牛頓第一定律的實質(zhì)地位和作用

1、牛頓第一定律的實質(zhì)地位和作用高焜（安慶師范學院物理與電氣工程學院安徽 安慶 246011）指導(dǎo)老師：江燕燕摘要：文章研究了牛頓第一定律的實質(zhì)及在牛頓三個定律中的地作用。澄清了對牛頓 第一定律的一些模糊認識對認識牛頓三定律之間的關(guān)系和理論的完備性和邏輯性提出了不同的看法。文章指出：牛頓第一定律的實質(zhì)是給出了 一個不受力或所受合力為零不存在加速度的系統(tǒng),即通常所說 的慣性 系而不 是力的定 義,定律成立與否來定而牛頓第二、第三定律只對慣性系才成立。慣性系也不能用牛頓義。關(guān)鍵詞：牛頓第一定律；慣性系；力13世紀的約翰布里單提出了“沖力” （impetus）的概念，他把沖力設(shè)想為 初始推動者傳給物體的

2、一種推動力，并賦予了沖力一種永恒的質(zhì)，認為它將一直 持續(xù)下去，除非被外部阻力所減弱或者耗盡。 在沒有外力作用的情況下，沖力的 初始量將保持不變，并且他暗示，如果將運動的所有阻力撤出，那么物體一旦開 始運動，很與可能將永遠沿直線勻速運動下去， 他沒有任何理由改變自己的運動 方向或者初始速度。1牛頓在1687年出版的名著自然哲學的數(shù)學原理一書中提出了三條定 律做為動力學的基礎(chǔ)。這三條定律統(tǒng)稱牛頓運動定律，以牛頓運動定律為基礎(chǔ)建 立起來的力學理論叫做牛頓力學。牛頓所述的三條定律的中文譯文為：第一定律:任何物體都保持靜止或沿一條直線做勻速運動的狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。第二定律：運

3、動的變化與所加的動力成正比，并且發(fā)生在這力所沿的直線的 方向上。第三定律:對于每一個作用，總有一個相等的反作用與之相反；或者說，兩個物 體之間對各自對方的相互作用總是相等的，而且指向相反的方向。牛頓定律提出已經(jīng)三百多年了 ，人們已經(jīng)非常熟悉了?？墒强v觀許多物理學 的教科書，對牛頓第一定律的實質(zhì)的認識，它在三個定律中的地位和作用，卻很少 給出合理的解釋和定位。下面就一些”物理學”教科書中對第一定律的不盡合理 的解釋和定位逐一給予說明。1 牛頓第一定律的本質(zhì)并非描述物體具有慣性幾乎所有的“物理”教科書中都強調(diào)：牛頓第一定律描述了物體具有慣性， 所以把第一定律也稱作慣性定律。其中具有代表性的：如北京

4、大學顧建中先生編寫的普通物理學簡明教程力學部分 2就明確指出：“第一定律中包含兩個 重要的 概念。（1）如果沒有其他物體的作用，則所研究的物體將保持其靜止的或勻 速直線運動的狀態(tài)；這種性質(zhì)稱為該物體的慣性,因為第一定律包含慣性這個 重要概念，所以又叫慣性定律。（2）,?！庇秩鐝埲莸染幹拇髮W物理學力學 3 中 指出 :“牛頓第一定律和兩 個力學基本概念相聯(lián)系。 一個是物體的慣性 , ,另一個是力?！瘪R文蔚先生改編 的物理學 4 也做了同樣的論述等等。 如果第一定律的實質(zhì)是描述物體的慣性 ,那它就沒有獨立存在的意義了 ,因為牛頓 第二定律 a=F/m 不但描述了物體的慣性 ,而且定量地給出了物

5、質(zhì)的慣性大小可以 用慣性質(zhì)量m來描述，由此可見第一定律稱作慣性定律，把它說成是描述物體慣性 決非是牛頓的本意。2 牛頓第一定律的實質(zhì)也不是對力做出定義 前面已經(jīng)提到 ,北京大學的顧建中先生編寫的 普通物理學簡明教程 ,“力 學部分”指出,第一定律中包含兩個重要概念 ,其中第（2）個是:“要改變物體的運動 狀態(tài),即是說使物體產(chǎn)生加速度,一定要有其他物體對它的作用 ,這種作用稱為力?！边@段話的意思就是說牛頓第一定律實質(zhì)是對力作了定義,而程守洙、江之永主編普通物理學卷 1 5 中更明確指出 :“第一定律還定性的闡 明了力的涵 義?！比绻嫒缟鲜鏊?,第一定律是對力的定義 ,那就產(chǎn)生了一種邏輯上的循

