浅谈惯性力
浅谈对惯性的理解
浅谈对惯性的理解摘要：惯性是经典力学中的一个基本概念，也是中职物理教学中的难点之一。
对中职生而言，无论是他们的物理基础知识，还是他们的认知能力，都很容易导致概念上的混乱，在分析日常生活中的惯性现象时就容易出错。
关键词：惯性牛顿第一定律质量速度惯性是经典力学中的一个基本概念，同时又是人们日常生活中一个基础性概念，也是中职物理教学中的难点之一。
笔者在教学中发现，完全按照课本编排的教法，对中职生而言，无论是他们的物理基础知识，还是他们的认知能力，都很容易导致概念上的混乱，在分析日常生活中的惯性现象时就容易出错。
下面就结合学生的特点，谈谈对惯性的理解。
一、惯性的意义在讲到牛顿第一定律时，“一切物体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运动状态为止。
这就是牛顿第一定律。
由于我们把物体总保持原来运动状态的性质叫做惯性。
因此，牛顿第一定律又叫惯性定律。
”课本上仅这些描述，使学生在解决实际问题时又造成混乱。
大家知道，惯性是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。
这里的问题在于：惯性是否是物体的性质？依据牛顿第一定律，任何物体均具有惯性，因而，惯性不是被研究物体的性质，因为这一性质是一切物体所具有的，也就是说，它与物体的个别特性无关，因而，惯性只能是存在的一个特征。
二、惯性与“第一定律”的区别惯性与“第一定律”不是同一概念，不能混为一谈。
它们的区别：惯性是一切物体固有的属性，是不依外界（作用力）条件而改变，它始终伴随物体而存在。
牛顿第一定律则是研究物体在不受外力作用时如何运动的问题，是一条运动定律，它指出了“物体保持匀速直线运动状态或静止状态”的原因，两者完全不同。
为何牛顿第一定律又叫惯性定律，是因为定律中所描述的现象是物体的惯性的一个方面的表现，当物体受到外力作用（合外力不为零）时，物体不可能保持匀速直线运动状态或静止状态，但物体力图保持原有运动状态不变的性质（惯性）仍旧表现出来。
三、惯性与物体的质量质量是物体惯性大小的量度。
惯性力与惯性的大小
惯性力与惯性的大小论文导读：惯性力的概念。
物理学中有惯性的概念。
惯性，惯性力与惯性的大小。
关键词：惯性力，惯性众所周知，物理学中有惯性的概念，惯性力的概念；而且惯性是有大小的，惯性力是不存在的。
笔者在长期的教学研究中发觉，认为惯性有大小是不合理的，惯性力也未必是一种假想的力，它专门可能是一种客观存在。
博士论文，惯性。
1．惯性力的概念1．1惯性力的原始概念大伙儿明白：牛顿定律只适用于惯性系而不适用于非惯性系。
例如在由静止加速前进的火车内，受合力为零的小球会相关于火车向后加速运动。
为了使牛顿运动定律在火车中同样成立，需要引入惯性力的概念，所引入的惯性力大小，其方向与火车的加速度方向反向。
如此就有牛顿第二定律得以成立。
也确实是说：相关于地面（我们认为是惯性系）有加速度的参照系是非惯性系，非惯性系中牛顿运动定律不成立，欲使牛顿运动定律成立，需要引入惯性力。
正是在这些问题中，我们认识了什么是惯性力。
然而本文所要定义的惯性力与上述惯性力的概念是完全不同的。
1．2惯性力的新定义我始终有如此一个猜想：“所有物质组成的宇宙具有如此的一种性质，它能够承诺任何物体对其保持原有的运动状态，而不承诺任何物体对其有加速度；假如物体对宇宙有加速度，物体就会受到宇宙对它的一种约束力，这种力确实是我所定义的惯性力。
即惯性力是宇宙对物体的一种约束力，它并不是假想的力，是一种真实作用力。
”[需要说明的是，我那个地点所说的惯性力只是真正的惯性力在我们所能看到的参考系中的分力，而真正的属性力我们是无法明白的，因为我们不可能明白绝对的加速度。
以上这段文字在英语稿中没有]惯性力的施力物体是宇宙，就仿佛重力的施力物体是地球一样。
宇宙中的一切物体只要对宇宙有加速度，就一定受到惯性力。
惯性力的大小与其相关于惯性系的加速度成正比，与相关于惯性系的加速度的方向相反。
假如物体的质量为m,对惯性系的加速度为a，则惯性力的大小为f=ma。
明显惯性力是非平稳状态下才受到的一种力。
什么是惯性力有何表现
什么是惯性力有何表现关键信息项：1、惯性力的定义2、惯性力的表现形式3、惯性力与惯性的区别4、惯性力在不同场景中的作用5、惯性力对物体运动的影响6、如何理解和计算惯性力11 惯性力的定义惯性力是在非惯性参考系中，为了使牛顿运动定律在形式上仍然成立而引入的一种假想力。
在惯性参考系中，物体的运动遵循牛顿第一定律和牛顿第二定律，即物体在不受外力或所受合外力为零时保持静止或匀速直线运动，所受合外力不为零时产生加速度。
然而，在非惯性参考系中，由于参考系本身具有加速度，物体的运动看起来不符合牛顿定律，此时引入惯性力来修正这种偏差。
111 惯性力的特点惯性力不是由物体之间的相互作用产生的，而是由于参考系的加速运动导致的。
它没有施力物体，也不能通过牛顿第三定律找到其反作用力。
112 惯性力的大小和方向惯性力的大小等于物体的质量乘以参考系的加速度，方向与参考系的加速度方向相反。
12 惯性力的表现形式121 直线加速运动中的惯性力当参考系沿直线加速运动时，物体受到的惯性力沿相反方向。
例如，在一辆加速前进的汽车中，乘客会感觉到身体被向后推，这个向后的力就是惯性力。
122 旋转运动中的惯性力在旋转参考系中，会出现离心力和科里奥利力等惯性力。
离心力使物体远离旋转中心，而科里奥利力则会改变物体在旋转参考系中的运动方向。
