牛顿第一定律的实质地位和作用

牛顿第一定律的实质地位和作用

高焜（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）

指导老师：江燕燕

摘要：文章研究了牛顿第一定律的实质及在牛顿三个定律中的地作用。澄清了对牛顿第一定律的一些模糊认识对认识牛顿三定律之间的关系和理论的完备性和逻辑性提出了不同的看法。文章指出：牛顿第一定律的实质是给出了一个不受力或所受合力为零不存在加速度的系统,即通常所说的惯性系而不是力的定义,定律成立与否来定而牛顿第二、第三定律只对惯性系才成立。惯性系也不能用牛顿义。

关键词: 牛顿第一定律; 惯性系; 力

13世纪的约翰·布里单提出了“冲力”（impetus）的概念，他把冲力设想为初始推动者传给物体的一种推动力，并赋予了冲力一种永恒的质，认为它将一直持续下去，除非被外部阻力所减弱或者耗尽。在没有外力作用的情况下，冲力的初始量将保持不变，并且他暗示，如果将运动的所有阻力撤出，那么物体一旦开始运动，很与可能将永远沿直线匀速运动下去，他没有任何理由改变自己的运动方向或者初始速度。[1]

牛顿在1687年出版的名著《自然哲学的数学原理》一书中提出了三条定律做为动力学的基础。这三条定律统称牛顿运动定律,以牛顿运动定律为基础建立起来的力学理论叫做牛顿力学。牛顿所述的三条定律的中文译文为: 第一定律:任何物体都保持静止或沿一条直线做匀速运动的状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

第二定律:运动的变化与所加的动力成正比,并且发生在这力所沿的直线的方向上。

第三定律:对于每一个作用,总有一个相等的反作用与之相反;或者说,两个物体之间对各自对方的相互作用总是相等的,而且指向相反的方向。

牛顿定律提出已经三百多年了,人们已经非常熟悉了。可是纵观许多物理学的教科书,对牛顿第一定律的实质的认识,它在三个定律中的地位和作用,却很少给出合理的解释和定位。下面就一些”物理学”教科书中对第一定律的不尽合理的解释和定位逐一给予说明

。

1 牛顿第一定律的本质并非描述物体具有惯性

几乎所有的“物理”教科书中都强调:牛顿第一定律描述了物体具有惯性,所以把第一定律也称作惯性定律。其中具有代表性的:如北京大学顾建中先生编写的《普通物理学简明教程》力学部分[2] 就明确指出:“第一定律中包含两个重要的概念。(1)如果没有其他物体的作用,则所研究的物体将保持其静止的或匀速直线运动的状态;这种性质称为该物体的惯性……因为第一定律包含惯性这个重要概念,所以又叫惯性定律。(2)……。”

又如张三惠等编著的《大学物理学》力学[3] 中指出:“牛顿第一定律和两个力学基本概念相联系。一个是物体的惯性,……,另一个是力。”马文蔚先生改编的《物理学》[4] 也做了同样的论述等等。

如果第一定律的实质是描述物体的惯性,那它就没有独立存在的意义了,因为牛顿第二定律a=F/m不但描述了物体的惯性,而且定量地给出了物质的惯性大小可以用惯性质量m来描述,由此可见第一定律称作惯性定律,把它说成是描述物体惯性决非是牛顿的本意。

2 牛顿第一定律的实质也不是对力做出定义

前面已经提到,北京大学的顾建中先生编写的《普通物理学简明教程》,“力学部分”指出,第一定律中包含两个重要概念,其中第(2)个是:“要改变物体的运动状态,即是说使物体产生加速度,一定要有其他物体对它的作用,这种作用称为力。”这段话的意思就是说牛顿第一定律实质是对力作了定义,而程守洙、江之永主编《普通物理学》卷1 [5] 中更明确指出:“第一定律还定性的阐明了力的涵义。”如果真如上述所指,第一定律是对力的定义,那就产生了一种逻辑上的循环,即第一定律定义了力,而力的存在与否又决定了第一定律,这种逻辑上的混乱牛顿是不会没发现的,也不会让这种逻辑错误存在于它的理论体系中。关于力的定义应该是在第一定律之外独立存在的一个概念:力是物体间的相互作用,而不是由第一定律给出的。

