【每周一論】【03】牛頓第一定理的實(shí)質(zhì)、地位和作用
牛頓在1687年出版的名著《自然哲學(xué)的物理原理》一書(shū)中提出了三條定理做為動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。這三條定理也稱牛頓運(yùn)動(dòng)定理,以牛頓運(yùn)動(dòng)定理為基礎(chǔ)構(gòu)建上去的熱學(xué)理論稱作牛頓熱學(xué)。
教科版教材中對(duì)牛頓第一定理的實(shí)質(zhì)的認(rèn)識(shí),它在三個(gè)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(xué)”教科書(shū)中對(duì)第一定理的不盡合理的解釋和定位逐一給與說(shuō)明。
1.牛頓第一定理的本質(zhì)并非描述物體具有慣性。幾乎所有的“物理”教科書(shū)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(xué)院顧建中先生編撰的《普通化學(xué)學(xué)簡(jiǎn)明教程》力學(xué)部份強(qiáng)調(diào):“第一定理中包含兩個(gè)重要的概念。(1)若果沒(méi)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(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；這些性質(zhì)稱為該物體的慣性……因?yàn)榈谝欢ɡ戆瑧T性這個(gè)重要概念,所以又叫慣性定理。…”又如張三惠等編繪的《大學(xué)化學(xué)學(xué)》力學(xué)手指出:“牛頓第一定理和兩個(gè)熱學(xué)基本概念相聯(lián)系。一個(gè)是物體的慣性,…,另一個(gè)是力。”馬文蔚先生改編的《物理學(xué)》也做了同樣的闡述等等。假如第一定理的實(shí)質(zhì)是描述物體的慣性,那它就沒(méi)有獨(dú)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(zhì)的慣性大小可以用慣性質(zhì)量m來(lái)描述,由此可見(jiàn)第一定理也稱慣性定理,把它說(shuō)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(shí)質(zhì)也不是對(duì)力作出定義
后面早已提及,上海學(xué)院的顧建中先生編撰的《普通化學(xué)學(xué)簡(jiǎn)明教程》,“力學(xué)部份”指出,第一定理中包含兩個(gè)重要概念,其中第(2)個(gè)是:“要改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),即是說(shuō)使物體形成加速度,一定要有其他物體對(duì)它的作用,這些作用稱為力。”這段話的意思就是說(shuō)牛頓第一定理實(shí)質(zhì)是對(duì)力作了定義,而程守洙、江之永主編《普通化學(xué)學(xué)》卷1中更明晰強(qiáng)調(diào):“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(duì)力的定義,那就形成了一種邏輯上的循環(huán),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(huì)沒(méi)發(fā)覺(jué)的,也不會(huì)讓這些邏輯錯(cuò)誤存在于它的理論體系中。關(guān)于力的定義應(yīng)當(dāng)是在第一定理之外獨(dú)立存在的一個(gè)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(shí)質(zhì)是給出了慣性系
牛頓第一定理的實(shí)質(zhì)是:它給出了一個(gè)不受力或所受合力為零的物體或物體系,這個(gè)系統(tǒng)不存在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變,即這個(gè)系統(tǒng)不存在加速度,我們曉得數(shù)學(xué)學(xué)中所研究的問(wèn)題都是相對(duì)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(gè)沒(méi)有加速度的參照物系—慣性系,它才使我們對(duì)化學(xué)問(wèn)題的研究和數(shù)學(xué)量的檢測(cè)變的有意義。
4.牛頓第一定理的地位和作用
當(dāng)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(xué)量的檢測(cè)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(duì)慣性系----一個(gè)沒(méi)有加速度的參照系時(shí),a才有確定的檢測(cè)值,如參照系不是慣性系,而存在加速度,則前面表達(dá)式中的a的值就將改變,這么第二定理就沒(méi)有意義了,或則說(shuō)不再組建了。
比如,設(shè)一個(gè)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(kāi)始時(shí)靜止在軌道上(見(jiàn)右圖)
小球相對(duì)地面也是靜止。在地上和車上的觀察者看見(jiàn),這個(gè)小球在水平桌面上不受力,所以沒(méi)有加速度。但當(dāng)貨車以水平加速度a0往右運(yùn)動(dòng)時(shí),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(yùn)動(dòng),這似乎與牛頓第一定理不符,并且小球相對(duì)于車上的觀察者來(lái)說(shuō),它的加速度隨a0而變化,可見(jiàn),牛頓第二定理
不再創(chuàng)立。它從一個(gè)方面說(shuō)明：牛頓第二定理只對(duì)沒(méi)有加速度的參照系創(chuàng)立。同樣對(duì)于第三定理也是一樣,如對(duì)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(chuàng)立了。同樣,由牛頓運(yùn)動(dòng)定理構(gòu)建上去的質(zhì)點(diǎn)熱學(xué)體系,如動(dòng)量定律、動(dòng)量守恒定理,動(dòng)能定律等也都對(duì)慣性系創(chuàng)立。可見(jiàn)牛頓第一定理是不可缺乏的,是完全獨(dú)立的一條重要的熱學(xué)定理。所以可以看出牛頓第一定理,它和第二、第三定理構(gòu)成了一個(gè)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(chuàng)立的保證,而牛頓第二、第三定理只對(duì)由第一定理給出的慣性系才創(chuàng)立。
由此我們也給出了慣性系和非慣性系的定義:一個(gè)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(xué)問(wèn)題不能由牛頓第二定理來(lái)解決而要用非慣性系中的熱學(xué)多項(xiàng)式求解:
式中∑Fi為在慣性系中測(cè)得的物體受的力,而
為在非慣性系中測(cè)得的慣性力,a0為非慣性系統(tǒng)的加速度。而我們的一些教科書(shū)上如：馬文蔚改編的面向21世紀(jì)課程教材《物理學(xué)》上冊(cè)卻說(shuō):“我們把適用牛頓定理的參考系稱作慣性參考系,簡(jiǎn)稱慣性系;反之就叫非慣性系。這些闡述因果關(guān)系上有些顛倒,邏輯上也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。
結(jié)束語(yǔ)：
牛頓第一定理與其他兩個(gè)定理構(gòu)成了牛頓熱學(xué)的完整體系,牛頓第一定理給出了慣性系的概念,它的本質(zhì)并不是給出物體的慣性,也不包含切實(shí)的定義。牛頓第二、第三定理只對(duì)慣性系組建。
你和我的距離，只有一個(gè)二維碼