寬透立體正確地理解“慣性”概念

吳超男 陳光明

摘? ?要：從“慣性”概念的正確內涵、物體慣性的顯示表現、走出“物體速度越大慣性越大”的認識誤區和物體慣性大小直接由其質量大小決定等方面來實現寬透立體正確理解 “慣性”概念的目標。

關鍵詞：慣性概念;慣性表現;慣性大小;慣性量度

1? “慣性”概念的正確內涵與物體慣性的顯示表現

物理學中把“物體保持勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質”或“物體保持原來運動狀態不變的性質”叫做慣性。“慣性”概念的學習是個大難點，很多人好像一直都沒真正弄懂，主要有以下這么些根深蒂固的錯誤認識：

a.“物體只有在不受外力作用情況下才會保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，所以不受外力作用時才會有慣性”;

b.“做變速運動的物體不能保持原來運動狀態，可見它沒有慣性，或者說是沒有把慣性表現出來”“物體靜止時沒有慣性，只有運動時才有慣性”。

第a種錯誤認識顯然是把慣性與慣性定律混為一談了。物體即使受到外力的作用，同樣也存在慣性，千萬不能把物體慣性的所謂表現與否以為是慣性的有無。其實，當物體不受外力作用時或所受外力的合力為零時，物體的慣性就表現為保持原來運動狀態不變的傾向[ 1 ]，即呈現出勻速直線運動狀態或靜止狀態。原先處于靜止的物體，慣性使得它保持靜止狀態不變，原來運動的就以原來速度保持勻速直線運動狀態。

當物體受到外力作用時，外力就要迫使物體做變速運動。正在運動的動車或小汽車剎車時，由于慣性要保持原來的運動狀態，仍然繼續向前運動;因為車受到了制動力（也就是阻力）的作用，改變了車的運動狀態，所以使它最終停下來了。這正是物體作變速運動時仍然具有慣性的表現。又如，有一恒力作用于放在光滑水平面上的靜止物體，物體將運動且過一段時間后會有速度v（當然若物體不受此恒力作用的話將由于慣性仍保持靜止），此刻物體的慣性就是使物體本身保持此速度v不變;若此一恒力繼續作用，物體將會在此刻速度v的基礎上繼續獲得加速;若此時撤去此恒力，物體立刻就會以速度v作勻速直線運動。可見，作變速運動的物體時時刻刻都保持著其各個時刻即時速度不變的性質或者說傾向[ 2 ]，這就是物體作變速運動時具有慣性的表現且一直在顯示出慣性的有力證明。

綜上所述，慣性就是物體保持原來運動狀態的企圖、傾向和能力，是物體本身固有的，所以慣性的存在跟物體運動狀態是否發生變化、是否受外力作用以及運動快慢等均無關。對同一物體來說它的慣性大小是一定的且永遠存在。

另外，所謂物體顯示出具有慣性及其大小，就是指物體時時刻刻都在顯示出抵抗或阻止外力作用維持原來運動狀態的“傾向”[ 1 ]“企圖”和“能力”及其大小;當然不同物體抵抗或阻止外力作用的能力不同，就是說慣性大小不同。不同的物體在同樣一個外力作用下，慣性表現為運動狀態有不同的改變程度：慣性大的物體速度變化慢，慣性小的物體速度變化快。

2? 走出“物體速度越大慣性就越大”的認識誤區

“同一摩托車，以200m/s快速行駛要比20m/s低速行駛停下來困難得多，200m/s快速行駛的摩托車要花更多時間，通過長得多的距離才能停下來。”這是客觀存在的，因此很多人頭腦中就滋生了“物體速度越大慣性就越大”這種根深蒂固的錯誤想法。實際上這是把“使同一物體在不同的運動狀態下停下來的難易程度”與“改變同一物體原有運動狀態的難易程度”混為一談了。

如上所說的摩托車剎車時不容易停下來的問題，其實質是要讓車從較大的速度停止下來，運動狀態的變化太大了;這個“不容易”恰恰是摩托車慣性大小沒有變化的具體體現。因為對同一輛摩托車來說在不同運動狀態下慣性是一定的，就是摩托車具有保持原來運動狀態的傾向或能力是恒定不變的，換句話說，要改變車原來運動狀態的難易程度是相同的，所以才使得它快速前進時不容易停下，而慢速前進時容易停下[ 2 ]。

因此，同一輛車的慣性不變，車的速度大小與車的慣性無關;以為車的速度大慣性就大，車的速度小慣性就小純屬毫無根據的想當然。如果是這樣的話，豈不是就會得出“當物體速度為零時就沒有慣性”的荒謬結論？

再舉一個例子：設車質量為m，以速度vo在平直公路上行駛，剎車時制動力（阻力）為F，剎車后停止速度為零。據牛頓第二定律，剎車時加速度為a=F/m ，從開始剎車直到完全停止前進的車通過距離為s，由vt2-vo2=2as得出要s=vo2/2a;如果在制動力（阻力）為F和車質量m不變情況下，此時車行駛速度vo越大，那么剎車后前進的距離s就越大;顯然在此過程中加速度是不變的。車速度越大越難停下來，正是其慣性大小一定的體現。

據牛頓第二定律，某一物體，不管處于什么運動狀態，只要受到大小方向完全相同的力作用，它產生的加速度或者說速度變化率就是不變的，即物體運動狀態改變的難易程度相同，物體慣性大小不變。而同樣的力作用在不同物體上，就會產生不同的加速度，由此表明不同的物體慣性大小不同。以上所說的不同物體約定俗成就是指不同質量的物體，物體質量不同自然其慣性大小不同，“物體速度越大”與“慣性越大” 沒有必然聯系[ 3 ]。

3? 物體慣性大小只由物體質量大小決定

那么，如前所述，物體慣性大小是不是由其質量大小和加速度大小二者共同直接決定的呢？

不是的！物體如果不受力，就不會產生加速度。物體受外力作用時獲得的加速度大小不僅與物體質量有關，還與所受合外力大小有關。相同的力作用在質量大的物體上，產生的加速度小，物體慣性較大;作用在質量小的物體上，產生的加速度大，物體慣性較小。毋庸置疑，“物體加速度大慣性就越大”是在“相同外力作用”這個特定前提下的具體結論，離開了“相同外力作用”這一特定前提，物體加速度大小與物體慣性大小就沒有必然的對應關系了。由此可見，物體加速度大小并不能簡單直接決定物體的慣性大小，物體慣性大小是由其質量大小直接決定的，物體質量才是物體慣性大小的唯一量度[ 3 ]。鑒于此，同一物體不管在什么時刻、什么狀態下其慣性大小是一定的。

參考文獻：

[1]齊澤維茨.物理原理與問題上冊[M].杭州：浙江教育出版社，2010：108-109.

[2]物理通報編輯部.物理教學問題薈萃[M].保定：河北大學出版社，1992：85.

[3]黃迪興，牛士讓.高中一年級物理答疑解惑[M]].西安：陜西人民教育出版社，1986：78-82.