牛頓第一定理的構(gòu)建過程 1、亞里士多德的運(yùn)動(dòng)思想與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，很早以前就一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。 古埃及最偉大的哲學(xué)家和科學(xué)家亞里士多德對力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系做出了許多分析。 亞里士多德將運(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)不需要力的推進(jìn)，而受迫運(yùn)動(dòng)則需要斥力的推進(jìn)。 斥力是受迫運(yùn)動(dòng)的原因，斥力的本質(zhì)是阻力，克服物體趨于自然位置的性質(zhì)。 他認(rèn)為，要使物體不斷地受力運(yùn)動(dòng)，就必須使外力不斷地作用在物體上，并與物體不斷地保持直接接觸。 一旦這些動(dòng)作停止，直接接觸停止，身體的運(yùn)動(dòng)就戛然而止，以至于在他看來，身體本身就無法維持運(yùn)動(dòng)了。 亞里士多德用他的運(yùn)動(dòng)概念來解釋為什么我們?nèi)右粔K石頭，以及為什么石頭離開手后會(huì)移動(dòng)一定的距離。 他感覺在這樣的條件下，石頭旁邊的空氣是和石頭接觸的。 當(dāng)用手推開石頭時(shí)，石頭所占據(jù)的空間就變成了虛空，而大自然討厭真空，所以周圍的空氣立即填滿了空間，對石頭施加了一個(gè)力，讓它向前移動(dòng)到另一個(gè)位置。 按照這個(gè)推理，石頭在離開手后還能繼續(xù)溝通一定的距離。 亞里士多德對自由落體運(yùn)動(dòng)的解釋，他認(rèn)為物體下落是因?yàn)橹亓浚矬w之所以有重量是因?yàn)樗兴兀绕涫峭猎亍?一個(gè)物體所含的土元素越多，它的重量就越重，就越容易趨向于它的自然位置——地心。 由此他得出一個(gè)重要的推論：物體的下落速度與其重量成反比。 他又引述了馬車，認(rèn)為要在平坦的道路上拉車，馬需要不斷地用力。 因此，沿直線勻速運(yùn)動(dòng)的物體（如馬車）應(yīng)該受到外力的作用。 事實(shí)上，亞里士多德對于力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系做出了許多錯(cuò)誤的結(jié)論。 也就是說：受力的運(yùn)動(dòng)與物體的性質(zhì)無關(guān)，而是取決于外力的作用。 以一定速度運(yùn)動(dòng)的物體應(yīng)該受到外力的作用”等等。由于亞里士多德的聲譽(yù)和影響，他的一些錯(cuò)誤推論被視為信條，統(tǒng)治了人們的歷史近兩千多年。 17世紀(jì)人們逐漸提出了正確的概念，其中伽利略做出了重要貢獻(xiàn)。2、伽利略提出了慣性原理伽利略在漢堡學(xué)院學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)：亞里士多德生活在近2000年前，今天的世界已經(jīng)發(fā)生了變化。巨大的變化。亞里士多德從未離開過地中海的領(lǐng)土，但現(xiàn)在人們已經(jīng)走遍了世界。亞里士多德只知道世界的一個(gè)小角落，他不可能永遠(yuǎn)都是正確的而不犯錯(cuò)誤。伽利略非常注重對世界的研究。運(yùn)動(dòng)學(xué)，并努力建立一門新的科學(xué)。他寫道：“在自然界中，最古老的主題是運(yùn)動(dòng)。 雖然哲學(xué)家們就此寫了五花八門的專著，但我發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的個(gè)體本質(zhì)還是值得解釋的。”伽利略批評阿里的同時(shí)，提出了自己的熱學(xué)觀點(diǎn)。他在研究自由落體時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的斜面實(shí)驗(yàn)：他在木板上刻出直槽，貼上牛皮紙使其光滑，讓光滑的銅球順著直槽滾下，并用水鐘測量下落時(shí)間。伽利略做了數(shù)百個(gè)斜面不同傾角、銅球滾動(dòng)不同距離時(shí)的測量，證明了“下落物體所行的不同距離總是與所經(jīng)過的時(shí)間的平方成反比”，“自由落體定理”。 在此基礎(chǔ)上，伽利略進(jìn)一步提出“等終點(diǎn)速度假設(shè)”，即靜止物體無論從同一高度沿垂直方向落下，還是沿不同斜率落下，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)的速度相同。 伽利略通過單擺擺的輪廓特性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。 如圖：拉到AB的擺球會(huì)上升到旁邊同一水平面，如果在E或F處釘上小鐵釘，擺球仍然會(huì)沿著不同的弧線上升到同一水平面的點(diǎn)。 反之，如果擺球從該點(diǎn)落下，它也會(huì)上升到原來水平高度的B點(diǎn)。 這表明沿著不同傾角（不同弧線）的斜坡下落具有相同的終端速度。 根據(jù)這個(gè)假設(shè)，伽利略推導(dǎo)出自由落體運(yùn)動(dòng)是勻加速直線運(yùn)動(dòng)的推論。 “等終速度假設(shè)”和簡擺等高實(shí)驗(yàn)將伽利略引向了理想的斜面實(shí)驗(yàn)，如圖所示，讓小球滾下第一個(gè)光滑的斜面AB，然后爬上第二個(gè)光滑的斜面BC，那么當(dāng)球在第二個(gè)斜面上爬到一定高度時(shí)，就停止爬升，再次滾下來。 