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1、 牛顿第一定律的实质地位和作用高焜（安庆师范学院物理与电气工程学院 安徽 安庆 246011）指导老师：江燕燕摘要：文章研究了牛顿第一定律的实质及在牛顿三个定律中的地作用。澄清了对牛顿第 一 定 律 的 一 些 模 糊 认 识 对 认 识 牛 顿 三 定 律 之 间 的 关 系 和 理 论 的 完 备 性 和逻 辑 性 提 出 了 不 同 的 看法。文章指出：牛顿第一定律的实质是给出了一个不受力或所受合力为零不存在加速度的系统,即 通 常 所 说 的 惯 性 系 而 不 是 力 的 定 义 ,定 律 成立 与 否 来 定 而 牛 顿 第 二 、第 三 定 律 只 对 惯 性 系 才 成 立 。
2、惯性系也不 能 用 牛 顿 义 。关键词: 牛 顿 第 一 定 律 ; 惯性系; 力13 世纪的约翰布里单提出了“冲力” （impetus）的概念，他把冲力设想为初始推动者传给物体的一种推动力，并赋予了冲力一种永恒的质，认为它将一直持续下去，除非被外部阻力所减弱或者耗尽。在没有外力作用的情况下，冲力的初始量将保持不变，并且他暗示，如果将运动的所有阻力撤出，那么物体一旦开始运动，很与可能将永远沿直线匀速运动下去，他没有任何理由改变自己的运动方向或者初始速度。1牛顿在 1687 年出版的名著自然哲学的数学原理一书中提出了三条定律做为动力学的基础。这三条定律统称牛顿运动定律,以牛顿运动定律为基础建立
3、起来的力学理论叫做牛顿力学。牛顿所述的三条定律的中文译文为:第一定律:任何物体都保持静止或沿一条直线做匀速运动的状态 ,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。第二定律:运动的变化与所加的动力成正比,并且发生在这力所沿的直线的方向上。第三定律:对于每一个作用,总有一个相等的反作用与之相反 ;或者说,两个物体之间对各自对方的相互作用总是相等的,而且指向相反的方向。牛顿定律提出已经三百多年了,人们已经非常熟悉了。可是纵观许多物理学的教科书,对牛顿第一定律的实质的认识,它在三个定律中的地位和作用,却很少给出合理的解释和定位。下面就一些”物理学”教科书中对第一定律的不尽合理的解释和定位逐一给予说明。1
4、 牛顿第一定律的本质并非描述物体具有惯性 几乎所有的“物理”教科书中都强调:牛顿第一定律描述了物体具有惯性 ,所以把第一定律也称作惯性定律。其中具有代表性的:如北京大学顾建中先生编写的普通物理学简明教程力学部分 2 就明确指出: “第一定律中包含两个重要的 概念。(1) 如果没有其他物体的作用,则所研究的物体将保持其静止的或匀速直线运动的状态;这种性质称为该物体的惯性 因为第一定律包含惯性这个重要概念,所以又叫惯性定律。 (2)。 ” 又如张三惠等编著的大学物理学力学 3 中 指出: “牛顿第一定律和两个力学基本概念相联系。一个是物体的惯性,另一个是力。 ”马文蔚先生改编的物理学4 也做了同样
5、的论述等等。如果第一定律的实质是描述物体的惯性,那它就没有独立存在的意义了,因为牛顿第二定律 a=F/m 不但描述了物体的惯性,而且定量地给出了物质的惯性大小可以用惯性质量 m 来描述,由此可见第一定律称作惯性定律 ,把它说成是描述物体惯性决非是牛顿的本意。2 牛顿第一定律的实质也不是对力做出定义 前面已经提到,北京大学的顾建中先生编写的普通物理学简明教程,“力学部分”指出,第一定律中包含两个重要概念,其中第(2)个是: “要改变物体的运动状态,即是说使物体产生加速度,一定要有其他物体对它的作用,这种作用称为力。 ”这段话的意思就是说牛顿第一定律实质是对力作了定义,而程守洙、江之永主编普通物理
