慣性在實(shí)際生活中的應(yīng)用實(shí)例及啟示

1、-作者xxxx-日期xxxx慣性在實(shí)際生活中的應(yīng)用實(shí)例及啟示【精品文檔】慣性在實(shí)際生活中的應(yīng)用實(shí)例及啟示初中時(shí)我們就學(xué)過(guò)，慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。一個(gè)物體，只要不受外力作用，原來(lái)靜止的就會(huì)一直靜止下去，而原來(lái)運(yùn)動(dòng)的則會(huì)一直作勻速直線運(yùn)動(dòng)。這里的問(wèn)題在于：慣性是否是物體的性質(zhì)？依據(jù)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，任何物體均具有慣性。因而，看來(lái)慣性不是被研究物體的性質(zhì)，因?yàn)檫@一性質(zhì)是一切物體所具有的，也就是說(shuō)它與物體的個(gè)別特征無(wú)關(guān)。因而，慣性只能是存在的一個(gè)特征，是被研究對(duì)象周圍的環(huán)境在此對(duì)象上的表現(xiàn)。換一句話說(shuō)，它是存在于物體周圍的一種條件，一種約束。 慣性不是一種由個(gè)別物體自身所具備

2、的原因（誠(chéng)然，所有物體均會(huì)表現(xiàn)出慣性），它不是我們的一種吃力的、需要支撐的、痛苦感的反映，事實(shí)上，它是存在的美感的綻開。因而“慣性是物體對(duì)任何改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的外來(lái)作用的阻抗的性質(zhì)”這樣一種說(shuō)法就是不當(dāng)?shù)?。因?yàn)檫@一注釋還是從對(duì)牛頓第二定律的基本分析而來(lái)的，在這一注釋中已經(jīng)隱藏了牛頓第二定律及對(duì)慣性與物體質(zhì)量等價(jià)的認(rèn)同感。其實(shí)，慣性是一種令人十分安全的、舒適的、和諧的存在的性質(zhì)，它使物體的存在行為非常簡(jiǎn)單，而人們也往往由于常見到這種存在的簡(jiǎn)單性而忽視了它的深層含義。靜止的永遠(yuǎn)靜止，運(yùn)動(dòng)的永遠(yuǎn)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，慣性就是將存在如此單調(diào)而重復(fù)地顯現(xiàn)在人們眼前。凡是背離了這兩種物體的存在情況而用慣性去解釋其

3、存在原因的，均屬一種不當(dāng)?shù)脑庌q行為?？墒沁@種詭辯行為不僅麻木了人的腦神經(jīng)而且充斥著各種各樣的教科書，下面我們來(lái)看一些具體的例子。 例1慣性也有不利的一面，高速行駛的車輛因慣性而不能及時(shí)制動(dòng)常造成交通事故。所以，在城市的市區(qū)，對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制，以利于行車安全。在這里，不能及時(shí)制動(dòng)是由于慣性還是由于制動(dòng)力不夠大？略作思考，讀者就可判斷出是由于后者。將慣性看成一種破壞力是十分荒唐的。而發(fā)生交通事故的真正原因是，由于車輛質(zhì)量較大，而相應(yīng)的制動(dòng)力在如此質(zhì)量的物體上所產(chǎn)生的加速度很小，不能使車輛很快地減速，從而在短時(shí)間內(nèi)停下來(lái)。倘若對(duì)于質(zhì)量較大的車輛來(lái)說(shuō)制動(dòng)力也允許更大，那么我認(rèn)為還是可以在一

