牛頓運(yùn)動(dòng)三定律的創(chuàng)立

牛頓運(yùn)動(dòng)三定律的創(chuàng)立圖4-3為艾薩克?牛頓17世紀(jì)是科學(xué)史上英雄的世紀(jì)，在這多產(chǎn)的年代，有眾多的知識(shí)巨人往來(lái)其間．意大利的伽利略于1609年用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)月亮，這一時(shí)刻對(duì)世界的意義如此重大，以致人們將它與耶穌的誕生相提并論；德國(guó)的開(kāi)普勒于1619年完成了行星運(yùn)動(dòng)三定律的創(chuàng)立，毫無(wú)疑問(wèn)地確立了“天空立法家”的穩(wěn)固地位；法國(guó)的笛卡兒于1637年建立了完整的方法論體系，使人類(lèi)的思維進(jìn)入了真正的理性化的時(shí)代；這是一個(gè)需要英雄而英雄輩出的年代，就在伽利略被羅馬教會(huì)迫害于佛羅倫薩死去的那一年，英國(guó)的林肯郡烏爾索普莊園一個(gè)普通的農(nóng)舍里，又一個(gè)偉人艾薩克?牛頓（IsacNewton,1642?1727圖4-3為艾薩克?牛頓牛頓的一生為科學(xué)事業(yè)作出了不朽的貢獻(xiàn)；為人類(lèi)留下了眾多的精神遺產(chǎn)。恩格斯曾評(píng)價(jià)說(shuō)：“牛頓由于發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律而創(chuàng)立了科學(xué)的天文學(xué)；由于進(jìn)行光的分解而創(chuàng)立了科學(xué)的光學(xué)；由于建立了二項(xiàng)式定理和無(wú)限理論而創(chuàng)立了科學(xué)的數(shù)學(xué)；由于揭示了力的本性而創(chuàng)立了科學(xué)的力學(xué)”。1687年，牛頓完成了空前偉大的科學(xué)巨著《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》（后稱(chēng)《原理》）；正是他把文藝復(fù)興以來(lái)的科學(xué)革命推到了頂峰。下面回顧一下牛頓運(yùn)動(dòng)三定律創(chuàng)立的歷程。伽利略在1590?1592年間進(jìn)行大量落體實(shí)驗(yàn)后，于1600年發(fā)現(xiàn)物體沿斜面上升運(yùn)動(dòng)時(shí)為等減速運(yùn)動(dòng)；下降時(shí)為等加速運(yùn)動(dòng)。于是，他通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)方法，得出物體沿水平光滑平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，則“運(yùn)動(dòng)一旦進(jìn)行，沒(méi)有外力的干涉，就不會(huì)停止，沿水平面運(yùn)動(dòng)的速度也永不會(huì)改變。”這就是伽利略發(fā)現(xiàn)的著名慣性律。但是，他同時(shí)認(rèn)為。等速園周運(yùn)動(dòng)也是慣性運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)而推論行星是按等速園軌道的慣性運(yùn)動(dòng)才永恒地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，所以，伽利略雖然發(fā)現(xiàn)了慣性律，但在概念上卻存在問(wèn)題，而彌補(bǔ)這個(gè)不足的人則是笛卡兒。笛卡兒在《哲學(xué)原理》中論述了物體永遠(yuǎn)保持它的靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非受到外力的作用。并進(jìn)一步明確指出，慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而只保持在直線上。至此，慣性律才算比較完善地建立起來(lái)，但還不是運(yùn)動(dòng)第一定律。慣性律的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)思想史上。有著特殊的重大意義。亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀在伽利略之前居統(tǒng)治地位，他的基本出發(fā)點(diǎn)是定性地研究宇宙間的自然運(yùn)動(dòng)，它定義自然運(yùn)動(dòng)為落向宇宙中心的物體運(yùn)動(dòng)，并用這個(gè)運(yùn)動(dòng)速度大小定義重量概念。伽利略則開(kāi)始時(shí)認(rèn)為自然運(yùn)動(dòng)應(yīng)指的是落向地球中心的運(yùn)動(dòng)。用物體含的原子數(shù)量從其相對(duì)比較中來(lái)定義重量（質(zhì)量）。后來(lái)，他把落體運(yùn)動(dòng)和慣性運(yùn)動(dòng)并列為最基本的運(yùn)動(dòng)即自然運(yùn)動(dòng)。這明顯表現(xiàn)在他處理拋物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，將其分解為落體加速運(yùn)動(dòng)和直線慣性運(yùn)動(dòng)上。