淺議慣性

孟 崢

摘 要:深入思考慣性,對經典力學范圍內現行的慣性觀提出不同的看法,認為對于慣性要區分探討。

關鍵詞:慣性 時間 空間

慣性是經典力學中的基本概念,在長期的物理教學中,我進行了深入的思考,現從以下兩個方面對慣性進行討論。

一、慣性的內涵

慣性是物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質。一個物體,只要不受外力作用,原來靜止的就會一直靜止下去,而原來運動的則會一直的勻速直線運動。

那么,慣性是否是物體的性質呢?依據牛頓第一運動定律,任何物體均具有慣性。因而,看來慣性不是被研究物體的性質,因為這一性質是一切物體所具有的,也就是說它與物體的個別特征無關。因而,慣性只能是存在的一個特征,是被研究對象周圍的環境在此對象上的表現。

二、慣性與物體運動狀態變化的難易程度無關

通常認為質量是物體慣性大小的量度,理由是:質量大的物體在相同的力作用下其運動狀態不容易改變。而事實上物體運動狀態是否變化,物體運動狀態的變化是難還是易與慣性無關。慣性所揭示出的物體之性質不在于其使(或抗拒)物體運動狀態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(靜止或勻速直線運動)的本領,因而慣性與物體的質量無關。

我們來看下面的例子。

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制動常造成交通事故。所以,在城市的市區,對機動車的車速都有一定的限制,以利于行車安全。在這里,不能及時制動是由于慣性還是由于制動力不夠大?

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。發生交通事故的真正原因是,由于車輛質量較大,而相應的制動力在此物體上所產生的加速度很小,不能使車輛很快地減速,從而在短時間內停下來。倘若對于質量較大的車輛來說制動力也允許更大,那么是可以在一定的時間內制動車輛的。并且,這個例子中的"高速行駛的車輛"及"對機動車的車速都有一定的限制"的字句很容易使學生認為慣性和物體的運動速度有關。這對于初學者來說是個誤導。

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:開始斧頭和斧柄同時向下運動,當斧柄遇到障礙物時突然停止,而斧頭由于慣性保持原來的運動狀態,這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。

事實上,斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對于斧柄運動了一段位移,而慣性不是克服某種阻力使斧頭運動的原因。這個問題中的一個效果是斧頭相對于斧柄產生了某種(克服一定力的)運動,因而我們必須以斧柄為參照系來考察此種運動的實質。當以斧柄為參照時,斧柄在撞擊的過程中是一個非慣性系,它相對于慣性系有一個向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個向下的“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于斧柄前進了一段位移,從而使斧頭在斧柄上套牢。如果以地面為參照系來看這個問題,那么可以認為:雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過程中沒有受到除重力以外的向下的另外力,但相對于地面而言斧頭具有一定的動能和重力勢能,此能量克服了阻力作用從而轉化為內能。所以從效果上看,一是斧頭相對于斧柄向下移動了一段位移,二是斧頭與斧柄的接觸面上在發熱。

如果僅從動力學的角度來看,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間(或所通過的位移)所共同決定的,也就是說它和斧頭相對于斧柄的動能或動量變化有關。斧柄在"水泥地面"上"撞擊"這兩個條件只是使斧柄產生了相對于水泥地面的較大的動量變化率,從而也使斧頭具有了相對于斧柄的慣性力。但是,雖然這個慣性力構成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因,可嚴格地說,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系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時間也大有關系,因而,撞擊"幾下"也是一個非常重要的條件。

通過以上例子分析可見,慣性不是使物體改變運動狀態的原因。嚴格地說,這些原因和物體的慣性無關,只和力有關,而至于火車制動得及時不及時,斧頭套在斧柄上牢不牢,則不僅與力有關,還和物體的質量、形體、初速度有關。

隨著現代物理學的發展,我們可以認識到使物體保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的原因并不在物體的內部、也跟力無關,而是由于物體所處的時間均勻性與空間對稱性。在沒有外力的作用下,一個物體,它能保持靜止狀態或勻速直線運動是由于慣性,即時間均勻性與空間對稱性;在同樣大小的力的作用下,一個物體它的運動狀態較難改變是由于它的動力學特性--抗性,即它的質量較大。

參考文獻:

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

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

3.徐祖年.質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