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1、牛顿第一定律的建立过程 一、亚里士多德的运动观念力与运动的关系问题，很早以前，就是人们关注的焦点古希腊最伟大的哲学家和科学家亚里士多德对力与运动的关系问题作过许多探讨亚里士多德把运动分为自然运动和受迫运动，他认为自然运动不需要力的推动，而受迫运动需要作用力的推动作用力是产生受迫运动的原因，作用力的本质就是抵抗，克服物体趋向其自然位置的本性他认为，要使物体不断地作受迫运动，就要使外力不断作用于物体，不断地同物体保持直接接触一旦这种作用停止了，直接接触中断了，物体的运动也就随之停止，所以在他看来物体本身不能维持运动亚里士多德用他的运动观念解释了我们扔石头，石头离开手后为何还会运动一段距离他认为，在
2、这种状况下，石头后面的空气同石头保持着接触，当石头在手的推动下离开手的一瞬间，石头原来占据的位置就成了虚空，而大自然是厌恶真空的，所以周围的空气就立即填补了这个空间，对石头形成了一种冲力，使它又能向前移动一个位置依此类推，石头离开手后就能继续移动一段距离亚里士多德对自由落体运动的解释，他认为是由于重量而使物体下落，而物体之所以有重量，是因为包含水元素特别是土元素的缘故物体所含土元素越多就越重，它趋向其自然位置地心的要求就越强烈，由此他得出一个重要结论：物体下落速度同它的重量成正比他继而引用马拉车，认为为了在一条平坦的路上拉车，马需要不断地用力，因此，沿直线以恒定速度运动的物体（如马车）应当受外
3、力作用总之，亚里士多德在力与物体运动关系的问题上做出了不少错误的结论即认为：受力运动与物体本质无关，取决于外力的作用， “运动者皆有推动者推动” ， “在受力时，力既是产生运动，又是维持运动的原因”“沿直线以恒定速度运动的物体应当受外力的作用”等由于亚里士多德的威望和影响，他的一些错误结论被当作信条，统治了人们近二千年的历史，直到十七世纪，人们才逐步形成正确的概念，其中伽利略做出了重要贡献二、伽利略提出惯性原理伽利略早在比萨大学读书时就指出：亚里士多德生活在近二千年前，现在世界已发生了很大的变化亚里士多德没有离开过地中海领域，而现在人们已完成了环球旅行亚里士多德只了解世界上的一个小角落，他不可
4、能永远正确而不犯错误伽利略十分重视运动学的研究，并努力建立一门新科学他写道：“在自然中，最古老的课题莫过于运动尽管哲学家们对此写出了内容庞杂的著作，我却发现运动的某些性质仍是值得探讨的 ”伽利略在批评亚里士多德运动观念的同时，提出了自己的力学观点他在研究自由落体运动时，设计了一个著名的斜面实验：他在一个板条上刻出一条直槽，贴上羊皮纸使之平滑，让一个光滑的黄铜小球沿直槽下滚，并用水钟测定下落时间，伽利略在斜面成不同的倾斜角和铜球滚动不同距离的情况下作了上百次测定，从而证明了落体“所经过的各种距离总是同所用时间的平方成正比”的自由落体定律在此基础上，伽利略进一步提出了“等末速度假设” 即静止物体不
5、论是沿竖直方向还是沿不同斜面从同一高度下落，到达末端时具有相同的速度伽利略进一步用单摆摆球的等高性实验作了检验如图：拉至 AB 放开的摆球会升到对面同一水平高度上，如果在 E 或 F 处钉上小钉子，摆球仍然沿不同的圆弧上升到同一水平高度的各点反过来，如果让摆球从这些点下落，它同样会升到原水平高度的 B 点这说明，沿不同倾斜度的斜面（不同弧线）下落，其末速度是相等的根据这个假设，伽利略推出了自由落体运动是作匀加速直线运动的结论“等末速度假设” 和单摆摆球的等高性实验，把伽利略引向理想斜面实验，如图让小球从第一个光滑斜面 AB 滚下，再爬上第二个光滑斜面 BC，则当小球在第二个斜面上爬到一定高度，
6、就停止上爬再度滚下上爬到的这个高度（C 点）刚好等于小球在第一个斜面上开始滚下的出发点（A 点）的高度如果从 AB 斜面滚下的小球沿 BD、BE 等斜面上爬，会得到相同的结果而这一切都同两个斜面的夹角无关于是伽利略推想，如果第二个斜面的倾角等于零，也就是说它是一个光滑的平面 BF，如果不考虑摩擦与空气阻力的作用，那么小球从第一个斜面滚下以后，它在第二个斜面（平面）上就永远达不到它原来出发时的高度，那它将永远滚动下去在关于两门新科学的对话中，伽利略写到：“我们可进而指出，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，此速度可保持不变，不过，这是只能在水平面上发生的一种情形因为在向
7、下倾斜的平面上已经存在一加速因素；而在向上倾斜的平面上则有一减速因素由此可见，在水平面上的运动是永久的因为，如果速度是匀速的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止 ”伽利略在这里基本上明确地提出了惯性原理但伽利略在惯性原理中，所考虑的平面仅是地球表面上的“水平面 ”，伽利略本人也认识到，他的惯性原理只在极限意义下才正确，因为一真正的水平面必然与地表面相切，因而如果延伸得足够远，一定看得出它是向高处走而沿着它向外运动的物体最终会慢下来而且伽利略的惯性原理仅限于地球上，并没有把它用于宇宙间使之成为普遍适用的定律所以，伽利略的惯性原理存在着很大的局限性针对伽利略惯性原理的局限性，笛卡儿作了补充笛卡儿克
