牛頓第一定律的建立過(guò)程

牛頓第一定律的建立過(guò)程一、亞里士多德的運(yùn)動(dòng)觀念力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系問(wèn)題，很早以前，就是人們關(guān)注的焦點(diǎn)．古希臘最偉大的哲學(xué)家和科學(xué)家亞里士多德對(duì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系問(wèn)題作過(guò)許多探討．亞里士多德把運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和受迫運(yùn)動(dòng)，他認(rèn)為自然運(yùn)動(dòng)不需要力的推動(dòng)，而受迫運(yùn)動(dòng)需要作用力的推動(dòng)．作用力是產(chǎn)生受迫運(yùn)動(dòng)的原因，作用力的本質(zhì)就是抵抗，克服物體趨向其自然位置的本性．他認(rèn)為，要使物體不斷地作受迫運(yùn)動(dòng)，就要使外力不斷作用于物體，不斷地同物體保持直接接觸．一旦這種作用停止了，直接接觸中斷了，物體的運(yùn)動(dòng)也就隨之停止，所以在他看來(lái)物體本身不能維持運(yùn)動(dòng)．亞里士多德用他的運(yùn)動(dòng)觀念解釋了我們?nèi)邮^，石頭離開(kāi)手后為何還會(huì)運(yùn)動(dòng)一段距離．他認(rèn)為，在這種狀況下，石頭后面的空氣同石頭保持著接觸，當(dāng)石頭在手的推動(dòng)下離開(kāi)手的一瞬間，石頭原來(lái)占據(jù)的位置就成了虛空，而大自然是厭惡真空的，所以周?chē)目諝饩土⒓刺钛a(bǔ)了這個(gè)空間，對(duì)石頭形成了一種沖力，使它又能向前移動(dòng)一個(gè)位置．依此類(lèi)推，石頭離開(kāi)手后就能繼續(xù)移動(dòng)一段距離．亞里士多德對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的解釋?zhuān)J(rèn)為是由于重量而使物體下落，而物體之所以有重量，是因?yàn)榘靥貏e是土元素的緣故．物體所含土元素越多就越重，它趨向其自然位置——地心的要求就越強(qiáng)烈，由此他得出一個(gè)重要結(jié)論：物體下落速度同它的重量成正比．他繼而引用馬拉車(chē)，認(rèn)為為了在一條平坦的路上拉車(chē)，馬需要不斷地用力，因此，沿直線(xiàn)以恒定速度運(yùn)動(dòng)的物體（如馬車(chē)）應(yīng)當(dāng)受外力作用．總之，亞里士多德在力與物體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的問(wèn)題上做出了不少錯(cuò)誤的結(jié)論．即認(rèn)為：受力運(yùn)動(dòng)與物體本質(zhì)無(wú)關(guān)，取決于外力的作用，“運(yùn)動(dòng)者皆有推動(dòng)者推動(dòng)”，“在受力時(shí)，力既是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，又是維持運(yùn)動(dòng)的原因”“沿直線(xiàn)以恒定速度運(yùn)動(dòng)的物體應(yīng)當(dāng)受外力的作用”等．由于亞里士多德的威望和影響，他的一些錯(cuò)誤結(jié)論被當(dāng)作信條，統(tǒng)治了人們近二千年的歷史，直到十七世紀(jì)，人們才逐步形成正確的概念，其中伽利略做出了重要貢獻(xiàn)．二、伽利略提出慣性原理伽利略早在比薩大學(xué)讀書(shū)時(shí)就指出：亞里士多德生活在近二千年前，現(xiàn)在世界已發(fā)生了很大的變化．亞里士多德沒(méi)有離開(kāi)過(guò)地中海領(lǐng)域，而現(xiàn)在人們已完成了環(huán)球旅行．亞里士多德只了解世界上的一個(gè)小角落，他不可能永遠(yuǎn)正確而不犯錯(cuò)誤．伽利略十分重視運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究，并努力建立一門(mén)新科學(xué)．他寫(xiě)道：“在自然中，最古老的課題莫過(guò)于運(yùn)動(dòng)．盡管哲學(xué)家們對(duì)此寫(xiě)出了內(nèi)容龐雜的著作，我卻發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的某些性質(zhì)仍是值得探討的．”伽利略在批評(píng)亞里士多德運(yùn)動(dòng)觀念的同時(shí)，提出了自己的力學(xué)觀點(diǎn)．他在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)．他總結(jié)出兩條規(guī)則：第一，物體將一直保持它的速度，除非有別的物體制止它或者減慢它的運(yùn)動(dòng)速度；第二，物體始終趨向于維持直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)．至此，慣性定律已基本被發(fā)現(xiàn)．三、牛頓總結(jié)出牛頓第一定律1．牛頓關(guān)于力和慣性的定義牛頓在笛卡兒、伽利略等人工作的基礎(chǔ)上，他在《原理》一書(shū)中首先定義了力和慣性?xún)蓚€(gè)概念．他認(rèn)為，施加于物體的力是為了改變其靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而施加于物體上的一種作用．僅僅在作用中，力才顯示出來(lái)，作用一結(jié)束，力便從物體間消失，然后由于慣性，物體繼續(xù)保持原來(lái)的狀態(tài)．他寫(xiě)到：“物質(zhì)的惰性力或固有之力，是按一定的量而存在于其中的一種反抗的能力，由于這種力，任何物體不論是靜止的或是沿直線(xiàn)均勻向前運(yùn)動(dòng)的（即勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)），都要盡力維持其現(xiàn)狀．”牛頓又指出，“這種力總是與具有該力的物體的質(zhì)量成正比，而與物質(zhì)的惰性毫無(wú)區(qū)別，只是說(shuō)法不同而已．由于物質(zhì)的惰性，物體要脫離其靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是困難的．基于這種考慮，這種表示惰性的力可以用一個(gè)最確切的名稱(chēng)，叫做慣性力或者惰性力……”牛頓在此所指的“慣性力”或者“惰性力”，實(shí)質(zhì)上就是“慣性”．2．牛頓總結(jié)出牛頓第一定律牛頓把慣性原理用于地球上物體運(yùn)動(dòng)的解釋?zhuān)钟糜谔祗w，給慣性原理賦予了普遍意義，使它成為一個(gè)定律，即牛頓第一定律．其內(nèi)容可簡(jiǎn)要陳述為：“任何物體都保持靜止的或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到其它物體的作用迫使它改變這種狀態(tài)為止．牛頓指出，在沒(méi)有空氣阻力妨礙或重力向下吸引的情況下，拋物體將繼續(xù)其運(yùn)動(dòng)．