惯性的认识与物理学的发展

惯性的认识与物理学的发展

1其他物理教材所阐述的惯性“物体保持静态或均匀、线性和线性运动的性质是惯性”，“所有物体都有惯性，质量是物体惯性大小的测量”。以上内容是中学物理教材告诉学生的有关于惯性的全部内容。通过上述内容,学生对惯性的理解和认识是肤浅的。翻开物理学的发展史,可以看到,惯性这一最基本的物理概念曾是物理学家长期思考的物理问题。正是科学巨匠们对惯性认识的不断深入,才推动了物理学的发展。因此,笔者认为在物理教学中,适当补充惯性的有关知识,能够很好地培养学生的物理学科精神,激起同学们学习物理的兴趣。2力的关系的表述最早提出“惯性”这一概念的首推开普勒。他在《新天文学》及《宇宙和谐论》中指出:“如果天体不赋有类似重量的惯性,要使它运动就不需要力……物质必须具有能说明这些差别的惯性”,“惯性或对于运动的阻力是物质的特性,在给定的体积中物质的量愈多其惯性愈大”,从这些表述中,开普勒不仅指出了静止的物体具有惯性而且他已经意识到惯性的大小与物体的质量有关。当然他对惯性的表述不够准确也不够全面。显然,他认为只有静止的物体才有惯性,而且惯性就是一种阻力,这些都是错误的。物理教材关于惯性的讲解基本上沿着人类对惯性认识历史进行编写的。最早的亚里士多德对运动和力的关系的表述今天看来显然是错误的,他把物体的运动分为“自然运动”和“强迫运动”两种,可以说,亚里士多德的关于“自然运动”的阐述中,已经有了“惯性”的萌芽。其后伽利略综合理论思考与实验结果后指出了“在水平面上运动的物体之所以会停下来是因为受到摩擦阻力的缘故。设想物体没有受到摩擦阻力。一旦物体具有某一速度,物体将保持这一速度运动下去。”有许多研究物理学史的人认为伽利略上述这段话就是惯性定律,但大多数史学家认为,伽利略没有能够摆脱重力的作用。他的这段话不能算作惯性定律。其后的笛卡尔发展了伽利略的理论。他在《哲学原理》一书中总结了七条碰撞的规律,并把惯性定律作为他理论体系的一条基本原理:“一.每一单独的物质微粒将继续保持同一状态直到与其他微粒相碰而改变这一状态为止。二.所有的运动,其本身都是直线的。”显然笛卡尔关于惯性的表述是很清楚的。但他的七条碰撞规律大多都是错误的。他认为物质微粒只有与其他物质接触才发生力的作用,不直接接触而产生的力的作用是通过一种叫“以太”的物质传递的,然而“以太”最终被迈克尔逊—莫雷实验证明是不存在的。牛顿正是在总结前人研究成果的基础上提出了牛顿的三大运动定律:“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,直到有力迫使它改变这种运动状态为止。”显然牛顿的关于“物体”的表述既包括了地面上的物体也包括了宇宙中的天体,这样他就把天体的运动和地面上物体的运动统一了起来,其次是他避免了笛卡尔的错误,认识到力的作用并不仅限于直接接触的物体之间才产生,在不直接接触的物体间也产生力的作用。在探讨惯性、力、运动状态的改变(即物体的加速度)各个量之间的定量关系的牛顿第二定律中,牛顿独具慧眼地把物体的惯性定义为物体的质量,把物体间的作用定义为力(在牛顿的时代,人们对力的认识是很模糊的),使该问题一下子变得明晰起来。通过牛顿的工作,惯性、力、物体运动状态的改变三者的关系变得如此的简单和谐。3物质的质量要求“质量是物体惯性大小的量度”,这是物理教材告诉学生的关于惯性的定量表述,透过这段话学生对惯性和质量的理解往往就是“惯性就是物体的质量”或“质量即物体的惯性”。显然,学生如此简单地理解惯性和质量的关系是不准确的。质量——即物体所含物质的多少——是一个基本物理量,在经典物理学里它是一个不依赖于其它物理因素而独立存在的。