惯性问题的辨析

惯性问题的辨析广西商校 庞显彰引论300多年前，人们还普遍认为“力是物体运动的原因。”这一错误观点竟统治人类近两千年。首先否定这观点的是伽利略。他通过斜面理想实验的分析，得出“惯性是维持物体运动的原因”的结论。后来牛顿经过长期观察研究，进一步提出惯性定律，最后完整地揭示出“惯性是物体运动的原因，力是物体运动状态(v)变化的原因”这一力与运动关系的最基本规律。惯性是物体的固有属性。由于自然界中并不存在显示惯性运动（匀速运动）条件物体不受力。这就给人们认识惯性带来很大的困难。以致现在，即使是学过高中物理的一些人，对惯性问题沿存在不少错误认识或疑难。本文试图对一些常见的带原则性的惯性问题作一辨析，以澄清有关模糊或不正确的认识。1 任何物体时刻具有惯性不少人对惯性的认识，只停留在一些有直感性的简单的惯性现象上。认为“物体在运动状态急剧变化表现出明显的惯性现象时才有惯性，匀缓变化时没有惯性”；常说“克服惯性”，等等。其错误的根本原因在于未能透过惯性现象去深刻理解惯性的本质。惯性是指一切物体（包括固、液、气体）具有的保持其运动状态不变的本性，即是本性，则凡是物体时刻皆具有，不会随外界条件（受力情况）或自身运动状态的变化而变化或消失。正如电阻是导体本身的特性，跟导体中有无电流通过及电流强弱无关一样，只是在不同条件下，惯性的表现形态不同而已。物体时刻具有惯性可从下述两方面去说明：(1)当物体不受力（实指）时，物体保持静止或匀速运动状态。这是惯性的直观表现。(2)当物体受力（）作变速运动时，惯性则表现为：因惯性作用，速度变化需一定的时间，故速度不能突变而只能连续渐变。相同的外力使质量不同的物体运动状态的改变有难易之分（产生不同的a）。这说明不同物体惯性大小不同。作变速运动的物体，随时撤去外力（满足），物体总能随时保持它所获得的每一个新运动状态。如果物体不是时刻具有惯性，就不可能随时表现出“保持新运动状态”的惯性现象。因为惯性是原因，惯性现象是结果。结果是原因的表现，现象是本质的反映。物体作变速运动，是惯性和力共同作用的结果。惯性要保持原来的运动状态，而力要改变运动状态。在一定条件下，两者相对抗，共同决定着物体不同的运动形式。例如，竖直上抛运动是惯性和重力作用共同决定的。由于惯性，它要以抛出时的初速匀速上升；又由于重力作用，它要加速下降，这两种运动的合成，物体才作减速上升。如果一旦失去重力和阻力，物体将以此刻的速度匀速上升。反映匀变速直线运动规律公式和中的出现，就是惯性存在于运动全过程的证明。再如，物体作匀速圆周运动（实为变加速曲线运动），也是惯性和向心力相矛盾、相制约，共同作用的结果 。设想物体在某段时间内不具有惯性，则它不需力的作用，就会自动任意改变运动状态，其运动将是无规律的、不可预知的。这显然是不符合客观现实的。惯性是一种属性，是不能人为地克服和消除的。用强大的制动力使高速运动的汽车很快下来，是迅速改变它的运动状态，而不是克服或消除它的惯性。2 惯性和惯性定律由于惯性定义和惯性定律在叙述上有相同之处，导致有人把它们混为一谈。例如在讲述惯性定义时说：“当物体不受外力作用时，物体具有保持静止或匀速直线运动状态不变的性质，叫惯性。”此叙述是不妥的。首先，定义中不应加上“不受外力作用”这个条件。因为惯性是任一物体具有的本质属性，与周围物体无关。其次，这样定义是片面的。因为物体在受外力时也具有惯性。上面的叙述既不是惯性的定义，也不是惯性定律内容的正确表述。造成这样混乱的根本原因在于滑有理解惯性的实质及它和惯性定律的区别和联系。现把它们的区别和联系列表说明如下：惯性定律（牛顿第一定律）惯性 区别1.它是一条物理规律。揭示了物体受力情况和运动状态之间的内在规律：物体在不受力的条件下，其运动速度不变。这也就说明了力和运动的关系：力是改变运动状态的原因。1.它是一个物理概念。描述的是物体的一种固有属性：具有保持运动状态不变的性质（或能力）。这也就说明了力和运动关系的另一方面：惯性是维持物体运动的原因。2.