牛顿力学三定律发现过程的逻辑分析

牛顿力学三定律发现过程的逻辑分析

（1）、牛顿第一定律发现过程的逻辑分析

发现实例：古希腊科学家亚里士多德（A.ristotle, 公元前384 ～322）依据观察得到如下结论：要维持物体作匀速直线运动，就需要有恒定的推动力。16世纪，意大利物理学家伽利略（G• Galilei, 1564～1642）认真研究了亚里士多德的这一结论，并尝试让同一物体在不同路面上作匀速直线运动，结果发现路面越光滑维持物体所需要的恒定推动力越小。伽利略由此想到，若路面极其光滑（没有摩擦力），是否维持物体作匀速直线运动的恒定推动力会等于0呢？

于是，伽利略作了如以下的斜面实验：他让具有一定速度运动的物体，沿斜面向下时，他的速度将越来越大；当沿斜面上升时，它的速度将越来越小。这些都是物体所受重力引起的。伽利略由此推定：如果物体既不向下，也不向上，而是继续在极其光滑的平面上运动的话，（重力在这个方向上不起作用）那它的速度必将保持不变。

惯性运动的发现证明了物体不仅有保持静止状态不变的特性，而且有保持其匀速直线运动不变的特性。后来牛顿从伽利略的发现中看到了这一性质的普遍意义并把他概括为一个自然规律——惯性定律，即一个物体将保持它自己的静止状态或匀速直线运动状态不变，直到它受到外力的作用迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。

创新逻辑分析：

①相反推理

已知：在粗糙路面上→需要的推力大

联想：粗糙路面～光滑路面（相反关系）

推论：在光滑路面上→需要的推力小

实验：在光滑路面上→需要的推力小

②相反推理

已知：有摩擦力路面→有推力

联想：有摩擦力～无摩擦力（相反关系）

推论：无摩擦力路面→无推力

实验：无摩擦力路面→无推力

（意大利：伽利略）

（2）、牛顿第二定律发现过程的逻辑分析

发现实例：惯性定律指出，当物体不受外力时，他将作匀速运动或处于静止状态，那么当物体受到外力时，它是否会作变速运动呢？牛顿通过实验发现，物体受外力时会作加速运动。当外力加大时，物体的加速度会增大，当物体的质量增大时，物体的加速度会减小。经反复测定得到如下结论：物体受力时产生的加速度的大小和它所受的外力的大小成正比，和物体本身的质量成反比，加速度的方向和外力的方向一致。若用F表示物体所受的外力，用m表示物体本身的质量，a表示物体在受外力时产生的加速度，上述规律可写成：

a = F∕m 或 F = ma 这个物体运动的变化（即加速度）和受力以及质量的关系叫做牛顿第二定律。

创新逻辑分析:

相反推理：

已知：不受外力的物体→匀速运动

联想：不受外力～受外力（相反关系）

推论：受外力的物体→变速运动

实验：受外力的物体→变速运动

a = F∕m 或 F = ma

（英国：牛顿）

（3）、牛顿第三定律发现过程的逻辑分析

发现实例：人们在社会实践中发现，当左手击打右手时，同时右手也会击打左手；当手对木箱施加推力时，同时木箱对手也有向后的压力；当卡车行进对托车有向前的拉力时，同时拖车对卡车也有向后的拽力；当锤子撞击钉子时，同时钉子对锤子也有力的作用；……。当任意一个物体对另一物体施加作用力时，同时另一物体对这一物体也有反作用力，且方向相反，同时分别作用在两个物体上。那么这两个力的大小是否相同呢？下面的实验回答了这个问题。

把两个弹簧秤相互勾起来，然后分别用两手拉它们，使它们发生相互作用。不论两手如何拉，两个弹簧秤在同一时刻的读数总是彼此相同的。这个实验表明，作用力和反作用力在任何时候都是大小相同，且方向相反。

创新逻辑分析：

①相似推理：

已知：A1对B1有作用力→ B1对A1有反作用力

联想：A1对B1 有作用力～A2对B2有作用力（相似关系）

推论：A2对 B2有作用力→ B2 对 A2有反作用力

实验：A2对B2有作用力→ B2对A2有反作用力

A3和B3、A4和B4......有作用力和反作用力

（英国：牛顿）

②相异推理：

已知：正、反作用力的方向→不同

联想：力的方向～力的大小（相异关系）

推论：正、反作用力的大小→相同

实验：正、反作用力的大小→相同

（英国：牛顿）

人物简介：

牛顿（Newton , 1642～1727）是英国剑桥大学数学教授。他出生于英格兰东部小镇乌尔斯索普村的一个农民家庭，父母都是农民。父亲在他出生前两个月就去世了，在牛顿两岁时母亲改嫁，将他寄养在外祖母和舅父家。青年牛顿因家境贫困，只上了两年中学就辍学回家。在务农的日子里，他仍坚持自学。经过不懈的努力，他在舅父的资助下，于1661年以优异的成绩考进了剑桥大学。 1665～1667年，因伦敦流行鼠疫，牛顿中断学业回到家乡。在家乡18个月的时间里，牛顿在力学、天文学、数学和光学等方面做出了巨大的成就。后来他写道：“……在这些日子里，我正处在发现力最旺盛的时期，而且对于数学和哲学（自然哲学）的关心比其他任何时候都多”。牛顿一生的绝大部分成就是在这个时期创造的。牛顿并没有把他的科技成果立即公布于世，除了几篇短文和一些问题的数学证明外，他的科学著作多半是在一、二十年后完成并发表的。 1667年牛顿返回剑桥大学读研究生，毕业后于1669～1701年留校担任

剑桥大学数学教授，他从教时间从27～59岁长达32年。1668年他发明了世界上第一架反射望远镜，并用它观测了行星运动，解释了潮汐、岁差现象，预言了地球不是正球体。1687年45岁的牛顿发表了他的科学巨著《自然哲学的数学原理》，这是牛顿一生中科学成就的顶峰。1703～1727年担任英国皇家学会会长，1705年牛顿被封为爵士。牛顿1699年被任命为造币厂厂长。

牛顿终生未婚，晚年由他外甥女照料生活。1727年3月20日因病去世，在维斯敏斯特教堂为他举行了国葬。

牛顿是经典力学的奠基人，是微积分的创立者，他的科学成就在近代自然科学史上占有极其重要的地位。牛顿清醒地认识到人类追求真理的道路还十分漫长，他在弥留之际对身边的人说：“我不知道世人将对我如何评价，不过我自己觉得我只不过像一个在海滨玩耍的孩子，为时而发现一块光滑的石子或一个美丽的贝壳而感到高兴；但是那浩瀚的真理的海洋，却还在我的前面远未被发现呢！”

对于牛顿在科学上的贡献，恩格斯评价说：“牛顿由于发现了万有引力定律而创立了二项式定理和无限理论从而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学。”