123 复杂运动中的惯性力组合在实际情况中，参考系的运动可能是多种形式的组合，此时惯性力也会相应地组合和叠加。
13 惯性力与惯性的区别131 惯性是物体保持原有运动状态的性质，是物体的固有属性，与参考系的选择无关。
而惯性力只在非惯性参考系中存在，是为了描述物体在非惯性系中的运动而引入的概念。
132 惯性的大小由物体的质量决定，质量越大，惯性越大。
惯性力的大小则取决于参考系的加速度和物体的质量。
14 惯性力在不同场景中的作用141 在工程和技术中的应用例如，在设计离心分离设备、游乐场的旋转游乐设施等时，需要考虑惯性力的作用来确保安全和正常运行。
浅议如何说明惯性大小与速度无关
浅议如何说明惯性大小与速度无关摘要：我们在进行牛顿第一定律的教学时说，质量是惯性大小的惟一量度。
惯性大小与速度无关。
可是，很多同学都不理解为什么惯性大小与物体的运动速度无关。
因此，笔者在这里浅谈在进行牛顿第一定律的教学内容时如何说明惯性大小与速度无关。
关键词：惯性大小速度运动状态难易程度一、惯性大小的意义根据牛顿第一定律，物体具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质，叫做惯性。
惯性是一切物体的固有属性，表现为物体抵抗其运动状态变化的“本领”。
当作用在物体上的外力为零时，惯性表现为物体保持其运动状态不变，即保持静止或匀速直线运动；当作用在物体上的外力不为零时，惯性表现为外力改变物体运动状态的难易程度。
质量是描述物体惯性大小的唯一物理量。
质量大的物体，运动状态难改变，即惯性大。
质量小的物体，运动状态相对容易改变，即惯性小。
1.值得推敲的逻辑推理有的老师在说明惯性大小与速度无关时，引导学生用归谬法解决。
假设惯性大小与速度有关，速度越大惯性越大。
那么，速度越小惯性越小，速度为零惯性为零。
这与“一切物体都有惯性”互相矛盾。
因此，惯性大小与物体运动速度无关。
似乎听起来合情合理，但是速度越小惯性越小，一定能推出速度为零惯性为零吗？这里我们很容易忽略一个问题，也是学生经常犯错的地方。
那就是速度越大惯性越大，就意味着惯性大小与速度成正比吗？因为只有先证明惯性大小与速度成正比，才能推出速度为零惯性为零。
然正比关系我们无从得知。
所以，这种逻辑推理并不严谨，不建议使用。
三、速度大刹车难的误区有些同学总认为物体速度越大，惯性越大。
因为他们看到汽车行驶速度越快，越难停下来。
人跑步的速度越快，越难停下来。
学生错在什么地方呢？如果阻力很大，速度大的汽车也能很快停下来。
或者说，同一物体，速度大的时候，动能大，停下来需要克服阻力做功更多，阻力一定时，速度大的物体自然会运动的距离更远。
而学生在比较难停下来的时候，没有做到控制变量。
速度大，刹车难，是因为汽车速度变化量大，所以在质量和外力一定的情况下，需要的时间更长。
对惯性和惯性力的再认识
惯性和惯性力实质重新认识1.引言根据牛顿力学定律，物体在不受力时，会一直保持静止或匀速直线运动状态。
物体能够保持原来的运动状态，被认为具有惯性。
在试图改变物体的运动状态时，必须克服一个试图阻碍运动状态发生改变的力，这个试图阻碍物体改变运动状态的力被叫做惯性力。
牛顿认为，惯性是物质的固有属性。
后来马赫指出[1]，所谓惯性不是物质的固有性质，惯性和惯性力是宇宙中所有其他物质对物体的引力作用所致。
这一认识被称为马赫原理，马赫的思想已被广为接受。
但是，在详细分析引力如何使变速运动的物体受到惯性力时，会遇到困难。
进一步研究认为，惯性可能是物体系统（物质系统）保持其内物体（物质粒子）运动状态的能力。
广义相对论有一个推论[2]：当一物体旁边的质量被加速时，该物体也将受到一个加速力，此力与加速度有同样的方向。
用这样一种加速机制描述惯性力，如果太阳系所在处较大范围内存在大量均匀分布的不可见物质，则定性结果与事实相符。
在非惯性系中，有时会虚拟一个力以保证牛顿力学定律的适用性，这个非惯性系中的虚拟力被叫做虚拟惯性力，有时也被叫做惯性力。
本文与这种虚拟的惯性力无关。
2.惯性力的来源以实验室内的水平旋转圆盘为例，在圆盘静止时，坐在圆盘边沿的一个人受到重力和圆盘的支撑力，此外不受其他力的作用。
在圆盘转动时此人随圆盘一齐转动，这时他有一个指向盘心的加速度，并感受到一个径向的向外的力，也就是惯性力。
为了使问题显得清楚，以下尽量考虑惯性力所有可能的来源。
（1）来自地心的引力与惯性力垂直，无需讨论。
由于这个人正在随地球绕太阳进行轨道运动，他绕盘心转动的切向速度叠加在绕日轨道速度上，会使太阳的引力效应发生变化，但即使这种变化足够大，力的方向也只能在日地连线方向。
因为惯性力是各向同性的，因此这种引力效应的变化不会是此人受到惯性力的原因。
如果银河系没有自引收缩和膨胀，同样的分析也适用于来自银心的引力。
如果我们所在的任何层次的天体系统正在自引收缩或膨胀，对收缩或膨胀也可以归结为力的作用，类似的分析也适用于导致收缩或膨胀的力。
浅谈惯性约束核聚变_张杰
