一.牛顿力学缺陷的修补

1.惯性新说

所谓惯性新说，不是否定和摒弃传统的惯性理论，再炮制一套新的东西，而是在原有惯性理论的基础上，对物理力学教材上解释惯性的不正确论断作出修正和诠释，从而完善惯性理论。本文的惯性推论有二点：一、物体运动状态不变和变化的两种状态中，有惯性保持和惯性反抗两种不同形式的表现；二、惯性反抗即通常说的惯性大小，由物体的质量和加速度共同决定。本文作出惯性新定义，以惯性是物体的固有属性为原则，将物体的运动状态变化时的惯性反抗包括进去，即将合力为零匀速的圆周运动或定轴转动视为惯性运动，惯性运动即没有外力维持的运动状态不变的运动。

关键词：惯性运动，惯性保持，惯性反抗，惯性作用，惯性新定义。

(一)惯性理论解释中的问题

在各种中学大学教学辅导书及惯性理论的论文中，惯性的定义和推论基本相同，表达如下：

惯性定义：一切物体在不受外力作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，这种性质叫做惯性。

惯性的推论：1、惯性是物体的固有属性，它与物体的运动状态、受力情况无关。2、当物体所受的外力为零时，惯性表现为保持物体的运动状态不变；当物体所受的外力不为零时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。3、惯性不是力，不存在所谓的惯性力。4、惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同。5、物体的惯性大小是由质量惟一决定的，质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小。

本文认为：惯性的定义有缺陷只对了一半；惯性的推论都有问题。推论1从惯性的存在性意义上说是正确的，物体运动状态改变或不变、即不管受力与否惯性始终存在，但对不同情况惯性表现不同没有说法；推论2说法乍看正确继续解释含糊，而人们的认识和理解大多不正确；推论3、4、5问题严重。

惯性有问题的三个推论，可总结为三个疑问：

[一]惯性不是力的疑问：惯性若不表现为力，它又怎么使外力改变物体的运动状态时有难易程度？难易程度难道不是一种作用吗？

[二]惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同的疑问：物体的运动状态从不变到变的某一连续过程中，物体的运动状态不变时，物体上保持着惯性；物体的运动状态变化时，物体上的惯性还是原先的惯性吗？若还是原先的惯性，物体已经不是原先的运动状态，惯性在物体运动状态不变和变化的过程中始终相同如何体现？

[三]惯性大小是由物体质量惟一决定的疑问：设甲乙两物体的质量比为1比10，加速度比为10比1，不难得知，两物体上的外力相等，也就是外力改变两物体的运动状态难易程度相同，如何解释这两个物体的质量不同竟有相等的惯性大小？

惯性推论有疑问，是惯性定义有缺陷产生出的问题。回答或解决疑问，这就要分清惯性在两种情况下始终存在就要有不同表现，以此修正和完善惯性定义，才能圆满地解决惯性问题。

(二)惯性在两种情况下的不同表现

“当物体不受外力作用时，惯性表现为物体保持运动状态不变；当物体受外力作用时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。”这个教辅上和惯性理论上常用的论断第一分句可取第二分句就有问题了，持这种说法在谈到“难易程度”时总是小心翼翼地避开导致难易的原因。物体运动状态既然分不变和变化两种情况，就要有两种惯性表现。

第一种情况的惯性表现。物体在静止或匀速直线运动状态时，惯性的表现是保持这种状态不变，这是一种自然的本能的基本性质，不需要力或别的什么参与。也正是没有力或合力为零的前提下才有惯性的保持，此时既谈不到惯性的大小，也说不出它用什么方法和手段来保持运动状态不变。应该说，惯性保持是一种基本状态，这种状态被破坏就要产生反作用。

第二种情况的惯性表现。这时的惯性物体没有直线匀速的外部表现，必有内在本质的惯性表现。物体在运动状态改变时，物体上没有了原先的惯性表现，惯性仍存在表现在，此时的惯性保持转化为惯性反抗。正是有惯性反抗，才使外力物体感到有难易程度。

