第二节 生活中的惯性.doc

第二节 生活中的惯性惯性是物体的一种特性，是指物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。生活中有很多应用，如通过拍打可以让衣服运动，而灰尘由于惯性将离开衣服；洗衣机脱水时，水由于惯性而被甩出，锤头松了，锤柄在地上撞几下，锤头就紧紧套在锤柄上等；同样，惯性在生活中也会产生很多危害，如汽车刹车总要前进一段距离才能停下，车内的人将会向前冲出等，故为了防止惯性的危害我们要采取一定措施，如车前排的乘客要系好安全带，雨雪天要减速慢行等。惯性现象在日常生活中十分常见，在学习中要注意细心观察，认真领会，用所学惯性知识解决相关的物理问题在充分利用惯性为我们生活服务的同时，也要防止因为惯性给我们带来的危害如射卫星所需的推力不但与卫星所受重力和发射的倾角有关，而且还与发射方向和发射地点的纬度有关。按照赤道上某点计算，地球由西向东以460 m/s的速度转动如果火箭向东发射，就可以利用地球自转的惯性节省推力随着地球纬度的变化，各处转动的线速度也不一样，地球转动线速度在赤道处最大，而在南北极最小，几乎为零所以，发射地点的纬度越高，所需火箭推力也越大。在赤道附近顺着地球自转的方向发射最为省力怎样利用物理方法，判断一只鸡蛋是生的还是熟的？（一）把鸡蛋放在桌上，用手把鸡蛋迅速扭动。离手后观察它的转动情形：如果鸡蛋转动得很顺利，则为熟鸡蛋；反之，如果转动得不顺畅的，则为生鸡蛋。因为熟蛋被扭动时，蛋白蛋黄全部一同被扭动，故转得顺利。反之，生蛋被扭动时，只是蛋壳受力，而蛋白和蛋黄几乎未受力。由牛顿第一定律（惯性定律）可知，蛋白和蛋黄因惯性几乎停留不动。于是，蛋壳的转动就被蛋白拖慢了。（二）待鸡蛋转动一段时间之后，突然按停鸡蛋瞬间，并立即缩手。如果缩手后不再转动的，则为熟蛋；反之，缩手后能自动再转几下的，则为生蛋。因为熟蛋被按停时，蛋壳、蛋白和蛋黄都全部停止，缩手后就继续静止。反之，生蛋在按停时，只是蛋壳暂时停止，但蛋白和蛋黄因惯性仍然转动。故缩手后，能带动蛋壳重新再转几下。惯性会改变之谜物体不但平动的时候有惯性，转动的时候也有惯性。比如，花样滑冰运动员在冰上作旋转动作，两腿停止用力以后，身子还能疾速地转个不停。这就是转动惯性，芭蕾舞演员也常常利用转动惯性，使身子旋转起来。进一步观察，我们还会发现，在运动的过程中，转动惯性的大小是可以改变的。花样滑冰运动员在旋转的过程中，速度可以加快，也可以放慢。运动员收拢双臂和悬着的那条腿，转动速度就加快；平伸双臂，腿也伸开，转动速度明显地慢了下来。你知道这是什么原因吗？平动物体惯性的大小仅与物体质量有关，质量大惯性也大，质量小惯性也小。转动物体的惯性，不但与质量的大小有关，而且与质量的分布有关，质量分布离转动轴远，惯性就大，质量分布离转动轴近，惯性就小。花样滑冰运动员旋转的时候，两臂平伸，伸开一条腿的时候，身体的一部分质量就转移到离转动轴比较远的地方，转动惯性增大，旋转速度就慢；收拢手臂和腿的时候，这部分质量就转移到离转动轴比较近的地方，转动惯性减小，旋转速度就明显地加快。惯性新说所谓惯性新说，不是否定和扬弃传统的惯性理论，再炮制一套新的东西，而是在原有惯性理论的基础上，对惯性理论作修正错误的论断和补充新的内容。自从伽利略、笛卡儿、牛顿等科学大家，提出、创立了惯性理论，为牛顿三定律打下了理论基础，最终成就了牛顿力学。然而，我们应用牛顿力学时，总感到有一种说不清、叫不硬、绕不过的东西存在于惯性理论中。这不能不说是惯性理论还不完善，还有需要探究和解决的问题。需要指出，现在惯性理论中的问题对牛顿力学的应用影响不大，但有问题不解决总不是科学自身的态度和诉求。再者，学物理就涉及惯性，而惯性知识在力学中是个老大难问题，教师难教，学生难学，教师和学生都存在着难以释怀的疑问和困惑，最后大家被标准答案压制服从而不能化解疑问，其结果不能不说有磨灭青少年的探索欲望和创新精神的可能。一、理论解释中的问题在各种中学教学辅导书及惯性理论的论文中，关于惯性的表述是有变化和差别的，综合一下，大体上可归结为下面所述的惯性定义和解释：惯性的定义：一切物体都有保持静止或匀速直线运动状态的性质，这种性质叫做惯性。惯性的解释（或推论）：1、惯性是物体的固有属性，它与物体的运动状态、受力情况无关。