物理學(xué)函授本科畢業(yè)論文淺談中學(xué)物理教科書(shū)中的慣性

1、淺談中學(xué)物理教科書(shū)中的慣性作 者： 指導(dǎo)教師：摘要: 本文對(duì)經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性觀提出了不同的看法，認(rèn)為對(duì)于慣性要區(qū)分：個(gè)別研究對(duì)象的性質(zhì)與存在的性質(zhì)；保持某種狀態(tài)的性質(zhì)與改變某種狀態(tài)的性質(zhì)。 關(guān)鍵詞: 慣性；存在；空間一、引言慣性是經(jīng)典力學(xué)中的一個(gè)基本概念，同時(shí)它又是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€(gè)基礎(chǔ)性觀念，并且慣性問(wèn)題也是經(jīng)常被物理學(xué)界討論的一個(gè)話(huà)題?？墒牵M管經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)期，大部分的物理教師在此問(wèn)題上還存在著很多的混亂性，本文試從幾個(gè)方面對(duì)慣性進(jìn)行了討論，給人們認(rèn)識(shí)慣性提供一定的參考。二、慣性與物體的關(guān)系 1、慣性與物體性質(zhì)的關(guān)系大家知道，慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

2、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(xiàn)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)。 慣性不是個(gè)別存在物的性質(zhì)，個(gè)別存在物只是慣性的顯現(xiàn)者，慣性的本質(zhì)與個(gè)別存在物的特性無(wú)關(guān)。從而我們就不能用反映個(gè)別存在物性質(zhì)的量（例如質(zhì)量）來(lái)測(cè)度慣性。因?yàn)閼T性作為存在的一種顯現(xiàn)，并無(wú)大小可言，它只是存在之狀態(tài)的表達(dá)。2、慣性與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的難易程度無(wú)關(guān) 通常認(rèn)為質(zhì)量是物體慣性大小的量度是據(jù)于這樣的理由：質(zhì)量大的物

3、體在相同的力作用下其運(yùn)動(dòng)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(shí)上物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否變化，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是難還是容易是與慣性無(wú)關(guān)的。慣性所揭示出的物體之性質(zhì)不在于其使（或抗拒）物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變或代表改變的難易程度的能力，而在于它的保持某種特定狀態(tài)（靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)）的本領(lǐng)。因而慣性與物體的質(zhì)量無(wú)關(guān)。倘若慣性與物體的質(zhì)量有關(guān)的話(huà)，則我們也可以說(shuō)力與慣性也有關(guān)系。因?yàn)閷?duì)于相同質(zhì)量的物體而言，力越小其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就越難改變。因而，也即力越小物體的慣性越大。事實(shí)上，在慣性概念發(fā)展的最初時(shí)期，牛頓就將慣性與力進(jìn)行等價(jià)的思考，當(dāng)然現(xiàn)在大家知道牛頓的把慣性等同于力的思想是錯(cuò)的了。 慣性不

4、是一種由個(gè)別物體自身所具備的原因（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，它是存在之美感的綻開(kāi)。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、和諧的存在之性質(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(jiàn)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(xiàn)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

5、的存在情況而用慣性去解釋其存在原因的，作者以為均屬一種不當(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(shū)，我們來(lái)看一些下面的例子。 例1慣性也有不利的一面，高速行駛的車(chē)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(chē)的車(chē)速都有一定的限制，以利于行車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)輛來(lái)說(shuō)制動(dòng)力也

6、允許更大，那么作者認(rèn)為還是可以在一定的時(shí)間內(nèi)制動(dòng)車(chē)輛的。 并且，這個(gè)例子中的“高速行駛的車(chē)輛”及“對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)的車(chē)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(kāi)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

7、一定力的）運(yùn)動(dòng)，因而我們必須以斧柄為參照系來(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

8、頭與斧柄的接觸面上在發(fā)熱。 如果僅從動(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(chē)上豎直放置一個(gè)木塊，讓木塊隨小車(chē)