零,也即将磁场零点定在ν=1/2处,那么所有的FQHE 态看起来和IQHE 态一样.例如,ν=1/2和ν=1/3之间的磁场间隔ΔB 正好与ν=1所需的磁场一样,也就是说,经平移以后ν=1/3态就成了ν=1态.同样ν=2/5态成为ν=2态,ν=3/7态成为ν=3态.这就是说,原来电子的FQHE 态变成了组合费米子的IQHE 态.组合费米子模型在FQH E 和IQH E 之间建立了十分直接的联系.6 组合费米子的有效质量众所周知,由IQHE 的能隙 ωc = e B /m ＊c 可以直接计算出电子的有效质量m ＊.那么从图11上的直线斜率也可以直接算出组合费米子的有效质量m ＊c F1≈0.6me .它远大于电子在导带中的有效质量.但是事情并不那样十全十美.按说将图11中能隙外推到ν=1/2处应当为零,然而现在得到的却是一个负截距.实际上在IQH E 效应中也遇到类似的情况.在实际样品中,受杂质、缺陷或者结构尺寸涨落的影响,朗道能级的展宽使整数填充因子处的朗道能隙间距减小,同样在B =0处出现一个负截距.根据上述类比,图11中在ν=1/2处负截距大小实际给出了组合费米子所受到的散射大小.至此,可以讲组合费米子是分数量子霍尔效应中的新粒子.Stormer 认为,组合费米子的真实性一点不比超导中的库珀对差.7 结束语鉴于量子霍尔效应涉及深奥的物理内涵,本文只是力图从物理图像的角度粗浅地介绍它的基本性质.特别是目前对FQH E 态的研究仍在不断深入,本文所涉及的内容十分基础,不可能反映这方面研究工作的广度和深度.作者只希望借1998年诺贝尔物理学奖颁布之际,能使本刊读者对量子霍尔效应有一概括的了解.另一方面,由于本文是属知识介绍性的文章,因时间关系没有一一列出每项工作的有关文献,其目的只是想减小工作量.如有不妥之处,请予以谅解.＊ 国家高技术惯性约束核聚变委员会资助项目 1998-11-19收到初稿,1998-12-10修回浅谈惯性约束核聚变＊张 杰(中国科学院物理研究所,北京 100080) 摘 要 以煤、石油、天然气为代表的化石能源终将枯竭,基于核裂变反应的核裂变能源也由于安全性和核废料的处理等问题而不尽如人意.人类期待着新的能源.受控热核聚变反应能释放巨大的能量,而且由于这种能源干净、安全,且以用之不竭的海水作为原料,因此,受控热核聚变能是人类下一世纪的能源的主要希望所在.在地球上,主要有两种方法实现受控热核聚变反应:磁约束核聚变和惯性约束核聚变.文章通俗地介绍了惯性约束核聚变的基本原理和惯性约束核聚变研究的最新进展.关键词 惯性约束核聚变·142·物理AN OVERVIEW OF INERTIAL C ONFINEMENT FUSI ONZhang Jie(Institute of Phys ics,The C h ines e Aca demy of Sciences,Beijing 100080)Abstract The fossil fuel era is almost over.If we continue to burn fossil fuels such as oil or natural gas for energy,they will last only another few hundred years.Present energy use t rends indi-cate that an energy shortfall could arise midway through the21st c entury as fossil fuels are depleted. Taming fusion will provide us with a virtually inexhaustible source of clean,acc essible energy.In this article a brief overview of inertial confinement fusion with a sumary of recent research results will be presented.Key word inertial confinement fusion1 引言宇宙的能量来自核聚变反应.太阳,还有许多恒星都是天然的核聚变能源,在太阳中发生的核聚变反应给整个世界和我们的日常生活提供了能量.人类社会运转所需要的煤、石油和天然气都是亿万年以前太阳与当时的植物相互作用的产物.在地球的沉积层中,埋藏着许多远古时代的生物遗体.在缺氧、泥沙层不断增厚、内部压力和温度不断增加的环境下,经过细菌的分解作用,形成了石油、煤和天然气等“化石”能源.这些化石能源都是不能再生的.目前世界人口大约每40年翻一番,用电量也是每40年翻一番.到目前为止,人类已经用掉了地球上几乎一半的化石能源.如图1所示,按照目前人类对化石能源的要求来推算,在22世纪到23世纪这段时间,人类对化石能源的消耗将达到最大,与此同时,地球上开始出现这种化石能源供不应求的现象.到24世纪中叶,这种化石能源就会枯竭.这种严峻的现实使得人类对新能源的探索,已经从单纯的实验室中的研究项目变成了人类社会的强烈需求.图1 人类社会发展对能量的需求和现有的化石能源的供给随时间的变化趋势(图中的估算的假设:世界人口稳定在100亿,每人年平均能耗为美国1985年水平的2/3) 尽管实际上世界上的所有能量都来自太阳的核聚变反应,习惯上,人们还是将“太阳能”专指把太阳光转化为热能和电能的技术.太阳能的确非常重要,但是太阳能不可能满足人类生·143·28卷(1999年)3期活对能量的全部要求.目前的核电站所产生的能量来自核裂变反应.这种核裂变反应所提供的能量在下个世纪的生活中将会变得越来越重要.但是,这种核电站的安全性、对环境的污染以及核废料的处理等问题的确令人大伤脑筋.核裂变反应能是在重原子核受到中子的轰击裂变为轻原子核时所释放的能量,与此相反,核聚变反应能则是在轻原子核聚变为重原子核时所释放的能量.如图2所示,核聚变反应可以比核裂变反应释放大得多的能量.