一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺，如果沒(méi)有空氣阻力，它就不會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)．象慧星和行星這樣較大的物體，由于在較為自由的空間中遇到的阻力較小，所以它們能在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)同時(shí)保持其進(jìn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)．牛頓第一定律中所提到的物體是被當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來(lái)看待的，因而只涉及到物體的平動(dòng)，而不涉及到物體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)．3．牛頓第一定律的含義牛頓第一定律揭示出，任何物體都具有一種保持其原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性，即慣性．當(dāng)物體不受力時(shí)，它處于靜止就保持靜止?fàn)顟B(tài)不變；當(dāng)它處于運(yùn)動(dòng)時(shí)，就保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變．這體現(xiàn)了物體具有保持它原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性．定律還說(shuō)明了勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與靜止這兩種狀態(tài)在一定意義上的等價(jià)性．牛頓第一定律是從大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，歸納總結(jié)出的，它是有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但自然界中不受力的孤立物體是不存在的，因此，這一定律并不能簡(jiǎn)單地按其字面意義用實(shí)驗(yàn)直接加以驗(yàn)證，這更反映了它的普遍意義．并且由牛頓第一定律得出的一切推論都與觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，這也間接證明了這一定律的正確性．這一定律還表明，必須施加給物體一個(gè)力才能使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或由靜止到運(yùn)動(dòng)，或由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止，或從一速度變?yōu)榱硪凰俣燃戳χ皇桥c運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變直接相聯(lián)系的，這是由牛頓第二定律來(lái)定量描述的．四、牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)留給我們的啟示從牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)過(guò)程可知，理想實(shí)驗(yàn)在其中起了決定性的作用．理想實(shí)驗(yàn)是人們?cè)诳茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯推理方法和發(fā)揮想象力，在思維中把客觀的實(shí)驗(yàn)條件和研究對(duì)象加以理想化，抽象出來(lái)的一種理想化過(guò)程的“實(shí)驗(yàn)”．伽利略被稱(chēng)為物理實(shí)驗(yàn)方法的先祖，同時(shí)他又創(chuàng)造了理想實(shí)驗(yàn)的方法．他在科學(xué)研究中善于運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)的方法，為駁斥亞里士多德的“重物下落速度快”的錯(cuò)誤結(jié)論，他設(shè)計(jì)了把輕重不同二物體捆在一起讓其自由下落的理想實(shí)驗(yàn)，從而推翻了亞里士多德的落體觀念．他在發(fā)現(xiàn)慣性原理的過(guò)程中運(yùn)用了理想斜面實(shí)驗(yàn)，堪稱(chēng)物理史中的一絕．因?yàn)樗O(shè)計(jì)的理想斜面這種在純粹理想狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際當(dāng)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的．盡管我們可以創(chuàng)造各種條件，把運(yùn)動(dòng)物體所受的摩擦力和空氣阻力盡量減少，但是永遠(yuǎn)不可能完全排除掉．然而，這并不能阻礙人們根據(jù)多次越來(lái)越逼近于理想實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用邏輯推理方法進(jìn)行科學(xué)抽象而作出應(yīng)有的結(jié)論．伽利略運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)論被牛頓概括總結(jié)出牛頓第一定律，成為經(jīng)典力學(xué)的建立基礎(chǔ)．在愛(ài)因斯坦和英費(fèi)爾德合著的《物理學(xué)的進(jìn)化》一書(shū)中，也曾講到一個(gè)關(guān)于慣性定律的理想實(shí)驗(yàn)，這對(duì)我們進(jìn)一步理解牛頓第一定律是會(huì)有所幫助的．書(shū)中寫(xiě)道：“假如有人推著一輛小車(chē)在平路上行走，然后突然停止推那輛小車(chē)，小車(chē)不會(huì)立刻靜止，它還會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段很短的距離．我們問(wèn)：怎樣才能增加這段距離呢？這有許多辦法，例如在車(chē)輪涂油，把路修得很平滑等.車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)得越容易、路愈平滑，車(chē)便可以運(yùn)動(dòng)得愈遠(yuǎn)．……假想路是絕對(duì)平滑的，而車(chē)輪也毫無(wú)摩擦．那么就沒(méi)有什么東西阻止小車(chē)，而它就會(huì)永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去．”理想實(shí)驗(yàn)的方法在現(xiàn)代物理學(xué)中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用．愛(ài)因斯坦曾設(shè)計(jì)了“同時(shí)相對(duì)性”的理想實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)他確立了同時(shí)性的相對(duì)性的科學(xué)概念，成為創(chuàng)立狹義相對(duì)論的重要基礎(chǔ)．理想