关系,我们就需要从以下几个方面去研究:
1、“物体惯性”与“外力作用”的辨证关系。物体原来具有某个速度,物体惯性则力图使其继续保持这一速度,但力图保持与能否保持则是不同的。当物体受到合外力为零时,物体可保持这个速度,当物体所受合外力不为零时,物体便不能再保持原来的速度,运动状态就发生了变化。物体的惯性和外力作用这一对矛盾的对立统一,形成了宏观物体的形形色色的各种复杂的运动。如果没有外力,物体也就没有复杂多样的运动形式;如果没有惯性,物体的运动状态改变不需要力的作用。只有当我们理解了惯性与外力作用的辨证关系,就不难解释惯性现象。例如“锤子松了,把锤把的一端在物体上撞几下,锤头就能紧套在锤柄上”这是因为锤与柄原来都向下运动,柄撞在物体上受到阻力作用,改变了它的运动状态,就停止了运动,锤头没受阻力仍保持原来运动状态,继续向下运动,这样锤头就紧套在锤柄上了。
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2、惯性,这个我们通常认为是由物体内在因素决定的性质,其实是物体存在方式的一种条件性:“试取汽车为参考系统来研究当汽车急剧刹车的时候,车中乘客有向前倾倒的倾向这个问题,在汽车急剧刹车前,相对于汽车而言,乘客是静止的,在汽车急剧刹车时,乘客突然向前倾,这就是说,以汽车为参考系统,乘客由静止而突然向前倾,并不保持其静止状态,并不表现出“惯性”。这个条件就是:物体要表现出惯性,它必须处于惯性参考系中。在研究物体的运动学与动力学问题时,惯性系总有着特殊的地位。可是,这个特殊地位的存在并不单单是人类抽象理性的功劳,惯性系的存在有其形而上的基础:自然之美的呈现及人对自然之美呈现体认的同一性。如果没有了存在的时间均匀性与空间对称性,我们选取的相对于地面作匀速直线运动的参考系对研究动力学问题而言也就将成为一个畸形的怪胎。惯性系不仅在计算上向人类提供了联系物体的相互作用与相对运动的便利方式,其更根本的是它使人与存在的关系成为审美性的。惯性定律给我们的启示是:存在是美的。而惯性系则是自然对人的一个馈赠。
五、惯性定律与牛顿第二定律的关系
当物体所受的合外力为零时,从牛顿第二定律可知物体处于静止状态或作匀速直线运动。可是,仅依据这一点却不能认为牛顿第一定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体,而牛顿第一定律论述的是整个存在的性质。惯性——这个任何物体均具有的性质其实不是我们的个别研究对象所具有的性质,因为这个“任何物体”,包括了天地间的万物,而万物的总称即是宇宙:“四方上下曰宇,古往今来曰宙”。也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性:惯性是存在的特性,是存在着的时空的特性,是宇宙的特性。
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牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律,而牛顿第一定律却与个别物体的因果性无关,它是存在之状态的表述,它的表述是与具体的特定的时间无关的、瞬时性的。正是这种非时间性构成了牛顿力学的本质特征。也正是牛顿第一定律所成立的时间均匀性与空间对称性构成了惯性系的特殊地位,从而使我们可以在牛顿第二定律的意义上来研究物体的动力学关系。因为毫无疑问,物体的运动性质和规律与采用怎样的空间和时间来度量有着密切的关系。由此可见,不仅牛顿第一定律不是牛顿第二定律和特例,恰恰相反,现行的动力学规律正是牛顿第一定律所揭示的存在之性在具体的个体事物上的展现。惯性定律比牛顿第二定律具有更强的基础性。也就是说,正是惯性现象,构成了牛顿动力学所以成立的操作平台。由于物体在不受外力作用下保持其速度不变,因而物体运动速度的变化才跟物体的受力相关。
六、惯性与能量
对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。
根据惯性定律,物体具有保持原有运动状态的属性,这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性,运动的物体也具有惯性;物体惯性的大小用其质量大小来衡量。
能量是物理学里普遍关注的问题。运动的物体有动能;相互作用的物体有势能,如重力势能、引力势能、电势能等等;其他还有热能等等。
