第四章1牛頓第一定理自然和自然的法則在黑夜中隱藏，上帝說(shuō)，讓牛頓去吧！于是一切都被點(diǎn)亮?！寻?span style="display:none">9Op物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
在上面我們學(xué)習(xí)了如何描述物體的運(yùn)動(dòng)，但沒(méi)有討論物體為何會(huì)做這些或那個(gè)運(yùn)動(dòng)。要討論這樣的問(wèn)題，就要研究運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系。在數(shù)學(xué)學(xué)中，只研究物體如何運(yùn)動(dòng)而不涉及運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的理論，稱(chēng)做運(yùn)動(dòng)學(xué)（）；研究運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系的理論，稱(chēng)做動(dòng)力學(xué)（）。
運(yùn)動(dòng)學(xué)是研究動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，但只有懂得了動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，能夠依據(jù)物體所受的力確定物體的位置、速度變化的規(guī)律，才才能創(chuàng)造條件來(lái)控制物體的運(yùn)動(dòng)。諸如，運(yùn)動(dòng)學(xué)只是使我們就能描述天體是如何運(yùn)動(dòng)的，動(dòng)力學(xué)則使我們才能把人造衛(wèi)星和宇宙飛船送上太空，使人類(lèi)登上地球，甚至奔向火星……牛頓運(yùn)動(dòng)定理確立了力與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，這一章我們就來(lái)學(xué)習(xí)它。
動(dòng)力學(xué)的奠基者是德國(guó)科學(xué)家牛頓（Issac，1643—1727）。他在1687年出版的《自然哲學(xué)的物理原理》中提出了三條運(yùn)動(dòng)定理，后人把它們統(tǒng)稱(chēng)為牛頓運(yùn)動(dòng)定理（lawsof）。它們是整個(gè)動(dòng)力學(xué)的核心。
愛(ài)因斯坦曾把一代代科學(xué)家探求自然奧秘的努力，比做福爾摩斯偵探小說(shuō)中警察破案的過(guò)程。在偵探故事中，有時(shí)侯顯著可見(jiàn)的線(xiàn)索卻把人們引到錯(cuò)誤的判定起來(lái)，也就是說(shuō)，光憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)做判定往往是靠不住的。
常年以來(lái)，在研究物體運(yùn)動(dòng)緣由的過(guò)程中，人們的經(jīng)驗(yàn)是：要使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)，必須推它或則拉它。因而，人們直覺(jué)地覺(jué)得，物體的運(yùn)動(dòng)是與推、拉等行為相聯(lián)系的，假如不再推、拉，原先的運(yùn)動(dòng)便停止出來(lái)。按照這類(lèi)經(jīng)驗(yàn)，亞里士多德得出推論：必須有力作用在物體上，物體能夠運(yùn)動(dòng)；沒(méi)有力的作用，物體就要靜止在一個(gè)地方。但是，在探究運(yùn)動(dòng)緣由的“偵探小說(shuō)”里，這正是由顯著的線(xiàn)索引出錯(cuò)錯(cuò)判斷的案例，但是這個(gè)“錯(cuò)案”競(jìng)維持了近兩千年。直到三百多年前，伽利略才創(chuàng)造了有效的“偵察”方法，發(fā)覺(jué)了正確的線(xiàn)索，闡明了現(xiàn)象的本質(zhì)，成為數(shù)學(xué)學(xué)中的“福爾摩斯”。
無(wú)論在亞里士多德那兒還是在伽利略和笛卡兒哪里，都沒(méi)有力的概念。牛頓的高明之處在于他將物體間復(fù)雜多樣的互相作用具象為“力”。
本書(shū)為了敘述便捷，在陳述亞里士多德等人的思想時(shí)，借用了力的概念。
理想實(shí)驗(yàn)的魅力
伽利略覺(jué)得，將人們引入歪路的是磨擦力牛頓第一定律是誰(shuí)命名的，而在日常物體的運(yùn)動(dòng)中，磨擦力又是無(wú)法避開(kāi)的。
伽利略注意到，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速率減小，而向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，速率降低。他由此推測(cè)：當(dāng)球沿水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的速率應(yīng)當(dāng)不增不減。并且實(shí)際情況卻是，雖然沿水平面運(yùn)動(dòng)，球也越來(lái)越慢，最后停出來(lái)。伽利略覺(jué)得，這是磨擦阻力作用的結(jié)果，由于他同樣還觀察到，表面越光滑，球便會(huì)運(yùn)動(dòng)得越遠(yuǎn)。于是，他推測(cè)：若沒(méi)有磨擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。
