關(guān)于慣性的探討

◆王方軍

(南京市梅山第一中學(xué))

滬教版初中八年級(jí)物理第三單元《運(yùn)動(dòng)和力》部分在最后結(jié)束時(shí)談到運(yùn)動(dòng)與力之間的關(guān)系時(shí)，按照：先由亞里士多德提出力是維持物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，再由伽利略通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行猜想：物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來維持，最后由牛頓做出總結(jié)：一切物體都具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，直到有外力迫使它改變?yōu)橹埂＿@就是著名的牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律產(chǎn)生的過程。人們把牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律中提到物體具有保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，叫做慣性。所以，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律也叫做慣性定律。我們?cè)谄綍r(shí)日常生活中，對(duì)一些保持原來行為、思維等也叫做慣性，其出處就是從我們物理中對(duì)慣性的含義衍生出來的。

慣性到底是一個(gè)什么樣的東西？我想就我在教學(xué)過程中的體會(huì)來談?wù)剬?duì)慣性的認(rèn)識(shí)。慣性是一種看不見摸不著的東西，但是卻真實(shí)存在著，它是物體本身的一種性質(zhì)，物體一旦存在了，這個(gè)物體就具有慣性，無論它處于什么樣的狀態(tài)下，在什么樣的環(huán)境中慣性都跟隨了這個(gè)物體，直到這個(gè)物體不存在了，慣性也就沒有了依存的對(duì)象。所以慣性只與物體本身有關(guān)。不同物體慣性的比較可以通過比較質(zhì)量來做比較，質(zhì)量大的物體具有的慣性較大，質(zhì)量小的物體具有的慣性較小。而在此時(shí)好多學(xué)生會(huì)對(duì)速度是否會(huì)對(duì)慣性產(chǎn)生影響存在疑問，因?yàn)樗麄兲岢觯壕徛\(yùn)動(dòng)的子彈容易被停住，而高速飛行的子彈不容易被停住，所以高速飛行的子彈具有的慣性大。在沒有學(xué)到機(jī)械能的情況下的解釋只能從反推的方面來做解釋：若速度對(duì)慣性有影響，從高速飛行的子彈具有的慣性大，緩慢運(yùn)動(dòng)的子彈慣性小，那么靜止的子彈呢？是否沒有慣性？與一切物體都有慣性就是相互矛盾的。所以這種假設(shè)是不成立的。

在第四單元《簡(jiǎn)單機(jī)械》部分在最后談到能量的時(shí)候，對(duì)動(dòng)能的定義是：物體運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的能量。

那么，對(duì)動(dòng)能到底如何認(rèn)識(shí)？我也從我的角度做一個(gè)闡述。所謂的能量，實(shí)際上就是做功的本領(lǐng)，所以提及能量的時(shí)候一般都要和做功扯上關(guān)系。運(yùn)動(dòng)中的物體具有做功的本領(lǐng)，這種本領(lǐng)就叫做動(dòng)能，關(guān)于做功的多少則是反映動(dòng)能多少的一個(gè)表象。所以，我們正是通過對(duì)同一物體做功的多少的方法來比較出物體具有動(dòng)能的多少的。方法如下：讓小球從斜面上滾下來，推動(dòng)水平面上的物體移動(dòng)。通過此方法研究出：影響物體的動(dòng)能的因素是物體的質(zhì)量與速度。但物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)動(dòng)能為零。

“慣性”與“動(dòng)能”都是物體具有的，兩者之間到底存在什么樣的關(guān)系？還是兩者都是一回事，某種物理現(xiàn)象用兩者都能解釋？解釋的結(jié)果是一樣的？下面就這個(gè)問題，我來談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

請(qǐng)注意：這兩者都與物體的質(zhì)量有關(guān)，這是兩者的共同點(diǎn)。正是因?yàn)檫@個(gè)共同點(diǎn)的存在，就使得兩者容易混淆，如前面比較緩慢運(yùn)動(dòng)的子彈與高速飛行的子彈的慣性時(shí)，很容易就會(huì)造成錯(cuò)覺，以動(dòng)能的關(guān)系取代了慣性的關(guān)系。兩者的不同點(diǎn)是：慣性與速度無關(guān)是物體本身的性質(zhì)，一個(gè)物體的慣性是不可能為零的；而動(dòng)能與速度有關(guān)，且速度對(duì)動(dòng)能的影響比質(zhì)量對(duì)動(dòng)能的影響更大，當(dāng)物體的速度為零時(shí)，物體的動(dòng)能為零。需要說明的是：兩者的本質(zhì)區(qū)別是，一個(gè)是維持原來的狀態(tài)，另一個(gè)則是要通過做功來體現(xiàn)。由此可見，兩者之間既有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。那我們?nèi)绾蝸韰^(qū)分在一些物理現(xiàn)象中到底需要從哪個(gè)方面來加以解釋。

