淺議慣性

孟 崢

摘 要:深入思考慣性,對(duì)經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出不同的看法,認(rèn)為對(duì)于慣性要區(qū)分探討。

關(guān)鍵詞:慣性 時(shí)間 空間

慣性是經(jīng)典力學(xué)中的基本概念,在長(zhǎng)期的物理教學(xué)中,我進(jìn)行了深入的思考,現(xiàn)從以下兩個(gè)方面對(duì)慣性進(jìn)行討論。

一、慣性的內(nèi)涵

慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。一個(gè)物體,只要不受外力作用,原來(lái)靜止的就會(huì)一直靜止下去,而原來(lái)運(yùn)動(dòng)的則會(huì)一直的勻速直線運(yùn)動(dòng)。

那么,慣性是否是物體的性質(zhì)呢?依據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律,任何物體均具有慣性。因而,看來(lái)慣性不是被研究物體的性質(zhì),因?yàn)檫@一性質(zhì)是一切物體所具有的,也就是說(shuō)它與物體的個(gè)別特征無(wú)關(guān)。因而,慣性只能是存在的一個(gè)特征,是被研究對(duì)象周圍的環(huán)境在此對(duì)象上的表現(xiàn)。

二、慣性與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的難易程度無(wú)關(guān)

通常認(rèn)為質(zhì)量是物體慣性大小的量度,理由是:質(zhì)量大的物體在相同的力作用下其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不容易改變。而事實(shí)上物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否變化,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是難還是易與慣性無(wú)關(guān)。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使(或抗拒)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力,而在于它有保持某種特定狀態(tài)(靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng))的本領(lǐng),因而慣性與物體的質(zhì)量無(wú)關(guān)。

我們來(lái)看下面的例子。

例1.慣性有不利的一面,高速行駛的車輛因慣性而不能及時(shí)制動(dòng)常造成交通事故。所以,在城市的市區(qū),對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制,以利于行車安全。在這里,不能及時(shí)制動(dòng)是由于慣性還是由于制動(dòng)力不夠大?

略作思考,就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是荒唐的。發(fā)生交通事故的真正原因是,由于車輛質(zhì)量較大,而相應(yīng)的制動(dòng)力在此物體上所產(chǎn)生的加速度很小,不能使車輛很快地減速,從而在短時(shí)間內(nèi)停下來(lái)。倘若對(duì)于質(zhì)量較大的車輛來(lái)說(shuō)制動(dòng)力也允許更大,那么是可以在一定的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)車輛的。并且,這個(gè)例子中的"高速行駛的車輛"及"對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制"的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是個(gè)誤導(dǎo)。

例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下,斧頭就牢牢地套在斧柄上了,這是為什么?

通常答案是這樣的:開(kāi)始斧頭和斧柄同時(shí)向下運(yùn)動(dòng),當(dāng)斧柄遇到障礙物時(shí)突然停止,而斧頭由于慣性保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。

事實(shí)上,斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對(duì)于斧柄運(yùn)動(dòng)了一段位移,而慣性不是克服某種阻力使斧頭運(yùn)動(dòng)的原因。這個(gè)問(wèn)題中的一個(gè)效果是斧頭相對(duì)于斧柄產(chǎn)生了某種(克服一定力的)運(yùn)動(dòng),因而我們必須以斧柄為參照系來(lái)考察此種運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時(shí),斧柄在撞擊的過(guò)程中是一個(gè)非慣性系,它相對(duì)于慣性系有一個(gè)向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個(gè)向下的“慣性力”,正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對(duì)于斧柄前進(jìn)了一段位移,從而使斧頭在斧柄上套牢。如果以地面為參照系來(lái)看這個(gè)問(wèn)題,那么可以認(rèn)為:雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過(guò)程中沒(méi)有受到除重力以外的向下的另外力,但相對(duì)于地面而言斧頭具有一定的動(dòng)能和重力勢(shì)能,此能量克服了阻力作用從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看,一是斧頭相對(duì)于斧柄向下移動(dòng)了一段位移,二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。

如果僅從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看,斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時(shí)間(或所通過(guò)的位移)所共同決定的,也就是說(shuō)它和斧頭相對(duì)于斧柄的動(dòng)能或動(dòng)量變化有關(guān)。斧柄在"水泥地面"上"撞擊"這兩個(gè)條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對(duì)于水泥地面的較大的動(dòng)量變化率,從而也使斧頭具有了相對(duì)于斧柄的慣性力。但是,雖然這個(gè)慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因,可嚴(yán)格地說(shuō),斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時(shí)間也大有關(guān)系,因而,撞擊"幾下"也是一個(gè)非常重要的條件。

通過(guò)以上例子分析可見(jiàn),慣性不是使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。嚴(yán)格地說(shuō),這些原因和物體的慣性無(wú)關(guān),只和力有關(guān),而至于火車制動(dòng)得及時(shí)不及時(shí),斧頭套在斧柄上牢不牢,則不僅與力有關(guān),還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。

隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展,我們可以認(rèn)識(shí)到使物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因并不在物體的內(nèi)部、也跟力無(wú)關(guān),而是由于物體所處的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性。在沒(méi)有外力的作用下,一個(gè)物體,它能保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)是由于慣性,即時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性;在同樣大小的力的作用下,一個(gè)物體它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難改變是由于它的動(dòng)力學(xué)特性--抗性,即它的質(zhì)量較大。

參考文獻(xiàn):

1.鄒榮.質(zhì)量是物體慣性大小的量度嗎?新世紀(jì)教育文集.中國(guó)廣播電視出版社,2000(11.1版)P454

2.鄧昭鏡,鄧玉蘭.質(zhì)量是慣性的量度,還是物質(zhì)之量的量度.物理教師,2000,12,33.

3.徐祖年.質(zhì)量是慣性或引力的量度.物理教師,2001(11)P27

作者單位:三河一中