對牛頓第一定律的理解和釋疑

石新福

【摘 要】牛頓第一定律描述的是一種理想化的運(yùn)動狀態(tài)，即物體不受外力作用的狀態(tài)。很顯然這無法用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證，但伽利略在分析大量事實(shí)的基礎(chǔ)上，忽略次要因素、突出主要因素，運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)這一科學(xué)推理的思維方法，闡明了力不是維持物體運(yùn)動的原因，反映了物體運(yùn)動的內(nèi)在的本質(zhì)規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】牛頓第一定律 物理教學(xué)

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.03.061

牛頓第一定律的內(nèi)容：“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”。對牛頓第一定律理解有下面兩點(diǎn)：

1.任何物體都具有保持原有運(yùn)動狀態(tài)不變的特性，即通常說物體具有“慣性”。

2.維持一個物體的運(yùn)動狀態(tài)即保持物體的速度不變，并不需要力的作用，力的真正作用是改變物體的運(yùn)動狀態(tài)即改變物體的速度。因此，物體具有速度并不表示物體是否受到外力的作用，物體具有加速度才是受到外力作用的標(biāo)志。所以，力是物體產(chǎn)生加速度的原因，而不是物體運(yùn)動的原因，物體的運(yùn)動并不需要用力來維持。

牛頓第一定律科學(xué)地說明了“慣性”和“力”這兩個重要的物理概念，正確地解釋了力和運(yùn)動的關(guān)系，它是物理學(xué)中的一條基本定律，但不少讀卻對它不理解，持疑慮和錯誤看法。主要有以下幾點(diǎn)：

1.有人認(rèn)為牛頓第一定律指出的是不受外力作用時，物體 將做勻速直線運(yùn)動或保持靜止，然而生活中卻找不出不受外力作用的物體，因而牛頓第一定律就無法用實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證，它的正確與否值得懷疑。

我們應(yīng)這樣理解，伽利略設(shè)計(jì)了“小球沿不同傾角的光滑斜面運(yùn)動到等高”的理想實(shí)，伽利略又考慮到了斜面的傾角連續(xù)變化到0°的理想極限，得出了“小球再也運(yùn)動不到等高，而要永遠(yuǎn)運(yùn)動下去”的結(jié)論。從而發(fā)現(xiàn)了慣性定律（即現(xiàn)在的牛頓第一定律），伽利略開創(chuàng)的這種把經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和抽象思維科學(xué)地結(jié)合起來的方法不僅完全可靠，而且正是科學(xué)研究中的重要方法。當(dāng)然，由于自然界中不存在任何不受外力作用的物體，所以.牛頓第一定律不能簡單的從字面意義上用實(shí)驗(yàn)直接加以驗(yàn)證。但是自然界中有許多的物理現(xiàn)象可以證明這一定律的正確性。例如，A球作自由落體運(yùn)動，B球作平拋運(yùn)動時，它們在水平方向都不受任何外力作用，因此，A球水平方向上確實(shí)永運(yùn)保持靜止?fàn)顟B(tài)不變，B球在水平方向確實(shí)永遠(yuǎn)保持勻速直接運(yùn)動狀態(tài)不變，所以，牛頓第一定律的正確性是由它所推出的結(jié)論和實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合而得到證明的。

2.有人不能理解牛頓第一定律指出“物體不受任何外力作用而靜止或勻速直線運(yùn)動，”而生話中見到的受了外力保持靜止或勻速直線運(yùn)動是否相矛盾。

我們說并不矛盾。要知道，在實(shí)際生活中是不存在任何不受外力作用的物體的。如果一個物體受到幾個外力作用，并且這幾個外力的合力為零，那么，這些外力各自在物體上產(chǎn)生的作用效果就會相互抵消，因此，這時物體就猶如不受外力作用一樣，也可以保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。

3.有人認(rèn)為，即然牛頓第一定律又叫慣性定律，那么，牛頓第一定律就是慣性的定義。

“定義”是用來區(qū)分不同概念的，而“定律”是用來反映普遍規(guī)律的，顯然上述認(rèn)識是錯誤的，原因就在于{昆淆了“定義”和 “定律”的這一區(qū)別。

