寬透立體正確地理解“慣性”概念

吳超男 陳光明

摘? ?要：從“慣性”概念的正確內(nèi)涵、物體慣性的顯示表現(xiàn)、走出“物體速度越大慣性越大”的認(rèn)識誤區(qū)和物體慣性大小直接由其質(zhì)量大小決定等方面來實(shí)現(xiàn)寬透立體正確理解 “慣性”概念的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：慣性概念;慣性表現(xiàn);慣性大小;慣性量度

1? “慣性”概念的正確內(nèi)涵與物體慣性的顯示表現(xiàn)

物理學(xué)中把“物體保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)”或“物體保持原來運(yùn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)”叫做慣性?！皯T性”概念的學(xué)習(xí)是個(gè)大難點(diǎn)，很多人好像一直都沒真正弄懂，主要有以下這么些根深蒂固的錯誤認(rèn)識：

a.“物體只有在不受外力作用情況下才會保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，所以不受外力作用時(shí)才會有慣性”;

b.“做變速運(yùn)動的物體不能保持原來運(yùn)動狀態(tài)，可見它沒有慣性，或者說是沒有把慣性表現(xiàn)出來”“物體靜止時(shí)沒有慣性，只有運(yùn)動時(shí)才有慣性”。

第a種錯誤認(rèn)識顯然是把慣性與慣性定律混為一談了。物體即使受到外力的作用，同樣也存在慣性，千萬不能把物體慣性的所謂表現(xiàn)與否以為是慣性的有無。其實(shí)，當(dāng)物體不受外力作用時(shí)或所受外力的合力為零時(shí)，物體的慣性就表現(xiàn)為保持原來運(yùn)動狀態(tài)不變的傾向[ 1 ]，即呈現(xiàn)出勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)。原先處于靜止的物體，慣性使得它保持靜止?fàn)顟B(tài)不變，原來運(yùn)動的就以原來速度保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。

當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，外力就要迫使物體做變速運(yùn)動。正在運(yùn)動的動車或小汽車剎車時(shí)，由于慣性要保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，仍然繼續(xù)向前運(yùn)動;因?yàn)檐囀艿搅酥苿恿Γㄒ簿褪亲枇Γ┑淖饔?，改變了車的運(yùn)動狀態(tài)，所以使它最終停下來了。這正是物體作變速運(yùn)動時(shí)仍然具有慣性的表現(xiàn)。又如，有一恒力作用于放在光滑水平面上的靜止物體，物體將運(yùn)動且過一段時(shí)間后會有速度v（當(dāng)然若物體不受此恒力作用的話將由于慣性仍保持靜止），此刻物體的慣性就是使物體本身保持此速度v不變;若此一恒力繼續(xù)作用，物體將會在此刻速度v的基礎(chǔ)上繼續(xù)獲得加速;若此時(shí)撤去此恒力，物體立刻就會以速度v作勻速直線運(yùn)動?？梢?，作變速運(yùn)動的物體時(shí)時(shí)刻刻都保持著其各個(gè)時(shí)刻即時(shí)速度不變的性質(zhì)或者說傾向[ 2 ]，這就是物體作變速運(yùn)動時(shí)具有慣性的表現(xiàn)且一直在顯示出慣性的有力證明。

綜上所述，慣性就是物體保持原來運(yùn)動狀態(tài)的企圖、傾向和能力，是物體本身固有的，所以慣性的存在跟物體運(yùn)動狀態(tài)是否發(fā)生變化、是否受外力作用以及運(yùn)動快慢等均無關(guān)。對同一物體來說它的慣性大小是一定的且永遠(yuǎn)存在。

另外，所謂物體顯示出具有慣性及其大小，就是指物體時(shí)時(shí)刻刻都在顯示出抵抗或阻止外力作用維持原來運(yùn)動狀態(tài)的“傾向”[ 1 ]“企圖”和“能力”及其大小;當(dāng)然不同物體抵抗或阻止外力作用的能力不同，就是說慣性大小不同。不同的物體在同樣一個(gè)外力作用下，慣性表現(xiàn)為運(yùn)動狀態(tài)有不同的改變程度：慣性大的物體速度變化慢，慣性小的物體速度變化快。

2? 走出“物體速度越大慣性就越大”的認(rèn)識誤區(qū)