9、沿著桌面向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小車(chē)被檔板制動(dòng)時(shí)，車(chē)上的木塊向右傾倒。這是怎么回事呢？ 教科書(shū)上的答案是這樣的：小車(chē)突然停止的時(shí)候，由于木塊和小車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)為參照物，小車(chē)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。 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

10、車(chē)為參考系統(tǒng)來(lái)研究當(dāng)汽車(chē)急劇剎車(chē)的時(shí)候，車(chē)中乘客有向前傾倒的傾向這個(gè)問(wèn)題，在汽車(chē)急劇剎車(chē)前，相對(duì)于汽車(chē)而言，乘客是靜止的，在汽車(chē)急劇剎車(chē)時(shí)，乘客突然向前傾，這就是說(shuō)，以汽車(chē)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，它必須處于慣性參考系中。慣性系不僅在計(jì)算上向人類(lèi)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

11、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)生的這一期望是合適的嗎？其實(shí)這是一個(gè)誤區(qū)：當(dāng)教完一些物理學(xué)的基本概念與規(guī)律以后，就要求學(xué)生用它們解釋自然現(xiàn)象。事實(shí)上，物理學(xué)中有些基本概念與規(guī)律不是要求我們?nèi)ソ忉屪匀滑F(xiàn)象，它沒(méi)有這個(gè)功能，它只是告訴我們要去感受些什么，它提供給我們的不是一種推理的方式，而是一個(gè)判斷的原則 ：它促成我們的判斷更接近于自然之美的呈現(xiàn)。 3、慣性與具體物體的質(zhì)量無(wú)關(guān) 從上面的討論可以看出：“質(zhì)量是物體慣性大小的量度”這個(gè)論題，在幾個(gè)角度去看都是錯(cuò)誤的。第一，質(zhì)量不是物體慣性大小的量度。個(gè)別研究對(duì)象的質(zhì)量與其所揭示的

12、慣性毫無(wú)關(guān)聯(lián)。因?yàn)檫@兩者從數(shù)量上來(lái)看是一對(duì)無(wú)窮大的關(guān)系，從內(nèi)容上來(lái)看是個(gè)體與存在的關(guān)系，在它們之間，人類(lèi)的理性不可能找到邏輯上的因果鏈。第二，“物體（的）慣性”這樣的說(shuō)法缺乏依據(jù)，因?yàn)閼T性不是物體的性質(zhì)。物體只是作為慣性的表現(xiàn)者而存在的。第三，“慣性（的）大小”這樣的說(shuō)法也缺乏依據(jù)，因?yàn)閼T性沒(méi)有大小，慣性只是存在的一種表達(dá)方式，一種特定狀態(tài)的顯現(xiàn)。第四，既然慣性并無(wú)大小，我們也不可去進(jìn)行量度，事實(shí)上，任何一本教科書(shū)上也沒(méi)有指出慣性與質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系，因?yàn)檫@一函數(shù)關(guān)系并不存在，它只是人們的一個(gè)虛假的邏輯推測(cè)，誰(shuí)也不能證明質(zhì)量與慣性成正比或不成正比 ，更不能得出它們之間的比例系數(shù)，因?yàn)檫@些關(guān)系均是虛

13、假的。因而，物理學(xué)界流傳的物體的慣性等于它的質(zhì)量只是人們一個(gè)隨心所欲的錯(cuò)誤言說(shuō)。 由于物體質(zhì)量與慣性無(wú)關(guān)，所以，將牛頓第二定律中的質(zhì)量稱(chēng)為慣性質(zhì)量就是不當(dāng)?shù)?，質(zhì)量的確對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變有一種象力一樣的阻抗作用，質(zhì)量在改變物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)上而言似乎有一種“消解”、“抗拒”力的性質(zhì)。因而作者認(rèn)為可將現(xiàn)行的“慣性質(zhì)量”改稱(chēng)為物體的“抗性質(zhì)量”。正如牛頓所說(shuō)：“物體只有當(dāng)有其他力作用于它，或者要改變它的狀態(tài)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生這種力。這種力的作用既可以看做是抵抗力，也可以看做是推斥力?！币?yàn)橘|(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢有關(guān)，它事實(shí)上具有動(dòng)力學(xué)特征，當(dāng)一個(gè)物體的質(zhì)量大時(shí)，它對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的阻抗能力就越大。 從邏