6、学卷 1 5 中更明确指出 :“第一定律还定性的阐 明了力的涵义。 ”如果真如上述所指,第一定律是对力的定义,那就产生了一种逻辑上的循环,即第一定律定义了力,而力的存在与否又决定了第一定律,这种逻辑上的混乱牛顿是不会没发现的,也不会让这种逻辑错误存在于它的理论体系中。关于力的定义应该是在第一定律之外独立存在的一个概念:力是物体间的相互作用,而不是由第一定律给出的。3 牛顿第一定律的实质是给出了惯性系 牛顿第一定律的实质是:它给出了一个不受力或所受合力为零的物体或物体系,这个系统不存在运动状态的改变,即这个系统不存在加速度,我们知道物理学中所研究的问题都是相对的,即以一定的物体或物体系作参照物的
7、,而牛顿第一定律就给出了这样一个没有加速度的参照物系惯性系,它才使我们对物理问题的研究和物理量的测量变的有意义。 4 牛顿第一定律在理论系统中的地位第一定律中包含的基本概念，奠定了经典力学的概念基础，从而使它处于理论系统中定义原理的前提地位。这表现在：（1） 首次批驳了延续两千多年的亚里士多德等人错误的力的概念，为确立正确的力的概念扫清了道路。（2） 第一次科学地给出了力的定性定义（含力的本质和力的效果） 。（3） 第一次提出了经典力学的几个基本概念，为其他几个原理奠定了概念基础。主要有： 惯性参考系、力的定性概念（本质和效果） 、惯性及惯性运动。牛顿第一定律首先表明了“不受力”下，物体的动力
8、学规律（做惯性运动） 。在此基础上才能表明其他几个基础原理。首先，经典力学的全部规律均要求在惯性参考系内考察。牛顿第二定律进一步要标明“受力”下，物体的动力学规律。在这里，利用力的效果，加速度 a，定量定义了力的大小和方向；也定量定义了惯性的大小即质量。得到牛顿第二定律表达式 F=ma。在理的概念的基础上，才能进一步表述力本身的规律，这就是：牛顿第三定律（反应作用力和反作用力的普遍关系） ；力的叠加原理或力的独立作用原理（反应力的矢量性） 。它们是力本身普遍的规律。还有具体力的规律，几种力的定量表达式：万有引力定律、胡克定律、和摩擦定律。总之，在理论系统中几个基本原理的关系式上，无论从概念的关
9、系上看，还是从表述规律的内容上看，第一定律均处于前提和基础地位。这在物理学的发展史上也是如此。5 牛顿第一定律在物理教学中的地位力和运动的关系，是动力学的基本问题，人类正确认识这个问题，经历了漫长的过程。在物理学发展史上，是伽利略最早发现和提出了“惯性定律” ，首先推翻了亚里士多德错误的力的概念，但由于没有排除重力的影响，故错误地认为惯性运动不能是匀速直线运动，而应该是沿着地球表面的匀速圆周运动6。后经笛卡儿的修正，排除了一切力的作用，给出了“惯性定律”的正确表述。牛顿继承了伽利略和迪卡儿的研究成果，于1687 年发表了自然哲学的数学原理 ，提出了机械运动的三个基本定律，从而奠定了经典力学的理
10、论基础。在关于牛顿三个运动定律的教学中，教师和学生往往会认为牛顿第二定律是牛顿运动定律的核心，是重中之重，牛顿第一定律远不及牛顿第二定律那么重要，从而忽视了牛顿第一定律的概念教学。其原因可能有三个方面：一是以牛顿第二定律为中心的应用问题压制了牛顿第一定律的概念教学。计算过程推理性较强，能解出具体问题的答案，又能通过考试题检查知识的掌握和应用情况，师生都感兴趣。二是牛顿第一定律的实验基础抽象，不能直接得到实验验证，教学过程难以实施，因而忽略其重要性。三是有种倾向认为牛顿第二定律可以涵盖牛顿第一定律，第一定律不过是第二定律的特例，可以作为第二定律的逻辑推论，所以侧重于第二定律而忽视第一定律的教学。
11、这种认识值得探讨。从物理学出发，受力条件下物体的云顶规律不能包括不是欧力下物体的运动规律。（1） 从牛顿第二定律的表达式 F 合 =ma 推断，认为如果 F 合 =0，则 a=0，表示物体静止或匀速直线运动，做惯性运动，即为第一定律。 上述错误在于：F 合=0，并不能表示物体“不受力” ，而是“受力”下合力为零，虽然与“不受力”是的运动状态相同,但此时 a=0 不是第一定律的惯性运动，因为惯性运动必有“不受力”的前提条件。惯性定律的外界条件是不受力，不能把“受力”而合力为零条件下的运动称为惯性运动，虽然他们达到的运动效果相同，但二者是本质上不同的运动， “不受力”下的运动是理想运动，以理想实验