那么,惯性和能量之间的关系是怎样统一起来的呢?这无疑就要提到爱因斯坦的质能关系,E=mc2,—定的质量对应于一定的能量,反之一定的能量对应一定的质量。在这里,能量包括了能量的各种形式,突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样,惯性是能量的属性,能量具有惯性(质量),任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位,如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。
能量具有惯性拓宽了对于惯性的认识,也拓宽了对于能量的认识。它带来的重大实用价值就是核能的释放。在裂变反应中,裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量,质量亏损释放出大量裂变能;在聚变反应中,聚变产物的静质量小于聚变前物质的静质量,质量亏损释放出大量的聚变能。它也使得人们很好地认识许多物理现象,包括涉及物质的全部质量与能量转化的正反粒子对的产生和湮没过程。
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七、惯性在中学物理应注意的地方
“惯性”一节的教学历来是中学物理的难点,学生把概念背得滚瓜烂熟,一接触到实际问题,就犯经验性错误,为使学生正确理解惯性概念,在教学中必须讲清下面几点。
1、“惯性”的本质。这一点应讲深讲透,教师应抓住概念中的关键字“一切物体都有„„的性质”,反复讲授,引导学生讨论,理解概念本身含义。教师应在下列方面讲清其内涵。惯性是物体的固有属性,既然是固有性质,就不能说物体处于匀速直线运动状态或静止状态时有惯性,而运动状态改变或所受合外力不为零时就没有惯性,也不能说惯性“仅在物体处于匀速直线运动状态或静止状态时起作用”,而“在物体运动状态改变或所受合外力不为零时不起作用”。再结合“行驶中的汽车或火车,由于惯性,不能立刻停止,即使紧急刹车,也要向前运动一段距离才能停下来”这一实例,指出“对运动物体即使加上很大的阻力,要使它停下来仍需一段时间”,正是运动物体要保持匀速直线运动状态(因而力图反抗速度减小)的性质表现;再以汽车出发时即使加大油门使牵引力很大,也不可能立刻开得很快为例阐明“对静止物体即使加上很大的推动力,要使它达到某一速度仍需一段时间”也正是静止的物体要保持静止状态(因而力图反抗速度增大)的性质表现。然后根据这两方面的表现,对照概念,使学生明确惯性是物体具有保持原有运动状态不变的一种“惰性”,即使物体受到外力作用,运动状态改变了,但它的“惰性”还是存在,因此惯性不会消灭,是物体本身具有的。
2、“惯性”与“力”的区别。学生往往把“惯性”当作力,认为“子弹离开枪口后还会继续向前运动”,“水平道路上运动着的汽车关闭发动机后还要向前运动”这些都是“惯性”这个力作用的结果等。为了纠正这种错误,可结合力的概念,要求学生去寻找施力物体,让他们碰壁,再引导学生分析惯性与力的区别:①物理意义不同;惯性是指物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质;而力是指物体对物体的作用。惯性是物体本身的属性,始终具有这种性质,它与外界条件无关;力则只有物体与物体发生相互作用时才有,离开了物体就无所谓力。②构成的要素不同:惯性只有大小,没有方向和作用点,而大小也没有具体数值,无单位;力是由大孝方向和作用点三要素构成,它的大小有具体的数值,单位是牛。③贯性是保持物体运动状态不变的性质;力作用则是改变物体的运动状态。
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3、“惯性”与“速度”的区别。学生往往把惯性大小跟速度大小混为一谈,他们往往根据“汽车行驶得越快,刹车越困难”一类现象认为:“汽车行驶越快,其惯性越大”。对于初中学生,惯性的大小与物体速度大小的区别,限于知识面,很难讲深讲透,但要提醒学生注意,惯性大小与物体运动的快慢无关。运动快的汽车难刹车是因阻力大小有限,如果增大阻力,它也会很快停下来。
综上所述,教师只有在讲清了以上几个问题,学生才能真正理解惯性的内涵,应用惯性解题才不会误入歧途。
八、总论
以上几点就是我对惯性的一些肤浅认识。总的来说,惯性是我们在学****和生活中必须注意和慎重的一个基本的物理量。
参考文献
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[3],上册(修订版).高等教学出版社.
中国大百科全书,物理学,11•中国大百科全书出版社.
全日制普通高级中学教科书(试验修订本•必修),物理,.