由于惯性定义的缘故，所以说惯性总是指物体的静止或匀速直线运动状态。以此现象为惯性表现，物体在受力后的加速运动便没有惯性表现或表现联系不上惯性。这是因为此时的惯性保持已发生了变化，转变为惯性反抗了，不再表现原先的运动状态不变，而是表现运动状态正在发生变化。因此，当“惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度”时，在现象上见不到惯性基本状态的表现。

关于惯性的认识和理解存在着模糊和偏见，症结在这里：将物体的惯性限制在保持静止或匀速直线运动状态，物体受力后加速运动时惯性在哪里如何表现却无可奉告。物体在任何情况下都有惯性，但是运动状态变化了就没有静止或匀速直线运动状态的惯性表现，认识这时的物体惯性，只有理解物体的惯性转化为力使外力物体受到反作用才行。

物体在运动状态不变和改变两种情况下均有惯性，只有运动状态不变时才表现为通常说的惯性，因此就不能笼统地用惯性一词来表述。为了准确表述物体在不同情况下的惯性，宜将保持运动状态不变的表现叫做惯性保持或简称为惯性；将受力后运动状态改变时的惯性叫做惯性反抗

惯性反抗应说是惯性作用即惯性力，有反抗就有作用，没有作用的反抗是没有行动的还是等于没有反抗。坚守惯性必匀速直线运动的人很是反惯性作用，但惯性内在本质与作用的联系实存实在不容抹杀或割裂，强烈否认或强行拆分惯性与作用的客观结合，只能是“抽刀断水水更流”。

（三)惯性定义的完善

本文认为惯性定义有缺陷，要作理论修补纠偏概全使其完善，这就要作惯性新定义。

人所共知的物体的惯性描述：惯性是物体的固有属性。此话是说，无论物体运动状态变化与否，惯性一直存在。而惯性定义只说明物体保持静止或匀速直线运动状态这一阶段，物体运动状态变化时期不再提惯性，虽没公开声明却似乎隐藏着这时物体上不存在惯性的意图。

这是惯性的属性认识不正确还是惯性的定义不完善，显然是后者。因为惯性的属性是人认识的自然规律，理性证明认识正确；而惯性的定义是人对惯性的意义认定的主观描述，不一定就概括全面和揭示本质。实际上，长期以来人们已经发现惯性问题甚至有所诟病，但没人对惯性定义进行改造，不好使还是将就着用吧。惯性定义的惯性表现是不变的一种状态，而惯性表现是可变化的，变化时当然不再有不变时的表现。“惯性是物体的固有属性”就包括了惯性的不变与变，而且涵盖了不同的运动形式。

物体的运动状态变化，是物体上有了加速度，这时物体的运动一般指匀加速运动状态，运动可能是直线也可能是曲线。从表面上看，这时物体上的惯性似乎消失了，若如此违背了物体不管作何种运动，惯性始终存在的属性原则。说惯性定义有缺陷是缺少物体运动状态变化时的惯性描述，还因为定义局限于物体的匀速直线运动状态，解释物体匀速圆周的惯性运动没有恰当合适的说法。

物体的不同运动形式，主要是直线运动和曲线运动，曲线运动最常见的是圆周运动。物体不能自由地作圆周运动，要受到某种限制条件才能成行。说惯性就不应该局限于直线运动，应该包括曲线运动主要是匀速的圆周运动。为简便起见，这里的圆周运动主要说定轴转动。物体的定轴转动是物体中心有固定轴，物体只能绕固定轴转动，当然大多物体本身是圆轮形状。物体的匀速定轴转动，“匀速”指物体的速度大小不变速度方向不断变化，速度方向变化也是物体运动状态变化即产生了加速度，也就是向心加速度。