它并不描述物体有某种特性，提出惯性定律的直接目的不是要说明属性的概念，而是说明运动规律物体不受力时作何种运动。这规律先有条件（），后有结论（v不变）。它把物体的运动状态与受力情况联系起来。2.它只说明保持原来的运动是物体本身的内在性质。这性质只与物体本身同在，不涉及别的物体。它的存在与外部条件（受力情况）及自身的运动状态无关。在惯性的定义中，不应附加任何条件。惯性大小只由物体本身的性质(m)决定。联 系惯性定律所揭示的物体自身具有“保持静止或匀速直线运动状态”的性质，叫惯性。而“物体在不受力时，能保持速度不变”的原因，正是由于物体具有惯性。这就是惯性定律和惯性之间的联系。这也是牛顿第一定律又叫惯性定律的道理。3 惯性不是力 也不是速度由于惯性，继续运动的物体，能推动静止的物体。由此有人认为是“惯性力”推动物体运动，惯性越大，“惯性力”也越大（这里的“惯性力”，并不是指非惯性系里引入的惯性力）。惯性不是力。正如速度不是力一样，因为惯性是一个单独物体本身就具有的一种性质，性质与周围别的物体存在与否无关。而力非一个单独物体所具有。一个力总是出现在两个物体之间，需有相联系的两物体存在；一个物体时刻具有惯性。而力只存在于两物体的相互作用过程中，过程一结束，就不再留在物体上。可见，惯性存在于物体之中，而力存在于物体之外。因此，力的存在是有条件的，而惯性存在是无条件的；惯性是一种性质，它要保持速度。而力是一种作用，它要改变速度。可见，惯性和力的作用相反，不可能是同一东西。它们是一对对立的概念。在牛顿力学范围内，是没有惯性力这个概念的。只有在非惯性系中为了应用牛顿力学，作为一种方法才引入“惯性力”的概念，那是另一种意义。至于由于惯性而运动的物体，能推动静止的物体，那是由于这两物体相遇发生了碰撞过程，产生了弹力。通过此弹力的冲量或功，运动的物体把一部分动量或动能传递给静止的物体，静止的物体才动起来。而并非因惯性而运动的物体具有一种惯性力推动静止的物体。惯性也不是速度。速度标志物体运动状态，其大小可理解为物体离开某位置的趋势的强度；而惯性表示物体保持“自然”运动状态的性能，其大小可理解为物体保持运动状态不变的顽强程度。因此，惯性和速度也有本质区别。可见，惯性、力和速度是三个不同概念。4 物体速度越大，惯性也越大吗？汽车速度越大，刹车就越难。据此事实，有人认为“物体速度越大，其惯性也越大。”这种认识当然也是不对的。这里首先要搞清楚惯性的大小是怎么量度的？惯性的大小实质是指物体维持其运动状态(v)不变的能力（或顽强性）的大小。因此，惯性的大小就表现为：在相同的外力作用下，不同质量的物体，运动状态改变的难易程度不同，即产生的加速度不同。根据牛顿第二定律，在相同外力作用下，质量大的物体获得的加速度小，表明它的运动状态难于改变，即它维持原来运动状态的能力大，其惯性就大；相反，物体的质量小，其惯性就小。可见，质量可作为惯性大小的定量量度。要进一步明确的是，惯性是物体的一种性质，它不是物理量。因而无法用数值表示它。可称为物理量的，不是惯性，而是物体的惯量表示物体惯性大小的物理量。物体运动状态越难改变，它的惯量就越大。根据牛顿第二定律，惯量越大的物体，其质量也越大。对平动物体说，它的惯量只跟质量大小有关，跟物体质量分布无关。因此可定义：物体的质量是物体惯量的量度。而由于惯量的大小表征着惯性的大小，这样，质量和惯性这两个概念就联系起来了。于是人们就把本来是“质量是物体惯量的量度”直接说成了“质量是物体惯性的量度”。可见，物体惯性的大小只决定于物体的质量，而与物体运动速度无关。所以，认为物体速度越大，其惯性也越大是错误的。至于“汽车速度越大，刹车越难”的问题，显然不应从惯性大小去解释。因为同一汽车具有不同速度时惯性的大小是相同的。但要使同一汽车从不同的速度停下来，运动状态的改变量却是不同的。“速度大，刹车难”就难在要车子停下来需要改变的状态量大。根据动量定理（或牛顿第二定律）：，或动能定理：可知，要使速度越大的汽车停下，或者需加的制动力f要越大，或者经历的时间t要越长，或者需滑行的距离s要越大。因此，这问题应当从力的作用规