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惯性

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惯性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,从而促进了物理学的重大进展,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,是培养学生科学地思考问题的能力非常有效的素材。

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。

研究历史

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

牛顿在1687年出版的著作《自然哲学的数学原理》中,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“一切物体在不受外力作用时,总保持静止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。”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程度。从此,人们对于运动中的种种惯性现象都能很好地理解;在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。

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。

详解

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,聚变产物的静质量小于聚变前物质的静质量,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加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,这实在是爱因斯坦独具慧眼、超群绝伦的伟大贡献。

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