论惯性的本质及意义

论惯性的本质及意义 摘要惯性是物理学中最基本的概念之一，也是学习物理学最早遇到的概念之一。这一 极为普通和平凡的概念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析，促进物理学重大进展，其中 蕴涵着深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法的教益，是培养学生科学地思考问题的能力 非常有效的素材。 关键词惯性；特性；规律 引言 惯性是经典力学中的一个基本概念，同时它又是人们日常生活中 的一个基础性观念，并且惯性问题也是经常被物理学界讨论的一个话 题。可是，尽管经典力学经过了漫长的发展时期，在我国当今物理学 界，大部分的物理教师在此问题上还存在着很多的混乱性，本文试从 几个方面对惯性进行了讨论，望引起大家的共识。 一、惯性概念的产生及发展 惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属 性。人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对 于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类 认识发展史上经历了漫长的岁月。 在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无 疑地起过广泛的影响，然而他关于物理学的论述，许多都是错误的。 他把物体的运动分为自然运动和强制运动。他认为圆周是完善的几何 图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外， 地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，如 果没有其他物体阻碍，物体力图回到天然位置的运动也是自然运动； 其他所有形式的运动则都是强制运动。他还进而指出，关于物体的强 制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时， 运动也立即停止。从这里可以看出亚里士多德肯定了两点一，自然 运动不涉及曳力的问题，只有强制运动才存在力的问题；二、力是物 体强制运动的原因。从今天来看，这显然是错误的，然而它束缚了人 们近两千年。 从这种把物体的运动归结为外力作用的观念，可以提取出静止物 体具有惯性的概念。开普勒在他1609年发表的著作新天文学和 1619年发表的著作宇宙谐和论中写道；“天体有留在天空中任 何地方的性质，除非它被拖曳着。”“如果天体不赋有类似于重量的 惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无限的速度, 但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常 明显，物质必须具有能说明这些差别的惯性。” “惯性，或对运动的 阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。” 这大概是关于物体惯性的最早陈述。可以看出开普勒所说的惯性是指 静止物体的惯性，甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关，然 而他显然受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有 惯性的问题。 伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用 于研究物体的运动。他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常 观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实 验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作关于托勒密和 哥白尼两大世界体系的对话（ 1632年）和关于力学和运动两门 新科学的对话。（ 1638年）中，其中一个重要的结果如下。假设沿 斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动，则 物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时 间不同；当第二个斜面变成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将 一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略的思想无疑地比他的前辈 前进了 一大步，他认识到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动， 这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响， 他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种不受其他物体 作用的物体的永恒运动是圆周运动，因此我们还不能说伽略发现了惯 性定律。 最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛 卡儿是唯理论哲学家，他试图建立起整个宇宙在内的各种自然现象都 能从基本原理中推演出来的体系，惯性定律就是他的体系中的一条基 本原理。他在他的哲学原理（ 1644年）一书中把这条基本原理 表述为两条定律一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直 到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身 都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各 种自然现象的体系，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合 产生了一定的影响。牛顿1661年进入剑桥大学学习亚里士多德的运 动论，1664年他从事力学的研究，摆脱了亚里士多德的影响。他继 承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，他也继承了笛卡儿的研 究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题， 澄清了动量概念和力的概念。1687年出版著作自然哲学的数学原 理，以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上的力 学和地上的力学统一起来的力学体系。惯性定律就是牛顿第一定律, 表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用 于它的力迫使它改变这种状态。”惯性定律真正成为力学理论的出发 点。 根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态的属性，这种属性称 为惯性。不仅静止的物体具有惯性，运动的物体也具有惯性；物体惯 性的大小用其质量大小来衡量。至此，人们对于物体惯性的认识达到 第一阶段比较完善的程度。从此，人们对于运动中的种种惯性现象都 能很好地理解；在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的 措施。 二、惯性定律的表述方式 牛顿第一定律是动力学定律的基础，但它本身并不表征物体的某 种动力学性质，它是关于人类体认自然之美、自然之和谐的陈述。据 于上面的论述，对牛顿第一定律的陈述方式作以下的要求是并不过分 的反映时间的均匀性，空间的对称性，及自然之美对人的呈现。可 是，现行的许多教科书中对牛顿第一定律的陈述是很不一致的。当然, 这种不一致性用老眼光来看是无伤大雅的，但以今天的眼光来看，这 种差异性就成为值得商讨的了。 例如一个物体，如果没有受到其他物体的作用，它就保持自己 的静止状态或匀速直线运动状态。这样的陈述可能离惯性定律的本义 较远，因为这一陈述的方式是在动力学的维度上来进行的，陈述的对 象是一个物体”这和牛顿第二定律的研究对象是一致的，这样方 式的陈述毫无疑问地可以把惯性定律认为是牛顿第二定律的一个特 例，因为“如果没有”这几个字就表达了陈述事件的某种特殊性。 三、惯性定律与牛顿第二定律的关系 当物体所受的合外力为零时，从牛顿第二定律可知物体处于静 止状态或作匀速直线运动。可是，仅依据这一点却不能认为牛顿第一 定律是牛顿第二定律的一个特例。因为这两个定律的论述对象其实是 不一样的。牛顿第二定律的研究对象是一个物体，而牛顿第一定律论 述的是整个存在的性质。惯性一一这个任何物体均具有的性质其实不 是我们的个别研究对象所具有的性质，因为这个“任何物体”，包括 了天地间的万物，而万物的总称即是宇宙“四方上下曰宇，古往今 来曰宙”.也即任何个别的物体都不可能无条件地具有惯性惯性是 存在的特性，是存在着的时空的特性，是宇宙的特性。 其次，牛顿第二定律是关于个别物体因果性的规律，而牛顿第一 定律却与个别物体的因果性无关，它是存在之状态