“慣性”是物體的一種基本屆性，一切物體都有保持靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的性質(zhì)叫慣性。慣性的大小與物體受力情況，運(yùn)動狀態(tài)等都無關(guān)系，質(zhì)量大小是慣性大小的唯一量度。因此，對“慣性”下定義時，只要講物體本身具有什么性質(zhì)，而不涉及到這個物體與其他物體有什么關(guān)系。但是，牛頓第一定律卻把物體的運(yùn)動狀態(tài)與物體的受力情況聯(lián)系起來了，它指出一個物體不受外力作用時所遵循的規(guī)律，顯然，這不是在解釋或描述物體的某種特性，所以它決不是“慣性”的定義。

4.有人認(rèn)為，如果物體運(yùn)動加速度為零，那么牛頓第二定律就變成了牛頓第一定律，也就是說，牛頓第一定律是牛頓第二定律的特殊情況，牛頓第一定律可有可無。

這種看法是錯誤的。我們應(yīng)有這樣的認(rèn)識，正是因?yàn)榕ｎD第一定律為我們指出了物體在沒有受到外力作用時所處的狀態(tài)，我們才有可能進(jìn)一步研究當(dāng)物體受到外力作用時，將處于怎樣的運(yùn)動狀態(tài)。牛頓第一定律確定了力的涵義，指出物體如果受到外力作用時，物體的運(yùn)動狀態(tài)要發(fā)生改變，這就是牛頓第二定律所研究的內(nèi)容。試想，如果我們原先不知道物體在不受外力的情況下處于怎樣的運(yùn)動狀態(tài)，那么，要研究物體在力的作用下將作怎樣的運(yùn)動則顯然是不可能的。因此，牛頓第一定律是研究力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，不是能用牛頓第二定律來取代的。

據(jù)此我們可以更好的從以下幾個方面來進(jìn)一步理解牛頓定律：

1.牛頓第一定律描述的是一種理想化的運(yùn)動狀態(tài)，即物體不受外力作用的狀態(tài)。很顯然這無法用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證，但伽利略在分析大量事實(shí)的基礎(chǔ)上，忽略次要因素、突出主要因素，運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)這一科學(xué)推理的思維方法，闡明了力不是維持物體運(yùn)動的原因，反映了物體運(yùn)動的內(nèi)在的本質(zhì)規(guī)律。伽利略不但證實(shí)了牛頓第一定律的正確性，同時也開創(chuàng)了科學(xué)研究的正確方法——實(shí)驗(yàn)與思維的完美結(jié)合。他以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統(tǒng)的自然觀，開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)，因此，他被稱為“近代科學(xué)之父”。他的工作，為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)。

2.牛頓第一定律是力學(xué)基本定律建立的基礎(chǔ)。牛頓第一定律以一切物體所具有的屬性——慣性為出發(fā)點(diǎn)，比較嚴(yán)密地定義了慣性，揭示了慣性運(yùn)動的本質(zhì)，進(jìn)一步還可以引入慣性參考系、慣性質(zhì)量。定性地給出了力的科學(xué)定義，表述了力的本質(zhì)和力的效果。牛頓第一定律包括了慣性、慣性運(yùn)動、慣性參考系和力的概念，還啟迪人們?nèi)パ芯课矬w運(yùn)動狀態(tài)的改變與外力作用的關(guān)系，可見牛頓第一定律是其他力學(xué)定律建立的基礎(chǔ)。

3.從形式上看，牛頓第二定律在外力為零的情況下，可引出與牛頓第一定律似乎完全相同的表述，但絕不能理解為牛頓第一定律是牛頓第二定律在作用力為零時的特例。否則就是舍棄了牛頓第一定律的精髓，即割裂了牛頓第一定律與牛頓運(yùn)動定律整體間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，扭曲了牛頓第一定律的內(nèi)涵。沒有慣性定律就沒有慣性、慣性運(yùn)動、慣性參考系、力的科學(xué)概念，牛頓第二定律就無從談起，牛頓第一定律是前提、是基礎(chǔ)，并具有獨(dú)立性。

因此，我們的教師應(yīng)該對牛頓第一定律有深入的認(rèn)識，才能夠全面把握和運(yùn)用牛頓第一定律。