到達(dá)的高度（C 點(diǎn)）恰好等于球在第一個(gè)斜坡上開始滾下的起點(diǎn)（A 點(diǎn)）的高度。 如果球從斜坡AB滾下，爬上斜坡BD、BE等，也會(huì)得到同樣的結(jié)果。 而這一切與兩個(gè)斜坡的傾斜角度無關(guān)。 于是伽利略推論，如果第二個(gè)斜面的夾角等于0，也就是說它是一個(gè)光滑平面BF，如果不考慮摩擦力和空氣阻力的影響，那么小球滾下第一個(gè)斜面后，它將永遠(yuǎn)不會(huì)在兩個(gè)斜面（平面）上達(dá)到原來的起始高度，并且會(huì)永遠(yuǎn)滾動(dòng)。 伽利略在《兩門新科學(xué)的對話》中說：“我們可以強(qiáng)調(diào)，任何速率一旦應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體，只要消除加速或減速的內(nèi)因，就可以保持恒定。然而，這是一種只能發(fā)生在水平面上。因?yàn)樵谙蛏蟽A斜的平面上已經(jīng)存在加速度誘因；因?yàn)椋绻俣群愣ǎ豢赡軠p速或減速，更不可能停止。 這里伽利略基本上明確地提出了慣性原理，但是，在伽利略的慣性原理中，所考慮的平面只是月球表面的“水平面”，伽利略本人也認(rèn)識到，他的慣性原理只有在極限意義上，因?yàn)檎嬲乃矫姹仨毰c地球表面相切，所以如果它延伸得足夠遠(yuǎn)，必須看到它在上升，沿著它向外運(yùn)動(dòng)的物體最終會(huì)減速。但伽利略的慣性原理是僅限于月球，并沒有應(yīng)用到宇宙中，使其成為普遍適用的定理。因此，伽利略慣性原理有很大的局限性。對于伽利略慣性原理的局限性，笛卡爾做了補(bǔ)充。笛卡爾克服了伽利略的推論：繞月球的圓周運(yùn)動(dòng)也是慣性運(yùn)動(dòng)。他明確強(qiáng)調(diào)，慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)傾向于彎曲自己。他總結(jié)了兩個(gè)規(guī)則：第一，物體將始終保持其速度，除非有其他東西阻止它或減慢速度。它的速度； 其次，物體仍然傾向于保持直線運(yùn)動(dòng)。 至此，慣性定律已基本被發(fā)現(xiàn)。 三、牛頓總結(jié)牛頓第一定理 1、牛頓對力和慣性的定義 牛頓在笛卡爾、伽利略等人的工作基礎(chǔ)上，首先在其《原理》一書中定義了力和慣性兩個(gè)概念。 他認(rèn)為施加在物體上的力是為了改變物體的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)而施加在物體上的作用。 只有在動(dòng)作過程中，力才會(huì)顯現(xiàn)出來，動(dòng)作一結(jié)束牛頓第一定律教學(xué)過程，力就從物體上消失，然后物體由于慣性繼續(xù)保持原來的狀態(tài)。 他說：“物質(zhì)的慣性力或內(nèi)在力，是一種一定數(shù)量存在的抵抗能力。由于這些力，任何物體，無論是靜止的，還是勻速直線前進(jìn)的（即勻速直線運(yùn)動(dòng)）直線運(yùn)動(dòng)），必須盡力維持其當(dāng)前狀態(tài)。” 牛頓還強(qiáng)調(diào)，“這種力總是與具有該力的物體的質(zhì)量成反比，它與物質(zhì)的慣性沒有區(qū)別，只是名稱不同。由于物質(zhì)的慣性，很難物體脫離其靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)。基于這些考慮，這些代表慣性的力可以稱為慣性力或慣性力，最準(zhǔn)確的名稱是......”牛頓在“慣性力”或“慣性力”中這里所說的力，本質(zhì)上就是“慣性”。 2.牛頓總結(jié)了牛頓第一定理。 牛頓用慣性原理解釋了月球和天體上物體的運(yùn)動(dòng)。 他賦予了慣性原理一般的含義，并使其成為一個(gè)定理，即牛頓第一定理。 其內(nèi)容可以簡述為：“任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，直到其他物體的作用促使它改變這些狀態(tài)。牛頓強(qiáng)調(diào)，在沒有空氣阻力或重力的情況下，它會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。”陀螺如果沒有空氣阻力就不會(huì)停下來。像彗星、行星這樣的較大物體，因?yàn)樵诟杂傻目臻g中遇到的阻力較小，所以可以走得更遠(yuǎn)。同時(shí)保持進(jìn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。牛頓第一章中提到的物體定理被視為粒子，因此只涉及物體的平移，而不涉及物體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。3 牛頓第一定理的意義 牛頓第一定理闡明，任何物體都具有保持其原始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性，即慣性。物體不受力時(shí)，靜止時(shí)保持靜止；運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這說明該物體具有保持其自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的特性。原始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 該定理還說明了勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止兩種狀態(tài)在某種意義上的等價(jià)性。 