早在50年前,人们就认识到太阳和其他恒星的能量都来自核聚变反应.下面我们以氢原子的两种同位素氘和氚的聚变反应为例来说明核聚变反应.氘和氚都带正电荷,互相排斥.因此要想把它们聚合起来,需要用很大的能量才能克服它们相互间的斥力.这需要把核燃料加热到1亿度以上,以使氘和氚有足够大的动能,但即使这样,也还不足以发生核聚变.还需要将核燃料约束到足够高的密度,以使氘和氚有足够大的机会相撞以发生聚变.核聚变反应之前的反应物氘和氚的质量大于反应之后的产物———氦和中子的质量.根据爱因斯坦的质能关系E=mc2,反应物与产物的质量差变成了聚变能(见图3).尽管在这个聚变反应中仅失去了0.38%的质量,但是在1g氘氚反应中失去的3.8m g 的质量就相当于燃烧约1.08×104L油所释放的能量.图2 核聚变反应与核裂变反应所释放能量的比较(核聚变反应所释放出的能量比核裂变反应所释放的能量要大得多)图3 氘氚核聚变反应的示意图和氘氚核聚变反应质能平衡图[轻元素(如氘和氚)在高温、高压下发生核聚变反应变为较重的元素(如氦或α粒子),同时释放大量的能量(相当于燃烧石油所释放的能量的1百万倍).在聚变反应过程中所释放的能量来自核聚变反应中所失去的能量,0.02原子单位的质量(amu)变为17.6M eV的能量] 就单位质量而言,核聚变反应所释放的能量要比核裂变反应所释放的能量大得多.在图4中我们可以把核能与其他化石能源进行一下直观的比较.一个发电量为100万千瓦的火力发电厂每年的耗煤量大约为210万吨,相当于191列由110节货车车厢组成的火车的运量;同样的发电量,若用燃油则每年需1千万桶,相当于10艘超级油轮的运量.而对于核裂变发电厂来说,则需要30吨的二氧化铀作燃料,相当于1节货车车厢的运量;相同的电量对于核聚变发电厂来说,则仅需600公斤核燃料,这相当于1辆轻便客货两用汽车的运量.而且,·144·物理由于受控核聚变能是干净、安全、经济的能源,所以人们将下一世纪的能源主要寄希望于核聚变反应上.氢弹爆炸所释放的威力巨大的能量就来自爆炸时的核聚变反应.然而,氢弹的爆炸是大规模的核能释放,无法人工控制.在地球上实现受控核聚变反应是半个世纪以来科学家们努力追求的目标.图4 核能与其他化石能源的比较(1个100万千瓦发电站使用不同燃料时年消耗量的对比)2 磁约束核聚变(MCF)和惯性约束核聚变(ICF) 目前,人们在实验室里研究核聚变反应主要采用磁约束和惯性约束两种方法(见图5).磁约束核聚变(magnetic confinement fu-sion,MCF)主要依靠强有力的磁场将低密度、高温度的等离子体约束足够长时间以使氘氚等离子体达到核聚变反应所需要的条件.经过几代科学家的努力,目前的磁约束实验装置已经分别可以将较低温度、低密度的等离子体约束足够长的时间或者在短时间内将等离子体加热,但是如何使磁约束实验装置中的等离子体在实现长约束时间的同时也达到核聚变反应所需要的高温,目前仍是一个极大的难题.惯性约束核聚变(inertial confinement fu-sion,ICF)则是利用高功率激光束(或粒子束)均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸,在极短的时间里靶丸表面在高功率激光的辐照下会发生电离和消融而形成包围靶芯的高温等离子体.等离子体膨胀向外爆炸的反作用力会产生极大的向心聚爆的压力,这个压力大约相当于地球上的大气压力的十亿倍.在这么巨大的压力的作用下,氘氚等离子体被压缩到极高的密度和极高的温度(相当于恒星内部的条件),引起氘氚燃料的核聚变反应.人们希望能通过惯性约束核聚变(受控热核反应)来产生既干净又经济的能量.当把氢的同位素氘、氚加热到10keV时,它们就具有足够高的动能来穿透核的库仑势垒,从而引发核反应.与磁约束核聚变反应不同的是,惯性约束核聚变的等离子体并不需要任何的外力对其约束,而是依靠燃料自身的惯性,在高温、高压下,在氘氚燃料还没来得及飞散之前的短暂时间内引发聚变核反应.惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(MCF)的共同点是它们都要求高达1亿度的反应温度.二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒(10-9s)量级,与氢弹的热核反应的条件类似.而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据(Law son crite-·145·28卷(1999年)3期图5 实验室中实现核聚变反应的两种途径:惯性约束核聚变(ICF)和磁约束核聚变(M CF).[这两种途径的共同点是它们都要求1亿度的高温,密度和时间的乘积大于1014cm-3s.二者的不同在于:惯性约束核聚变等离子体的密度极高(1026cm-3),约束时间为纳秒量级,与氢弹的热核反应的条件类似;而磁约束核聚变等离子体的密度则低得多,仅为1015cm-3的量级,因此,其约束时间必须长达秒的量级,以满足劳森判据的要求]rion)的要求.3 惯性约束核聚变反应的基本原理同其他所有的核聚变反应过程一样,惯性约束核聚变反应也必须满足劳森判据,但是在要求上它与通常磁约束核聚变又有一些区别.通常磁约束核聚变要求:n eτ>1014s cm-3,这里n e为等离子体密度,τ是反应时间.对磁约束核聚变反应来说,约束时间τ由被加热的粒子和能量弥散的时间来决定,而在惯性约束核聚变反应中,这个时间则是由等离子体的膨胀时间来决定的.