4、定的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)車輛的。 并且，這個(gè)例子中的“高速行駛的車輛”及“對(duì)機(jī)動(dòng)車的車速都有一定的限制”的字句很容易使學(xué)生認(rèn)為慣性和物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的誤導(dǎo)。 例2把斧柄的一端在水泥地面上撞擊幾下，斧頭就牢牢地套在斧柄上了，這是什么緣故呢？ 通常標(biāo)準(zhǔn)答案是這樣的：開始斧頭和斧柄同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)斧柄遇到障礙物時(shí)突然停止，而斧頭由于慣性保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這樣斧頭就牢牢地套在斧柄上了。 事實(shí)上，斧頭在斧柄上套牢是由于斧頭克服了阻力相對(duì)于斧柄運(yùn)動(dòng)了一段位移，而慣性不是克服某種阻力使斧頭運(yùn)動(dòng)的原因。在此問(wèn)題中的一個(gè)效果是斧頭相對(duì)于斧柄產(chǎn)生了某種（克服一定力的）運(yùn)動(dòng)，因而我們必須以斧柄

5、為參照系來(lái)考察此種運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)。當(dāng)以斧柄為參照時(shí)，實(shí)際上斧柄在撞擊的過(guò)程中是一個(gè)非慣性系，它相對(duì)于慣性系有一個(gè)向上的加速度。因而斧頭在此參照系中必受到一個(gè)向下的“慣性力”，正是此力與斧頭的重力克服了斧頭與斧柄之間的彈力與摩擦阻力使斧頭相對(duì)于斧柄前進(jìn)了一段位移，從而使斧頭在斧柄上套牢。如果一定要以地面為參照系來(lái)看斧頭在斧柄上套牢的問(wèn)題，那么可以這樣認(rèn)為：雖然斧頭在斧柄上向下套牢的過(guò)程中沒(méi)有受到除重力以外的向下的另外力，但相對(duì)于地面而言斧頭具有一定的動(dòng)能和重力勢(shì)能，正是這個(gè)能量克服了阻力作功從而轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。所以從效果上看，一是斧頭相對(duì)于斧柄向下移動(dòng)了一段位移，二是斧頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。 如果僅

6、從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，斧頭在斧柄上套得牢不牢是由其受到的作用力大小與作用時(shí)間（或所通過(guò)的位移）所共同決定的，也就是說(shuō)它和斧頭相對(duì)于斧柄的動(dòng)能或動(dòng)量變化有關(guān)。斧柄在“水泥地面”上“撞擊”這兩個(gè)條件只是使斧柄產(chǎn)生了相對(duì)于水泥地面的較大的動(dòng)量變化率，從而也使斧頭具有了相對(duì)于斧柄的慣性力。但是，雖然這個(gè)慣性力構(gòu)成了斧頭套牢在斧柄上的直接原因，可嚴(yán)格地說(shuō)，斧頭在斧柄上套得牢不牢的原因還和斧頭的重力及斧柄的彈性和斧頭與斧柄的摩擦力大小均有關(guān)系。并且斧頭在斧柄上套得牢不牢和作用時(shí)間也大有關(guān)系，因而，撞擊“幾下”也是一個(gè)非常重要的條件。 例3小車上豎直放置一個(gè)木塊，讓木塊隨小車沿著桌面向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車被檔板制動(dòng)

7、時(shí)，車上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢？ 教科書上的答案是這樣的：小車突然停止的時(shí)候，由于木塊和小車之間的摩擦，木塊的底部也隨著停止，可是木塊的上部由于慣性要保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以木塊向右傾倒。事實(shí)上，本例中小車上木塊的傾倒是由于力矩作用的緣故。若以地面為參照物，小車對(duì)木塊的摩擦力對(duì)木塊的重心而言有一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩，從而木塊向右傾倒。若以小車為參照物，小車被檔板制動(dòng)時(shí)已是一個(gè)非慣性系，作用在木塊（重心）上的“慣性力”對(duì)木塊的底端也產(chǎn)生一個(gè)使木塊作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的力矩。 需要指出的是，在上述例2和例3中，斧頭在斧柄上套牢和木塊在小車上傾倒已是一個(gè)涉及物體在非慣性系中的動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題。其中例2是非