2、惯性不是力，即不是反抗物体运动状态改变的力。3、当物体所受的外力为零时，惯性表现为保持物体的运动状态不变；当物体所受的外力不为零时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。4、物体的惯性大小是由质量惟一决定的，质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小。本文认为：惯性的定义没有问题；惯性的解释有一些问题，具体表现为论断有错误和表述不恰当。有关惯性问题可陈述为下列疑问：（一）惯性大小是由物体质量惟一决定的疑问：设甲乙两物体的质量比为1比10，加速度比为10比1，显而易见，两物体上的外力相等，也就是外力改变两物体的运动状态难易程度相同，如何解释这两个物体的质量不同却有相等的惯性大小？（二）惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同的疑问：物体的运动状态从不变到变的某一连续过程中，物体的运动状态不变时，是因为物体有惯性，物体的运动状态变化时，物体上的惯性还是原先的惯性吗？若还是原先的惯性，但物体已经不是原先的运动状态，惯性保持物体原先的运动状态的性质如何体现？（三）惯性不表现为力（惯性表现为力不等于说惯性是力）的疑问：惯性若不表现为力，它又怎么使外力改变物体的运动状态时有难易程度？它如何反抗物体运动状态的改变？二、惯性在两种情况下表现不同当物体不受外力（合力为零）作用时，惯性表现为物体保持运动状态不变；当物体受外力（合力不为零）作用时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。这就是说，一个物体的惯性，在两种情况中有不同的表现：一是物体不受力时的惯性表现；二是物体受力时的惯性表现。多少年来，关于惯性的认识和理解存在着模糊和偏颇，症结就在这里：一是把两种情况混为一谈，笼统地说惯性；二是也区分两种情况，但认为两种情况是同一惯性。因此，不把惯性分为两个层面来研究，分两种情况来讨论，就不能正确认识惯性。先说第一种情况，物体在静止或匀速直线运动状态时，惯性的“任务”是保持这种状态不变，这是一种纯粹的性质使然，不需要力或别的什么参与。此时的惯性就是一种事物性质，谈不到它的大小，也说不出惯性它是有什么方法、什么手段、什么力量来“保持”运动状态不变的。再看第二种情况，惯性是外力改变物体运动状态的难易程度这句话表明，外力对物体运动状态改变的难易程度就不是“大”与“小”两个字所能概括，而是一个有变量的函数。同一个物体，物体运动状态改变小就容易，需用的外力就小；物体运动状态改变大就难，需用的外力就大。这是因为惯性要保持物体原有的运动状态，就要抵抗外力对运动状态的改变，此时的惯性发生了变化，转化为“惯性力”。惯性保持物体原来的运动状态不变，只能在不受外力的情况下，物体受外力后，惯性就不能保持原来的运动状态了。惯性在运动状态被迫改变时它要做的事：不使外力的侵犯行为不付出代价它要受到惯性反抗的对等的力。因此，惯性在物体运动的两种情况中的“保持”，应该是表示惯性的存在，不是维持的意思。对于第二种情况中的惯性表现，有的书中也用“维持”表述，但终究不能明确而合理地说明问题。物体受外力作用时，若外力不变，惯性保持原有运动状态的力也不变；若外力加大（或变小），惯性保持原有运动状态的力也变大（或变小）。惯性是如何转化为惯性力的，请看下面例子：许多人都有这样的经验，松动的锤头在硬地面上蹾几下，锤头就能套紧在锤柄上。手拿锤头与锤柄同时向下蹾，锤柄遇障碍突然停止运动，锤头没遇障碍因惯性还要向下运动，但锤柄与锤头间要产生摩擦力阻碍锤头运动。这个摩擦力就是改变锤头原来运动状态的外力。锤头的惯性要保持原来的运动状态，就转化为克服摩擦力的惯性力作用在锤头上（相当于别物体敲击在锤头上），从而使锤头套紧在锤柄上。三、惯性的大小表现为力在一个光滑的平面上用手推一物体，若物体的惯性只是某种性质而与力无关，那么推物体的力就不成立。因为力总是成对的互相作用，不存在无反作用力的单独的力。若惯性不表现为力的作用，推任何质量的物体也跟出手打空拳一样，没有被推物轻重的感觉，也就无从谈起用多大力了。认为惯性只是物体的一种性质，又何谈它的大小呢？惯性有大小是肯定的，但不能无原则地说惯性的大小与质量有关。