淺談牛頓第一定律的教學(xué)

陳蘋蓮

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-7661（2015）07-0038-02

2000多年前，古希臘的學(xué)者亞里士多德（公元前384 -前322年）曾斷言，使物體維持恒定的運(yùn)動(dòng)（即速度不變），就需要恒定的外力作用于它。由于亞里士多德的觀點(diǎn)符合人們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)的直覺(jué)印象，在他以后近2000年的時(shí)間里，人們一直認(rèn)為這種觀點(diǎn)是正確的。

但是，這種僅憑日常生活經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)印象得出的結(jié)論正確嗎？我們今天知道亞里士多德的上述觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，但是為什么象皿里士多德這樣的杰出人物也會(huì)把這個(gè)問(wèn)題弄錯(cuò)了呢？為什么在長(zhǎng)達(dá)2000多年的時(shí)間里，人們一直認(rèn)為這種觀點(diǎn)是正確的呢？

愛(ài)因斯坦把科學(xué)家們一代代探索自然界秘密的努力，比喻做讀福爾摩斯一類的偵探小說(shuō)。在好的偵探故事中，一些最明顯的線索往往引導(dǎo)到錯(cuò)誤的猜疑上去，憑直覺(jué)的推理方法是靠不住的。有個(gè)基本問(wèn)題，由于它太復(fù)雜，曾經(jīng)長(zhǎng)達(dá)幾千年搞不清，那就是運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直認(rèn)為，要改變一個(gè)靜止物體的位置，必須推它、提它或拉它。人們直覺(jué)地認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)是與推、提、拉等動(dòng)作相聯(lián)系的。直接生活經(jīng)驗(yàn)使人們深信，要使—個(gè)物體運(yùn)動(dòng)得更快，必須用更大的力推它。當(dāng)推動(dòng)物體的力不再作用時(shí)，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體便靜止下來(lái)。這也就是亞里士多德的觀點(diǎn)。然而，在自然界這部偵探小說(shuō)里這是一個(gè)錯(cuò)誤的線索。直到三百多年前，伽利略才創(chuàng)造了有效的偵察技術(shù)，發(fā)展了尋求正確線索的系統(tǒng)方法，從而才找到了這個(gè)問(wèn)題的正確答案，弄清了事實(shí)的真象。

那么伽利略（1564 ——1642意大利物理學(xué)家）創(chuàng)造的到底是一種什么樣的偵察技術(shù)呢？他到底是怎樣找到了這個(gè)問(wèn)題的正確答案，弄清了事實(shí)的真象的呢？

伽利略仔細(xì)觀察研究過(guò)物體沿斜面下滑的實(shí)驗(yàn)（圖1）。在實(shí)驗(yàn)中，小球從第一個(gè)斜面AB滾下后，就會(huì)沿著第二個(gè)斜面BC向上滾，但小球在第二個(gè)斜面上達(dá)到的最大高度總是略低于小球從第一個(gè)斜面上滾下時(shí)的高度。并且斜面做得越光滑小球在第二個(gè)斜面上達(dá)到的最大高度就越接近于小球從第一個(gè)斜面上滾下時(shí)的高度。伽利略還注意到，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下滾時(shí)，其速度逐漸增大，向上滾時(shí)速度逐漸減小，并且斜面的傾角越小速度變化得越慢，傾角越大速度變化得越快。由此他推論，當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，其速度應(yīng)不增不減，即保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。

這是為什么呢？伽利略領(lǐng)悟到，將人們引入歧途的，是摩擦力或空氣、水等媒質(zhì)的阻力，這是人們?cè)谌粘Ｓ^察物體運(yùn)動(dòng)時(shí)難以完全避免的。為了得到正確的線索，除了實(shí)驗(yàn)和觀察外，還需要抽象的思維。

伽利略推想：

①如果在完全沒(méi)有摩擦的情況下，不管第一二個(gè)斜面的傾角是多大，小球在第二個(gè)斜面上達(dá)到的最大高度就總是等于小球從第一個(gè)斜面上滾下時(shí)的高度。（如圖2 -1）