8、慣性系中的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而例3則是非慣性系中的剛體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題?？墒?，在非慣性系中，我們通常意義上所論述的牛頓第一定律已不成立，從而也失去了此兩例的代表意義。也就是說(shuō)，這兩個(gè)例子不僅是不準(zhǔn)確的解釋而且是不適當(dāng)?shù)睦?。在涉及慣性的問(wèn)題上我們必須分別哪些是屬于慣性現(xiàn)象，而哪些則不屬于慣性現(xiàn)象即為動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。牛頓的例子，毫無(wú)疑問(wèn)是正確的，但我們?cè)S多的物理學(xué)工作者卻將慣性對(duì)事物的解釋范圍作了相當(dāng)隨意而并不恰當(dāng)?shù)臄U(kuò)展或扭曲。其實(shí)在講述慣性時(shí)，用不著舉更新鮮的特別例子，倒是需指出慣性使我們對(duì)事物常態(tài)的存在方式太熟視無(wú)睹了。這里問(wèn)題的關(guān)鍵在于，慣性不是使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（使火車制動(dòng)、使斧頭套牢在斧柄上、使小

9、木塊傾倒）的原因。嚴(yán)格地說(shuō)，這些原因和物體的慣性無(wú)關(guān)，只和力有關(guān)，而至于火車制動(dòng)得及時(shí)不及時(shí)，斧頭套在斧柄上牢不牢，小木塊傾倒得快不快，則不僅與力有關(guān)，還和物體的質(zhì)量、形體、初速度有關(guān)。但即使如此地與質(zhì)量和初速有關(guān)卻也與慣性無(wú)關(guān)。 慣性，這個(gè)我們通常認(rèn)為是由物體內(nèi)在因素決定的性質(zhì)，其實(shí)是物體存在方式的一種條件性：“試取汽車為參考系統(tǒng)來(lái)研究當(dāng)汽車急劇剎車的時(shí)候，車中乘客有向前傾倒的傾向這個(gè)問(wèn)題，在汽車急劇剎車前，相對(duì)于汽車而言，乘客是靜止的，在汽車急劇剎車時(shí)，乘客突然向前傾，這就是說(shuō)，以汽車為參考系統(tǒng)，乘客由靜止而突然向前傾，并不保持其靜止?fàn)顟B(tài)，并不表現(xiàn)出慣性”。這個(gè)條件就是：物體要表現(xiàn)出慣性，

10、它必須處于慣性參考系中。而“事物的存在頑強(qiáng)地延續(xù)維持不變,無(wú)論運(yùn)動(dòng)是快是慢抑或停止?！币仓辉趹T性系中才成立。在研究物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，慣性系總有著特殊的地位。可是，這個(gè)特殊地位的存在并不單單是人類抽象理性的功勞,并不是人類貪懶和間集化的一個(gè)報(bào)應(yīng)，慣性系的存在有其形而上的基礎(chǔ)：自然之美的呈現(xiàn)及人對(duì)自然之美呈現(xiàn)體認(rèn)的同一性。如果沒(méi)有了存在的時(shí)間均勻性與空間對(duì)稱性，我們選取的相對(duì)于地面作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系對(duì)研究動(dòng)力學(xué)問(wèn)題而言也就將成為一個(gè)畸形的怪胎。慣性系不僅在計(jì)算上向人類提供了聯(lián)系物體的相互作用與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的便利方式，其更根本的是它使人與存在的關(guān)系成為審美性的。慣性定律給我們的啟示是：存在是美的。而慣性系則是自然對(duì)人的一個(gè)饋贈(zèng)。也因而，我們應(yīng)當(dāng)從審美的視角來(lái)看待慣性，而不應(yīng)當(dāng)將它看成一個(gè)惡魔或一件便宜貨。 所有的老師都要求學(xué)生不要把慣性與慣性定律混為一談，可是當(dāng)我們的老師用動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看待慣性也就是說(shuō)，把慣性與牛頓第二定律混為一談的時(shí)候，對(duì)學(xué)