12、为基础，合力为零下的运动是真实运动，以真实实验为基础。（2） 从物体受一个力时的第二定律 F=ma 出发，认为 F=0 为物体“不受力”的数学表达，则 a=0，物体做惯性运动。上述错误在于：牛顿第二定律是建立在物体“受力”条件下和真实的实验基础上的，因此不能逻辑地推断 时理想极限情况下的运动，物体在“不受力”情况下做惯性运动，其加速度如何，只能依靠理想实验来证明。如前所述，第一定律和第二定律的实验基础完全不同，真实实验不能包括理想实验，理想实验是真实实验的理想极限，是无任何实验误差的思维实验，十四位理想化抽象的产物，“不受力”的条件对真实实验不能满足，只能靠思维的逻辑推理去把握，这正是牛顿第一
13、定律与第二定律彼此独立的实验根据。可见，第一定律和第二定律实务题“不受力”和“受力”条件下两个本质不同的运动规律。6 牛顿第一定律的作用 当我们选定了由牛顿第一定律所给出的参照系惯性系,使物理量的测量才变成可能;牛顿第二、第三定律才变得有意义。如牛顿第二定律给出的数学表示 ,它只有在相对惯性 系一个没有加速度的参照系时, 才有确定的测量值,如参照系不是惯性系,而存在加速度,则 中的 的值就将改变,那么第二定 律就没有意义了,或者说不再成立了。例如,设一个在平直轨道上的小车,小车上有一光滑的桌面,桌面上放一小球,开始时静止在轨道上(见图 1)。 图 1加速小车示意图 小球相对地面也是静止。在地上
14、和车上的观察者 看到,这个小球在水平桌面上不受力,所以没有加速度。但当小车以水平加速度 0 向右运动时,在地面的参照系中的人看,小球在水平方向不受力,仍然静止,而在有加速度的参照系小车中的观察 者看,小球虽不受力,但却以- 0 向左运动,这显然与牛顿第一定律不符,而且小球相对于车上的观察者来说,它的加速度随 0 而变化,可见,牛顿第二定律不再成立。它从一个方面说 明:牛顿第二定律只对没有加速度的参照系成立。 同样对于第三定律也是一样,如对有加速度的参照系,物体间的作用力和反作用力的大小就不再 相等,即 分别是作用力和反作用力),则第三定律也就不成立了。同样,由牛顿运动 定律建立起来的质点力学体
15、系,如动量定理 = ,动量守恒定律 ,动能 定理等也都对惯性系成立。可见牛顿第一定律是不可缺少的,是完全独立的一条重要的力学定律。所以可以看出牛顿第一定律,它和第二、第三定律构成了一个完整的理论体系,它是第二、第三定律的基石,是第二、第三定律成立的保证,而牛顿第二、第三定律只对由第一定律给出的惯性系才成立。由此我们也给出了惯性系和非惯性系的定义:一个不存在加速度的参照系称做惯性系,否则为非惯性系。非惯性系中的力学问题不能由牛顿第二定律来解决而要用非惯性系中的力学方程: 求解。式中 为在惯性系中 测得的物体受的力,而为在非惯性系中测得的惯性力, 0 为非惯性系统的加速度。而我们 的一些教科书上如
16、:马 文 蔚 改 编 的 面 向 21 世 纪 课 程教材物理学4 却说:“我 们 把 适 用牛 顿 定 律 的 参 考 系 叫 做 惯 性 参 考 系 ,简称惯性系; 反之就叫非惯性系。这种论述因果关系上有些颠倒,逻辑上也不够严谨。 5 结束语 牛顿第一定律与其他两个定律构成了牛顿力学的完整体系,牛顿第一定律给出了惯性系的概念,它的本质并不是给出物体的惯性,也不包含着力的定义 。牛顿第二、第三定律只对惯性系成立。参考文献:1 爱德华格兰特著，张卜天译，近代科学在中世纪的基础。长沙：湖南科技技术出版社，2010.1182顾建中.普通物理学简明教程力学部分M. 北京: 人民教育 出版社.1977 3张三惠.大学物理学力学M. 北京: 清华大学出版社.4马文蔚.物理学,上册M.北京 :高等教育出版社.19995程守洙、江之永.普通物理学( 第五版)M
