关于牛顿定律的讨论

1、牛顿三大定律和万有引力定律构成了力学体系。但为什么牛顿只有三大定律，而不将万有引力定律也纳入，成为牛顿四大定律？

牛顿的三大定律作为定律，在物理教学上长期被看作是从实验中归纳总结出来又可以被实验证明的。物理学发展史表明，牛顿三大定律作为经典物理学的起点，就定律的本意而言，它的实质只是公理而不是定律；如同欧几里德公理不能证明一样，作为经典物理学的公理它们也是不可能由实验得到证明的。例如，第一定律就是无法证明的。因为，要使一个物体在没有受到任何摩擦力的平面上永远没有任何终点一直运动下去的任何实验都是不可能实现的。我们之所以接受它，是因为至今它没有导致得出与现有的有限的实验相矛盾的预言。而且，如同我们已经看到的那样，第一定律是有限制的，它不能应用于加速（非惯性系）参考系。

又如，第二定律也是不可证明的。因为，这个定律包含两个还未经定义的物理量：力和质量。有一种流行的做法是从通常习惯使用的第二定律 出发，使用所谓“控制变量法”来验证第二定律。例如，控制质量，用实验验证力与加速度的正比关系，再控制力，得出质量与加速度的反比关系。实际上，如同要验证第一定律但无法实现完全没有摩擦力的平面一样，要验证第二定律但是无法完全测量出物体受到的全部力，因此，第二定律也是不能证明的。

由此可见，三大定律是公理（公理是不能证明的），而不是定律（定律是可以证明的）。实际上，在牛顿的《原理》一书中，三大定律是牛顿在《序言》部分确实是作为公理提出的。正是从三大定律出发，牛顿在这本书中展开了他的经典力学理论。但是，为什么我们相信这三个定律？这是因为三百多年来正是牛顿三大定律作为公理为物理学的发展奠定了逻辑基础。与欧几里德几何学的公理不同的是，物理学的成功需要比与逻辑的推理相符和更多的东西。因为一个物理学的论证（无论它多么地美妙）只有通过多次反复的实验或观察以得到肯定的结果时才得到公认，否则这样的论证结论就是无效的。正是从这个意义上说，物理学是一门实验科学。例如，牛顿定律没有定义力，但是提出了处理那些测量到的力或借助于其他定律（例如，借助于万有引力定律）计算得到的具体的力的原则。我们接受和相信牛顿第二定律，因为从这个定律得出的预言与测量结果是相符的。

在牛顿的经典力学中确实有一个重要的定律涉及到具体的力，那就是万有引力定律。引力定律不是突然出现在牛顿的头脑里的。依据了布拉赫的天文观察资料和开普勒的分析，应用了牛顿三大定律（公理）；牛顿才得出了万有引力定律。或者说，也正是依据了牛顿三大定律（公理），牛顿概括了苹果从树上下落，月亮围绕地球的运动和行星围绕太阳的运动等，从而使构筑行星运动的万有引力定律成为可能。显然，单从公理是不可能给出万有引力定律这样的结果的。因此，为了得到有用的定律的表述，必须具有观察和实验的信息，具有来自真实世界的知识，而公理正是在这些基础上运行才能体现出它的作用。例如，为了分析一个物体的运动状态及其变化，首先需要测量或分析该物体受到其他物体产生的引力所形成的合力的作用，然后应用第二定律确定物体产生的加速度的大小和方向，进而得出物体运动的速度和位移等

2、根据牛顿第二定律，F=ma。当F=0时，得到物体在没外力作用下，将保持静止或匀速直线运动的状态。而这正是牛顿第一定律所描述的。能不能说牛顿第一定律是第二定律的一个特例？

不是,如果是的话,牛顿何必要第一定律.

如果这一点包含第二定律中，牛顿为什么要引入第一定律呢？前面已经论证，第一定律的重点在于揭示了物体具有固有的属性—惯性，并隐含着定义绝对惯性系的前提。正是在第一定律需要的惯性系中，一个物体受到净力为零的物体将作匀速直线运动。但是也可以找到这样的参考系，在这个参考系中物体虽然受到的净力为零，物体却并不作匀速直线运动。例如，以一个表面无摩擦力的旋转的圆盘作为参考系，对一个木块给以一个冲击力，使它沿着圆盘表面运动。显然，沿圆盘表面方向，物体受到的净力是零，但是对圆盘参照系，这个木块并不作匀速直线运动。因为圆盘是一个加速参考系，不是一个惯性系。当然如果假设地面是惯性系，可以认为它相对于地面惯性系作匀速直线运动，也正是在这个地面惯性系内才可以判定圆盘作加速运动。因此，牛顿定律在加速系中是不适用的，必须先有第一定律成立的惯性系，才有第二定律的成立。第一定律不是第二定律的特例。

