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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时期,大部分的物理教师在此问题上还存在着很多误区。我试从几个方面对惯性进行了讨论,望引起大家的共识。
一、惯性的意义
惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。一个物体,只要不受外力作用,原来静止的就会一直静止下去,而原来运动的则会一直作匀速直线运动。依据牛顿第一运动定律,任何物体均具有惯性。所以惯性是物体的固有属性,不论宏大物体,还是微小粒子,不论固体、液体、气体,静止物体,还是运动物体,不论物体在地球上,还是在月球上。一切物体在任何时刻,任何情况下都具有惯性。既然惯性是物体的固有属性,就不能说“物体处于匀速直线运动状态或静止状态时有惯性,而运动状态改变或所受合外力不为零时就没有惯性”,也不能说惯性“仅在物体处于匀速直线运动状态或静止状态时起作用”,而“在物体运动状态改变或所受合外力不为零时不起作用”。例如:“行驶中的汽车或火车,由于惯性,不能立刻停止,即使紧急刹车,也要向前运动一段距离才能停下来”这一现象,可知“对运动物体即使加上很大的阻力,要使它停下来仍需一段时间”,正是运动物体要保持匀速直线运动状态(因而力图反抗速度减小)的性质表现;再以汽车出发时即使加大油门使牵引力很大,也不可能立刻开得很快为例,说明“对静止物体即使加上很大的推动力,要使它达到某一速度仍需一段时间”也正是静止的物体要保持静止状态(因而力图反抗速度增大)的性质表现。从上面两个实验现象说明,物体具有保持原有运动状态不变的性质,不管受到外力大还是小,不管物体的速度大还是小,它这种性质时刻存在,因此惯性不会消灭,是物体本身具有的。
二、惯性及惯性定律
回顾历史,可以发现,牛顿第一定律是人们在物体惯性运动认识的基础之上总结出来的。认识惯性在前,总结运动规律在后。那我们现在应该怎样理解惯性及惯性定律呢?
1.惯性是物体的固有属性,是物体保持原有运动状态不变的“习惯性”和“惰性”。由于惯性,原来静止的就永远想保持静止,原来运动的就永远想保持运动,快慢和方向都不想改变。即所有的物体都有保持原有运动状态不变的这种内在性,运动状态要改变的话必须要有外力驱使。惯性体现的是物体运动状态改变的难易程度,惯性的大小由物体的质量决定,质量大,惯性大,质量小,惯性小,质量是惯性大小的量度。而惯性定律是物体在不受外力时所表现出来的运动规律。物体在不受外力时运动状态不会发生改变,原来静止的就永远静止,原来运动的就永远保持匀速直线运动。物体运动状态只有在力的作用下才有可能改变。
2.在惯性认识的基础之上,牛顿总结出了第一定律和第二定律。第一定律描述的是物体不受力时情况,这是一种理想情况,条件相当苛刻,地面附近不受力的物体是找不到的。无法在地面附近直接用实验验证(现在太空技术的发展,在微重力下能够近似得到证实),只能在伽利略斜面理想实验的基础上进行合理的外推。这是人类智慧的结晶,也是人类智慧的力量所在。不过物体不受力与物体受了但合力为零,是等效的。第二定律描述的物体受了力时,物体运动状态改变与物体受力之间的关系。“物体动量的变化与所施力的大小成正比,并沿力的方向发生”;“动量是物体质量和运动速度的乘积”。由此可以看出:物体的质量体现了物体运动状态改变的难易程度。质量越大,运动状态越难改变,即惯性越大。
3.只有将牛顿第一定律和第二定律完美结合,才能真正地理解惯性。物体不受力时,运动状态不改变,原来静止的就永远静止,原来运动的就永远运动,快慢和方向都不会变化;物体受了力,运动状态就有可能发生改变,变快、变慢或者方向改变(合外力为零时,运动状态不改变;合外力不为零时,运动状态一定要发生改变)。物体运动状态发生改变时,状态变化快慢与作用在物体上的合力成正比,与物体的质量成反比。相同的力作用在不同的物体上,质量大的物体状态改变慢,质量小的物体状态改变快。故质量能够体现运动状态改变的难易程度。合外力是物体运动状态改变的客观条件,质量是维持物体原有运动状态不变的本质因素,质量体现惯性的大小,作用在物体上的合外力与物体的固有惯性的对立统一决定物体的运动状态变化过程,加上初始状态,就能确定物体的运动变化。