6、環(huán) , 即第一定律定義了力 ,而力的存在與否又決定了第一定律 ,這種邏輯上的混亂牛頓 是不會沒發(fā)現(xiàn)的 ,也不會讓這種邏輯錯誤存在于它的理論體系中。關(guān)于力的定義 應(yīng)該是在第一定律之外獨立存在的一個概念 :力是物體間的相互作用 ,而不是由第 一定律給出的。3 牛頓第一定律的實質(zhì)是給出了慣性系 牛頓第一定律的實質(zhì)是 :它給出了一個不受力或所受合力為零的物體或物 體系,這個系統(tǒng)不存在運動狀態(tài)的改變 ,即這個系統(tǒng)不存在加速度 ,我們知道物理 學中所研究的問題都是相對的 ,即以一定的物體或物體系作參照物的 ,而牛頓第一 定律就給出了這樣一個沒有加速度的參照物系慣性系，它才使我們對物理問題的研究和物理量的測

7、量變的有意義。4 牛頓第一定律在理論系統(tǒng)中的地位第一定律中包含的基本概念，奠定了經(jīng)典力學的概念基礎(chǔ)，從而使它處 于理論系統(tǒng)中定義原理的前提地位。這表現(xiàn)在：（1）首次批駁了延續(xù)兩千多年的亞里士多德等人錯誤的力的概念，為 確立正確的力的概念掃清了道路。（2）第一次科學地給出了力的定性定義（含力的本質(zhì)和力的效果） 。（3）第一次提出了經(jīng)典力學的幾個基本概念，為其他幾個原理奠定了 概念基礎(chǔ)。主要有： 慣性參考系、力的定性概念（本質(zhì)和效果） 、慣性及慣性運動。 牛頓第一定律首先表明了“不受力”下，物體的動力學規(guī)律（做慣性運動） 。在 此基礎(chǔ)上才能表明其他幾個基礎(chǔ)原理。首先，經(jīng)典力學的全部規(guī)律均要求在慣性

8、參考系內(nèi)考察。 牛頓第二定律進一步要標明“受力”下，物體的動力學規(guī)律。在這里，利用 力的效果，加速度a,定量定義了力的大小和方向；也定量定義了慣性的大小即 質(zhì)量。得到牛頓第二定律表達式 F=ma。在理的概念的基礎(chǔ)上，才能進一步表述力本身的規(guī)律，這就是：牛頓第三定律（反應(yīng)作用力和反作用力的普遍關(guān)系）；力的疊加原理或力的 獨立作用原理（反應(yīng)力的矢量性）。它們是力本身普遍的規(guī)律。還有具體力的規(guī)律，幾種力的定量表達式：萬有引力定律、胡克定律、和摩 擦定律?？傊诶碚撓到y(tǒng)中幾個基本原理的關(guān)系式上，無論從概念的關(guān)系上看，還 是從表述規(guī)律的內(nèi)容上看，第一定律均處于前提和基礎(chǔ)地位。這在物理學的發(fā)展 史上也是

9、如此。5 牛頓第一定律在物理教學中的地位力和運動的關(guān)系，是動力學的基本問題，人類正確認識這個問題，經(jīng)歷 了漫長的過程。在物理學發(fā)展史上，是伽利略最早發(fā)現(xiàn)和提出了 “慣性定律”， 首先推翻了亞里士多德錯誤的力的概念，但由于沒有排除重力的影響，故錯 誤地認為慣性運動不能是勻速直線運動， 而應(yīng)該是沿著地球表面的勻速圓周 運動。后經(jīng)笛卡兒的修正，排除了一切力的作用，給出了 “慣性定律” 的正確表述。牛頓繼承了伽利略和迪卡兒的研究成果， 于1687年發(fā)表了自 然哲學的數(shù)學原理，提出了機械運動的三個基本定律，從而奠定了經(jīng)典力 學的理論基礎(chǔ)。在關(guān)于牛頓三個運動定律的教學中，教師和學生往往會認為牛頓第二定 律

10、是牛頓運動定律的核心，是重中之重，牛頓第一定律遠不及牛頓第二定律 那么重要，從而忽視了牛頓第一定律的概念教學。其原因可能有三個方面： 一是以牛頓第二定律為中心的應(yīng)用問題壓制了牛頓第一定律的概念教學。計算過程推理性較強，能解出具體問題的答案，又能通過考試題檢查知識的掌 握和應(yīng)用情況，師生都感興趣。二是牛頓第一定律的實驗基礎(chǔ)抽象，不能直 接得到實驗驗證，教學過程難以實施，因而忽略其重要性。三是有種傾向認 為牛頓第二定律可以涵蓋牛頓第一定律，第一定律不過是第二定律的特例， 可以作為第二定律的邏輯推論，所以側(cè)重于第二定律而忽視第一定律的教 學。這種認識值得探討。從物理學出發(fā)，受力條件下物體的云頂規(guī)律不