物体无外力维持运动状态不变的运动应叫做惯性运动。惯性运动包括匀速的直线或圆周运动。物体的匀速的圆周运动和定轴转动也是惯性运动，实践中没有匀速直线运动容易让人理解，就是转动物体受空气或定轴摩擦阻力使运动时间短暂（圆轮转动时间较长），其实人们也没看到长时间的匀速直线运动，人们认可直线运动是惯性运动，往往忽略圆周运动和定轴转动也是惯性运动。

综上所述，本文给出新的惯性定义：“惯性是物体的固有属性，在物体不受力或合外力为零时，惯性保持物体的静止或匀速直线运动状态；物体发生直线或曲线的运动状态变化时，物体上产生惯性反抗或说惯性作用。”定义中的曲线是从一般意义上说的，物体曲线运动包括各种圆锥曲线形式运动，而主要应用在圆弧或圆周运动。

如上说才算完善了惯性定义，既保住了惯性在物体上固有存在，又兼顾了物体的不同运动形式和状态。本文的惯性定义主张视教科书的惯性定义仅表现在运动的特定阶段。须要说明：这里说匀速的直线或圆周的惯性运动都是极限的或理想的状态，而地面上无动力物体的惯性运动要受阻力使运动状态发生变化直至静止。

(四)惯性与牛顿三定律

长期以来，人们似乎认为惯性仅与牛顿第一定律有关。然而，物体在运动状态不变和变化两种情况下，惯性始终存在，其表现不是始终如一，说明惯性不仅与牛顿第一定律有关系。

惯性与牛顿第一定律的表述相似。教科书上惯性的定义是：一切物体都有保持静止或匀速直线运动状态的性质，这种性质叫做惯性。牛顿第一定律阐述是：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到其它物体的作用力迫使它改变这种状态为止。

牛顿第一定律也叫惯性定律，描述的是物体的惯性现象，并把这种惯性现象限定在没有外力作用时；当有外力作用改变物体原来的或静止或匀速直线运动状态时，就不属于第一定律描述的现象。牛顿第一定律以外情况，是物体受到外力作用运动状态变化后的情况，需要牛顿第二定律接着描述。

牛顿第二定律表示力与运动的关系，其中还有另一种关系——外力与惯性力的关系。前面说过，物体受外力时，惯性反抗运动状态的改变转化为惯性力。惯性力始终陪伴外力，因外力的作用而形成，因外力的变化而变化。牛顿第二定律的表达式既是外力与运动的表达式，也是外力受惯性力反作用的表达式。从这个意义上说，惯性与第二定律的关系比惯性与第一定律的关系更复杂。如果说牛顿第一定律也叫做惯性定律，那么牛顿第二定律除叫做运动定律外，还可叫做惯性力定律。

惯性与牛顿第三定律的关系也密切，使物体运动状态改变的外力与惯性转化的惯性力之间正是一对作用力与反作用力的关系。人们总说惯性力找不到反作用力（从虚拟力上找当然找不到），却忘记了使物体有加速度的外力需要反作用力。使物体加速运动的施力物体，要受到反作用力，这个反作用力即惯性力，否则施力物体的力成单一的力孤掌难鸣，致使单独不配对的力不能存在。

总之，惯性与牛顿三个定律都密切相关，它贯穿和联系三个定律，是牛顿三定律的理论基础。这是过去没发现的问题。

结束语

自从伽利略、笛卡儿、牛顿等科学大家，提出并创立了惯性概念和理论，为牛顿三定律打下了理论基础，最终成就了牛顿力学。然而，我们应用力学时，总感到有一种说不清、叫不硬、绕不过的东西存在于惯性理论中。这不能不说是惯性理论还不完善，还有需要探究和解决的问题。应该指出，现在惯性理论中的问题对牛顿力学的应用影响不大也是问题，不解决总不是科学自身的态度和诉求。再者，学物理就涉及惯性，而惯性在力学中是个老大难问题，教师难教，学生难学，教师和学生都存在着难以释怀的疑问和困惑，最后大家被标准答案压制服抛弃疑问，结果不能不说存在未解问题的教学在损耗甚至磨灭青少年的探索欲望。

2014年6月27日