慣性質(zhì)量的存在與意義

慣性質(zhì)量的存在與意義

彈性是經(jīng)典力學(xué)的基本概括?？墒?盡管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過的漫長的發(fā)展時期,大部分的物理教師在這個問題上還存在著很多的混亂性。本文就是對慣性概念進行一個簡單的討論和描述。一、經(jīng)典力學(xué)中的慣性(一)職高生的一般解釋物體在不受外力的作用下,保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)的性質(zhì)叫做慣性。一個物體只要不受外力的作用,原來靜止的就會一直保持靜止的狀態(tài),而原來運動的,則會一直做勻速直線運動。慣性是物體固有的屬性,一切物體都有慣性。(二)在變化的時長時,/合0.經(jīng)典力學(xué)認為,物體能夠保持速度恒定的性質(zhì),是物體自身固有的特性,這是一個客觀的存在。如果物體不存在慣性,則物體的運動便不存在。然而,物體的運動是絕對的,所以,慣性的存在也是必然的,只是它的形式因為外界因素的不同,而存在著差別。當(dāng)物體所受外力或合外力為零時,慣性的表現(xiàn)形式是保持物體的運動狀態(tài)不變;而當(dāng)物體受外力或合外力不為零時,則顯示反抗加速的能力。這表明外力施予物體的作用于慣性反抗的作用是主宰物體運動的一對矛盾。外力消失時,反抗的作用變消失,轉(zhuǎn)化為保持的作用。此時所保持的狀態(tài)是以此刻的瞬時速度矢量為標志的。所以慣性的存在與物體的速度無關(guān),是物體本身的屬性。(三)慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量作為對物質(zhì)的量的量度的質(zhì)量,是物質(zhì)的一種普遍屬性,是一個一般性的定義。但它有不同的表現(xiàn),對于任何一個改變其運動狀態(tài)的外來作用的反抗作用來說,它表現(xiàn)為慣性質(zhì)量;而對萬有引力的產(chǎn)生和接受作用的強弱來講則表現(xiàn)為引力質(zhì)量。在牛頓力學(xué)中,物質(zhì)是由不變的、具有慣性的原子組成的,而原子的集體在運動中是不變的實體,所以慣性質(zhì)量在物體運動中是不變量,因而慣性的大小也是不變量。(四)慣性與質(zhì)量的關(guān)系通常認為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是因為質(zhì)量大的物體在相同的力的作用下其運動狀態(tài)不容易改變。這是由牛頓第二定律所得到的基本結(jié)論。而事實上,運動狀態(tài)是否變化,運動狀態(tài)變化是難還是容易并不是由慣性決定的。慣性所揭示的物體的性質(zhì)并不在于物體運動狀態(tài)的改變或改變的難易程度的能力,而是在于它保持物體某種狀態(tài)(靜止或勻速直線運動)的本領(lǐng)。因而,慣性與物體的質(zhì)量無關(guān)。如果我們要說物體的質(zhì)量與慣性有關(guān)的話,那么我們也可以說力也與慣性有關(guān)。因為對于相同質(zhì)量的物體,力越小運動狀態(tài)越難改變。因而,也即力越小物體的慣性越大。事實上,在慣性概念發(fā)展的最初時期,牛頓就將力與慣性進行等價的思考。當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性與力等同的思想錯了。(五)電子的能量轉(zhuǎn)化為能量對于慣性的一個重要認識,就是慣性與能量的關(guān)系。能量是物理學(xué)里普遍關(guān)注的問題。運動的物體有動能。相互作用的物體有勢能,如重力勢能、引力勢能、電勢能等等;其他熱還有能等等。麥克斯韋電磁場理論建立和被赫茲電磁波實驗證實之后,人們認識到電磁作用是通過場實現(xiàn)的,電磁場的實在性在認識上開始形成,場中不僅貯存有能量,能量的傳送也是通過場來傳輸?shù)?即存在能流:能流與場的動量聯(lián)系在一起。人們研究電子的運動,運動電子周圍存在變化的電場,變化的電場又產(chǎn)生磁場,兩者的共存又導(dǎo)致存在能流和動量,它們同電子的速度平行。因此這一附加的動量意味著電子存在附加的慣性質(zhì)量。有一時期,甚至有人猜測可能電子的全部質(zhì)量來源于電磁場。這里第一次遇到電磁能量的慣性,提示了慣性與能量的聯(lián)系。能量具有慣性拓寬了對于慣性的認識,也拓寬了對于能量的認識。它帶來的重大實用價值就是核能的釋放。在裂變反應(yīng)中,裂變產(chǎn)物的靜質(zhì)量小于裂變前物質(zhì)的靜質(zhì)量,質(zhì)量虧損釋放出大量裂變能;在聚變反應(yīng)中,聚變產(chǎn)物的靜質(zhì)量小于聚變前物質(zhì)的靜質(zhì)量,質(zhì)量虧損釋放出大量的聚變能。它也使得人們很好地認識許多物理現(xiàn)象,包括涉及物質(zhì)的全部質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)化的正反粒子對的產(chǎn)生和湮沒過程。二、牛頓第一定律的陳述方式慣性定律又稱牛頓第一定律。牛頓第一定律是動力學(xué)定律的基礎(chǔ),但它本身并不表征物體的某種動力學(xué)性質(zhì),它是關(guān)于人類體認自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述,對牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過分的:反映時間的均勻性,空間的對稱性,及自然之美對人的呈現(xiàn)。另外一種常見的陳述方式是:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這樣一種表述比前一種完整多了,它幾乎就是牛頓的原義,但這里的“一切物體”應(yīng)當(dāng)換成“任何物體”。因為在此論述中的“任何物體”實際上是對一切物體的否定,而“有外力”應(yīng)當(dāng)換成“其它物體的作用”,因為慣性定律是不涉及力的,操作意義上的力這個動力學(xué)的基本概念與慣性無關(guān)。三、慣性定律的整體存在之性現(xiàn)在人們認為慣性定律是牛頓第二定律的一個特例。當(dāng)物體所受合外力為零時,由牛頓第二定律可知,物體處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)?？墒?僅依據(jù)這點,卻不能認為慣性定律為牛頓第二定律的特例。因為這兩個定律的研究對象其實是不一樣的。牛頓第二定律描述的是一個物體,而慣性定律研究的是整個存在的性質(zhì)。慣性———這個任何物體都具有的性質(zhì)其實不是我們的個別研究對象所具有的性質(zhì),因為這個“任何物體”,包括了天地間的萬物而萬物的總稱,即是宇宙:“四方上下曰宇,古往今來曰宙”也即任何個別的物體都不可能無條件的具有慣性:慣性是存在的特性,是存在著的時空的特性,是宇宙的特性。其次,牛頓第二定律是關(guān)于個別物體因果性的規(guī)律,而牛頓第一定律則與個別物體的因果性無關(guān)。它是物體存在狀態(tài)的表述,這種表述與具體的時間無關(guān),是瞬時性的。由此可見,不僅牛頓第一定律不是牛頓第二定律的特例,恰恰相反,現(xiàn)行的動力學(xué)規(guī)律正是牛頓第一定律所揭示的存在之性在具體的個體事物上的展現(xiàn)。慣性定律比牛頓第二定律具有更強的基礎(chǔ)性。四、慣性定律與牛頓第一定律慣性是物體本身固有的屬性,它與物體的