牛顿第一运动定律

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牛顿第一运动定律,简称牛顿第一定律。又称惯性定律、惰性定律。常见的完整表述:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。[1-2] 
英国物理学家艾萨克·牛顿于1687年,在巨着《自然哲学的数学原理》里,提出了牛顿运动定律,牛顿第一运动定律就是其中一条定律[3] 
牛顿第一定律与牛顿第二、第三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,第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系只对惯性系成立。因此,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。[4] 
中文名
牛顿第一运动定律
外文名
Newton's First law of Motion
别    称
惯性定律、惰性定律
提出者
艾萨克·牛顿
提出时间
1687年
应用学科
物理
适用领域范围
力和运动状态的关系、初等物理
主要研究着作
《自然哲学的数学原理》

牛顿第一运动定律定律定义

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牛顿在《自然哲学的数学原理》中的原始表述是:任何物体都要保持匀速直线运动静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。[3]  该表述在人教版、粤教版高中物理教材中被引用。
用数学公式表示为:
,其中
为合力,v为速度,t为时间。
鲁教版高中物理教材中的表述是:牛顿第一定律表明,当合外力为零时,原来静止的物体将继续保持静止状态,原来运动的物体则将继续以原来的速度做匀速直线运动。合外力为零包括两种情况:一种是物体受到的所有外力相互抵消,合外力为零;另一种是物体不受外力的作用。[5]  有的专家学者认为这种表述方式并不严谨,所以通常采用原始表述。[2] 

牛顿第一运动定律演绎过程

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伽利略研究运动学的方法是把实验和数学结合在一起,既注重逻辑推理,又依靠实验检验。[6]  他对光滑斜面的推论是通过实验观察,并推论得到的。但是这个完全光滑的斜面在现实中不存在,因为无法将摩擦力完全消除,因此理想斜面实验属于伽利略的逻辑推理部分。
伽利略对光滑斜面的推论
现实中,当一个球沿斜面向下滚时,它的速度增大,而向上滚时,它的速度减小。
由此伽利略推论,当球沿水平面滚动时,它的速度应不增不减。实际上他发现,球愈来愈慢,最后停下来。伽利略认为,这并非是它的“自然本性”,而是由于摩擦阻力的缘故,因为他同样还观察到,表面愈光滑,球便会滚得愈远。
伽利略的理想斜面实验 伽利略的理想斜面实验
于是他推论,若没有摩擦阻力,球将永远滚下去。
伽利略的理想斜面实验
伽利略的理想斜面实验实验如图所示,让小球沿一个光滑斜面从静止状态开始下滚,小球将滚上另一个斜面,达到与原来差不多的高度然后再下滚。他推论,只是因为摩擦力,球才没能达到原来的高度。然后,他减小后一斜面的倾角,小球在这个斜面上仍达到同一高度,但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度就会滚得更远。
于是他对斜面平放时的情况进行研究,结论显然是球将永远滚下去。这就是说,力不是维持物体的运动即维持物体的速度的原因,而恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。因此,一旦物体具有某一速度,如果它不受力,就将以这一速度匀速直线地运动下去。[7] 

牛顿第一运动定律适用范围

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牛顿第一定律只适用于惯性参考系。在质点不受外力作用时,能够判断出质点静止或作匀速直线运动的参考系一定是惯性参考系,因此只有在惯性参考系中牛顿第一运动定律才适用。
牛顿第一定律在非惯性参考系(即有加速度的系统)中不适用,因为不受外力的物体,在该参考系中也可能具有加速度,这与牛顿第一定律相悖。[8-9] 
当牛顿第一定律不成立时,即非惯性系中,要用非惯性系中的力学方程
求解力学问题。式中
为在惯性系中测得的物体受的合力,
为在非惯性系中测得的惯性力,
为非惯性系统的加速度。[4] 

牛顿第一运动定律独立性

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牛顿第一定律是完全独立的基本定律,它的独立性表现在:
  1. 确定了惯性参考系并引出了逻辑循环论证,这是公理体系的表现,任何学科的第一命题都要具有此特性。
  2. 指出了任何物体都具有惯性,建立的惯性概念[10] 
  3. 它的否命题揭示出力的概念,力是物体对物体的作用,力使物体的运动状态发生变化。
  4. 牛顿第二定律的基础,首先,牛顿第一定律为第二定律准备了概念(惯性质量惯性系)并定性阐明力和运动的关系;其次,第一定律主要说明物体不受外力作用时的运动状态。不受外力作用和物体所受外力矢量和为零不是一码事,因此不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F=0时的特殊情况。
      综上所述,牛顿第一定律是完全独立的基本定律,用其解决的问题,别任何规律都无法解决,第二、第三定律根本不能取代第一定律。[11] 