3 牛顿第一定律的实质是给出了惯性系

牛顿第一定律的实质是:它给出了一个不受力或所受合力为零的物体或物体系,这个系统不存在运动状态的改变,即这个系统不存在加速度,我们知道物理学中所研究的问题都是相对的,即以一定的物体或物体系作参照物的,而牛顿第一定律就给出了这样一个没有加速度的参照物系─—惯性系,它才使我们对物理问题的研究和物理量的测量变的有意义。

4牛顿第一定律在理论系统中的地位

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定义原理的前提地位。

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扫清了道路。

（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，为其他几个原理奠定了概念基础。

主要有：惯性参考系、力的定性概念（本质和效果）、惯性及惯性运动。牛顿第一定律首先表明了“不受力”下，物体的动力学规律（做惯性运动）。在此基础上才能表明其他几个基础原理。

首先，经典力学的全部规律均要求在惯性参考系内考察。

牛顿第二定律进一步要标明“受力”下，物体的动力学规律。在这里，利用力的效果，加速度a，定量定义了力的大小和方向；也定量定义了惯性的大小即质量。得到牛顿第二定律表达式F=ma。

在理的概念的基础上，才能进一步表述力本身的规律，这就是：

牛顿第三定律（反应作用力和反作用力的普遍关系）；力的叠加原理或力的独立作用原理（反应力的矢量性）。它们是力本身普遍的规律。

还有具体力的规律，几种力的定量表达式：万有引力定律、胡克定律、和摩擦定律。

总之，在理论系统中几个基本原理的关系式上，无论从概念的关系上看，还是从表述规律的内容上看，第一定律均处于前提和基础地位。这在物理学的发展史上也是如此。

5牛顿第一定律在物理教学中的地位

力和运动的关系，是动力学的基本问题，人类正确认识这个问题，经历了漫长的过程。在物理学发展史上，是伽利略最早发现和提出了“惯性定律”，首先推翻了亚里士多德错误的力的概念，但由于没有排除重力的影响，故错误地认为惯性运动不能是匀速直线运动，而应该是沿着地球表面的匀速圆周运动[6]。后经笛卡儿的修正，排除了一切力的作用，给出了“惯性定律”

的正确表述。牛顿继承了伽利略和迪卡儿的研究成果，于1687年发表了《自然哲学的数学原理》，提出了机械运动的三个基本定律，从而奠定了经典力学的理论基础。

在关于牛顿三个运动定律的教学中，教师和学生往往会认为牛顿第二定律是牛顿运动定律的核心，是重中之重，牛顿第一定律远不及牛顿第二定律那么重要，从而忽视了牛顿第一定律的概念教学。其原因可能有三个方面：一是以牛顿第二定律为中心的应用问题压制了牛顿第一定律的概念教学。计算过程推理性较强，能解出具体问题的答案，又能通过考试题检查知识的掌握和应用情况，师生都感兴趣。二是牛顿第一定律的实验基础抽象，不能直接得到实验验证，教学过程难以实施，因而忽略其重要性。三是有种倾向认为牛顿第二定律可以涵盖牛顿第一定律，第一定律不过是第二定律的特例，可以作为第二定律的逻辑推论，所以侧重于第二定律而忽视第一定律的教学。这种认识值得探讨。

从物理学出发，受力条件下物体的云顶规律不能包括不是欧力下物体的运动规律。

（1）从牛顿第二定律的表达式F

合=ma推断，认为如果F

合

=0，则

a=0，表示物体静止或匀速直线运动，做惯性运动，即为第一定

律。

上述错误在于：F合=0，并不能表示物体“不受力”，而是“受力”下合力为零，虽然与“不受力”是的运动状态相同,但此时

a=0不是第一定律的惯性运动，因为惯性运动必有“不受力”的

前提条件。惯性定律的外界条件是不受力，不能把“受力”而合

力为零条件下的运动称为惯性运动，虽然他们达到的运动效果相

同，但二者是本质上不同的运动，“不受力”下的运动是理想运

动，以理想实验为基础，合力为零下的运动是真实运动，以真实

实验为基础。

（2）从物体受一个力时的第二定律F=ma出发，认为F=0为物体“不受力”的数学表达，则a=0，物体做惯性运动。

上述错误在于：牛顿第二定律是建立在物体“受力”条件下和真实的实验基础上的，因此不能逻辑地推断时理想极限情况下的运动，物体在“不