2惯性的认识

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1、2、惯性的认识牛顿力学的公理体系：定律1（惯性定律）每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态，除非有外力作用于它迫 使它改变那个状态。定律II:运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向。定律III:二物体在相接触处发生 相互作用，甲物体给乙物体一个作用力时，乙物体同时给甲物体一个反作用力。作用力与反作用力大小相等，方向相反，分 别作用于二个不同的物体上。第三定律明确指出：相互作用发生在二物体的相接触处，从而排除了超距作用！二个物体没有 直接接触而发生相互作用时，只能是通过场物质的媒介而建立的，或者说是通过交换媒介子而实现的。惯性定律的独立性之辩：许多物理学家认为：牛顿第一定律不具

2、有独立性，是第二定律的一个特例。或者说，当作用 到物体上的合外力为零时，物体的速度不变化，就是匀速直线运动，也就是第一定律描述的运动状况。另外一种观点：第一 定律具有不可取代的地位和作用：作为惯性和力的原始定义，没有这个原始性定义，无法构建第二定律。它是第二定律的基 础，应该具有独立性。惯性定律的诞生：牛顿在“原理”中给出第一定律的名称，笛卡尔在1644年出版的哲学原理中，“如果物质处在 运动之中，那么如果无其他原因的作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停下，也不偏离原来的方向 【1】。” 更接近牛顿第一定律的描述。伽利略在1632年出版的关于两大世界体系的对话和1638年出

3、版的关于力学和 局部运动的两门新科学的谈话和数学证明，通过“斜面的理想实验”，“乘船的理想实验”描述惯性定律。惯性定律的真理性：它是牛顿力学的重要定律之一，因为牛顿力学在低速情况下，与实验、生产、科研及天体的运动等 诸多方面，都吻合的很好。人们都相信惯性定律的真理性有充分的依据，也不会怀疑它的普遍实用性。德国物理学家赫兹 曾说到：“要阐明力学的真正的基础内容，而不会不时感到为难，不会一再激起歉意，不想尽快跨过原理部分而向他们讲述一 些应用例子，那是极端困难的一件事。” 【2】开普勒在他1609 年发表的著作新天文学和1619年发表的著作宇宙谐和论中写道；“天体有留在天空中任何地 方的性质，除非

4、它被拖曳着。”“如果天体不赋有类似于重量的惯性，要使它运动就不需要力，最小的动力就足以使它有无 限的速度，但由于天体公转需要用一定的时间，有的长些，有的短些，因此非常明显，物质必须具有能说明这些差别的惯 性。”“惯性，或对运动的阻力是物质的一种特性，在给定的体积中，物质的量愈多，惯性愈强。”这大概是关于物体惯性 的最早陈述。可以看出开普勒所说的惯性是指静止物体的惯性，甚至他已经认识到物体的惯性与它的质量有关，然而他显然 受到亚里士多德思想的束缚，不可能思考运动物体是否具有惯性的问题。伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。他对于亚里士多德关于物体运动的 粗糙的

5、日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在 他的著作关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话（1632 年）和关于力学和运动两门新科学的对话。（1638 年）中，其 中一个重要的结果如下。假设沿斜面AB落下的物体，以B点得到的速度沿另一斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响 仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面变成既不上升，亦不下降的水平面时，物体将一直以已获 得的速度永远向前运动。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认识到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱

6、亚里士多德的影响，他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动，因此我们还不能说伽略发现了惯性定律。最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛卡儿是唯理论哲学家，他试图建立起整个宇宙在内的各 种自然现象都能从基本原理中推演出来的体系，惯性定律就是他的体系中的一条基本原理。他在他的哲学原理（1644 年） 一书中把这条基本原理表述为两条定律：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被迫改变这一 状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系， 其中许多是错误

7、的，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。惯性是物理学中最基本的概念之一，也是学习物理学最早遇到的概念之一。这一极为普通和平凡的概念曾经引导许多物 理学家深入思考和剖析，促进物理学重大进展，其中蕴涵着深刻的物理思想和丰富的物理学研究方法的教益。惯性一般是指 物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立，而它则依赖于对于力的 认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长的岁月。牛顿 1661年进入剑桥大学学 习亚里士多德的运动论，1664 年他从事力学的研究，摆脱了亚里士多德的影响。他继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研

8、究 方法，他也继承了笛卡儿的研究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，澄清了动量概念和力的概 念。1687 年出版著作自然哲学的数学原理，以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力 学统一起来的力学体系。惯 性定律就是牛顿第一定律，表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作 用于它的力迫使它改变这种状态。”惯性定律真正成为力学理论的出发点。根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态的属 性，这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性，运动的物体也具有惯性；物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此， 人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的

9、程度。由于物体加速是受到的合外力的作用，此时物体引力质量增加，加速度减小。惯性是物体保持运动状态的原因，不但保 持原来的速度状态，而且能使物体受到一定力的作用下加速度逐渐减小。在平动过程中，引力质量的惯性是阻碍速度的增加； 在转动过程中惯性阻碍角速度的增加。在经典物理学中，惯性原理是相对性原理的表现形式。惯性的存在是因为场的真实存 在，场在宇宙空间中的广泛存在是惯性得以体现的最根本原因。1970年苏联科学家罗金斯基进行的实验在9xI0_13以内证 明了引力质量和惯性质量严格相等，如果注意到惯性质量与引力质量的严格相等，我们将发现，更准确的提法是，惯性来源 于全宇宙物质的万有引力场。为了弄清物体

