慣性定律

2021-03-02 啟智開物

慣性定律   

一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態

— 牛頓

 靜止的固體具有慣性

靜止的物體具有保持靜止狀態性質,表現為物體對其運動狀態變化的一種阻抗程度。

 運動的固體具有慣性

我們在乘車時,在行駛的汽車中,人和車原來具有相同的速度(運動狀態),當急剎車時,車的運動狀態急劇改變,由於慣性,人仍然要保持原有運動狀態(即速度),所以造成剎車時朝前傾的現象。

 變速運動的物體有慣性嗎?

牛頓定律說:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,那麼做變速運動的物體慣性是如何表現出來的呢?我們來看這樣一個實驗(下圖):

 液體的慣性 

 結論:一切物體均有慣性,慣性是物質自身的一種屬性。物體的慣性,在任何時候(受外力作用或不受外力作用),任何情況下(靜止或運動),都不會改變,更不會消失。

 慣性篩選 

如果我們不小心把黃豆和小米混在了一起,我們怎麼才能把他們在短時間內按類別分開呢?我們看下面的實驗:用吹風機吹黃豆小米混合物,由於黃豆的質量大慣性大運動狀態不易改變,就落在了近處。反之小米就落在了遠處。

 慣性與什麼有關

有的同學可能會說:快速運行的列車慣性大,因為它更不容停下來。這個說法似乎有道理,但其實是錯誤的,因為這種說法沒有控制變量。我們不能讓快的物體和慢的物體都停下來去看誰更難於改變運動狀態。而應該是讓它們的運動狀態改變量相同,例如:如果慢車從10m/s到停下來,那我們就應該讓快車從100m/s減為90m/s,然後去分析誰更難以改變狀態。結論是:慣性與速度大小無關。

 結論:一切物體都有慣性,慣性只與物體質量的大小有關,與其他因素均無關。質量是慣性大小的唯一量度,質量大的物體慣性大。

【思考題】:帶著氣球坐車,剎車時氣球往哪個方向移動?

如果在座位上系一個氦氣球,把車窗和空調都關上,當車輛行駛過程中突然剎車時,氣球會怎麼運動呢?

剎車時,由於慣性,人的身體、座椅、甚至車內的空氣都會產生一個向前的「慣性力」。而慣性大小由質量決定,氦氣密度比空氣密度小,所以當質量更重的空氣由於慣性向前移動時,氦氣球就被「擠」到了相反的方向。

所以這道題的正確答案是B,而不是A。但更準確的說,以上答案都不正確,正確答案應該是「D.先向前進的方向運動一小段距離,然後向反方向運動」。這是因為,空氣壓力的傳遞也是需要一定時間的,當然這段時間並不長。

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    之後牛頓在伽利略等人成就的基礎上總結出牛頓第一定律:一切物體總有保持靜止或勻速直線運動狀態的性質,只有作用在物體上面的力才能改變物體的運動狀態。合力為0的物體卻在加速運動,這與牛頓運動定律相矛盾。物體是靜止還是運動與選擇的參考系有關,在剛才的例子中涉及到兩種參考系——慣性系和非慣性系。車廂靜止時,合力為0的物體處在靜止狀態,此時符合牛頓運動定律,這時車廂就是一個慣性參考系。
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