牛頓第一定律的應(yīng)用分析

周樹名

【摘要】牛頓第一定律也就是我們所知道的慣性定律，慣性定律提出了一個(gè)重要的物理概念“慣性”。慣性是質(zhì)點(diǎn)間相互作用的結(jié)果，而不是物體本身和外界無關(guān)的屬性。牛頓運(yùn)動(dòng)定律的一大成就就是將機(jī)械運(yùn)動(dòng)的參考系分為非慣性系和慣性系兩大體系。在非慣性系之中，對(duì)慣性力的引用，仍然可以對(duì)這些機(jī)械運(yùn)動(dòng)給予很大的指導(dǎo)作用。本文首先對(duì)牛頓第一定律的概況做了介紹，然后對(duì)于牛頓第一定律的應(yīng)用，尤其是其應(yīng)用的局限性做了詳盡分析。

【關(guān)鍵詞】慣性定律 實(shí)質(zhì) 應(yīng)用分析

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）01-0235-01

在十九世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)的影響已經(jīng)波及到了世界任何角落，以至于很多物理學(xué)家都認(rèn)為物理學(xué)的原理已經(jīng)研究透徹，物理學(xué)的體系已經(jīng)很完善。但是，在接下來的幾十年里，和物理相關(guān)的電磁理論、原子理論以及放射性等理論的逐步出現(xiàn)，使得人們又開始懷疑自己之前所熟悉的經(jīng)典力學(xué)理論。新舊理論之間產(chǎn)生了巨大沖突。物理學(xué)家對(duì)于沖突的解決，衍生出來20世紀(jì)近代物理學(xué)的兩大理論的形成，即量子力學(xué)和相對(duì)論。新的理論并沒有否定經(jīng)典力學(xué)的指導(dǎo)作用，而對(duì)于其應(yīng)用的范圍開始有了界定。這便是牛頓第一定律的局限性。

1.牛頓第一定律的概況

英國科學(xué)家牛頓在經(jīng)過長期的研究之后于1687年在他的書《自然哲學(xué)的教學(xué)原理》中提出了一套完善的關(guān)于經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)體系。這套偉大的理論對(duì)于物體不受力時(shí)的狀態(tài)做了詳盡描述：靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然牛頓第一定律中關(guān)于其運(yùn)用最多，影響最廣泛的就是其慣性定律。慣性的大小僅取決于其自身質(zhì)量。慣性在生活以及科學(xué)研究中不可避免，牛頓對(duì)它的解釋為我們的生活和科學(xué)研究提供了正確的理論指導(dǎo)。

2.牛頓第一定律應(yīng)用的局限性分析

牛頓定律的影響是深遠(yuǎn)的，不過，隨著文明的進(jìn)步科學(xué)的發(fā)展，以及20世紀(jì)相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn)，牛頓定律的偉大地位受到了撼動(dòng)，而進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，其應(yīng)用存有一定的局限性，具體描述如下：

2.1牛頓定律的應(yīng)用需要在一定速率范圍內(nèi)

之所以會(huì)受到限制，主要是另一套理論的影響作用，相對(duì)力學(xué)理論。它們二者結(jié)合可以解釋機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。正是由于愛因斯坦的狹義相對(duì)論的被證實(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，物理上存在需要時(shí)間間隔傳遞的超距離作用。任何信息的傳遞都是需要時(shí)間的。時(shí)間的流失和空間間隔的測量不是絕對(duì)的，它是受到慣性系間的相對(duì)速度影響的，同樣也包括物體的質(zhì)量的變化，它會(huì)隨著速率的不同而發(fā)生變化的。狹義相對(duì)論雖然提出了自然界不存有絕對(duì)的時(shí)空觀念，但是，它提出當(dāng)物體速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于真空光速的時(shí)候后，牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論依然可以對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)做出十分精準(zhǔn)的解釋。在日常生活之中，絕大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)都是低速的，所以，牛頓第一定律在日常生活中還是有很大的應(yīng)用的。若物體的運(yùn)動(dòng)接近光速的時(shí)候，牛頓第一定律就無法做出準(zhǔn)確解釋了，這時(shí)就需要借助相對(duì)力學(xué)理論進(jìn)行解釋，這也就是牛頓第一定律應(yīng)用的局限性體現(xiàn)之處。

