牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)地位和作用

1、牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)地位和作用高焜（安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)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(shí)質(zhì)及在牛頓三個(gè)定律中的地作用。澄清了對(duì)牛頓 第一定律的一些模糊認(rèn)識(shí)對(duì)認(rèn)識(shí)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(shí)質(zhì)是給出了 一個(gè)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(shuō) 的慣性 系而不 是力的定 義,定律成立與否來(lái)定而牛頓第二、第三定律只對(duì)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(jì)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(dòng)者傳給物體的

2、一種推動(dòng)力，并賦予了沖力一種永恒的質(zhì)，認(rèn)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(yùn)動(dòng)的所有阻力撤出，那么物體一旦開 始運(yùn)動(dòng)，很與可能將永遠(yuǎn)沿直線勻速運(yùn)動(dòng)下去， 他沒有任何理由改變自己的運(yùn)動(dòng) 方向或者初始速度。1牛頓在1687年出版的名著自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書中提出了三條定 律做為動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。這三條定律統(tǒng)稱牛頓運(yùn)動(dòng)定律，以牛頓運(yùn)動(dòng)定律為基礎(chǔ)建 立起來(lái)的力學(xué)理論叫做牛頓力學(xué)。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(yùn)動(dòng)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(yùn)

3、動(dòng)的變化與所加的動(dòng)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(duì)于每一個(gè)作用，總有一個(gè)相等的反作用與之相反；或者說(shuō)，兩個(gè)物 體之間對(duì)各自對(duì)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(xué) 的教科書，對(duì)牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)的認(rèn)識(shí)，它在三個(gè)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(xué)”教科書中對(duì)第一定律的不盡合理 的解釋和定位逐一給予說(shuō)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(qiáng)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(xué)顧建中先生編寫的普通物理學(xué)簡(jiǎn)明教程力學(xué)部分 2就明確指出：“第一定律中包含兩個(gè) 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(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；這種性質(zhì)稱為該物體的慣性,因?yàn)榈谝欢砂瑧T性這個(gè) 重要概念，所以又叫慣性定律。（2）,?！庇秩鐝埲莸染幹拇髮W(xué)物理學(xué)力學(xué) 3 中 指出 :“牛頓第一定律和兩 個(gè)力學(xué)基本概念相聯(lián)系。 一個(gè)是物體的慣性 , ,另一個(gè)是力?！瘪R文蔚先生改編 的物理學(xué) 4 也做了同樣的論述等等。 如果第一定律的實(shí)質(zhì)是描述物體的慣性 ,那它就沒有獨(dú)立存在的意義了 ,因?yàn)榕ｎD 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(lái)描述，由此可見第一定律稱作慣性定律，把它說(shuō)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(shí)質(zhì)也不是對(duì)力做出定義 前面已經(jīng)提到 ,北京大學(xué)的顧建中先生編寫的 普通物理學(xué)簡(jiǎn)明教程 ,“力 學(xué)部分”指出,第一定律中包含兩個(gè)重要概念 ,其中第（2）個(gè)是:“要改變物體的運(yùn)動(dòng) 狀態(tài),即是說(shuō)使物體產(chǎn)生加速度,一定要有其他物體對(duì)它的作用 ,這種作用稱為力?！边@段話的意思就是說(shuō)牛頓第一定律實(shí)質(zhì)是對(duì)力作了定義,而程守洙、江之永主編普通物理學(xué)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(duì)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(huì)沒發(fā)現(xiàn)的 ,也不會(huì)讓這種邏輯錯(cuò)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(dú)立存在的一個(gè)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(shí)質(zhì)是給出了慣性系 牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)是 :它給出了一個(gè)不受力或所受合力為零的物體或物 體系,這個(gè)系統(tǒng)不存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變 ,即這個(gè)系統(tǒng)不存在加速度 ,我們知道物理 學(xué)中所研究的問題都是相對(duì)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(gè)沒有加速度的參照物系慣性系，它才使我們對(duì)物理問題的研究和物理量的測(cè)

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(xué)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(cuò)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(xué)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(xué)的幾個(gè)基本概念，為其他幾個(gè)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(yùn)動(dòng)。 牛頓第一定律首先表明了“不受力”下，物體的動(dòng)力學(xué)規(guī)律（做慣性運(yùn)動(dòng)） 。在 此基礎(chǔ)上才能表明其他幾個(gè)基礎(chǔ)原理。首先，經(jīng)典力學(xué)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(jìn)一步要標(biāo)明“受力”下，物體的動(dòng)力學(xué)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(dá)式 F=ma。在理的概念的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)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(dú)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(dá)式：萬(wàn)有引力定律、胡克定律、和摩 擦定律?？傊?，在理論系統(tǒng)中幾個(gè)基本原理的關(guān)系式上，無(wú)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(xué)的發(fā)展 史上也是

