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牛頓第一定律是什么？
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，簡(jiǎn)稱牛頓第一定律。 又稱慣性定律、慣性定律。 常見(jiàn)完整說(shuō)法：任何物體都必須保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止，直到有外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
英國(guó)物理學(xué)家艾薩克·牛頓于1687年在其代表作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了牛頓運(yùn)動(dòng)定律。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律就是其中之一。
牛頓第一定律和牛頓第二、第三定律構(gòu)成了完整的牛頓力學(xué)體系。
牛頓第一定律給出了慣性系的概念。 第二、第三定律以及牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立的粒子力學(xué)體系只適用于慣性系。 因此，牛頓第一定律不可或缺，是一條重要的、完全獨(dú)立的力學(xué)定律。
法律定義
牛頓在《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》中的原話是：任何物體都必須保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止，直到有外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。 人民教育出版社和廣東教育出版社高中物理教材引用了這一表述。
用數(shù)學(xué)公式表示：
，在
是合力，v 是速度，t 是時(shí)間。
路教高中物理課本上的說(shuō)法是：牛頓第一定律指出，當(dāng)凈外力為零時(shí)，原本靜止的物體將繼續(xù)保持靜止?fàn)顟B(tài)，原本運(yùn)動(dòng)的物體將繼續(xù)運(yùn)動(dòng)以原來(lái)的速度沿勻速直線行駛。 凈外力為零的情況有兩種：一種是物體所受的所有外力相互抵消，凈外力為零； 另一種是物體不受外力作用時(shí)。 一些專家學(xué)者認(rèn)為這種表達(dá)方式不嚴(yán)謹(jǐn)，因此通常沿用原來(lái)的表達(dá)方式。
推演過(guò)程
伽利略研究運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法是將實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)結(jié)合起來(lái)，注重邏輯推理，依靠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。 他關(guān)于光滑斜面的推論源自實(shí)驗(yàn)觀察和推論。 但這種完全光滑的斜面在現(xiàn)實(shí)中并不存在，因?yàn)槟Σ亮o(wú)法完全消除，所以理想的斜面實(shí)驗(yàn)屬于伽利略的邏輯推理。
伽利略關(guān)于光滑斜面的推論
事實(shí)上，當(dāng)球滾下斜坡時(shí)，它的速度會(huì)增加，而當(dāng)它向上滾動(dòng)時(shí)牛頓第一定律內(nèi)容，它的速度會(huì)減小。
伽利略由此推論，當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，其速度既不增加也不減少。 事實(shí)上，他發(fā)現(xiàn)球變得越來(lái)越慢牛頓第一定律內(nèi)容，最后停了下來(lái)。 伽利略認(rèn)為這不是它的“自然本質(zhì)”，而是由于摩擦阻力，因?yàn)樗€觀察到表面越光滑，球就會(huì)滾動(dòng)得越遠(yuǎn)。
因此他推斷，如果沒(méi)有摩擦阻力，球就會(huì)永遠(yuǎn)滾動(dòng)。
伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)
伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)如圖所示。 讓球從靜止?fàn)顟B(tài)沿光滑的斜面滾下。 球會(huì)滾上另一個(gè)斜面，到達(dá)與原來(lái)相似的高度，然后再次滾下。 他推斷，只是摩擦力使球無(wú)法達(dá)到原來(lái)的高度。 然后，他減小了后一個(gè)斜坡的傾斜度。 球在這個(gè)斜坡上仍然達(dá)到相同的高度，但現(xiàn)在它滾得更遠(yuǎn)。 繼續(xù)減小第二個(gè)斜坡的傾斜度，當(dāng)球到達(dá)相同高度時(shí)，它會(huì)滾動(dòng)得更遠(yuǎn)。
于是他研究了斜面平放時(shí)的情況，結(jié)論顯然是球會(huì)永遠(yuǎn)滾下去。 也就是說(shuō)，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)即保持物體速度的原因，而恰恰是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即改變速度的原因的對(duì)象。 因此，物體一旦達(dá)到一定的速度，如果不受力的作用，就會(huì)以勻速直線運(yùn)動(dòng)。
適用范圍
牛頓第一定律僅適用于慣性參考系。 當(dāng)質(zhì)點(diǎn)不受外力作用時(shí)，判斷質(zhì)點(diǎn)靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系一定是慣性參考系。 因此，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律僅適用于慣性參考系。
牛頓第一定律不適用于非慣性參考系（即有加速度的系統(tǒng)），因?yàn)椴皇芡饬ψ饔玫奈矬w在該參考系中也可能有加速度，這與牛頓第一定律是相反的。
當(dāng)牛頓第一定律不成立時(shí)，即在非慣性系中，必須使用非慣性系中的力學(xué)方程。
解決公式中的力學(xué)問(wèn)題
是在慣性*系統(tǒng)中測(cè)量的物體上的合力，
是在非慣性系中測(cè)量的慣性力，
是非慣性*系統(tǒng)的加速度。
**
牛頓第一定律是一個(gè)完全獨(dú)特的基本定律，它的最終表達(dá)是：
確定了慣性參考系并引入了邏輯循環(huán)理論。 這是公理系統(tǒng)的體現(xiàn)。 任何學(xué)科的第一個(gè)命題都必須具有這個(gè)特征。
它指出任何物體都具有慣性，建立了慣性的概念。
它的否定命題揭示了力的概念。 力是物體對(duì)物體的作用。 力改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
它是牛頓第二定律的基礎(chǔ)。 首先，牛頓第一定律為第二定律準(zhǔn)備了概念（力、慣性質(zhì)量、慣性系），并明確闡明了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系； 其次，第一定律主要解釋了物體在不施加外力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 不受外力作用與物體上的外力矢量和為零不同。 因此，牛頓第一定律不能視為牛頓第二定律在f=0時(shí)的特例。
綜上所述，牛頓第一定律是一條完全獨(dú)立的基本定律。 它解決的問(wèn)題是任何其他法律都無(wú)法解決的。 第二定律和第三定律根本無(wú)法取代第一定律。
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