11、能包括不是歐力下物體的 運動規(guī)律。（1）從牛頓第二定律的表達式F合=口&推斷，認為如果F合=0,則 a=0，表示物體靜止或勻速直線運動，做慣性運動，即為第一定律。上述錯誤在于：F合=0,并不能表示物體“不受力”，而是“受 力”下合力為零，雖然與“不受力”是的運動狀態(tài)相同，但此時a=0不是第一定律的慣性運動，因為慣性運動必有“不受力”的 前提條件。慣性定律的外界條件是不受力，不能把“受力”而合 力為零條件下的運動稱為慣性運動，雖然他們達到的運動效果相 同，但二者是本質(zhì)上不同的運動，“不受力”下的運動是理想運 動，以理想實驗為基礎(chǔ)，合力為零下的運動是真實運動，以真實 實驗為基礎(chǔ)。（2）從物

12、體受一個力時的第二定律 F=ma出發(fā)，認為F=0為物體“不 受力”的數(shù)學表達，則a=0,物體做慣性運動。上述錯誤在于：牛頓第二定律是建立在物體“受力”條件下和真實的實 驗基礎(chǔ)上的，因此不能邏輯地推斷時理想極限情況下的運動，物體在“不受力”情況下做慣性運動，其加速度如何，只能依靠理想實驗來證明。如前 所述，第一定律和第二定律的實驗基礎(chǔ)完全不同，真實實驗不能包括理想實 驗，理想實驗是真實實驗的理想極限，是無任何實驗誤差的思維實驗，十四 位理想化抽象的產(chǎn)物，“不受力”的條件對真實實驗不能滿足，只能靠思維 的邏輯推理去把握，這正是牛頓第一定律與第二定律彼此獨立的實驗根據(jù)?？梢?，第一定律和第二定律實務(wù)題

13、“不受力”和“受力”條件下兩個本 質(zhì)不同的運動規(guī)律。6 牛頓第一定律的作用當我們選定了由牛頓第一定律所給出的參照系一一慣性系，使物理量的測量才變成可能;牛頓第二、第三定律才變得有意義。如牛頓第二定律給出的數(shù)學個沒有加速度的參照系時，才另 F. = m a表示.，它只有在相對慣性系= ma-有確定的測量值，如參照系不是慣性系，而存在加速度，則.中的 的值就將改變，那么第二定律就沒有意義了，或者說不再成立了。例如，設(shè)一個在平 直軌道上的小車，小車上有一光滑的桌面，桌面上放一小球，開始時靜止在軌道上 （見圖1）。圖1加速小車示意圖小球相對地面也是靜止。在地上和車上的觀察者看到，這個小球在水平桌面上不

14、 受力，所以沒有加速度。但當小車以水平加速度 o向右運動時，在地面的參照系中 的人看，小球在水平方向不受力，仍然靜止，而在有加速度的參照系小車中的觀察 者看,小球雖不受力，但卻以-0向左運動，這顯然與牛頓第一定律不符，而且小球 相對于車上的觀察者來說,它的加速度隨0而變化,可見，牛頓第二定律'不再成立。它從一個方面說明:牛頓第二定律只對沒有加速度的參照系成立。同樣對于第三定律也是一樣，如對有加速度的參照系，物體間的作用力和反作用力的大小就不再相等,即7 分別是作用力和反作用力）,則第三定律也就不成立了。同樣，由牛頓運動 定律建立起來的質(zhì)點力學體系，如動量定,動量守恒定律一 ，動能定理等

15、也都對慣性系成立?？梢娕ｎD第一定律是不可缺少的是完全獨立的一條重要的力學定律。所以可以看出牛頓第一定律 ，它和第二、第 三定律構(gòu)成了一個完整的理論體系，它是第二、第三定律的基石，是第二、第三定 律成立的保證，而牛頓第二、第三定律只對由第一定律給出的慣性系才成立。由此我們也給出了慣性系和非慣性系的定義：一個不存在加速度的參照系稱做慣性系，否則為非慣性系。非慣性系中的力學問題不能由牛頓第二定律來解決而要用非慣性系中的力學4-= tn a方程：求解。式中.為在慣性系中測得的物體受的力,而為在非慣性系中測得的慣性力，垃°為非慣性系統(tǒng)的加速度。而我們的一些教 科書上如：馬文蔚改編的面向21世紀課程教材物理學4卻說：我們把適用 牛 頓 定律的參考系叫做慣性參考系，簡稱慣性系；反之就叫非慣性系。 這種論述因果關(guān)系上有些顛倒，邏輯上也不夠嚴謹。5 結(jié)束語牛頓第一定律與其他兩個定律構(gòu)成了牛頓力學的完整體系 ，牛頓第一定律 給出了慣性系的概念，它的本質(zhì)并不是給出物體的慣性，也不包含著力的定義