物质的存在形式有两种,常见的物质往往由确定性质的微粒组成,对于这样的物质,我们以微粒为最小单元,来表示物体所含物质的多少,这样引入的质量,即摩尔质量。显然按照上述方法无法定义“场形态”的物质的质量,但无论是有形物质还是无形的“场形态”物质,它们在与其它物质发生作用时都会表现出两种特性,即惯性特性和引力特性。所谓物体的惯性质量即物体在受到不为零的力的作用时要产生加速度,显然,m所谓引力质量即物体与其它物体间由于有质量而要发生引力作用,从牛顿万有引力定律可知,任何两个物体之间的万有引力与两物体的质量的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比,这里所说的质量即引力质量,显然,要比较甲、乙两物体的引力质量,就要比较甲、乙两物体与第三个物体的引力,即:m考虑到物体只受重力作用而自由下落时,其重力F=m设地球的质量为M,半径为R,则由此,对同一物体其惯性质量与引力质量之比为即两种质量的比值是一个与物体本身无关的常数。牛顿曾用不同的摆通过测摆的周期的方法来检验物体的m惯与m引是否有差异,受当时条件的限制,实验没有获得预期的效果,他推测两者的差异应在10-3以内。以后有许多实验物理学家通过各种实验来验证m4恩格斯的液压实验伟大的物理学家爱因斯坦从一开始就坚信同一物体其惯性质量与引力质量是相等的,正是从这一点出发,爱因斯坦发现了“等效性原理”。我们知道,牛顿运动定律成立的参照系叫惯性系,一个相对于惯性系作匀速运动的参照系仍然是惯性系,一个相对于惯性系作加速运动的参照系叫非惯性系,反过来牛顿运动定律又只在惯性系中才成立,据此我们可以看出这是一个循环定义,或者说我们根本就找不出一个真正的惯性系。如何解决上述矛盾呢,爱因斯坦在《我是如何发现相对论的》一书中写到:“这个难题的突破点突然在某一天找到了,那天,我坐在伯尔尼专利局的办公室里,脑子里突然闪出一个念头:如果一个人正在自由下落,他决不会感受到他有重量。……下落的人正在做加速运动。在这个加速运动的参照系中他如何判断面前所发生的事情呢?”这就是著名的爱因斯坦升降机理想实验。在升降机里,若升降机静止不动,此时升降机是一个惯性系,由于m5场形态“惯性”的把握如前所述,物质的存在形式有两种,一种是以某种或几种基本的物质微粒为最小单元的有形的物质,另一种则是无形的“场形态”物质,对于后者,我们很难用多少千克来反映这类物质的质量。通常的办法是用能量的多少来量度它,然而这种场形态的物质仍然具有“惯性”。比如一个运动的电荷,由于其周围存在变化的电场而诱发磁场,两种场的共存表明有能量和动量,与这一能量相联系的质量即附加的惯性或者附加的惯性质量。关于惯性与能量的关系即爱因斯坦质能联系方程:E=mc6在增加阵风锋的紧急状态下,增加在单车上的惯性,解决了司机面临各种困难由于任何物体都具有惯性。因此,惯性与人们的生产生活密切相关。充分利用惯性、使惯性为人类生产生活造福已成为一门专门的技术——惯性技术。现举两例:1)惯性刹车惯性刹车是人们利用惯性的成功范例,马路上行驶的大卡车或拖拉机后面常挂有拖车,当拖车装满货物后拖车的质量增大,惯性也增大。当车遇紧急情况而刹车时,拖车的具大惯性往往会带来灾难性的后果,这是因为刹车装置一般都装在前面的机车上,前面的机车因刹车而停止运动后,后面的拖车因质量太大而继续前冲,在短时间内产生巨大的破坏力,而且质量越大破坏力越大,若在机车与拖车之间的牵引杆上安装如图所示的惯性刹车装置,即可以解决上述矛盾。2)惯性制导如图所示是飞机上安装的“惯性自动导航”装置的示意图,它的核心部件是一个悬浮在高压气流或液流中的一个质量很大的球,球的周围都装有能感知压力的元件“压力传感器”。在匀速状态(或静止状态)这些元件与球轻微接触而不产生压力,但当