14、輯上而言，我們只有將慣性從物質(zhì)的內(nèi)在因素中解除出來(lái)，才能完全地克服牛頓時(shí)代的機(jī)械論自然觀與牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律之間存在著的深刻矛盾。也就是說(shuō)，這樣才能使牛頓第一定律恰如其分地建立在由文藝復(fù)興所形成的機(jī)械論而不是亞里士多德的目的論的形而上學(xué)基礎(chǔ)之上。三、慣性定律表述的理解 牛頓第一定律是動(dòng)力學(xué)定律的基礎(chǔ)，但它本身并不表征物體的某種動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，它是關(guān)于人類(lèi)體認(rèn)自然之美、自然之和諧的陳述。據(jù)于上面的論述，對(duì)牛頓第一定律的陳述方式作以下的要求是并不過(guò)分的：反映時(shí)間的均勻性，空間的對(duì)稱(chēng)性，及自然之美對(duì)人的呈現(xiàn)。可是，現(xiàn)行的許多教科書(shū)中對(duì)牛頓第一定律的陳述是很不一致的。當(dāng)然，這種不一致性用老眼光來(lái)看是無(wú)傷大雅

15、的，但以今天的眼光來(lái)看，這種差異性就成為值得商討的了。 例如：一個(gè)物體，如果沒(méi)有受到其他物體的作用，它就保持自己的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這樣的陳述可能離慣性定律的本義較遠(yuǎn)，因?yàn)檫@一陳述的方式是在動(dòng)力學(xué)的維度上來(lái)進(jìn)行的，陳述的對(duì)象是“一個(gè)物體”。這和牛頓第二定律的研究對(duì)象是一致的，這樣方式的陳述毫無(wú)疑問(wèn)地可以把慣性定律認(rèn)為是牛頓第二定律的一個(gè)特例，因?yàn)椤叭绻麤](méi)有”這幾個(gè)字就表達(dá)了陳述事件的某種特殊性。 另外一種常見(jiàn)的陳述方式是：一切物體總保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)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

16、體”。因?yàn)樵诖苏撌鲋械摹叭魏挝矬w”實(shí)際上是對(duì)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?yàn)閼T性定律是不涉及力的，操作意義上的力這個(gè)動(dòng)力學(xué)的基本概念與慣性無(wú)關(guān)。 作者試著這樣來(lái)陳述慣性定律：存在著的宇宙有這樣一種性質(zhì)，它使任何物體在沒(méi)有受到其它物體作用的時(shí)候總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。或許，這樣的一種陳述方式是較明晰的陳述方式，它強(qiáng)調(diào)了慣性與慣性的表現(xiàn)者（個(gè)別研究對(duì)象）的嚴(yán)格區(qū)分，這個(gè)陳述的主語(yǔ)是性質(zhì)，這樣的陳述才可稱(chēng)為關(guān)于“慣性”的定律。而我們也應(yīng)當(dāng)將慣性定義為：使物體保持靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)。 四、結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際的方法，運(yùn)用教學(xué)工作中常遇到的經(jīng)典題型和

17、中學(xué)課本中的一些例題，對(duì)經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)現(xiàn)行的慣性加以分析。希望能對(duì)各位同仁在未來(lái)的教學(xué)工作中有所幫助，便于大家更好的講解中學(xué)課本中所涉及到的與慣性有關(guān)的相關(guān)知識(shí)。由于本人學(xué)識(shí)有限所談?dòng)^點(diǎn)如有不妥之處還望大家批評(píng)指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1、中學(xué)教師實(shí)用物理辭典 孫旭初 王文勛 北京科學(xué)技術(shù)出版社 1987年7月第1版2、中學(xué)物理教學(xué)法 許國(guó)梁 束炳如 高等教育出版 1993年5月第2版school textbooks taught physical inertiasummary : the classical mechanics of inertia within the existing concept put forward different views that the inertia to distin