关于惯性(inertia )

         惯性是物理学中很重要,很基本的一个概念。初中二年级的学生就学过惯性,但惯性究竟是什么?搞明白它并不容易。就像我们每天都要经历时间,但时间究竟是什么,一样不容易明白。

        先看一下历史上是怎样认识惯性的。                                                                           

        在生活中我们都有这些经验:用力向前拉车车就会向前走;一只小球向前滚动时会自己慢慢停下来。古希腊的亚里士多德根据日常生活中的这些经验得出结论:力是维持物体运动的原因,若物体不受力它就会静止下来。  这个结论跟我们的生活经验貌似很一致。因此以后两千多年的时间里大家都相信它是对的,直到意大利出了一个叫伽利略的物理学家。

        关于伽利略,他是近代实验科学的先驱者,是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家物理学家数学家。也是近代实验物理学的开拓者,被誉为“近代科学之父”。 他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说,创立新说的巨人之一”。1564年2月15日生于比萨,1642年1月8日卒于比萨。他逝世300周年的那一天在英国牛津不知道出生了多少婴儿,但其中的一个成了举世闻名的理论物理学家就是大名鼎鼎的霍金。

       伽利略是一个非常重视实验的物理学家,他不相信亚里士多德的那一套。他做了个实验。

        同一小车从同一斜面上的同一位置由静止开始滑下,(这是为了保证每次小车到达水平面时有相同的速度)。第一次在水平面上铺上毛巾,小车在毛巾上滑行很短的距离就停下了;第二次在水平面铺上较光滑的棉布,小车在棉布上滑行的距离较远;第三次是光滑的木板,小车滑行的距离最远。伽利略认为,是平面对小车的阻力使小车停下,平面越光滑小车滑行就越远。表明阻力越小,小车滑行就越远.伽利略科学地想象:要是能找到一块十分光滑的平面,阻力为零,小车的滑行速度将不会减慢。伽利略的这种方法叫做理想实验方法。这种方法是根据相关实验抓住主要因素忽略次要因素最终得出结论。

       伽利略的观点是在1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》书中发表的,它是作为捍卫日心说的基本论点而提出来的。这样伽利略就推翻了亚里士多德的观点,解放了人们的思想。

       笛卡尔等人又在伽利略研究的基础上进行了更深入的研究,他认为:如果运动物体,不受任何力的作用,不仅速度大小不变,而且运动方向也不会变,将沿原来的方向匀速运动下去。

        而被现代社会所普遍认知的惯性原理,来自于牛顿的《自然哲学的数学原理》(Mathematical Principles of Natural Philosophy, 1687),定义如下:   所有物体都将一直处于静止或者匀速直线运动状态,直到出现施加其上的力改变它的运动状态为止。   牛顿的惯性原理是经典物理学的基础之一,并且对惯性原理的理解也随着现代物理学的发展而出现了改变。

        在此,我们给出惯性的定义:惯性是物体维持原来运动状态不变的性质。惯性的唯一量度就是物体的质量,严格说是惯性质量。惯性质量和引力质量是有区别的。

        对于惯性认识的一个重要进展是惯性与能量的关系。   1905年爱因斯坦发表狭义相对论,这是一个崭新的物理理论,它统一了力学理论和电磁学理论,带来了时空观的根本变革。爱因斯坦随后证明质能关系,E=mc2,一定的质量对应于一定的能量,反之一定的能量对应一定的质量。在这里,能量包括了能量的各种形式,突破了上面把某一种形式的能量与惯性联系起来的认识。这样,惯性是能量的属性,能量具有惯性(质量),任何惯性质量都应归因于能量。作为物理学基本概念和物质的量的质量概念退居次要的地位,如今在近代物理中能量、动量等概念要比质量、力等概念要重要得多。   能量具有惯性拓宽了对于惯性的认识,也拓宽了对于能量的认识。它带来的重大实用价值就是核能的释放。在裂变反应中,裂变产物的静质量小于裂变前物质的静质量,质量亏损释放出大量裂变能;在聚变反应中,聚变产物的净质量小于聚变前物质的净质量,质量亏损释放出大量的聚变能。它也使得人们很好地认识许多物理现象,包括涉及物质的全部质量与能量转化的正反粒子对的产生和湮没过程。   我们知道,惯性质量是物体惯性的量度,反映物体对加速度的阻抗,而引力质量是物体引力属性的量度,反映物体产生和承受引力的能力。它们显然是物质的两种完全不同的属性,描述物质两种不同性质的量是否严格相等是一个问题,惯性质量和引力质量相等是一条严格的定律。原来牛顿力学中无法说明的惯性质量与引力质量相等不再是游离于物理学之外的一个普遍事实,而是成为意义得大的广义相对论的基石。爱因斯坦找到了这块基石,并由此发展了广义相对论,这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

        惯性是一个非常基本的问题,对它的认识仍有待深化。

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理论物理学工作者
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