8、服了伽利略所认为的绕地球的圆周运动也是惯性运动的结论明确指出，作惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动他总结出两条规则：第一，物体将一直保持它的速度，除非有别的物体制止它或者减慢它的运动速度；第二，物体始终趋向于维持直线运动至此，惯性定律已基本被发现三、牛顿总结出牛顿第一定律1牛顿关于力和惯性的定义牛顿在笛卡儿、伽利略等人工作的基础上，他在原理一书中首先定义了力和惯性两个概念他认为，施加于物体的力是为了改变其静止或匀速直线运动状态而施加于物体上的一种作用仅仅在作用中，力才显示出来，作用一结束，力便从物体间消失，然后由于惯性，物体继续保持原来的状态他写到：“物质的惰性力或固有之力，是按一定的量
9、而存在于其中的一种反抗的能力，由于这种力，任何物体不论是静止的或是沿直线均匀向前运动的（即匀速直线运动） ，都要尽力维持其现状 ”牛顿又指出， “这种力总是与具有该力的物体的质量成正比，而与物质的惰性毫无区别，只是说法不同而已由于物质的惰性，物体要脱离其静止状态或匀速直线运动状态是困难的基于这种考虑，这种表示惰性的力可以用一个最确切的名称，叫做惯性力或者惰性力”牛顿在此所指的“ 惯性力”或者“惰性力”，实质上就是“惯性 ”2牛顿总结出牛顿第一定律牛顿把惯性原理用于地球上物体运动的解释，又用于天体，给惯性原理赋予了普遍意义，使它成为一个定律，即牛顿第一定律其内容可简要陈述为：“任何物体都保持静止
10、的或匀速直线运动状态，直到其它物体的作用迫使它改变这种状态为止牛顿指出，在没有空气阻力妨碍或重力向下吸引的情况下，抛物体将继续其运动一个转动陀螺，如果没有空气阻力，它就不会停止转动象慧星和行星这样较大的物体，由于在较为自由的空间中遇到的阻力较小，所以它们能在更长的时间内同时保持其进动和圆周运动牛顿第一定律中所提到的物体是被当作质点来看待的，因而只涉及到物体的平动，而不涉及到物体的内部运动3牛顿第一定律的含义牛顿第一定律揭示出，任何物体都具有一种保持其原来运动状态的特性，即惯性当物体不受力时，它处于静止就保持静止状态不变；当它处于运动时，就保持匀速直线运动状态不变这体现了物体具有保持它原来运动状
11、态的特性定律还说明了匀速直线运动与静止这两种状态在一定意义上的等价性牛顿第一定律是从大量的实验现象出发，归纳总结出的，它是有一定的实验基础，但自然界中不受力的孤立物体是不存在的，因此，这一定律并不能简单地按其字面意义用实验直接加以验证，这更反映了它的普遍意义并且由牛顿第一定律得出的一切推论都与观察和实验结果相符合，这也间接证明了这一定律的正确性这一定律还表明，必须施加给物体一个力才能使物体改变运动状态，或由静止到运动，或由运动变为静止，或从一速度变为另一速度即力只是与运动状态的改变直接相联系的，这是由牛顿第二定律来定量描述的四、牛顿第一定律的发现留给我们的启示从牛顿第一定律的发现过程可知，理想
12、实验在其中起了决定性的作用理想实验是人们在科学实验的基础上，运用逻辑推理方法和发挥想象力，在思维中把客观的实验条件和研究对象加以理想化，抽象出来的一种理想化过程的“ 实验 ”伽利略被称为物理实验方法的先祖，同时他又创造了理想实验的方法他在科学研究中善于运用理想实验的方法，为驳斥亚里士多德的“重物下落速度快” 的错误结论，他设计了把轻重不同二物体捆在一起让其自由下落的理想实验，从而推翻了亚里士多德的落体观念他在发现惯性原理的过程中运用了理想斜面实验，堪称物理史中的一绝因为他所设计的理想斜面这种在纯粹理想状态下的实验，在实际当中是无法实现的尽管我们可以创造各种条件，把运动物体所受的摩擦力和空气阻力
13、尽量减少，但是永远不可能完全排除掉然而，这并不能阻碍人们根据多次越来越逼近于理想实验，运用逻辑推理方法进行科学抽象而作出应有的结论伽利略运用理想实验所得到的结论被牛顿概括总结出牛顿第一定律，成为经典力学的建立基础在爱因斯坦和英费尔德合著的物理学的进化一书中，也曾讲到一个关于惯性定律的理想实验，这对我们进一步理解牛顿第一定律是会有所帮助的书中写道：“假如有人推着一辆小车在平路上行走，然后突然停止推那辆小车，小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离我们问：怎样才能增加这段距离呢？这有许多办法，例如在车轮涂油，把路修得很平滑等.车轮转动得越容易、路愈平滑，车便可以运动得愈远假想路是绝对平滑的，而车轮也毫无摩擦那么就没有什么东西阻止小车，而它就会永远运动下去 ”理想实验的方法在现代物理学中发挥着越来越大的作用爱因斯坦曾设计了“同时相对性” 的理想实验，通过这一实验他确立了同时性的相对性的科学概念，成为创立狭义相对论的重要基础理想实验根植于科学实验之中，但它具有现实实验所达不到的极度简化和纯化的程度，因而更有利于探索和揭示自然事物和现象的规律性运用理想实验，是提出科学假说的重要途径之一，它具有加深对现实实验和研究对象性质及其运动规律的理解，还具有使逻辑证明和反驳更明确、直观及有力的作用，当然，理想实验的结论还须科学观察和实验的检验