在等离子体半径R膨胀25%的时间内,热核反应的速率降低一半.由此我们可以估算出热核反应时间τ～(1/4)R/C s,这里C s是等离子体的膨胀速度,由等离子体的温度决定.对应于热核反应温度10keV,C s～6×107cm·s-1,把这个热核反应时间代入劳森判据,同时用质量密度ρ代替粒子密度n e,可得变形后的劳森判据[1]:ρR>0.2g cm-2.(1) 然而,在这样的条件下,α粒子只有约1—2个射程.对于惯性约束核聚变反应来说,由于α粒子没有受到磁场的约束,很快就会跑掉,对于5—10keV温度,氘氚的燃耗f～ρR/(ρR +6),若ρR=0.2gcm-2,这时的燃耗只有3.2%,这太不合算了.因此在惯性约束核聚变的研究中,通常要求ρR>3gcm-2,以保证燃耗f>33%.从劳森判据估算可以得知,如果整个氘氚靶丸压缩到高温(～5keV)、高密度(～200gcm-3),则在ρR=3g/cm2的要求下,需要提供给氘氚靶丸的能量为E f=1.7M J,若想能提供真正有用的能量输出,则在效率约4%的条件下,要求驱动激光能量为E lase r≈43MJ!这显然是不容易实现的.因此,要想用现实的驱动能量来实现惯性约束核聚变,只能采用压缩的高密氘氚燃料,使其密度达到300gcm-3(相当于原来密度的1000倍),同时,这个压缩要在低温下进行,使中心处2%—3%质量的氘氚燃料形成热斑(hot spot),实现“中心点火”.此时,用兆焦耳量级的驱动能量就可以引发热核反应,释放几百兆焦耳的聚变能量.建造这样的巨型激光装置需要花费十几亿美元,这大约相当于一个大型发电厂的造价.目前,美国正在建造这样的激光装置———国家点火装置(national ignition facility,N IF),预计在2003年建成.1992年,日本大阪大学激光工程研究所利用GIKKO XⅡ激光聚焦后辐照空心壳层靶丸,将靶丸压缩到了相当于初始密度500—1000倍的高密度.美国利弗莫尔国家实验室利用NO-VA激光装置的光束聚焦后辐照、压缩靶丸,也达到了这个水平.当然,这样的压缩是在远低于核聚变的点火温度下实现的.NOVA是目前世界上最大的激光装置,它由10路输出口径为74cm的光束组成.每路激光束的基频(1.053μm)输出能量为8—10kJ,10路激光的基频总输出能量为80—100kJ,三倍频(0.35μm)的输出能量为40kJ.NOVA激光装置上用于激光核聚变实验的靶室的直径为5m.·146·物理若想在点火温度下达到这样的高密度压缩,从而引发核聚变反应,就需要使用兆焦耳量级的激光装置来实现了.美国的国家点火装置NIF 就是为这个目的而建造的.当然,想同时达到高温(10keV )和高密度(300g cm -3)决非易事.在这样的条件下,等离子体内部的压强是大气压的1012倍(1万亿个大气压).这个压强比激光直接辐照靶丸表面所可能产生的最大压强(光压)还大4个数量级.这个困难只能通过对核聚变靶丸特殊的精细设计来克服.最简单的设计就是一个空心靶丸,其外壳由适当材料组成,使其在激光辐照下有较好的逆韧致吸收性能.热核燃料装在空心靶丸内.高功率激光束在辐照靶丸外表面的同时,也加热了靶丸的表面.靶丸表面的电子吸收激光能量,加热后迅速将能量传给其他的电子和离子,从而造成表面的快速升温并形成冲击波.同时,消融表面产生的高温、高压等离子体快速向外膨胀,由于动量守恒产生对靶面的反冲压强———消融压(ablation pressure ),要比作用在靶丸表面的光压大1万倍以上.这种反冲压强对靶丸的压缩原理,与火箭推进器中的燃料燃烧、喷射所产生的反作用力(即推力)将火箭推向前进的原理是相同的.唯一不同的是,压缩核聚变靶丸所需要的“推力”要比火箭的推力大得多,大约比航天飞机所需要的推力大100倍以上.这样巨大的压强会使靶丸表面出现烧蚀、膨胀、爆炸.当靶壳发生爆炸时,会产生极强的向心冲击波和X 射线光辐射,从而实现对燃料进行高度压缩,并使其达到热核反应所需要的高温和高压(见图6).图6 惯性约束核聚变的基本原理示意图[惯性约束核聚变反应过程由以下4步组成:(a )由均匀辐照靶丸的激光束迅速地将靶丸表面物质离化形成等离子体;(b )等离子体膨胀所产生的反冲对靶丸进行压缩;(c )在压缩的后期,靶丸的核心部分达到1亿度的高温和相当于20倍的固体铅密度的高密度,从而在被压缩的燃料中心产生“热斑”;(d )整个靶丸实现热核反应并释放能量,燃烧起来] 在爆炸过程中,有两个途径可以使压强得到进一步增强.下面我们用能量密度来说明这一点,因为对理想气体而言,能量密度(3/2)nk T 与压强nk T 之间仅相差一个3/2因子.惯性约束核聚变的主要思想就是将尽可能大的能量注入到靶丸的燃料内,然后将燃料压缩到尽可能小的体积之中.在靶壳爆炸过程中,能量不断地会聚到靶芯处的核燃料中,同时燃料的体积也由于压缩而不断缩小,这两个过程的共同作用造成了靶芯处燃料的压强比靶壳表面上的激光压强大得多的结果.核聚变反应所需要的会聚因子Ψ=R init /R f inal (始末半径之比)由靶芯燃料压强增加的倍数所决定.假设激光辐照靶丸外壳的驱动压强为P d ,那么压缩靶丸外壳所作的功P d d V 就为E d =∫4πR 2P d d R 4π3P d R 3init .(2)如果压缩比很大,即R 3init R 3final ,则靶芯处的核燃料在核反应发生时的能量为E f =4π3R 3final 3P f2,(3)·147·28卷(1999年)3期这里的燃料仍被当作理想气体来处理,其能量密度为(3/2)P f.