9、如此。5 牛頓第一定律在物理教學(xué)中的地位力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，是動(dòng)力學(xué)的基本問題，人類正確認(rèn)識(shí)這個(gè)問題，經(jīng)歷 了漫長(zhǎng)的過(guò)程。在物理學(xué)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(cuò)誤的力的概念，但由于沒有排除重力的影響，故錯(cuò) 誤地認(rèn)為慣性運(yùn)動(dòng)不能是勻速直線運(yùn)動(dòng)， 而應(yīng)該是沿著地球表面的勻速圓周 運(yùn)動(dòng)。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(xué)的數(shù)學(xué)原理，提出了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本定律，從而奠定了經(jīng)典力 學(xué)的理論基礎(chǔ)。在關(guān)于牛頓三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律的教學(xué)中，教師和學(xué)生往往會(huì)認(rèn)為牛頓第二定 律

10、是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的核心，是重中之重，牛頓第一定律遠(yuǎn)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(xué)。其原因可能有三個(gè)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(xué)。計(jì)算過(guò)程推理性較強(qiáng)，能解出具體問題的答案，又能通過(guò)考試題檢查知識(shí)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)抽象，不能直 接得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，教學(xué)過(guò)程難以實(shí)施，因而忽略其重要性。三是有種傾向認(rèn) 為牛頓第二定律可以涵蓋牛頓第一定律，第一定律不過(guò)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(xué)。這種認(rèn)識(shí)值得探討。從物理學(xué)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。（1）從牛頓第二定律的表達(dá)式F合=口&推斷，認(rèn)為如果F合=0,則 a=0，表示物體靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，做慣性運(yùn)動(dòng)，即為第一定律。上述錯(cuò)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，但此時(shí)a=0不是第一定律的慣性運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閼T性運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)稱為慣性運(yùn)動(dòng)，雖然他們達(dá)到的運(yùn)動(dòng)效果相 同，但二者是本質(zhì)上不同的運(yùn)動(dòng)，“不受力”下的運(yùn)動(dòng)是理想運(yùn) 動(dòng)，以理想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，合力為零下的運(yùn)動(dòng)是真實(shí)運(yùn)動(dòng)，以真實(shí) 實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。（2）從物

12、體受一個(gè)力時(shí)的第二定律 F=ma出發(fā)，認(rèn)為F=0為物體“不 受力”的數(shù)學(xué)表達(dá)，則a=0,物體做慣性運(yùn)動(dòng)。上述錯(cuò)誤在于：牛頓第二定律是建立在物體“受力”條件下和真實(shí)的實(shí) 驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此不能邏輯地推斷時(shí)理想極限情況下的運(yùn)動(dòng)，物體在“不受力”情況下做慣性運(yùn)動(dòng)，其加速度如何，只能依靠理想實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。如前 所述，第一定律和第二定律的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)完全不同，真實(shí)實(shí)驗(yàn)不能包括理想實(shí) 驗(yàn)，理想實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的理想極限，是無(wú)任何實(shí)驗(yàn)誤差的思維實(shí)驗(yàn)，十四 位理想化抽象的產(chǎn)物，“不受力”的條件對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)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(dú)立的實(shí)驗(yàn)根據(jù)?？梢?，第一定律和第二定律實(shí)務(wù)題

13、“不受力”和“受力”條件下兩個(gè)本 質(zhì)不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。6 牛頓第一定律的作用當(dāng)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(cè)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(xué)個(gè)沒有加速度的參照系時(shí)，才另 F. = m a表示.，它只有在相對(duì)慣性系= ma-有確定的測(cè)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(shuō)不再成立了。例如，設(shè)一個(gè)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(shí)靜止在軌道上 （見圖1）。圖1加速小車示意圖小球相對(duì)地面也是靜止。在地上和車上的觀察者看到，這個(gè)小球在水平桌面上不

14、 受力，所以沒有加速度。但當(dāng)小車以水平加速度 o向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)，這顯然與牛頓第一定律不符，而且小球 相對(duì)于車上的觀察者來(lái)說(shuō),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(gè)方面說(shuō)明:牛頓第二定律只對(duì)沒有加速度的參照系成立。同樣對(duì)于第三定律也是一樣，如對(duì)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(yùn)動(dòng) 定律建立起來(lái)的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系，如動(dòng)量定,動(dòng)量守恒定律一 ，動(dòng)能定理等

15、也都對(duì)慣性系成立?？梢娕ｎD第一定律是不可缺少的是完全獨(dú)立的一條重要的力學(xué)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(gè)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(duì)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(gè)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(xué)問題不能由牛頓第二定律來(lái)解決而要用非慣性系中的力學(xué)4-= tn a方程：求解。式中.為在慣性系中測(cè)得的物體受的力,而為在非慣性系中測(cè)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(jì)課程教材物理學(xué)4卻說(shuō)：我們把適用 牛 頓 定律的參考系叫做慣性參考系，簡(jiǎn)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(yán)謹(jǐn)。5 結(jié)束語(yǔ)牛頓第一定律與其他兩個(gè)定律構(gòu)成了牛頓力學(xué)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