慣性的認(rèn)識與物理學(xué)的發(fā)展

慣性的認(rèn)識與物理學(xué)的發(fā)展

1其他物理教材所闡述的慣性“物體保持靜態(tài)或均勻、線性和線性運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)是慣性”，“所有物體都有慣性，質(zhì)量是物體慣性大小的測量”。以上內(nèi)容是中學(xué)物理教材告訴學(xué)生的有關(guān)于慣性的全部內(nèi)容。通過上述內(nèi)容,學(xué)生對慣性的理解和認(rèn)識是膚淺的。翻開物理學(xué)的發(fā)展史,可以看到,慣性這一最基本的物理概念曾是物理學(xué)家長期思考的物理問題。正是科學(xué)巨匠們對慣性認(rèn)識的不斷深入,才推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。因此,筆者認(rèn)為在物理教學(xué)中,適當(dāng)補(bǔ)充慣性的有關(guān)知識,能夠很好地培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科精神,激起同學(xué)們學(xué)習(xí)物理的興趣。2力的關(guān)系的表述最早提出“慣性”這一概念的首推開普勒。他在《新天文學(xué)》及《宇宙和諧論》中指出:“如果天體不賦有類似重量的慣性,要使它運(yùn)動(dòng)就不需要力……物質(zhì)必須具有能說明這些差別的慣性”,“慣性或?qū)τ谶\(yùn)動(dòng)的阻力是物質(zhì)的特性,在給定的體積中物質(zhì)的量愈多其慣性愈大”,從這些表述中,開普勒不僅指出了靜止的物體具有慣性而且他已經(jīng)意識到慣性的大小與物體的質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)然他對慣性的表述不夠準(zhǔn)確也不夠全面。顯然,他認(rèn)為只有靜止的物體才有慣性,而且慣性就是一種阻力,這些都是錯(cuò)誤的。物理教材關(guān)于慣性的講解基本上沿著人類對慣性認(rèn)識歷史進(jìn)行編寫的。最早的亞里士多德對運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的表述今天看來顯然是錯(cuò)誤的,他把物體的運(yùn)動(dòng)分為“自然運(yùn)動(dòng)”和“強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)”兩種,可以說,亞里士多德的關(guān)于“自然運(yùn)動(dòng)”的闡述中,已經(jīng)有了“慣性”的萌芽。其后伽利略綜合理論思考與實(shí)驗(yàn)結(jié)果后指出了“在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體之所以會(huì)停下來是因?yàn)槭艿侥Σ磷枇Φ木壒?。設(shè)想物體沒有受到摩擦阻力。一旦物體具有某一速度,物體將保持這一速度運(yùn)動(dòng)下去?！庇性S多研究物理學(xué)史的人認(rèn)為伽利略上述這段話就是慣性定律,但大多數(shù)史學(xué)家認(rèn)為,伽利略沒有能夠擺脫重力的作用。他的這段話不能算作慣性定律。其后的笛卡爾發(fā)展了伽利略的理論。他在《哲學(xué)原理》一書中總結(jié)了七條碰撞的規(guī)律,并把慣性定律作為他理論體系的一條基本原理:“一.每一單獨(dú)的物質(zhì)微粒將繼續(xù)保持同一狀態(tài)直到與其他微粒相碰而改變這一狀態(tài)為止。二.所有的運(yùn)動(dòng),其本身都是直線的?！憋@然笛卡爾關(guān)于慣性的表述是很清楚的。但他的七條碰撞規(guī)律大多都是錯(cuò)誤的。他認(rèn)為物質(zhì)微粒只有與其他物質(zhì)接觸才發(fā)生力的作用,不直接接觸而產(chǎn)生的力的作用是通過一種叫“以太”的物質(zhì)傳遞的,然而“以太”最終被邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)證明是不存在的。牛頓正是在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上提出了牛頓的三大運(yùn)動(dòng)定律:“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有力迫使它改變這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止?！憋@然牛頓的關(guān)于“物體”的表述既包括了地面上的物體也包括了宇宙中的天體,這樣他就把天體的運(yùn)動(dòng)和地面上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起來,其次是他避免了笛卡爾的錯(cuò)誤,認(rèn)識到力的作用并不僅限于直接接觸的物體之間才產(chǎn)生,在不直接接觸的物體間也產(chǎn)生力的作用。在探討慣性、力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變(即物體的加速度)各個(gè)量之間的定量關(guān)系的牛頓第二定律中,牛頓獨(dú)具慧眼地把物體的慣性定義為物體的質(zhì)量,把物體間的作用定義為力(在牛頓的時(shí)代,人們對力的認(rèn)識是很模糊的),使該問題一下子變得明晰起來。通過牛頓的工作,慣性、力、物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變?nèi)叩年P(guān)系變得如此的簡單和諧。3物質(zhì)的質(zhì)量要求“質(zhì)量是物體慣性大小的量度”,這是物理教材告訴學(xué)生的關(guān)于慣性的定量表述,透過這段話學(xué)生對慣性和質(zhì)量的理解往往就是“慣性就是物體的質(zhì)量”或“質(zhì)量即物體的慣性”。顯然,學(xué)生如此簡單地理解慣性和質(zhì)量的關(guān)系是不準(zhǔn)確的。