10、惯性运动的物理实质性原理，不妨让我们针对假定只有山、B两物体存在的宇 宙进行分析。如图1-2，由于宇宙中只有山、月两物体存在，为了考察山的惯性和运动，不管貝、月两物体之间是否发生相互作用,充当惯性参照系的唯一地只能是月物体。在这样简单的宇宙中，针对貝物体可以把牛顿第一、第二运动定律分别表述为：1、 川相对月保持静止或匀速直线运动，除非月对它施加作用力迫使它改变这种状态。2、貝相对月所得加速度的大小与受到我们令距召物体远处的场存在着激烈程度为酗的引力场波动，G为常数，m为B的质量。（粒子的长期存在不改变其质量等物理内涵，这表明引力场波动并不向外扩散能量。设A的有效截面积为s,相对B以速度v运动，

11、由于相对运动,属于 B 的场在单位时间内流经 A 的能流为。再以这个能流与能流密度及有效截面积作比，得到速度量纲的物理量。消去常量G,并用大写字母V表示它，得到dV _ dv在这种简单的宇宙体系中，由于*三卩（广义相对速度与相对速度恒等），处 处，所以用A的广义相对速度代替A的相对速度分析惯性和运动问题，和原先完全一致，不存在任何分歧。但当全面考察错综复杂的现实宇宙中其它物质的影响以后，某物体的广义相对速度与它的相对速度之间便存在着一些差异，我们将发现，正是这些差异的存在，直接导致了以往经典时空观的舍弃。如图 1-3。全面考察全宇宙物质的存在得到其中 V 表示考察物体（A）的广义相对速度，表示

12、考察物体相对任一参照系的速度（这一参照系可以是惯性参照系，也可以是非惯性参照系），表示宇宙中某一物体必相对同一参照系的速度，厂表示考察物体与戸必的距离，积分范围是全宇宙空间。客观现实中，大多数物质都以星球的形式存在，通常我们可以采用广义相对速度的不连续表达式计由于参照系之间存在着相对运动，相对速度没有唯一的值，而广义相对速度却具有唯一的值，显然，通常情况下P用计算机可以计算证明，在地球表面附近，即使考虑地球物质、远距离物质及空气的影响，只要运动物体位移的距离和时间不很大，广义相对速度和相对速度的变化率是非常接近的，W AvdV dv!-： !-：即心f加，或者必 处。所以，如果承认牛顿第二运动

13、定律，即，那么就有参考文献：【1】李艳平，申先甲. 物理学史教程. 科学出版社. 2003, :102【2】力学湖南教育出版社，第 58页， 1985年1 月附录： 为牛顿第一定律的建立而奋斗过的人们一、生活经验的总结者亚里士多德长期以来，在研究物体运动原因的过程中，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推塔或者拉它一下，因此，人们直 觉第认为，物体的运动与推、拉等行为相联系，如果不再推、拉，原来运动的物体便会停止下来。根据这类经验，亚里士多 德得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。这个由明显的线索得出的 错误判断，维持了近两千年，直到三百多年前伽利

14、略的出现。二、理想实验的践行者伽利略伽利略注意到，当一个小球沿斜面向下运动时，它的速度增大；而当小球沿斜面向上运动时，它的速度减小，由此伽利 略猜想：当小球沿水平面运动时，它的速度应该不增不减。那么，实际情况中，为什么小球沿水平面运动时，速度会越来越 慢呢？原来是由于小球受到摩擦阻力的作用。并由此推断，若没有摩擦阻力，球将永远运动下去。伽利略为了说明他的思想，设计了一个实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动，小球将“冲”上另一个斜面。 如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度，但这是他要运动 的远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一

15、高度时会离得更远。于是他想到，若将第二个斜面平放，小球会到达多远 的位置呢？结论显然是，球将永远运动下去，却不再需要什么力去推动。也就是说，力不是维持物体运动的原因。当然，我 们不能消除一切阻力，也不能把第二个斜面做得无限长，所以，伽利略的实验是个“理想实验”。三、迈向真理的接力者笛卡尔与伽利略同时代的法国科学家笛卡尔也研究了这个问题，他指出：如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同 一速度沿同一直线运动，既不会停止下来，也不会偏离原来的方向。四、物理基石的奠定者牛顿在伽利略和笛卡尔工作的基础上，在经历了一代人以后，牛顿提出了动力学的一条基本定律：一切物体总保持静止状态 或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。牛顿第一定律表明，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，我们把这个性质叫做惯性，因此，牛顿第一定律也叫惯性定律。由于这个定律给出了惯性的概念，所以人们说，它是物理学的基础，是奠定牛顿物理学的基石。最后需要说明的是，因为不可能把自然界的任何物体完全孤立起来，也就是说，不受力作用的物体是不存在的，所以， 牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析的产物，不可能用实验直接验证。