如果在压缩过程中所作的功P d V都用于加热燃料的话,那么由E d=E f就可给出R initR fi nal=3P f 2P d强比1/3.(4) 如果P f=106M bar,P d=50Mbar,那么线压缩的结果就是:Ψ=R init/R final=30,对应于3×104倍的体压缩,足以将燃料压缩到其固体密度的1000倍以上.当然,对应于这样大的压缩比,靶壳的爆炸就必须非常均匀.假如靶壳不同部分的加速度有哪怕3%的差别,它们到达靶芯的时间就会有所不同,最终造成压缩失败.这个要求非常苛刻,因为这意味着辐照靶壳的激光强度的分布必须非常均匀、平滑才行.从80年代以来,激光光束的光滑化技术有了很大的发展.先后发明了无规相位板技术(random phase plates,RPP)[2],诱生空间非相干技术(induced spatial incoherence,ISI)[3]和光谱色散光滑化技术(smoothing by spectral dis-persion,SSD)[4].因此,技术上的困难似乎可以解决.但是,物理上的困难却给均匀压缩设置了极大的障碍.这个物理上的困难给靶壳厚度提出了非常苛刻的要求:假如线压缩比Ψ要达到30,并且靶壳在爆炸的末期要想加速到足够高的速度的话,那么靶壳的厚度ΔR就必须远小于靶丸的初始半径R init.对靶壳的苛刻要求是由于在有加速度的两种密度不同的流体界面存在瑞利-泰勒不稳定性所带来的.这种不稳定性会把在靶丸的压缩过程中出现的任何不均匀性指数放大,从而造成压缩失败.所以必须尽可能地减少激光辐照的不均匀和限制瑞利-秦勒不稳定性的发展时间.“间接驱动惯性约束核聚变”是另一种驱动方案.如图7所示,这种方案的主要思想是将核聚变靶置于黑洞腔靶(hohlraum)内,激光不再直接辐照靶丸,而是辐照黑洞靶腔壁.腔壁将所吸收的激光能量转化为X射线,由这种强度极大的X射线辐照、压缩置于黑洞靶中心的氘氚靶丸从而引发核聚变.由于X射线辐照要比激光辐照均匀得多,因此可以避免流体不稳定性的问题[5].图7(a)NOVA激光装置上用于间接驱动激光核聚变研究的黑洞腔靶;(b)在激光辐照下的黑洞腔靶(NOVA的黑洞腔靶是直径为毫米量级的空心圆柱.多路激光束从左右两端辐照在黑洞内的腔壁上,高效率地转化为X射线.置于黑洞腔靶中央的氘氚燃料靶在X射线的均匀辐照、压缩下实现燃烧)传统的惯性约束核聚变主要依赖对氘氚靶丸的均匀向心压缩、加热而产生的中心热斑来实现.这一条件可以通过用多束激光直接或间接地辐照靶丸产生的快速、高度球对称的聚心内爆-压缩-热斑来达到.惯性约束聚变对激光辐照的球对称性和均匀性有极高的要求,而且要求总能量为百万焦耳量级的巨型激光器才能实现输出能量大于输入能量(增益>0)的聚变.这样的巨型激光器,如美国国家点火装置(N IF)目前正在建造之中.NIF共有192路激光束,这个装置的占地面积将超过一个中型体育场,其总输出功率将高达5千亿千瓦(5×1014W),这个功率大约相当于美国全国发电量·148·物理的1000倍!当然,由于激光输出是在极短的时间内完成的,所以,并不会对电网造成任何影响.造价预算高达12亿美元的NIF 装置计划将于2003年建成.我国德高望重的科学家王淦昌先生早在60年代初就想到了把激光与核物理研究相结合,并于1964年独立提出了惯性约束核聚变的概念,这在世界上是最早的惯性约束核聚变的建议之一[6].在王淦昌先生的积极倡导和推动下,我国的科研人员从60年代起就将惯性约束核聚变作为发展高功率激光技术的主要方向,在惯性约束核聚变研究和高功率激光技术等方面取得了巨大的成就,先后建成了“六路装置”、“星光”、“天光”和“神光”等大型高功率激光装置.我国的巨型激光装置也将于下个世纪初建成并投入使用.4 “快点火”惯性约束核聚变的方案针对以上“中心热斑”方案遇到的巨大困难,近年来,随着超短脉冲激光啁啾放大技术的重大突破,有人提出了“快点火”的技术方案[7],即在聚变燃料被均匀压缩到最大密度时,将一束超短脉冲强激光(10-11s )聚焦在靶丸表面(光强>1020Wcm -2),极高的有质动力在靶丸表面的等离子体的临界密度面上“打洞”,并将临界密度面压向靶芯的高密核.此时,在这个过程中产生的大量的MeV 能量的超热电子穿透临界密度面射入高密核使离子温度迅速升温至点火所要求的5—10keV 的高温并实现快速点火.图8为传统惯性约束“中心热斑”聚变与“快点火”聚变的示意图.可以这样形象图8 “快点火”激光核聚变原理示意图(a )传统的中心热斑激光核聚变与柴油机的点火过程类似;(b )“快点火”激光核聚变与汽油机的点火过程类似地比较这两个过程:传统的中心热斑激光核聚变过程与柴油机的点火过程类似,在压缩到一·149·28卷(1999年)3期定密度时,柴油会自动燃烧;而“快点火”激光核聚变过程则与汽油机的点火过程类似,当燃料被压缩到最高密度时,用电火花将其点燃.在“快点火”激光核聚变过程中,超热电子所起的作用就是电火花在汽油机中所起的作用.“快点火”激光核聚变的概念涉及许多与高强度、超短脉冲有关的强场物理相互作用过程[8].其中包括超短脉冲强激光与高密度等离子体的相互作用、高强度的超热电子流在高密等离子体中的产生和传输、在临界密度面附近的谐波产生、超强磁场的产生和所起的作用、与有质动力有关的效应、相对论自聚焦和成丝、超短脉冲强激光束的“打洞”和“隧道”效应等.“快点火”方案的几个主要的物理过程如图9所示.