牛頓第一定理是由大量的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象推導(dǎo)出來的，有一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 然而，自然界中不存在沒有力的孤立物體。 因此，這個(gè)定理不能簡單地根據(jù)其字面意義直接用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，這體現(xiàn)了它的普遍意義。 然而，由牛頓第一定理推導(dǎo)出來的所有推導(dǎo)都與觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致牛頓第一定律教學(xué)過程，間接證明了該定理的正確性。該定理還表明，必須向物體施加力才能使物體改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者從靜止到運(yùn)動(dòng)，或從運(yùn)動(dòng)到靜止，或從一種速度到另一種速度，即力只與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化直接相關(guān)，這是牛頓第二定理定量描述的。 4、牛頓第一定理的發(fā)現(xiàn)給我們留下的啟示從牛頓第一定理的發(fā)現(xiàn)過程中我們可以看到，理想實(shí)驗(yàn)在其中起著決定性的作用。 功能。 理想實(shí)驗(yàn)是人們在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯推理能力和想象力，在思維中理想化客觀實(shí)驗(yàn)條件和研究對象的“實(shí)驗(yàn)”。 伽利略被譽(yù)為化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的鼻祖，同時(shí)他創(chuàng)造了理想的實(shí)驗(yàn)方法。 他善于在科學(xué)研究中運(yùn)用理想的實(shí)驗(yàn)方法，以反駁亞里士多德“重的物體下落得更快”的錯(cuò)誤推論。 他設(shè)計(jì)了一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)，將兩個(gè)不同重量的物體綁在一起，讓它們自由下落，從而推翻了亞里士多德關(guān)于物體下落的概念。 他在發(fā)現(xiàn)慣性原理的過程中采用了理想斜面實(shí)驗(yàn)，可謂化學(xué)史上最重要的實(shí)驗(yàn)之一。 由于他設(shè)計(jì)的理想坡度，這些純粹理想條件下的實(shí)驗(yàn)在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)。 雖然我們可以創(chuàng)造各種條件來最小化移動(dòng)物體的摩擦力和空氣阻力，但它永遠(yuǎn)不能完全排除。 但這并不妨礙人們根據(jù)許多越來越接近理想的實(shí)驗(yàn)做出應(yīng)有的推論，并用邏輯推理來進(jìn)行科學(xué)的表述。 伽利略利用理想實(shí)驗(yàn)得到的推論被牛頓總結(jié)，總結(jié)出了牛頓第一定理，成為經(jīng)典熱力學(xué)的完美基礎(chǔ)。 愛因斯坦和因菲爾德翻譯的《物理學(xué)的演化》一書中，也提到了一個(gè)關(guān)于慣性定理的理想實(shí)驗(yàn)，這將有助于我們進(jìn)一步理解牛頓第一定理。 書中寫道：“如果有人在平坦的道路上推一輛卡車，然后突然停止推卡車，卡車不會(huì)立即停止，而是會(huì)繼續(xù)移動(dòng)一小段距離。我們問：我們怎樣才能做到這一點(diǎn)？”減少這個(gè)距離？一定距離怎么樣？有很多方法可以做到這一點(diǎn)，例如給車輪打蠟、平整道路等。
車輪轉(zhuǎn)動(dòng)越容易，道路越平坦，汽車可以行駛的距離越遠(yuǎn)。 ……想象中的道路絕對平坦，車輪沒有任何摩擦力。 然后就沒有什么可以阻止卡車了，它會(huì)永遠(yuǎn)繼續(xù)行駛。 “理想實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)代數(shù)學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用。愛因斯坦曾設(shè)計(jì)了“同時(shí)性相對論”的理想實(shí)驗(yàn)，通過它建立了同時(shí)性相對論的科學(xué)概念，成為建立同時(shí)性相對論的重要基礎(chǔ)。狹義相對論。理想實(shí)驗(yàn)植根于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，但具有真實(shí)實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的簡化和純化程度，因此更有利于探索和闡明自然事物和現(xiàn)象的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)是提出科學(xué)假說的重要途徑之一，它具有加深對真實(shí)實(shí)驗(yàn)和研究對象的本質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識的功能，也具有使邏輯證明和指控更加清晰的功能，直觀而有力，其推論還需要通過科學(xué)觀察和實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。