至牛頓時(shí)，只認(rèn)為慣性運(yùn)動(dòng)才是準(zhǔn)一的自然運(yùn)動(dòng)，而落體運(yùn)動(dòng)因受引力的作用才產(chǎn)生的。所以，用今天的話來(lái)說(shuō)，只有慣性運(yùn)動(dòng)才是零力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。研究慣性運(yùn)動(dòng)具有特殊的意義，它不但可作為運(yùn)動(dòng)的第一定律，而且從打破慣性出發(fā)就可以研究運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化與作用力的關(guān)系及作用力與反作用力的關(guān)系。所以運(yùn)動(dòng)的第一定律又是運(yùn)動(dòng)二、三定律的基礎(chǔ)和發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的必要前提。從這個(gè)過(guò)程可以看出，慣性律的發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)觀及動(dòng)力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展上有多么重要的作用。古人既然研究了物體的慣性運(yùn)動(dòng)，其邏輯發(fā)展則必然是探討打破慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)外力與運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)系問(wèn)題，但正因?yàn)樗麄冎痪哂徐o質(zhì)量的概念。就不可能深入到問(wèn)題的本質(zhì)而上升為科學(xué)的定律。伽利略在這個(gè)問(wèn)題上的重要突破是第一次發(fā)現(xiàn)了加速度概念。并將加速度和作用力直接聯(lián)系起來(lái)，從而否定了亞里士多德將速度和力相聯(lián)系的直觀物理學(xué)思想，開(kāi)創(chuàng)了動(dòng)力學(xué)的研究。他認(rèn)為加速度究竟按什么比例增加，“直到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)哲學(xué)家或數(shù)學(xué)家懂得?！薄白饔昧Ρ匕次矬w運(yùn)動(dòng)的速度的變化而成比例地增加”。但是，伽利略只具有靜質(zhì)量概念，即物質(zhì)含有的原子數(shù)量(以原子質(zhì)量為單位1)或物質(zhì)的數(shù)量。而對(duì)動(dòng)質(zhì)量概念還處于朦朧不清的狀況，他還沒(méi)有從物質(zhì)內(nèi)在本質(zhì)去探索作用力與加速度的比例關(guān)系，也就不可能真正建立起動(dòng)質(zhì)量概念，更不可能發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)第二定律了。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，靜質(zhì)量的定義：“物體所含物質(zhì)之量”最早是F?培根在1620年《新工具》中提出來(lái)的。牛頓在1684年8—10月《論運(yùn)動(dòng)》一文及《原理》中為質(zhì)量所下的定義，此外，F(xiàn)?培根提出“作用力依賴(lài)于質(zhì)重”這是第一次將力和質(zhì)量明確聯(lián)系起來(lái)。牛頓一再明確說(shuō)伽利略、開(kāi)普勒和笛卡兒等人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)對(duì)他的影響，在動(dòng)力學(xué)上就是從伽利略和開(kāi)普勒成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的；約1664?1665年在就在《流水賬》(WasteBook)手稿中用“量”、“可感知的量”和“實(shí)體”等表示質(zhì)量。關(guān)于慣性運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，牛頓在伽利略和笛卡兒之后提出“，一個(gè)雖將永遠(yuǎn)在同一直線上運(yùn)動(dòng)(不改變其方向和速度)，除非受外力的推動(dòng)?！笨梢?jiàn)，在剛開(kāi)始研究動(dòng)力學(xué)時(shí)，牛頓就已能正確表述慣性律。在1665?1669年間寫(xiě)手稿中，提出“慣性是一物體的慣性力。［確保］其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不被任何外力所改變”。這里，牛頓對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的探討從現(xiàn)象的描述開(kāi)始，深入到問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，指出慣性是運(yùn)動(dòng)物體抵抗外力作用的內(nèi)在性質(zhì)。