首先用纳秒级长脉冲激光束对充满氘、氚气体的空心靶丸进行高度对称的压缩,压缩后的靶丸中心的氘、氚气体的密度将达到其固体密度的1000倍以上(>300gcm -3);第二步,用一束脉冲宽度约为100ps 、聚焦光强为1018Wcm -2的激光辐照压缩后的高密靶丸,这束聚焦的激光会将靶丸的临界密度面进一步压向中心,在高密靶丸上打出一个“洞”来.紧接着,用一束脉宽为10ps 左右、聚焦光强为1020Wcm -2的激光对靶芯部分进行快速点火:点火的激光束与靶芯的大密度梯度的高密等离子体相互作用,产生大量能量为MeV 量级的超热电子[9],超热电子流穿入高度压缩的靶丸并淀积在靶芯处的燃料中,靶芯附近燃料的局部温度迅速上升到点火温度,从而实现靶丸的“快点火”.图9 快点火激光核聚变的几个主要物理过程的示意图(a )高压缩比爆炸;(b )“打洞”激光束;(c )点火激光束;(d )“快点火”过程中的能量转换 实际上,正如图8(b )所示,“快点火”方案中的第二步中所用的100ps 的激光脉冲与第三步中用的10ps 激光脉冲在实际的实验中是一个整形后的激光脉冲.这个激光脉冲由一个100ps 的前沿和一个10ps 的尖峰组成.使用这种整形后的激光脉冲可以大幅度地降低实验难度.由于“快点火”惯性约束聚变将压缩和点火这两个过程分开进行,因此可以大幅度降低对爆炸对称性和驱动能量的要求.在“快点火”方案中,初始压缩期仅要求达到高密度,并不要求高温度,所以对长脉冲压缩激光的“光滑化”要求大幅度地降低了.超短脉冲强激光与压缩后·150·物理。
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态直到有外力迫使它改变这种-
浅谈惯性摘要：对现行经典力学范围内中惯性的看法提出质疑，惯性不是物体的性质，而是物体存在的一种显示；惯性与改变物体状态的难易程度无关，更加与物体的质量无关。
关键词：惯性；存在表现一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第一定律(Newton's First Law Of Motions)：即是惯性定律(law of inertia)。
意谓除非受外力作用，否则物体会继续保持其静止状态，或在保持一定速度在直线上永远运动下去。
牛顿第一定律亦称“惯性定律”，也就是说：任何物体在所受外力的合力为零时，都保持原有的运动状态不变。
即原来静止的继续静止，原来运动的继续作匀速直线运动。
一直以来，人们都认为惯性是一切物体都具有保持其运动状态不变的性质。
但是，惯性是物体的性质这点，在牛顿第一定律中并无明确说明。
甚至，人们还认为物质质量越大惯性越大，惯性越大，物体运动状态越难以改变。
那么，惯性是否就真的是物质的性质？改变物体运动状态越艰难就代表惯性越大？惯性又一定与物质质量存在关系？一、惯性不是物体的性质，而是物体存在的一种表现在牛顿第一运动定律中我们得到，任何物体均具有惯性。
那就是说，惯性不是被研究物体的个体性质，而是一切物体所共有的，也就是说它与物体的个体差异无关。
因而，对惯性是物体的性质一说，笔者更认同惯性是物体存在的一个特征，是被研究对象周围的环境对此对象的表现。
二十世纪初，德国数学家诺特尔（1）证明了：空间平移对称性导致动量守恒、空间转动对称性导致角动量守恒、而时间均匀性导致能量守恒。
事实上，物体的惯性是时间均匀性与空间对称性的必然结果。
这更加可以说明惯性与个别的研究对象无关。
惯性不是物体的性质，物体只是惯性的显现者，惯性的本质与物体的特性无关。
那么用反应物体个体特性的质量来测度惯性就不科学了，因为惯性作为存在状态的一种显现，并无大小可言。
二、惯性与改变物体状态的难易程度无关，如同不能将力与惯性进行等价的思考在现实生活中，存在着质量大的物体在相同的力作用下，其运动状态不容易被改变。
惯性力（正确与否需要斟酌）
惯性力（正确与否需要斟酌）惯性力和离心力一样，是没有施力物体的，所以从力的要素来看，是不存在这样的力的。
那么为什么要有这样一个概念呢？简单一点讲是为了满足牛顿运动定律在非惯性系中的数学表达形式不变而引入的。
所谓非惯性系，简单一点将就是做变速运动的参考系。
所以说到底，所谓惯性力和离心力就是在一个加速运动的参考系中观察到的物体惯性的表达形式，是为了计算方便而人为引入的一个概念。
惯性力是假想的力。
是为了在非惯性体系中使牛顿力学成立而设想存在的。
另外，真实存在的力有反作用力，而惯性力没有反作用力。
它只是一种表现形式,就如同做圆周运动的物体体现出的向心力或离心力一样。
惯性力是假想力，在非惯性体系中如果要使牛顿力学成立，就必须加入惯性力，否则无法应用牛顿力学解决非惯性系问题。
其次，惯性力没有施力的物体，不满足力的条件，因此惯性力不是真实力。
物理系的《理论力学》中有专门一章讲非惯性系，可以查看是不存在的! 牛顿运动定律只对惯性系成立,对非惯性系不成立.但在实际问题中常常需要在非惯性系中观察和处理力学问题.为了能在非惯性系中沿用牛顿运动定律的形式,从而引进惯性力这一概念. 惯性力可以分成两种情况: 1,平移加速参考系中的惯性力如果有一相对地面以加速度为a做直线运动的车厢,车厢地板上放有质量为m的小球,设小球所受的和外力为F,相对车厢的加速度为a',以车厢为参考系,显然牛顿运动定律不成立.即F=ma'不成立若以地面为参考系,可得F=ma对地式中,a对地是小球相对地面的加速度.由运动的相对性可知 a对地=a+a' 将此式带入上式,有 F=m(a+a')=ma+ma' 则有 F+(-ma)=ma' 故此时,引入Fo=-ma,称为惯性力,则F+Fo=ma' 此即为在非惯性系中使用的牛顿第二定律的表达形式. 由此,在非惯性系中应用牛顿第二定律时,除了真正的和外力外,还必须引入惯性力Fo=-ma,它的方向与非惯性系相对惯性系(地面)的加速度a的方向相反,大小等于被研究物体的质量乘以a 惯性力不是来自物体之间的相互作用,所以,惯性力无施力物体,也没有反作用力,它只是物体的惯性在非惯性系中的表现. 2.匀角速转动参考系中的惯性力---惯性离心力这个力可以看成是与提供物体做匀速圆周运动的向心力平衡的一个力,很好理解.在此不做详细阐述.。