②第二個(gè)斜面的傾角越小，小球滾動(dòng)的距離就越遠(yuǎn)；

③如果第二個(gè)斜面的傾角等于零度即第二個(gè)斜面成為一個(gè)水平面時(shí)，小球從第一個(gè)斜面滾下來(lái)后，就永遠(yuǎn)達(dá)也不到開始時(shí)的高度，也就是說(shuō)，小球?qū)⒁院愣ú蛔兊乃俣仍跓o(wú)限長(zhǎng)的水平面上永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。

伽利略由此得出，維持物體的運(yùn)動(dòng)，并不需要外力。

就這樣，伽利略形成了和皿里士多德不同的結(jié)論：物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)維持，只有運(yùn)動(dòng)的變化才是外力作用的結(jié)果。物體不受外力作用時(shí)，將永遠(yuǎn)勻速地運(yùn)動(dòng)下去。但是，伽利略所講的“水平面”是“各部分和地心等距離的”球面，所以，他所講的水平面上的運(yùn)動(dòng)指的不是直線運(yùn)動(dòng)，而是“環(huán)繞一個(gè)中心的圓周運(yùn)動(dòng)”，所以不能算作“慣性定律”的準(zhǔn)確表述。

與伽俐略同時(shí)代的法國(guó)科學(xué)家笛卡兒（Descar，1596年-1650年）進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了伽俐略的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：如果無(wú)其它原因的作用的話，它將繼續(xù)以同一速度在同一直線方向上運(yùn)動(dòng)，既不停下也不偏離原來(lái)的方向?！边@是準(zhǔn)確的慣性定律的表述。他認(rèn)為自然運(yùn)動(dòng)是在一條直線上進(jìn)行的，這就突破了伽利略所設(shè)想的“水平面”的局限。

伽利略的理想實(shí)驗(yàn)找到了解決運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的真正線索。愛(ài)因斯坦說(shuō)：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！?/p>

伽利略的正確結(jié)論隔了一代人以后由牛頓總結(jié)成動(dòng)力學(xué)的一條最基本的定律：一切物體總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)時(shí)為止。這便是通常所說(shuō)的牛頓第一定律。

這條定律說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題：

第一，定律揭示了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，物體的運(yùn)動(dòng)并不需要力去維持，只有當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度）發(fā)生變化即產(chǎn)生加速度時(shí)，才需要力的作用，具體包括：

①物體在不受外力時(shí)，將保持它原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，即原來(lái)靜止的物體將永遠(yuǎn)保持靜止，原來(lái)運(yùn)動(dòng)的物體將永遠(yuǎn)以不變的速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)。

②物體受到不為零的外力作用時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將要被迫發(fā)生變化。即外力的作用是迫使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。

第二，牛頓第一定律實(shí)質(zhì)上提出了慣性的概念，物體之所以能保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，是在不受力的條件下，由物體本身的特性來(lái)決定的，如果物體受到了外力的作用，外力就要迫使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。物體所固有的、保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性叫慣性，故第一定律又稱為慣性定律，

亞里土多德根據(jù)直接觀察到的表面現(xiàn)象得出了錯(cuò)誤的結(jié)論。而伽利略則通過(guò)實(shí)驗(yàn)和推理，想象出無(wú)摩擦的光滑水平面的理想實(shí)驗(yàn)，推斷出小球不受外力作用時(shí)將以不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。伽利略從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，把邏輯思維和實(shí)驗(yàn)事實(shí)相結(jié)合，得出了維持運(yùn)動(dòng)不需要力的正確結(jié)論，推翻了人們信奉了近2000年的亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。還開創(chuàng)了把抽象邏輯思維和實(shí)驗(yàn)事實(shí)相結(jié)合的科學(xué)研究方法。伽利略曾深有體會(huì)地說(shuō)：“追求科學(xué)需要特殊的勇敢！”

人類對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的認(rèn)識(shí)過(guò)程充分說(shuō)明了：科學(xué)的靈感并非來(lái)自神的啟示，科學(xué)的內(nèi)涵不簡(jiǎn)單地等同于我們的經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)?？茖W(xué)的知識(shí)來(lái)自對(duì)我們周圍世界的觀察，并用我們的頭腦來(lái)理解和指導(dǎo)這樣的觀察?？茖W(xué)是建筑在證據(jù)和理性思維（邏輯推理）的基礎(chǔ)上的。

（責(zé)任編輯 全玲）