2.2牛頓第一定律對(duì)于量子現(xiàn)象解釋的局限性

20世紀(jì)初，隨著人們對(duì)于黑體輻射和光電效應(yīng)以及源自穩(wěn)定性的研究的逐步開展，科學(xué)家們便發(fā)現(xiàn)很多研究現(xiàn)象和經(jīng)典物理學(xué)結(jié)論是相違背的。經(jīng)典物理學(xué)的理論基礎(chǔ)恰恰是牛頓研究的力學(xué)理論。經(jīng)典物理學(xué)對(duì)于物體微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和能量變化的不連續(xù)性的研究出現(xiàn)了瓶頸。薛丁格和海森堡的量子力學(xué)理論對(duì)該現(xiàn)象做出了比較合理的解釋。同經(jīng)典力學(xué)發(fā)生違背的現(xiàn)象：經(jīng)典力學(xué)中認(rèn)為粒子性和波動(dòng)性是兩個(gè)不同的物理性質(zhì)，而量子現(xiàn)象中實(shí)物粒子同時(shí)表現(xiàn)出了粒子性和波動(dòng)性，只不過兩種性質(zhì)在不同條件下反應(yīng)的程度不同，但是，它們是同時(shí)表現(xiàn)的。還有，量子力學(xué)中粒子的能量和角動(dòng)量的值只能是某個(gè)量值的整數(shù)倍，出現(xiàn)了數(shù)值取立的相對(duì)獨(dú)立性，但是，經(jīng)典物理學(xué)中認(rèn)為其取值是連續(xù)的。還有就是，經(jīng)典力學(xué)理論認(rèn)為粒子具有確定的坐標(biāo)和位置，同時(shí)可以確定其動(dòng)量，因此便可以確定其運(yùn)動(dòng)軌跡，但是，在量子力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，速度和坐標(biāo)是不能夠同時(shí)確定的，只能確定大概的區(qū)域，從而量子運(yùn)動(dòng)軌跡只有概率意義。雖然量子理論的研究對(duì)于經(jīng)典力學(xué)的沖擊是十分之大，但是，經(jīng)典力學(xué)對(duì)于微觀粒子的研究仍然有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2.3牛頓第一定律提出的參考系的應(yīng)用

牛頓在研究物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，提出了一個(gè)特殊的參考系，即“不受其它物體作用力”，這就是物體繼續(xù)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的前提條件。牛頓第一定律通過不受外界作用的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來定義慣性參考系，從而為整個(gè)力學(xué)和物理學(xué)的研究提供很好的基礎(chǔ)。慣性系便是牛頓在其《原理》中所提到的“絕對(duì)空間”。按照牛頓所設(shè)想的絕對(duì)空間，宇宙是不動(dòng)的中心。今天看來，這是受到否定的。但是若放在當(dāng)時(shí)的歷史環(huán)境背景下，牛頓既要對(duì)他所討論的運(yùn)動(dòng)引入絕對(duì)空間概念，又要結(jié)合伽利略的相對(duì)性原理，提出這樣的“絕對(duì)空間”的概念是很困難的，也是可以理解的。他將運(yùn)動(dòng)定律適用的參考體系又之前的“絕對(duì)”抽象的概念，轉(zhuǎn)化為了一個(gè)有很多供選擇的條件的一個(gè)體系，這也是一項(xiàng)很大的突破。在那樣一個(gè)時(shí)代，這樣的理論是思維能力和創(chuàng)造能力的提升的唯一通路。當(dāng)然，提這樣的理論為后世的研究提供了絕對(duì)有利的研究基礎(chǔ)。

3.結(jié)論

總而言之，盡管牛頓第一定律在近代以及現(xiàn)代的物理學(xué)研究應(yīng)用中有一定的局限性，但是，這些局限性的出現(xiàn)，也是建立在對(duì)牛頓定律的不斷應(yīng)用中所產(chǎn)生和獲得的。因此，牛頓定律對(duì)于物理學(xué)的研究的作用是毋庸置疑的。當(dāng)然，除了理論研究上的應(yīng)用，慣性定律在日常生活中的應(yīng)用也是很廣泛的，它對(duì)于日常生活的一些現(xiàn)象給予了正確的解釋，同時(shí)為我們的生產(chǎn)生活打來了極大便利。

參考文獻(xiàn)：

[1]章鵬.非慣性參照系中的動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1994 （1）.