關于慣性的探討

◆王方軍

(南京市梅山第一中學)

滬教版初中八年級物理第三單元《運動和力》部分在最后結束時談到運動與力之間的關系時，按照：先由亞里士多德提出力是維持物體運動狀態的原因，再由伽利略通過實驗進行猜想：物體的運動不需要力來維持，最后由牛頓做出總結：一切物體都具有保持原來運動狀態的性質，直到有外力迫使它改變為止。這就是著名的牛頓第一運動定律產生的過程。人們把牛頓第一運動定律中提到物體具有保持原來運動狀態的性質，叫做慣性。所以，牛頓第一運動定律也叫做慣性定律。我們在平時日常生活中，對一些保持原來行為、思維等也叫做慣性，其出處就是從我們物理中對慣性的含義衍生出來的。

慣性到底是一個什么樣的東西？我想就我在教學過程中的體會來談談對慣性的認識。慣性是一種看不見摸不著的東西，但是卻真實存在著，它是物體本身的一種性質，物體一旦存在了，這個物體就具有慣性，無論它處于什么樣的狀態下，在什么樣的環境中慣性都跟隨了這個物體，直到這個物體不存在了，慣性也就沒有了依存的對象。所以慣性只與物體本身有關。不同物體慣性的比較可以通過比較質量來做比較，質量大的物體具有的慣性較大，質量小的物體具有的慣性較小。而在此時好多學生會對速度是否會對慣性產生影響存在疑問，因為他們提出：緩慢運動的子彈容易被停住，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。在沒有學到機械能的情況下的解釋只能從反推的方面來做解釋：若速度對慣性有影響，從高速飛行的子彈具有的慣性大，緩慢運動的子彈慣性小，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。所以這種假設是不成立的。

在第四單元《簡單機械》部分在最后談到能量的時候，對動能的定義是：物體運動時具有的能量。

那么，對動能到底如何認識？我也從我的角度做一個闡述。所謂的能量，實際上就是做功的本領，所以提及能量的時候一般都要和做功扯上關系。運動中的物體具有做功的本領，這種本領就叫做動能，關于做功的多少則是反映動能多少的一個表象。所以，我們正是通過對同一物體做功的多少的方法來比較出物體具有動能的多少的。方法如下：讓小球從斜面上滾下來，推動水平面上的物體移動。通過此方法研究出：影響物體的動能的因素是物體的質量與速度。但物體處于靜止狀態時動能為零。

“慣性”與“動能”都是物體具有的，兩者之間到底存在什么樣的關系？還是兩者都是一回事，某種物理現象用兩者都能解釋？解釋的結果是一樣的？下面就這個問題，我來談談自己的看法。

請注意：這兩者都與物體的質量有關，這是兩者的共同點。正是因為這個共同點的存在，就使得兩者容易混淆，如前面比較緩慢運動的子彈與高速飛行的子彈的慣性時，很容易就會造成錯覺，以動能的關系取代了慣性的關系。兩者的不同點是：慣性與速度無關是物體本身的性質，一個物體的慣性是不可能為零的；而動能與速度有關，且速度對動能的影響比質量對動能的影響更大，當物體的速度為零時，物體的動能為零。需要說明的是：兩者的本質區別是，一個是維持原來的狀態，另一個則是要通過做功來體現。由此可見，兩者之間既有相同點也有不同點。那我們如何來區分在一些物理現象中到底需要從哪個方面來加以解釋。

從本質上來看，靜止的物體很好區分，因為靜止的物體，動能為零，但是卻具有慣性，所以比較慣性的大小直接比較質量的大小即可。如靜止在水平地面上的轎車和火車具有的慣性火車更大。而運動的物體由于動能和慣性都具有，在這種情況下要區分兩者則應該從兩者的作用來看：慣性是要維持原來的運動狀態，而動能是運動中具有的做功本領。這兩者并列存在于同一個物體中，卻是描述物體的兩個方面。我們可以再來看看緩慢運動的子彈和高速運行子彈的慣性的比較，有同學認為高速運行子彈運動狀態較難改變所以其具有的慣性大。這一點倒是契合了慣性是運動狀態改變的難易程度的本質，但是卻忽略了兩種狀態下運動狀態改變的程度不一樣，緩慢運動到高速飛行，或從高速飛行到緩慢運動，當兩者速度改變量相等時，再來比較其改變運動狀態的難易程度。換句話說，認為高速飛行子彈慣性大的同學是因為在不同條件下做出的比較而出的錯。若條件不同，那是什么引起高速飛行子彈難以停下來的？無疑是動能。可以從做功本領來看，緩慢運動的子彈擊中木塊，和木塊一起運動，最后停止下來，和高速運行的子彈擊中木塊和木塊一起運動最后停止下來相比、后者做功更多，具有的動能更大。這樣就可以知道，高速飛行的子彈和緩慢運行的子彈具有的慣性相同，而前者具有的動能更大。

我們在解釋一些物理現象時，是通過慣性來解釋還是通過動能來解釋，仍然是根據其是否做功來做選擇。如小球從斜面上滾下來，在水平桌面上推動木塊運動的過程。若是小球從斜面上滾下來，由于什么在水平面能繼續運動，我們選慣性不選動能，因為沒有涉及到做功的問題；若是問由于什么小球推動木塊向前運動，我們選動能不選慣性因為里面涉及到做功的情況了。但是慣性和動能是小球到達水平面時同時具有的，用哪個方面來做解釋，則需要看情況而定，不能混淆不能模糊。

如擺球在有最高點向最低點運動時，是重力勢能轉化為動能的過程，到達最低點時由于小球具有什么繼續向上運動，我們選慣性不選動能，因為里面沒有涉及到做功的情況。

通過以上分析過程可見“慣性”與“動能”之間有共同之處，也有相異之處。重要之處在于對兩者本質的把握。

慣性的影響因素是質量，質量越大慣性越大。那么速度對慣性有沒有影響？從牛頓經典力學來看，速度對物體的慣性沒有影響。同一物體無論是否運動，其慣性都是相同的。但是從愛因斯坦相對論來看，速度對物體的質量卻又有影響：根據相對論，物體的速度越大，其相對質量會越大，當物體的速度達到光速時，其質量達到無窮大。而質量對物體的慣性有影響，所以從相對論角度來解釋時我們又可以發現其實速度對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。