三、惯性与力
抗性或物质固有的力,是一种起抵抗作用的能力,它存在于每一物体当中,大小与该物体相当,并使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动。在解释这一定义时,牛顿指出:“这种力总是同具有这种力的物质的量成正比的”,从而明确提出了质量是物体抗性的量度这一层意义。牛顿说的抗性或物质固有的力,是一种起抵抗作用的能力,指的是惯性。就是说惯性与物体的质量成正比。惯性用k表示就是k=mx。惯性指物体具有保持运动状态不变的性质。惯性大小指的是物体保持运动状态不变的能力的大小。力指物体间的相互作用。力的大小由物体保持运动状态不变的能力的大小与物体运动状态改变快慢的大小的乘积决定。质量是惯性大小的量度。我们可以用质量的大小表示物体惯性的大小。
四、惯性对速度的影响
例:惯性也有不利的一面,高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以,在城市的市区,对机动车的车速都有一定的限制,以利于行车安全。
这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。很多学生根据“汽车行驶得越快,刹车越困难”一类现象认为:“汽车行驶越快,其惯性越大”。这对于初学者来说是一个很大的误导。
在这里,不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大?略作思考,读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是,由于车辆质量较大,而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小,不能使车辆很快地减速,从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大,那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
在物理运动学中,惯性占据了重要位置。生活中,惯性也是无处不在,它时时刻刻影响着我们的生活和学习,给了我们方便的同时也带来许许多多的不便。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,但我们很多人在此问题上还存在着很多的混乱性。
一切物体都具有惯性,惯性是物体固有的性质。惯性不仅在物理学中占据了非常重要的地位,而且在日常生活中无时无刻不受到惯性的影响。
一、惯性的意义
惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。一个物体,只要不受外力作用,原来静止的就会一直静止下去,而原来运动的则会一直作匀速直线运动。依据牛顿第一运动定律,任何物体均具有惯性。所以惯性是物体的固有属性,不论宏大物体,还是微小粒子,不论固体、液体、气体,静止物体,还是运动物体,不论物体在地球上,还是在月球上。一切物体在任何时刻,任何情况下都具有惯性。既然惯性是物体的固有属性,就不能说“物体处于匀速直线运动状态或静止状态时有惯性,而运动状态改变或所受合外力不为零时就没有惯性”,也不能说惯性“仅在物体处于匀速直线运动状态或静止状态时起作用”,而“在物体运动状态改变或所受合外力不为零时不起作用”。例如:“行驶中的汽车或火车,由于惯性,不能立刻停止,即使紧急刹车,也要向前运动一段距离才能停下来”这一现象,可知“对运动物体即使加上很大的阻力,要使它停下来仍需一段时间”,正是运动物体要保持匀速直线运动状态(因而力图反抗速度减小)的性质表现;再以汽车出发时即使加大油门使牵引力很大,也不可能立刻开得很快为例,说明“对静止物体即使加上很大的推动力,要使它达到某一速度仍需一段时间”也正是静止的物体要保持静止状态(因而力图反抗速度增大)的性质表现。从上面两个实验现象说明,物体具有保持原有运动状态不变的性质,不管受到外力大还是小,不管物体的速度大还是小,它这种性质时刻存在,因此惯性不会消灭,是物体本身具有的。
二、惯性及惯性定律
回顾历史,可以发现,牛顿第一定律是人们在物体惯性运动认识的基础之上总结出来的。认识惯性在前,总结运动规律在后。那我们现在应该怎样理解惯性及惯性定律呢?