圖4.1-1現(xiàn)代人所做伽利略斜面實(shí)驗(yàn)的頻閃相片（組合圖）
伽利略為了說(shuō)明他的思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)如圖4.1-1所示的實(shí)驗(yàn)：讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，小球?qū)ⅰ皼_”上另一個(gè)斜面，假如沒(méi)有磨擦，小球?qū)⑸仙皆鹊母叨取＝档偷诙€(gè)斜面的夾角，小球在這個(gè)斜面上仍將達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要運(yùn)動(dòng)得遠(yuǎn)些。繼續(xù)降低第二個(gè)斜面的夾角，球達(dá)到同一高度時(shí)才會(huì)離得更遠(yuǎn)。于是他問(wèn)道：若將第二個(gè)斜面放平，球會(huì)抵達(dá)多遠(yuǎn)的位置？推論其實(shí)是：球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，卻不再須要哪些力去引領(lǐng)。這就是說(shuō)，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的誘因。
其實(shí)，我們不能清除一切阻力，也不能把第二個(gè)斜面做得無(wú)限長(zhǎng)，所以伽利略的實(shí)驗(yàn)是個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”。
與伽利略同時(shí)代的意大利科學(xué)家笛卡兒（R．，1596-1650）也研究了這個(gè)問(wèn)題，他強(qiáng)調(diào)：假如運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有遭到力的作用，它將繼續(xù)以同一速率沿同仍然線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，既不停出來(lái)也不偏離原先的方向。他還覺(jué)得，這應(yīng)當(dāng)成為一個(gè)原理，它是人類(lèi)整個(gè)自然觀的基石。
牛頓數(shù)學(xué)學(xué)的基石——慣性定理
在伽利略和笛卡兒工作的基礎(chǔ)上，在隔了一代人之后，牛頓提出了動(dòng)力學(xué)的一條基本定理：一切物體總保持勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它前面的力促使它改變這些狀態(tài)。這就是牛頓第一定理（firstlaw）。牛頓第一定理表明，物體具有保持原先勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，我們把這個(gè)性質(zhì)稱(chēng)作慣性（）。牛頓第一定理又稱(chēng)作慣性定理（lawof）。這個(gè)定理給出了慣性的概念，所以人們說(shuō)它是牛頓數(shù)學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)。
假如一個(gè)物體由靜止變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)或由運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止，我們說(shuō)，它的“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”發(fā)生了改變。
假如一個(gè)物體速率的大小或方向變了，我們也說(shuō)，它的“運(yùn)動(dòng)狀態(tài)”發(fā)生了改變。
由于不可能把自然界的任何物體完全孤立上去，也就是說(shuō)，不受力作用的物體是不存在的，所以，牛頓第一定理是借助邏輯思維對(duì)事實(shí)進(jìn)行剖析的產(chǎn)物，不可能用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證。并且，許許多多現(xiàn)象可以幫助我們理解牛頓第一定理。諸如牛頓第一定律是誰(shuí)命名的，足球場(chǎng)上，足球離開(kāi)球桿后，能以幾乎不變的速率繼續(xù)前進(jìn)，直至它再一次遭到球桿的嚴(yán)打或遇到障礙物，才改變這些狀態(tài)。
圖4.1-2冰球是奧運(yùn)會(huì)的即將大賽項(xiàng)目。冰球在湖面運(yùn)動(dòng)時(shí)遭到的阻力很小，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持運(yùn)動(dòng)速率的大小和方向不變。慣性與質(zhì)量
牛頓第一定理涉及兩個(gè)重要的數(shù)學(xué)概念：力和慣性。力，除了是化學(xué)學(xué)中的基本概念，也是日常生活中用得好多的一個(gè)名詞，這在上一章早已討論過(guò)了。