既然惯性的大小与速度的大小无关，那就与物体静止时的质量大小无关，因为物体的静止与匀速直线运动的惯性是“相同”的。实际上，用质量大小来衡量惯性大小是有条件的，只有在两物体的加速度相等时才能成立，可是却没有在“惯性大小由质量惟一决定”的论断中发现加速度的踪影。在地面上静止的两个物体，一个质量为1千克，另一个为10千克。一个人用力分别拉它们，使它们的运动状态变化相同，即在相同时间内保持相同的速度。显而易见，他拉大的物体感到难而用力大，拉小的物体感到易而用力小；若他用同样的力拉它们，当然他感到难易程度相等，但二者的速度不能相同，显然质量大的速度小，质量小的速度大。这个例子可以证明，物体受外力作用，其惯性保持物体运动状态的难易程度，不仅与质量有关，而且与加速度有关。惯性的大小既然与加速度和质量都有关系，也就是与牛顿第二定律有关系，或者说惯性的大小决定于牛顿第二定律，其定量描述必然顺理成章。惯性与惯性的大小是两个不同的概念，惯性的“性质”不可以量度，惯性的大小可以量度。相同质量的两辆汽车，以不同的速度行驶。假设一车的速度为每秒1米，另一车的速度为每秒5米，两车同时刹车，若两车用相等的刹车力，则两车的加速度相同，惯性大小相同，但快车的刹车距离要大；若两车的刹车距离相等，则快车的刹车力大，加速度大，其惯性也大。这个例子同样证明，当质量相同的两车运动状态变化相同时，两车的惯性大小相同；当两车的运动状态变化不同时，两车的惯性大小不同，毫无疑问，加速度大的惯性大，加速度小的惯性小。上面的例子也就是人们常说的速度快的车惯性大，这样说当然是不正确的，因为惯性的大小与速度无关。但我们也要理解这是一种习惯的省略的说法（就像把上医院看病说成看医生一样），人们说惯性大小的本意还是指刹车时的惯性表现，因为汽车不能总是以某一速度行驶。四、惯性理论的补充惯性问题之所以存在许多混乱，是因为惯性理论除了有错误的论断外还有表述麻烦问题。本文为解决这个问题，针对物体运动状态不变和受外力运动状态变化的两种状态及惯性的不同表现，引入“惯性常态、“惯性变化态”、“惯性原因”、“惯性作用”等新概念来简化并准确表述。物体处于静止或匀速直线运动的状态叫做惯性常态。这是物体惯性的基本状态。物体在这种状态下，若没有外力的作用，将永远保持这种状态。物体在惯性常态下的惯性只能作定性描述，不能定量描述，因为无法衡量惯性的大小。物体在惯性常态时，惯性的大小与速度（直线匀速）的大小无关，不因不同的速度有不同的物理量；与物体静止时的质量大小无关，不能说质量大者惯性大，质量小者惯性小。物体的运动状态变化时，惯性反抗改变的状态叫做惯性变化态。物体处于惯性变化态时，惯性要反抗物体原来运动状态被外力改变就要产生与外力对等的力（反作用力）。只有处于惯性变化态的物体的惯性，才能具体地说出惯性的大小，作定量描述。惯性变化态随物体上的外力消失而消失，回到惯性常态。物体的两种不同运动状态（即运动状态不变和运动状态变化的两种状态）用两种惯性状态表述，不过是简化语言的等效代换，若使惯性在物体的两种运动状态下不同的惯性表现易于区分，还要用新的概念来表述。物体的运动状态不变时的惯性表现，可称为“惯性原因”，即物体保持运动状态不变的原因是惯性；物体的运动状态变化时的惯性表现，可称为“惯性作用”，即物体反抗外力改变自己的运动状态是惯性的作用。这样，既区分了两种不同状态的惯性，也不因惯性反抗成为惯性力而忽略了惯性。五、惯性与牛顿三定律长期以来，人们似乎认为惯性仅与牛顿第一定律有关。实际上，惯性与三个定律都有关系。牛顿第二定律表示力与运动的关系，实际上还有另一种关系外力与惯性力的关系。前面说过，物体受外力时，惯性反抗运动状态的改变转化为惯性力。惯性力始终伴随外力，因外力的存在而存在，因外力的变化而变化。牛顿第二定律的表达式既是外力作用的表达式，也是惯性力的表达式。从这个意义上说，惯性与第二定律的关系不逊于惯性与第一定律的关系。如果说牛顿第一定律也叫做惯性定律，那么牛顿第二定律除叫做运动定律外，也可以叫做惯性力定律。惯性与第三定律的关系也很密切，使物体运动状态改变的外力与惯性转化的惯性力之间正是一对作用力与反作用力的关系。人们总抱怨惯性力找不到反作用力（这也是说惯性力是虚拟力的理由之一），却忽略了使物体有加速度的外力没有反作用力（不承认有惯性力时）。可以说，惯性与牛顿