浅议惯性

孟 峥

摘 要:深入思考惯性,对经典力学范围内现行的惯性观提出不同的看法,认为对于惯性要区分探讨。

关键词:惯性 时间 空间

惯性是经典力学中的基本概念,在长期的物理教学中,我进行了深入的思考,现从以下两个方面对惯性进行讨论。

一、惯性的内涵

惯性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的匀速直线运动。

那么,惯性是否是物体的性质呢?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。

二、惯性与物体运动状态变化的难易程度无关

通常认为质量是物体惯性大小的量度,理由是:质量大的物体在相同的力作用下其运动状态不容易改变。而事实上物体运动状态是否变化,物体运动状态的变化是难还是易与惯性无关。惯性所揭示出的物体之性质不在于其使(或抗拒)物体运动状态的改变或代表改变的难易程度的能力,而在于它有保持某种特定状态(静止或匀速直线运动)的本领,因而惯性与物体的质量无关。

我们来看下面的例子。

例1.惯性有不利的一面,高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以,在城市的市区,对机动车的车速都有一定的限制,以利于行车安全。在这里,不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大?

略作思考,就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是荒唐的。发生交通事故的真正原因是,由于车辆质量较大,而相应的制动力在此物体上所产生的加速度很小,不能使车辆很快地减速,从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大,那么是可以在一定的时间内制动车辆的。并且,这个例子中的"高速行驶的车辆"及"对机动车的车速都有一定的限制"的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。这对于初学者来说是个误导。

例2.把斧柄的一端在水泥地面上撞击几下,斧头就牢牢地套在斧柄上了,这是为什么?

通常答案是这样的:开始斧头和斧柄同时向下运动,当斧柄遇到障碍物时突然停止,而斧头由于惯性保持原来的运动状态,这样斧头就牢牢地套在斧柄上了。

事实上,斧头在斧柄上套牢是由于斧头克服了阻力相对于斧柄运动了一段位移,而惯性不是克服某种阻力使斧头运动的原因。这个问题中的一个效果是斧头相对于斧柄产生了某种(克服一定力的)运动,因而我们必须以斧柄为参照系来考察此种运动的实质。当以斧柄为参照时,斧柄在撞击的过程中是一个非惯性系,它相对于惯性系有一个向上的加速度。因而斧头在此参照系中必受到一个向下的“惯性力”,正是此力与斧头的重力克服了斧头与斧柄之间的弹力与摩擦阻力使斧头相对于斧柄前进了一段位移,从而使斧头在斧柄上套牢。如果以地面为参照系来看这个问题,那么可以认为:虽然斧头在斧柄上向下套牢的过程中没有受到除重力以外的向下的另外力,但相对于地面而言斧头具有一定的动能和重力势能,此能量克服了阻力作用从而转化为内能。所以从效果上看,一是斧头相对于斧柄向下移动了一段位移,二是斧头与斧柄的接触面上在发热。

如果仅从动力学的角度来看,斧头在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小与作用时间(或所通过的位移)所共同决定的,也就是说它和斧头相对于斧柄的动能或动量变化有关。斧柄在"水泥地面"上"撞击"这两个条件只是使斧柄产生了相对于水泥地面的较大的动量变化率,从而也使斧头具有了相对于斧柄的惯性力。但是,虽然这个惯性力构成了斧头套牢在斧柄上的直接原因,可严格地说,斧头在斧柄上套得牢不牢的原因还和斧头的重力及斧柄的弹性和斧头与斧柄的摩擦力大小均有关系。并且斧头在斧柄上套得牢不牢和作用时间也大有关系,因而,撞击"几下"也是一个非常重要的条件。

通过以上例子分析可见,惯性不是使物体改变运动状态的原因。严格地说,这些原因和物体的惯性无关,只和力有关,而至于火车制动得及时不及时,斧头套在斧柄上牢不牢,则不仅与力有关,还和物体的质量、形体、初速度有关。

随着现代物理学的发展,我们可以认识到使物体保持静止状态或匀速直线运动状态的原因并不在物体的内部、也跟力无关,而是由于物体所处的时间均匀性与空间对称性。在没有外力的作用下,一个物体,它能保持静止状态或匀速直线运动是由于惯性,即时间均匀性与空间对称性;在同样大小的力的作用下,一个物体它的运动状态较难改变是由于它的动力学特性--抗性,即它的质量较大。

参考文献:

1.邹荣.质量是物体惯性大小的量度吗?新世纪教育文集.中国广播电视出版社,2000(11.1版)P454

2.邓昭镜,邓玉兰.质量是惯性的量度,还是物质之量的量度.物理教师,2000,12,33.

3.徐祖年.质量是惯性或引力的量度.物理教师,2001(11)P27

作者单位:三河一中