思索與討論
從牛頓第一定理我們獲知，物體都要保持它們?cè)鹊膭蛩僦本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)或靜止的狀態(tài)，或則說(shuō)，它們都具有抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的“本領(lǐng)”。并且這些“本領(lǐng)”的大小是不一樣的。
物體抵抗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的“本領(lǐng)”，與哪些誘因有關(guān)？請(qǐng)你們通過(guò)實(shí)例進(jìn)行剖析。
觀察和實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于任何物體，在遭到相同的斥力時(shí)，決定它們運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化難易程度的唯一誘因就是它們的質(zhì)量。由此我們得出推論：描述物體慣性的化學(xué)量是它們的質(zhì)量（mass）。
質(zhì)量只有大小，沒(méi)有方向，它是標(biāo)量。在國(guó)際單位制中，質(zhì)量的單位是千克，單位符號(hào)為kg。
在中學(xué)，我們把質(zhì)量理解為物體所含物質(zhì)的多少；如今，又從物體慣性的角度認(rèn)識(shí)質(zhì)量。之后我們都會(huì)通過(guò)物體間的引力認(rèn)識(shí)質(zhì)量。
我們對(duì)于科學(xué)概念的認(rèn)識(shí)就是這樣一步一步深入的。
科學(xué)徜徉
慣性參考系
圖4.1-3以加速度的車(chē)箱為參考系，牛頓第一定理并不創(chuàng)立。
后面學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性時(shí)我們?cè)缫褧缘茫瑸榱嗣枋鑫矬w的運(yùn)動(dòng)，要選擇一個(gè)物體做參考系，而參考系的選擇帶有一定的任意性。諸如，描述列車(chē)車(chē)箱內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以選擇地面為參考系，也可以選擇車(chē)箱為參考系。
然而，在應(yīng)用牛頓第一定理時(shí)，可以任意選擇參考系嗎？考察下邊的情況似乎會(huì)有幫助。
在一節(jié)列車(chē)車(chē)箱內(nèi)有一個(gè)水平的光滑桌面，桌上有一個(gè)小球。假如列車(chē)停在水平的鐵軌上，小球才能靜止在桌面上，才能保持它的靜止?fàn)顟B(tài)不變。這是符合牛頓第一定理的。
若果列車(chē)忽然往前開(kāi)動(dòng)，小球的狀態(tài)會(huì)有哪些變化嗎？在列車(chē)加速的同時(shí)，小球會(huì)運(yùn)動(dòng)嗎？這時(shí)它深受水平方向的力嗎？用加速運(yùn)動(dòng)的車(chē)箱作為參考系，牛頓第一定理適用嗎？
在有些參考系中，不受力的物感受保持靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，這樣的參考系稱(chēng)作慣性參考系，簡(jiǎn)稱(chēng)慣性系（）。以加速運(yùn)動(dòng)的列車(chē)為參考系，牛頓第一定理并不創(chuàng)立，這樣的參考系稱(chēng)作非慣性系。
在研究地面物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，通?？梢园训孛婵醋鰬T性系；相對(duì)地面做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的其他參考系，比如沿平直軌道勻速行駛的火車(chē)，也可以看做慣性系。
問(wèn)題與練習(xí)
1．回答下述問(wèn)題：
（1）客機(jī)裝彈時(shí)，假如當(dāng)目標(biāo)在客機(jī)的正下方時(shí)投下炸彈，能擊中目標(biāo)嗎？為何？
（2）月球在從西向東自轉(zhuǎn)。你向下跳上去之后，為何還落到原地，而不落到原地的東邊？
2．我國(guó)公路交通安全法規(guī)定，在各類(lèi)大型汽車(chē)后排搭乘的人必須系好安全帶。為何要做這樣的規(guī)定？
3．一個(gè)朋友說(shuō)，向下拋出的物體，在空中向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，肯定遭到了向下的斥力，否則它不可能向下運(yùn)動(dòng)。這個(gè)推論錯(cuò)在哪些地方？
4．請(qǐng)你通過(guò)實(shí)例說(shuō)明，假若所選的參考系在相對(duì)于某慣性系做變速運(yùn)動(dòng)，慣性定理在所選的參考系中就不創(chuàng)立。
蒲柏（Pope，1688-1744），美國(guó)作家。句子的原文是and'slawlayhidinnight.Godsaid,letbe!Andallwaslight.
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