惯性惯性定律和惯性参照系未定稿.PDFVIP

惯性、惯性定律和惯性参照系（未定稿） 张正华 （zhangzh9921@） 摘要：目的：探究惯性和惯性参照系的实质。方法：审视伽利略、牛顿、朗格等人对有 关问题的阐述，剔除其中不合理的内容，分析牛顿力学定律的适用条件，由此引出结论。结 果或结论：不受力的物体的运动状态是一个伪问题。惯性是物体保持原来运动状态的能力。 在不给物体施加新的作用力时，物体将保持原来的运动状态。而物体原来的运动状态是变速 运动。惯性参照系就是能将被研究物体在特定力的作用下的运动从原来的变速运动中单独析 出的参照系。如果力f作用于被研究物体而不作用于参照物体，而且在f之外其他作用力不 使两者产生相对运动，或可以产生相对运动但能以合理的方式剔除其影响，则在此时考察被 研究物体在力f作用下的运动规律，固定于该参照物体的参照系就是惯性参照系。 关键词：惯性；惯性定律；惯性参照系 1.引言 1632年伽利略就提出了惯性问题。1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》 中对惯性进行了阐述，并提出了包含惯性定律在内的牛顿力学三定律。300多年 来，牛顿力学理论取得了巨大的成功。但是，针对牛顿对惯性所做的阐述，和牛 顿确立的惯性定律，无论当时还是后世，均有人对其合理性提出质疑。此外目前 物理学认为，牛顿力学定律只在惯性参照系内成立。但是，惯性参照系究竟是什 么，物理学尚没有给出确定的回答。本文希望对这些问题进行讨论并给出一种说 明。 2.惯性和惯性定律 对于惯性，牛顿认为它是物体“固有的力”，这种力使物体保持“现有的状 态，或是静止，或是匀速直线运动” （牛顿，自然哲学的数学原理，第1页）。 现在一般把惯性表述为“物体保持静止或匀速直线运动状态的性质” （大学物 理学手册，第20页）。对于惯性定律也就是牛顿力学第一定律，牛顿的表述是（牛 顿，原理，第8页 ）：“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。” 惯性定律是牛顿力学理论的逻辑基础。 但是，不受力时物体保持静止或匀速直线运动状态，这只是按照特定逻辑进 行的推理，无法证实，也无法证伪。如在宏观领域，因为引力无处不在，因此真 正不受力的物体并不存在，我们无法知道不受力的物体将有怎样的运动状态。正 确的认识应该是：一个物体不受力，在它周围一定没有物质堆积，也就没有参照 物，物体也就没有运动状态。这一点，早已为后世的研究者指出。在牛顿时代， 也已经有贝克莱对这一点提出批评。他认为：“要设想运动，至少应想到有两个 物体的距离和位置是有了变化的。因此，如果只有一个物体存在，则它干脆就不 能运动。”（李艳平，申先甲，物理学史教程，第240页） 伽利略基于自己的实验认为：在水平面上，“任何速度一旦施加给一个运动 着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可保持不变”。 （李艳平，申 先甲，物理学史教程，第99页）但是这只是物体的运动距离与地球半径相比极 小时的近似。如果该水平面足够长，物体持续运动下去，重力在该水平面上的分 力将会使运动物体停下来。如果认为重力也应列在“加速或减速的外因”之内， 设想除去“重力”，则该物体仍会处在太阳的引力场内，该物体的速度仍无法保 5 1 共 页 第 页 持不变……事实是，重力根本不可能消失。牛顿认为（牛顿，原理，第8页）“抛 射体如果没有空气阻力的阻碍和重力向下牵引，将维持射出时的运动。……行星 和彗星一类较大物体，在自由空间中没有什么阻力，可以在很长时间里保持其向 前的和圆周的运动。”与上文的问题一样，重力和太阳的引力不可能消失，进一 步来自其他恒星、来自银心的引力也不可能消失，抛射体、行星和彗星不可能沿 直线向前运动。 爱因斯坦是这样表述的：“经典力学是从下述定律出发的：离其他质点足够 远的质点继续作匀速直线运动或继续保持静止状态。”（爱因斯坦，狭义与广义相 对论浅说，第55页）这是指其他质点足够远从而对这一质点的作用力为0或作 用力极小可以忽略不计。作为一种理论形式，将此当作牛顿第二定律的逻辑基础 无疑是有效的，但是如果认为这种表述是合理的，则会掩盖一些事实，使问题变