以慣性力的形式體現(xiàn)出來(lái)，因而突破了伽利略的慣性概念。關(guān)于運(yùn)動(dòng)第二定律的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，早在1664?1665年，牛頓就認(rèn)識(shí)到“一物體必按其被推動(dòng)的力的途徑運(yùn)動(dòng)”，就是說(shuō)運(yùn)動(dòng)的方問(wèn)取決于作用力的方向。1665?1668年間。牛頓在手稿中把作用力和運(yùn)動(dòng)變化及物體的大小聯(lián)系起來(lái)，提出“??運(yùn)動(dòng)物體所受的力因運(yùn)動(dòng)的大小和物體的大小而改變”。這說(shuō)明他在這時(shí)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到作用力和物體及運(yùn)動(dòng)變化之間存在定量的關(guān)系。究竟是什么樣的關(guān)系。當(dāng)時(shí)尚未通過(guò)實(shí)驗(yàn)和論證。為了進(jìn)一步回答這個(gè)問(wèn)題。他說(shuō)“力是運(yùn)動(dòng)和停止的原因”，“或是某種外因，推一物體，產(chǎn)生和破壞其運(yùn)動(dòng)，至少改變其運(yùn)動(dòng)，或是內(nèi)因，由于它的作用；物體保持運(yùn)動(dòng)或靜止，每一實(shí)體試圖保持其實(shí)際狀態(tài)而不易于受外力所改變”。這里，牛頓把力理解為外部的作用力和內(nèi)在的慣性力，因而對(duì)力的概念的理解大大深化了。1684年8?10月間，牛頓首次定義質(zhì)量為物質(zhì)之量，由其密度和大小(即體現(xiàn))共同度量，明確了靜質(zhì)量的概念問(wèn)題。同時(shí)，又提出慣性力實(shí)際上就是靜質(zhì)量。靜質(zhì)量是由物質(zhì)內(nèi)部含有的原子數(shù)或物質(zhì)之量來(lái)決定，因此與作用力和運(yùn)動(dòng)狀況無(wú)關(guān)。動(dòng)質(zhì)量則必須從作用力與運(yùn)動(dòng)的變化之間的比例關(guān)系去求解。所以這兩個(gè)質(zhì)量概念既不同，卻又存在內(nèi)在的聯(lián)系。這個(gè)聯(lián)系就在于靜質(zhì)量是質(zhì)量概念的內(nèi)涵，動(dòng)質(zhì)量則是質(zhì)量概念的外延，即在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的外在表現(xiàn)。牛頓從水平面上打破慣性運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)作用力等于加速度乘以物體的質(zhì)量，這是第一次表述在他于1684年8?10月間寫(xiě)的《論物體的運(yùn)動(dòng)》手稿中。實(shí)際上就是通過(guò)動(dòng)質(zhì)量概念的突破，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)第二定律。關(guān)于作用力和反作用力關(guān)系，牛頓在《原理》第一卷中就明確說(shuō)明，雷恩(WrensirChristopher,1632?1723)和惠更斯(HuygensChristiaan,1629?1695)在他之前已經(jīng)先后發(fā)現(xiàn)，并在皇家學(xué)會(huì)上用實(shí)驗(yàn)分別做過(guò)證明。牛頓早在1664?1665年，在《流水帳》手稿中，用圖示明確說(shuō)明二球碰撞時(shí)，各自產(chǎn)生的作用力相等，方向相反。因?yàn)樗c質(zhì)量概念無(wú)直接聯(lián)系，因而在十七世紀(jì)八十年代前期已基本上定型了。只是由于動(dòng)質(zhì)量概念的突破和運(yùn)動(dòng)第二定律的發(fā)現(xiàn)，使它具有動(dòng)力學(xué)上的定量關(guān)系的新含義，但此前尚未成為運(yùn)動(dòng)第三定律。牛頓約在1684年10月左右寫(xiě)的《論均勻介質(zhì)小物體的運(yùn)動(dòng)》－文的手稿中提出了運(yùn)動(dòng)基本六定律：定律一：每個(gè)物體由于固有的慣性力保持靜止或“在一直線上勻速運(yùn)動(dòng)，除非受外力而不得不改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。定律二：運(yùn)動(dòng)的變化與推力成正比，并沿推力方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。定律三：任何物體作用于另一物體的力有多大，它的反作用力就有多大。定律四：一物體在給定的空間中做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在絕對(duì)靜止的空間中和沿直線永做等速運(yùn)動(dòng)而不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間內(nèi)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果相同。定律五：一些物體的共同重心在相互作用過(guò)