從本質(zhì)上來看，靜止的物體很好區(qū)分，因?yàn)殪o止的物體，動(dòng)能為零，但是卻具有慣性，所以比較慣性的大小直接比較質(zhì)量的大小即可。如靜止在水平地面上的轎車和火車具有的慣性火車更大。而運(yùn)動(dòng)的物體由于動(dòng)能和慣性都具有，在這種情況下要區(qū)分兩者則應(yīng)該從兩者的作用來看：慣性是要維持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而動(dòng)能是運(yùn)動(dòng)中具有的做功本領(lǐng)。這兩者并列存在于同一個(gè)物體中，卻是描述物體的兩個(gè)方面。我們可以再來看看緩慢運(yùn)動(dòng)的子彈和高速運(yùn)行子彈的慣性的比較，有同學(xué)認(rèn)為高速運(yùn)行子彈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難改變所以其具有的慣性大。這一點(diǎn)倒是契合了慣性是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度的本質(zhì)，但是卻忽略了兩種狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的程度不一樣，緩慢運(yùn)動(dòng)到高速飛行，或從高速飛行到緩慢運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩者速度改變量相等時(shí)，再來比較其改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度。換句話說，認(rèn)為高速飛行子彈慣性大的同學(xué)是因?yàn)樵诓煌瑮l件下做出的比較而出的錯(cuò)。若條件不同，那是什么引起高速飛行子彈難以停下來的？無疑是動(dòng)能?？梢詮淖龉Ρ绢I(lǐng)來看，緩慢運(yùn)動(dòng)的子彈擊中木塊，和木塊一起運(yùn)動(dòng)，最后停止下來，和高速運(yùn)行的子彈擊中木塊和木塊一起運(yùn)動(dòng)最后停止下來相比、后者做功更多，具有的動(dòng)能更大。這樣就可以知道，高速飛行的子彈和緩慢運(yùn)行的子彈具有的慣性相同，而前者具有的動(dòng)能更大。

我們?cè)诮忉屢恍┪锢憩F(xiàn)象時(shí)，是通過慣性來解釋還是通過動(dòng)能來解釋，仍然是根據(jù)其是否做功來做選擇。如小球從斜面上滾下來，在水平桌面上推動(dòng)木塊運(yùn)動(dòng)的過程。若是小球從斜面上滾下來，由于什么在水平面能繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，我們選慣性不選動(dòng)能，因?yàn)闆]有涉及到做功的問題；若是問由于什么小球推動(dòng)木塊向前運(yùn)動(dòng)，我們選動(dòng)能不選慣性因?yàn)槔锩嫔婕暗阶龉Φ那闆r了。但是慣性和動(dòng)能是小球到達(dá)水平面時(shí)同時(shí)具有的，用哪個(gè)方面來做解釋，則需要看情況而定，不能混淆不能模糊。

如擺球在有最高點(diǎn)向最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的過程，到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)由于小球具有什么繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，我們選慣性不選動(dòng)能，因?yàn)槔锩鏇]有涉及到做功的情況。

通過以上分析過程可見“慣性”與“動(dòng)能”之間有共同之處，也有相異之處。重要之處在于對(duì)兩者本質(zhì)的把握。

慣性的影響因素是質(zhì)量，質(zhì)量越大慣性越大。那么速度對(duì)慣性有沒有影響？從牛頓經(jīng)典力學(xué)來看，速度對(duì)物體的慣性沒有影響。同一物體無論是否運(yùn)動(dòng)，其慣性都是相同的。但是從愛因斯坦相對(duì)論來看，速度對(duì)物體的質(zhì)量卻又有影響：根據(jù)相對(duì)論，物體的速度越大，其相對(duì)質(zhì)量會(huì)越大，當(dāng)物體的速度達(dá)到光速時(shí)，其質(zhì)量達(dá)到無窮大。而質(zhì)量對(duì)物體的慣性有影響，所以從相對(duì)論角度來解釋時(shí)我們又可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)速度對(duì)物體的慣性是有影響的。那也就可以解釋，為什么速度越大的物體具有的慣性越大了。