3、牛顿三大定律的顺序能否互换，三大定律间有何联系？

第一定律指出了惯性是物体的固有属性，这是物体具有保持运动状态不变的内部原因；

第二定律指出了力对物体作用产生的后果，这是物体运动状态发生变化的外部原因；这两个定律都只强调了单个物体的运动，

而第三定律比第一第二定律更进一步的是，牛顿第三定律不仅指出了力的作用是物体对物体的相互作用，而且这种相互作用是对称的，每一个物体对另一个物体的真实作用力都有一个大小相同，方向相反，反作用在该物体上的作用力与其同时产生。这里牛顿指的相互作用是一种物体与物体直接接触的相互作用。

4、运动学揭示了一个哲学观点——因果观，该因果观在牛顿定律中是如何体现的？

因果观是一个哲学范畴的问题，物理学中的因果观揭示的是普遍存在于物质世界的运动、变化之中的一种客观存在的相互关系。如果某个物理现象（B）或过程的出现是由另一个或一些物理现象或过程(A)引起的，就物理现象或过程（B）而言，导致它们出现的另一个物理现象（A）就是原因,( B)就是结果；如果，物理现象（B）又导致了再一个新现象和新过程(C)的出现，那么，在这个过程中，物理现象（B）就是原因，产生的新现象(C)就是结果。原因和结果在事物变化的因果链上是相对的，不是绝对的。

牛顿运动定律是动力学内容的主要组成部分，它揭示了惯性是物体固有的内在属性，外力是物体运动状态改变的原因。并且，牛顿得出了万有引力定律，把伽利略研究“地上”的运动发展为建立起“地上”运动和“天上”运动的统一理论。牛顿确立了人们对运动因果关系的一种确定性认识，这种认识是17，18世纪物理学发展的重要成果，它带给人们在认识自然界本源问题上与当时神学观念的一种对抗，是人们认识世界方法的一种革命性的飞跃。

由于经典力学在18世纪是唯一的严密科学体系，它应用于生产和科学实验活动又获得了巨大成功，在当时就导致形成了机械确定论的哲学因果世界观。其主要表现是，原因和结果一定存在着一一对应的因果关系，原因的微小改变必然只引起结果的微小偏离。到了19世纪中期，物理学的学科范围和内容已经达到了概念准确，逻辑统一的新阶段，以致不仅对机械运动，而且对其他运动形式，人们都以力学解释为原理的出发点，把寻求数学规律作为普遍目标，把建立能量守恒定律为统一原理，用相应的机械确定论的因果观来作出描述。于是，牛顿以他创立的经典力学为人们建立了一幅“时钟式”的自然界图像：自然界是一部由不可再分的原子组成的巨大“时钟”,一经起动,便将按照既定的确定性因果规律自行地运转。人们可以断定，“今天”之所以如此，一定是由“昨天”的某个“原因”造成的，而从今天的“原因”又可以得出明天的“结果”。

●牛顿第一定律的表述以及惯性的思想。

牛顿第一定律指出了外力会改变物体的运动状态，这里已经包含了因果观的思想，但是，牛顿没有给出力大小与改变运动状态之间的因果定量关系。

●牛顿第二定律的表述以及动量的思想

牛顿第二定律进一步揭示了在外力这个“因”作用下，将会出现物体运动状态——动量发生变化这个“果”，并明确给出了定量上的关系。

牛顿不仅明确地提出了力是物体运动运动变化的“因”，而且给出了“原因”和“结果”之间的定量关系。牛顿第二定律的表述是：“运动的改变和所加的动力成正比，并且发生在所加的力的那个直线方向上。”

近代物理的发展表明，自然界的万事万物直接按不仅存在着“原因”和“结果”之间的一一对应的关系，也存在着多个原因与一个结果对应的关系或一个原因与多个结果对应的关系。不仅存在着确定性的因果关系，也存在着概率性的因果关系。

3.牛顿第三定律的表述和相互作用的思想学习第三定律必须突出相互作用的思想。