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物体受到惯性力加速下落直到与加速系接触，此时仍受到惯性力。
‘假如这里脱离了任何天体的引力，飞船在靠惯性飞行。
那么飞船里的人和一切物体都处于‘失重’状态，可以飘在空中，从手里松开的任何东西也不会往下落。
如果飞船又开动了火箭，以一定的加速度向前飞行，那么飞船里的人又感到有了‘重量’，原来在空中漂浮的东西又纷纷加速下落的情形。
’这说的是物体受到惯性力加速下落的情形。
‘如果把飞船看作加速系统，那么这个力的大小等于地板使人做加速运动的力，因而力的大小反映了人的惯性质量。
’这说的是物体受到惯性力与加速系接触的情形。
如果把飞船看作加速系统，那么人对飞船地板的压力的大小等于地板使人做加速运动的力，因而力的大小反映了人的惯性质量。
如果把飞船看作加速系统，人对地板的压力可以看作是人在加速系中受到惯性力产生的。
质量大的物体受到的惯性力大，质量小的物体受到的惯性力小。
加速度不同时，受到的惯性力不同。
此种情形是否可以当做施力与受力情形分析呢？
在施力物体看来，受力物体具有惯性，当运动状态发生改变时，受力物体需要力。
当施力物体与受力物体相接触受力物体产生加速度时（例如，施力物体飞船，受力物体飞船里的人），从惯性力的角度分析，受力物体受到惯性力，质量大的物体（受到）惯性力大，质量小的物体惯性力小，因惯性力而产生的对施力物体的力也就（大或）小，在施力物体看来，改变受力物体运动状态时，产生相同的加速度，质量大的物体（受力物体）需要的力大，质量小的物体需要的力小。
质量大的物体惯性大，受到的惯性力也大，质量小的物体惯性小，受到的惯性力也小。
物体受到的力f=ma,物体受到的惯性力f=-ma.受到的力与惯性力方向相反数值相等。
在飞船中，人对飞船地板的压力与飞船地板对人的支持力是一对作用力与反作用力。
人对地板的压力可以看作是人受到惯性力产生的。
把飞船看作施力物体，飞船地板对人的支持力可以看作飞船施的力。
惯性力与支持力合力为零。
什么是惯性力？我们是如何定义惯性力的？
物体由于具有惯性，受到外力时会产生一个反作用力。
惯性力也使物体产生加速度，当物体与参照系接触时，由于受到惯性力而对参照系产生压力时，此物体才会有受力的感觉。
惯性力与惯性力能相互抵消吗？相对于加速系加速运动的参照系，加速度能相互相加或相减吗？受力与加速系产生相同加速度的物体，在加速系看来处于什么状态？
我们知道，在车厢里的桌面上放一个小球（火车匀速直线运动）。
相对于车厢参照系来说，小球保持静止。
小球所受合外力为零，现在设想车厢开始向右做加速运动，在车厢里观测，小球将向左做加速运动，而小球并没有受到其他物体的作用力。
那么在火车看来相对于
车厢做加速运动的参照系里，小球做什么运动？如果加速度相同，方向相反加速度是否相互抵消？惯性力是否相互抵消？
自由落体系中，物体实实在在受到引力了，不过在自由落体系看来，物体不受力，对外（对参照系)不产生力。
物体上（物体内部）确实受到引力的吸引。
----算是力的相对性吧（原来的提问是在自由落体系中，物体受到引力，但在自由落体系看来，物体不受任何力，物体具有惯性。
那么物体到底受没受力呢？一个受力的物体怎么变成一个不受力的物体呢？）
由于力是物体对物体相互作用，物体对外对其他物体不产生力时，物体不受力。
物体不受力时，物体具有保持静止或匀速直线运动的性质。
在自由落体系中，物体受到了引力，不过在自由落体系看来，物体对其他物体对参照系没有力的作用，物体本身是不受力的，所以物体处于惯性状态，物体具有保持静止或匀速直线运动的性质。
惯性力，物体受到惯性力时，物体本身并不受力，而在参照系看来，物体具有受到力的性质。
（具有加速度）
在广义相对性原理独特视角中我们说过：一个不受引力作用的加速系统跟一个受引力作用的惯性系统等效
在引力场中自由降落的参考系中就消除了引力，在这个自由落体系中，惯性定律很好地成立，一个不受外力作用的物体将保持其原有运动状态，这一参考系实在是很好的惯性系。
（自由落体系属于非惯性系一种）
结论
物体做加速运动时，我们无法判定物体是在非惯性系中（加速系中）或是在惯性系中。
物体具有惯性时，我们无法判定物体是在非惯性系中或是在惯性系中。
我们无法用任何实验判定物体是在惯性系中或是在非惯性系中。
摘要物体受力在做加速运动的现象与物体处于静止或匀速直线运动状态受到惯性力的现象（或者说参照系受到力看到不受力的物体做加速运动的现象）是等效的。
(没有接触任何物体时的物体加速度。
）
惯性力与力能互相抵消。
当非惯性系中，惯性力与力相互抵消时，非惯性系就是一个很好的惯性系。
例如引力场中的自由降落系。
通常我们所说的惯性系是非惯性系的一部分，当惯性力与力相互抵消时，非惯性系就是一个惯性系，相对于惯性系做加速或减速运动的参照系就是非惯性系。
我们不知道物体是在惯性系中受到力，或是在非惯性系中受到惯性力。