“同一摩托車，以200m/s快速行駛要比20m/s低速行駛停下來困難得多，200m/s快速行駛的摩托車要花更多時(shí)間，通過長得多的距離才能停下來?！边@是客觀存在的，因此很多人頭腦中就滋生了“物體速度越大慣性就越大”這種根深蒂固的錯誤想法。實(shí)際上這是把“使同一物體在不同的運(yùn)動狀態(tài)下停下來的難易程度”與“改變同一物體原有運(yùn)動狀態(tài)的難易程度”混為一談了。

如上所說的摩托車剎車時(shí)不容易停下來的問題，其實(shí)質(zhì)是要讓車從較大的速度停止下來，運(yùn)動狀態(tài)的變化太大了;這個(gè)“不容易”恰恰是摩托車慣性大小沒有變化的具體體現(xiàn)。因?yàn)閷ν惠v摩托車來說在不同運(yùn)動狀態(tài)下慣性是一定的，就是摩托車具有保持原來運(yùn)動狀態(tài)的傾向或能力是恒定不變的，換句話說，要改變車原來運(yùn)動狀態(tài)的難易程度是相同的，所以才使得它快速前進(jìn)時(shí)不容易停下，而慢速前進(jìn)時(shí)容易停下[ 2 ]。

因此，同一輛車的慣性不變，車的速度大小與車的慣性無關(guān);以為車的速度大慣性就大，車的速度小慣性就小純屬毫無根據(jù)的想當(dāng)然。如果是這樣的話，豈不是就會得出“當(dāng)物體速度為零時(shí)就沒有慣性”的荒謬結(jié)論？

再舉一個(gè)例子：設(shè)車質(zhì)量為m，以速度vo在平直公路上行駛，剎車時(shí)制動力（阻力）為F，剎車后停止速度為零。據(jù)牛頓第二定律，剎車時(shí)加速度為a=F/m ，從開始剎車直到完全停止前進(jìn)的車通過距離為s，由vt2-vo2=2as得出要s=vo2/2a;如果在制動力（阻力）為F和車質(zhì)量m不變情況下，此時(shí)車行駛速度vo越大，那么剎車后前進(jìn)的距離s就越大;顯然在此過程中加速度是不變的。車速度越大越難停下來，正是其慣性大小一定的體現(xiàn)。

據(jù)牛頓第二定律，某一物體，不管處于什么運(yùn)動狀態(tài)，只要受到大小方向完全相同的力作用，它產(chǎn)生的加速度或者說速度變化率就是不變的，即物體運(yùn)動狀態(tài)改變的難易程度相同，物體慣性大小不變。而同樣的力作用在不同物體上，就會產(chǎn)生不同的加速度，由此表明不同的物體慣性大小不同。以上所說的不同物體約定俗成就是指不同質(zhì)量的物體，物體質(zhì)量不同自然其慣性大小不同，“物體速度越大”與“慣性越大” 沒有必然聯(lián)系[ 3 ]。

3? 物體慣性大小只由物體質(zhì)量大小決定

那么，如前所述，物體慣性大小是不是由其質(zhì)量大小和加速度大小二者共同直接決定的呢？

不是的！物體如果不受力，就不會產(chǎn)生加速度。物體受外力作用時(shí)獲得的加速度大小不僅與物體質(zhì)量有關(guān)，還與所受合外力大小有關(guān)。相同的力作用在質(zhì)量大的物體上，產(chǎn)生的加速度小，物體慣性較大;作用在質(zhì)量小的物體上，產(chǎn)生的加速度大，物體慣性較小。毋庸置疑，“物體加速度大慣性就越大”是在“相同外力作用”這個(gè)特定前提下的具體結(jié)論，離開了“相同外力作用”這一特定前提，物體加速度大小與物體慣性大小就沒有必然的對應(yīng)關(guān)系了。由此可見，物體加速度大小并不能簡單直接決定物體的慣性大小，物體慣性大小是由其質(zhì)量大小直接決定的，物體質(zhì)量才是物體慣性大小的唯一量度[ 3 ]。鑒于此，同一物體不管在什么時(shí)刻、什么狀態(tài)下其慣性大小是一定的。

參考文獻(xiàn)：

[1]齊澤維茨.物理原理與問題上冊[M].杭州：浙江教育出版社，2010：108-109.

[2]物理通報(bào)編輯部.物理教學(xué)問題薈萃[M].保定：河北大學(xué)出版社，1992：85.

[3]黃迪興，牛士讓.高中一年級物理答疑解惑[M]].西安：陜西人民教育出版社，1986：78-82.