質(zhì)量——即物體所含物質(zhì)的多少——是一個(gè)基本物理量,在經(jīng)典物理學(xué)里它是一個(gè)不依賴于其它物理因素而獨(dú)立存在的。物質(zhì)的存在形式有兩種,常見的物質(zhì)往往由確定性質(zhì)的微粒組成,對于這樣的物質(zhì),我們以微粒為最小單元,來表示物體所含物質(zhì)的多少,這樣引入的質(zhì)量,即摩爾質(zhì)量。顯然按照上述方法無法定義“場形態(tài)”的物質(zhì)的質(zhì)量,但無論是有形物質(zhì)還是無形的“場形態(tài)”物質(zhì),它們在與其它物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)都會(huì)表現(xiàn)出兩種特性,即慣性特性和引力特性。所謂物體的慣性質(zhì)量即物體在受到不為零的力的作用時(shí)要產(chǎn)生加速度,顯然,m所謂引力質(zhì)量即物體與其它物體間由于有質(zhì)量而要發(fā)生引力作用,從牛頓萬有引力定律可知,任何兩個(gè)物體之間的萬有引力與兩物體的質(zhì)量的乘積成正比,與它們之間的距離的平方成反比,這里所說的質(zhì)量即引力質(zhì)量,顯然,要比較甲、乙兩物體的引力質(zhì)量,就要比較甲、乙兩物體與第三個(gè)物體的引力,即:m考慮到物體只受重力作用而自由下落時(shí),其重力F=m設(shè)地球的質(zhì)量為M,半徑為R,則由此,對同一物體其慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量之比為即兩種質(zhì)量的比值是一個(gè)與物體本身無關(guān)的常數(shù)。牛頓曾用不同的擺通過測擺的周期的方法來檢驗(yàn)物體的m慣與m引是否有差異,受當(dāng)時(shí)條件的限制,實(shí)驗(yàn)沒有獲得預(yù)期的效果,他推測兩者的差異應(yīng)在10-3以內(nèi)。以后有許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通過各種實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證m4恩格斯的液壓實(shí)驗(yàn)偉大的物理學(xué)家愛因斯坦從一開始就堅(jiān)信同一物體其慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量是相等的,正是從這一點(diǎn)出發(fā),愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了“等效性原理”。我們知道,牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參照系叫慣性系,一個(gè)相對于慣性系作勻速運(yùn)動(dòng)的參照系仍然是慣性系,一個(gè)相對于慣性系作加速運(yùn)動(dòng)的參照系叫非慣性系,反過來牛頓運(yùn)動(dòng)定律又只在慣性系中才成立,據(jù)此我們可以看出這是一個(gè)循環(huán)定義,或者說我們根本就找不出一個(gè)真正的慣性系。如何解決上述矛盾呢,愛因斯坦在《我是如何發(fā)現(xiàn)相對論的》一書中寫到:“這個(gè)難題的突破點(diǎn)突然在某一天找到了,那天,我坐在伯爾尼專利局的辦公室里,腦子里突然閃出一個(gè)念頭:如果一個(gè)人正在自由下落,他決不會(huì)感受到他有重量?！侣涞娜苏谧黾铀龠\(yùn)動(dòng)。在這個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的參照系中他如何判斷面前所發(fā)生的事情呢?”這就是著名的愛因斯坦升降機(jī)理想實(shí)驗(yàn)。在升降機(jī)里,若升降機(jī)靜止不動(dòng),此時(shí)升降機(jī)是一個(gè)慣性系,由于m5場形態(tài)“慣性”的把握如前所述,物質(zhì)的存在形式有兩種,一種是以某種或幾種基本的物質(zhì)微粒為最小單元的有形的物質(zhì),另一種則是無形的“場形態(tài)”物質(zhì),對于后者,我們很難用多少千克來反映這類物質(zhì)的質(zhì)量。通常的辦法是用能量的多少來量度它,然而這種場形態(tài)的物質(zhì)仍然具有“慣性”。比如一個(gè)運(yùn)動(dòng)的電荷,由于其周圍存在變化的電場而誘發(fā)磁場,兩種場的共存表明有能量和動(dòng)量,與這一能量相聯(lián)系的質(zhì)量即附加的慣性或者附加的慣性質(zhì)量。關(guān)于慣性與能量的關(guān)系即愛因斯坦質(zhì)能聯(lián)系方程:E=mc6在增加陣風(fēng)鋒的緊急狀態(tài)下,增加在單車上的慣性,解決了司機(jī)面臨各種困難由于任何物體都具有慣性。因此,慣性與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。充分利用慣性、使慣性為人類生產(chǎn)生活造福已成為一門專門的技術(shù)——慣性技術(shù)?，F(xiàn)舉兩例:1)慣性剎車慣性剎車是人們利用慣性的成功范例,馬路上行駛的大卡車或拖拉機(jī)后面常掛有拖車,當(dāng)拖車裝滿貨物后拖車的質(zhì)量增大,慣性也增大。當(dāng)車遇緊急情況而剎車時(shí),拖車的具大慣性往往會(huì)帶來災(zāi)難性的后果,這是因?yàn)閯x車裝置一般都裝在前面的機(jī)車上,前面的機(jī)車因剎車而停止運(yùn)動(dòng)后,后面的拖車因質(zhì)量太大而繼續(xù)前沖,在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的破壞力,而且質(zhì)量越大破壞力越大,若在機(jī)車與拖車之間的牽引桿上安裝如圖所示的慣性剎車裝置,即可以解決上述矛盾。2)慣性制導(dǎo)如圖所示是飛機(jī)上安裝的“慣性自動(dòng)導(dǎo)航”裝置的示意圖,它的核心部件是一個(gè)懸浮在高壓氣流或液流中的一個(gè)質(zhì)量很大的球,球的周圍都裝有能感知壓力的元件“壓力傳感器”。在勻速狀態(tài)(或靜止?fàn)顟B(tài))這些元件與球輕微接觸而不產(chǎn)生壓力,但當(dāng)