【每周一論】【03】牛頓第一定理的實質、地位和作用
牛頓在1687年出版的名著《自然哲學的物理原理》一書中提出了三條定理做為動力學的基礎。這三條定理也稱牛頓運動定理,以牛頓運動定理為基礎構建上去的熱學理論稱作牛頓熱學。
教科版教材中對牛頓第一定理的實質的認識,它在三個定理中的地位和作用,極少給出合理的解釋和定位。下邊就一些”物理學”教科書中對第一定理的不盡合理的解釋和定位逐一給與說明。
1.牛頓第一定理的本質并非描述物體具有慣性。幾乎所有的“物理”教科書中都指出:牛頓第一定理描述了物體具有慣性,所以把第一定理也叫做慣性定理。其中具有代表性的:如深圳學院顧建中先生編撰的《普通化學學簡明教程》力學部份強調:“第一定理中包含兩個重要的概念。(1)若果沒有其他物體的作用,則所研究的物體將保持其靜止的或勻速直線運動的狀態；這些性質稱為該物體的慣性……因為第一定理包含慣性這個重要概念,所以又叫慣性定理。…”又如張三惠等編繪的《大學化學學》力學手指出:“牛頓第一定理和兩個熱學基本概念相聯系。一個是物體的慣性,…,另一個是力。”馬文蔚先生改編的《物理學》也做了同樣的闡述等等。假如第一定理的實質是描述物體的慣性,那它就沒有獨立存在的意義了,由于牛頓第二定理不但描述了物體的慣性,但是定量地給出了物質的慣性大小可以用慣性質量m來描述,由此可見第一定理也稱慣性定理,把它說成是描述物體慣性決非是牛頓的初衷。
2.牛頓第一定理的實質也不是對力作出定義
后面早已提及,上海學院的顧建中先生編撰的《普通化學學簡明教程》,“力學部份”指出,第一定理中包含兩個重要概念,其中第(2)個是:“要改變物體的運動狀態,即是說使物體形成加速度,一定要有其他物體對它的作用,這些作用稱為力。”這段話的意思就是說牛頓第一定理實質是對力作了定義,而程守洙、江之永主編《普通化學學》卷1中更明晰強調:“第一定理還定性的闡述了力的含義。”如果真如上述所指,第一定理是對力的定義,那就形成了一種邏輯上的循環,即第一定理定義了力,而力的存在與否又決定了第一定理,這些邏輯上的混亂牛頓是不會沒發覺的,也不會讓這些邏輯錯誤存在于它的理論體系中。關于力的定義應當是在第一定理之外獨立存在的一個概念:力是物體間的互相作用,而不是由第一定理給出的。
3.牛頓第一定理的實質是給出了慣性系
牛頓第一定理的實質是:它給出了一個不受力或所受合力為零的物體或物體系,這個系統不存在運動狀態的改變,即這個系統不存在加速度,我們曉得數學學中所研究的問題都是相對的,即以一定的物體或物體系作參照物的,而牛頓第一定理就給出了這樣一個沒有加速度的參照物系—慣性系,它才使我們對化學問題的研究和數學量的檢測變的有意義。
4.牛頓第一定理的地位和作用
當我們選取了由牛頓第一定律所給出的參照系----慣性系,使化學量的檢測才弄成可能;牛頓第二、第三定理才顯得有意義。如牛頓第二定理給出的物理表示∑F=ma,它只有在相對慣性系----一個沒有加速度的參照系時,a才有確定的檢測值,如參照系不是慣性系,而存在加速度,則前面表達式中的a的值就將改變,這么第二定理就沒有意義了,或則說不再組建了。
比如,設一個在平直軌道上的貨車,貨車上有一光滑的桌面,桌面上放一小球,開始時靜止在軌道上(見右圖)
小球相對地面也是靜止。在地上和車上的觀察者看見,這個小球在水平桌面上不受力,所以沒有加速度。但當貨車以水平加速度a0往右運動時,在地面的參照系中的人看,小球在水平方向不受力,一直靜止,而在有加速度的參照系貨車中的觀察者看,小球雖不受力,但卻以
向左運動,這似乎與牛頓第一定理不符,并且小球相對于車上的觀察者來說,它的加速度隨a0而變化,可見,牛頓第二定理
不再創立。它從一個方面說明：牛頓第二定理只對沒有加速度的參照系創立。同樣對于第三定理也是一樣,如對有加速度的參照系,物體間的斥力和反斥力的大小就不再相等,即F≠F′,第三定理也就不創立了。同樣,由牛頓運動定理構建上去的質點熱學體系,如動量定律、動量守恒定理,動能定律等也都對慣性系創立。可見牛頓第一定理是不可缺乏的,是完全獨立的一條重要的熱學定理。所以可以看出牛頓第一定理,它和第二、第三定理構成了一個完整的理論體系,它是第二、第三定理的基石,是第二、第三定理創立的保證,而牛頓第二、第三定理只對由第一定理給出的慣性系才創立。
由此我們也給出了慣性系和非慣性系的定義:一個不存在加速度的參照系稱做慣性系,否則為非慣性系。非慣性系中的熱學問題不能由牛頓第二定理來解決而要用非慣性系中的熱學多項式求解:
式中∑Fi為在慣性系中測得的物體受的力,而
為在非慣性系中測得的慣性力,a0為非慣性系統的加速度。而我們的一些教科書上如：馬文蔚改編的面向21世紀課程教材《物理學》上冊卻說:“我們把適用牛頓定理的參考系稱作慣性參考系,簡稱慣性系;反之就叫非慣性系。這些闡述因果關系上有些顛倒,邏輯上也不夠嚴謹。
結束語：
牛頓第一定理與其他兩個定理構成了牛頓熱學的完整體系,牛頓第一定理給出了慣性系的概念,它的本質并不是給出物體的慣性,也不包含切實的定義。牛頓第二、第三定理只對慣性系組建。
你和我的距離，只有一個二維碼