1.惯性是物体的固有属性,是物体保持原有运动状态不变的“习惯性”和“惰性”。由于惯性,原来静止的就永远想保持静止,原来运动的就永远想保持运动,快慢和方向都不想改变。即所有的物体都有保持原有运动状态不变的这种内在性,运动状态要改变的话必须要有外力驱使。惯性体现的是物体运动状态改变的难易程度,惯性的大小由物体的质量决定,质量大,惯性大,质量小,惯性小,质量是惯性大小的量度。而惯性定律是物体在不受外力时所表现出来的运动规律。物体在不受外力时运动状态不会发生改变,原来静止的就永远静止,原来运动的就永远保持匀速直线运动。物体运动状态只有在力的作用下才有可能改变。
2.在惯性认识的基础之上,牛顿总结出了第一定律和第二定律。第一定律描述的是物体不受力时情况,这是一种理想情况,条件相当苛刻,地面附近不受力的物体是找不到的。无法在地面附近直接用实验验证(现在太空技术的发展,在微重力下能够近似得到证实),只能在伽利略斜面理想实验的基础上进行合理的外推。这是人类智慧的结晶,也是人类智慧的力量所在。不过物体不受力与物体受了但合力为零,是等效的。第二定律描述的物体受了力时,物体运动状态改变与物体受力之间的关系。“物体动量的变化与所施力的大小成正比,并沿力的方向发生”;“动量是物体质量和运动速度的乘积”。由此可以看出:物体的质量体现了物体运动状态改变的难易程度。质量越大,运动状态越难改变,即惯性越大。
3.只有将牛顿第一定律和第二定律完美结合,才能真正地理解惯性。物体不受力时,运动状态不改变,原来静止的就永远静止,原来运动的就永远运动,快慢和方向都不会变化;物体受了力,运动状态就有可能发生改变,变快、变慢或者方向改变(合外力为零时,运动状态不改变;合外力不为零时,运动状态一定要发生改变)。物体运动状态发生改变时,状态变化快慢与作用在物体上的合力成正比,与物体的质量成反比。相同的力作用在不同的物体上,质量大的物体状态改变慢,质量小的物体状态改变快。故质量能够体现运动状态改变的难易程度。合外力是物体运动状态改变的客观条件,质量是维持物体原有运动状态不变的本质因素,质量体现惯性的大小,作用在物体上的合外力与物体的固有惯性的对立统一决定物体的运动状态变化过程,加上初始状态,就能确定物体的运动变化。
三、惯性与力
抗性或物质固有的力,是一种起抵抗作用的能力,它存在于每一物体当中,大小与该物体相当,并使之保持其现有的状态,或是静止,或是匀速直线运动。在解释这一定义时,牛顿指出:“这种力总是同具有这种力的物质的量成正比的”,从而明确提出了质量是物体抗性的量度这一层意义。牛顿说的抗性或物质固有的力,是一种起抵抗作用的能力,指的是惯性。就是说惯性与物体的质量成正比。惯性用k表示就是k=mx。惯性指物体具有保持运动状态不变的性质。惯性大小指的是物体保持运动状态不变的能力的大小。力指物体间的相互作用。力的大小由物体保持运动状态不变的能力的大小与物体运动状态改变快慢的大小的乘积决定。质量是惯性大小的量度。我们可以用质量的大小表示物体惯性的大小。
四、惯性对速度的影响
例:惯性也有不利的一面,高速行驶的车辆因惯性而不能及时制动常造成交通事故。所以,在城市的市区,对机动车的车速都有一定的限制,以利于行车安全。
这个例子中的“高速行驶的车辆”及“对机动车的车速都有一定的限制”的字句很容易使学生认为惯性和物体的运动速度有关。很多学生根据“汽车行驶得越快,刹车越困难”一类现象认为:“汽车行驶越快,其惯性越大”。这对于初学者来说是一个很大的误导。
在这里,不能及时制动是由于惯性还是由于制动力不够大?略作思考,读者就可判断出是由于后者。将惯性看成一种破坏力是十分荒唐的。而发生交通事故的真正原因是,由于车辆质量较大,而相应的制动力在如此质量的物体上所产生的加速度很小,不能使车辆很快地减速,从而在短时间内停下来。倘若对于质量较大的车辆来说制动力也允许更大,那么作者认为还是可以在一定的时间内制动车辆的。
在物理运动学中,惯性占据了重要位置。生活中,惯性也是无处不在,它时时刻刻影响着我们的生活和学习,给了我们方便的同时也带来许许多多的不便。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,但我们很多人在此问题上还存在着很多的混乱性。
一切物体都具有惯性,惯性是物体固有的性质。惯性不仅在物理学中占据了非常重要的地位,而且在日常生活中无时无刻不受到惯性的影响。