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慣性概念的認(rèn)識及其影響
慣性概念的認(rèn)識及其影響陳熙謀 12月19日慣性是物理學(xué)中最基本的概念之一，也是學(xué)習(xí)物理學(xué)最早遇到的概念之一。這一極為普通和平凡的概念曾經(jīng)引導(dǎo)許多物理學(xué)家深入思考和剖析，促進(jìn)物理學(xué)重大進(jìn)展，其中蘊(yùn)涵著深刻的物理思想和豐富的物理學(xué)研究方法的教益，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地思考問題的能力非常有效的素材。
一、慣性概念的肇始和牛頓的綜合
慣性一般是指物體不受外力作用時(shí)，保持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性。人們對于慣性這一認(rèn)識有賴于慣性定律的建立，而它則依賴于對于力的認(rèn)識以及區(qū)分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的認(rèn)識，這一點(diǎn)在人類認(rèn)識發(fā)展史上經(jīng)歷了漫長的歲月。
在人類思想史上，兩千多年前希臘的哲學(xué)家亞里士多德的學(xué)說無疑地起過廣泛的影響，然而他關(guān)于物理學(xué)的論述，許多都是錯(cuò)誤的。他把物體的運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。他認(rèn)為圓周是完善的幾何圖形，圓周運(yùn)動(dòng)對于所有星體都是天然的，因而是自然運(yùn)動(dòng)；另外，地球上的物體都具有其天然位置，重物趨于向下，輕物趨于向上，如果沒有其他物體阻礙，物體力圖回到天然位置的運(yùn)動(dòng)也是自然運(yùn)動(dòng)；其他所有形式的運(yùn)動(dòng)則都是強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。他還進(jìn)而指出，關(guān)于物體的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，只有在外力的不斷作用下才能發(fā)生；當(dāng)外力的作用停止時(shí)，運(yùn)動(dòng)也立即停止。從這里可以看出亞里士多德肯定了兩點(diǎn)：一，自然運(yùn)動(dòng)不涉及曳力的問題，只有強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)才存在力的問題；二、力是物體強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的原因。從今天來看，這顯然是錯(cuò)誤的，然而它束縛了人們近兩千年。
從這種把物體的運(yùn)動(dòng)歸結(jié)為外力作用的觀念，可以提取出靜止物體具有慣性的概念。開普勒在他1609年發(fā)表的著作《新天文學(xué)》和1619年發(fā)表的著作《宇宙諧和論》中寫道；“天體有留在天空中任何地方的性質(zhì)，除非它被拖曳著�！薄叭绻祗w不賦有類似于重量的慣性，要使它運(yùn)動(dòng)就不需要力，最小的動(dòng)力就足以使它有無限的速度，但由于天體公轉(zhuǎn)需要用一定的時(shí)間，有的長些，有的短些，因此非常明顯，物質(zhì)必須具有能說明這些差別的慣性�！薄皯T性，或?qū)\(yùn)動(dòng)的阻力是物質(zhì)的一種特性，在給定的體積中，物質(zhì)的量愈多，慣性愈強(qiáng)。”這大概是關(guān)于物體慣性的最早陳述�？梢钥闯鲩_普勒所說的慣性是指靜止物體的慣性，甚至他已經(jīng)認(rèn)識到物體的慣性與它的質(zhì)量有關(guān)，然而他顯然受到亞里士多德思想的束縛，不可能思考運(yùn)動(dòng)物體是否具有慣性的問題。
伽利略開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)和理性思維相結(jié)合的近代物理研究方法，并用于研究物體的運(yùn)動(dòng)。他對于亞里士 多德關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的粗糙的日常觀察、抽象的猜測玄想和想當(dāng)然的思辨推理十分不滿，他通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)推理得到許多正確的結(jié)果，總結(jié)在他的著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》（1632年）和《關(guān)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)兩門新科學(xué)的對話。（1638年）中，其中一個(gè)重要的結(jié)果如下。假設(shè)沿斜面AB落下的物體，以B點(diǎn)得到的速度沿另一斜面BC向上運(yùn)動(dòng)，則物體不受BC傾斜的影響仍將達(dá)到與A點(diǎn)相同的高度，只是需要的時(shí)間不同；當(dāng)?shù)诙䝼�(gè)斜面變成既不上升，亦不下降的水平面時(shí)，物體將一直以已獲得的速度永遠(yuǎn)向前運(yùn)動(dòng)。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進(jìn)了一大步，他認(rèn)識到不受其他物體的作用，物體可以永恒地運(yùn)動(dòng)，這已經(jīng)很接近慣性定律，但是伽利略還沒有擺脫亞里士多德的影響，他所說的水平面是和地球同心的球面，也就是說，那種不受其他物體作用的物體的永恒運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)，因此我們還不能說伽略發(fā)現(xiàn)了慣
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