牛顿第一运动定律发展简史

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公元前5世纪的德谟克利特、伊壁鸠鲁认为:“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们碰撞时,它们一定以相等的速度运动。”这只是猜测或推想的结果。
公元前4世纪,希腊的哲学家亚里士多德指出:力是维持物体运动的原因,有力就有运动,没有力就没有运动。虽然这是一个错误的观点,但他第一次提出了力与运动间存在关系的论点,这就是他对动力学的贡献。[6] 
6世纪希腊学者菲洛彭诺斯对亚里士多德的运动学说持批判态度。他认为抛体本身具有某种动力,推动物体前进,直到耗尽才趋于停止,这种看法后来发展为“冲力理论”。
14世纪,以布里丹、阿尔伯特、奥里斯姆等人提出“冲力理论”,他们认为:“推动者在推动一物体运动时,便对它施加某种冲力或某种动力,速度越大,冲力越大,冲力耗尽时,物体停止下来。”这为伽利略和牛顿开辟了道路。[6] 
17世纪,伽利略,在自己的着作中多次提出类似于惯性原理的说法。他分别于1632年和1638年,在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和运动两种新科学的谈话》(简称《两门新科学》)中记录了他的理想斜面实验,并推想得到结论:“假设物体沿光滑斜面落下,并沿着另一斜面向上运动,则物体不受斜面倾角的影响仍将达到和原来同样的高度,只是需要的时间不同而已。”[6]  伽利略得到的结论,打破了自亚里士多德以来一千多年间关于受力运动的物体,当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步,这已经很接近惯性定律,但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响,还不能说伽略发现了惯性定律。[6] 
1644年,笛卡尔在他的《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足。[12]  他明确地指出,除非物体受到外因的作用,物体将永远保持其静止或运动状态,并且还特地声明,惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动,而只保持在直线上运动。他把这条基本原理表述为两条定律:一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态,直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止;二、所有的运动,其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系,其中许多是错误的,不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。笛卡儿的贡献在于他第一个认识到力是改变物体运动状态的原因。[2] 
1687年,牛顿在笛卡尔、伽利略等人工作的基础上,撰写《自然哲学的数学原理》,摆脱旧观念的束缚,把惯性定律作为第一原理正式提了出来:一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。他提出了保持匀速直线运动状态和静止状态是物体的固有属性的观点,以及从中得出的惯性参照系的概念。[13] 

牛顿第一运动定律定律影响

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1.牛顿第一定律给出了一个没有加速度的参考系——惯性系,使人们对物理问题的研究和物理量的测量有意义,[4]  从而使它成为整个力学甚至物理学的出发点。[14]  牛顿第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系,如动量定理动量守恒定律动能定理等,只对惯性系成立。
2.牛顿第一定律是其他原理的前提和基础。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第一个原理的前提地位,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奠定了基础。
(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,为第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系原理奠定了概念基础。[15] 
参考资料
  • 1.    张大昌.普通高中课程标准实验教科书物理1[M].北京:人民教育出版社,2011:68-69
  • 2.    李良杰.牛顿第一定律的教材编制摭论[J].课程教学研究,2013(2):74-75
  • 3.    艾萨克·牛顿着.王克迪,译.自然哲学的数学原理[M].西安:陕西人民出版社,2001
  • 4.    孙丽媛,徐恩生,罗洪超.牛顿第一定律的实质、地位和作用[J].沈阳航空工业学院学报,2005(2):3,78-79
  • 5.    廖伯琴,主编.普通高中课程标准实验教科书物理1[M].济南:山东科学技术出版社,2011:101-103
  • 6.    郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].北京:清华大学出版社,1993:8,19-20.
  • 7.    《牛顿第一定律》教学设计  .人民教育出版社 [引用日期2014-07-21]
  • 8.    贾玉江. 刘云鹏. 战永杰.理论力学疑难及易混问题分析[M].东北师范大学出版社,1987
  • 9.    李 忠. 齐淑静.物理学概念教学研究[M].湖南教育出版社,2000
  • 10.    李复,高炳坤.“惯性系”考[J].大学物理,2002(4)
  • 11.    钟庆.论牛顿运动三定律的独立性与内在逻辑自洽一致性[J].四川教育学院学报,2012(1):108-109
  • 12.    伏尔泰.哲学辞典[M].北京:北京出版社,2008年.
  • 13.    惯性定律的建立过程  .人民教育出版社 [引用日期2014-07-21]
  • 14.    唐孝蓉,郭茜.牛顿第一定律的实质和应用[J].科技创业家,2013(6):145
  • 15.    李忠.牛顿第一定律在经典力学理论系统中的重要地位[J].物理教师,1995(4):5-6
词条标签:
理学