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1、牛頓第一定理的實(shí)質(zhì)地位和作用高焜（安徽師范大學(xué)化學(xué)與電氣工程大學(xué)江西南昌）指導(dǎo)老師：江燕燕摘要：文章研究了牛頓第一定理的實(shí)質(zhì)及在牛頓三個(gè)定理中的地作用。澄清了對(duì)牛頓第一定理的一些模糊認(rèn)識(shí)對(duì)認(rèn)識(shí)牛頓三定理之間的關(guān)系和理論的完備性和邏輯性提出了不同的想法。文章強(qiáng)調(diào)：牛頓第一定理的實(shí)質(zhì)是給出了一個(gè)不受力或所受合力為零不存在加速度的系統(tǒng),即一般所說的慣性系而不是力的定義,定理創(chuàng)立與否來定而牛頓第二、第三定理只對(duì)慣性系才創(chuàng)立。慣性系也不能用牛頓義。關(guān)鍵詞:牛頓第一定理;慣性系;力13世紀(jì)的約翰貝里單提出了“沖力”（）的概念，他把力道構(gòu)想為初始推進(jìn)者傳給物體的
2、一種推進(jìn)力，并賦于了力道一種永恒的質(zhì)，覺得它將仍然持續(xù)下去牛頓第一定律適用于任何參考系嗎，除非被外部阻力所減小或則用盡。在沒有外力作用的情況下，力道的初始量將保持不變，但是他暗示，假若將運(yùn)動(dòng)的所有阻力撤離，這么物體一旦開始運(yùn)動(dòng)，很與可能將永遠(yuǎn)沿直線勻速運(yùn)動(dòng)下去，他沒有任何理由改變自己的運(yùn)動(dòng)方向或則初始速率。1牛頓在1687年出版的名著自然哲學(xué)的物理原理一書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)。牛頓所述的三條定理的英文譯文為:第一定理:任何物體都保持靜止或沿一條直線做勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),除非作用在它前面的力促使它改變這些狀態(tài)。第二定理:運(yùn)動(dòng)的變化與
3、所加的動(dòng)力成反比,但是發(fā)生在這力所沿的直線的方向上。第三定理:對(duì)于每一個(gè)作用,總有一個(gè)相等的反作用與之相反;或則說,兩個(gè)物體之間對(duì)各自對(duì)方的互相作用總是相等的,并且指向相反的方向。牛頓定理提出早已三百多年了,人們?cè)缫咽质煜ち恕５蔷C觀許多數(shù)學(xué)學(xué)的教科書,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,卻甚少給出合理的解釋和定位。下邊就一些”物理學(xué)”教科書中對(duì)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(zhì)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(xué)院顧建中先生編
4、寫的普通數(shù)學(xué)學(xué)簡(jiǎn)明教程熱學(xué)部份2就明晰強(qiáng)調(diào):“第一定理中包含兩個(gè)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(yùn)動(dòng)的狀態(tài);這些性質(zhì)稱為該物體的慣性由于第一定理包含慣性這個(gè)重要概念,所以又叫慣性定理。(2)。”又如張三惠等編繪的學(xué)院化學(xué)學(xué)熱學(xué)3中強(qiáng)調(diào):“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。”馬文蔚先生改編的數(shù)學(xué)學(xué)4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,那它就沒有獨(dú)立存在的意義了,由于牛頓第二定理a=F/m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來描述,由此可見第一定
5、律叫做慣性定理,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(shí)質(zhì)也不是對(duì)力作出定義上面早已提及,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15中更明晰強(qiáng)調(diào):“第一定理還定性的闡明了力的含義。”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
6、是不會(huì)沒發(fā)覺的,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)沒有加速度的參照物系慣性系,它才使我們對(duì)化學(xué)問題的研究和數(shù)學(xué)量的檢測(cè)變的有意義。4牛頓第一定理在理論系統(tǒng)中的地位第一定理中包含的基本概念，奠定了精典熱學(xué)的概念基礎(chǔ)，進(jìn)而使
7、它處于理論系統(tǒng)中定義原理的前提地位。這表現(xiàn)在：（1）首次回?fù)袅搜永m(xù)兩千多年的亞里士多德等人錯(cuò)誤的力的概念，為確立正確的力的概念掃清了公路。（2）第一次科學(xué)地給出了力的定性定義（含力的本質(zhì)和力的療效）。（3）第一次提出了精典熱學(xué)的幾個(gè)基本概念，為其他幾個(gè)原理奠定了概念基礎(chǔ)。主要有：慣性參考系、力的定性概念（本質(zhì)和療效）、慣性及慣性運(yùn)動(dòng)。牛頓第一定理首先表明了“不受力”下，物體的動(dòng)力學(xué)規(guī)律（做慣性運(yùn)動(dòng)）。在此基礎(chǔ)上能夠表明其他幾個(gè)基礎(chǔ)原理。首先，精典熱學(xué)的全部規(guī)律均要求在慣性參考系內(nèi)考察。牛頓第二定理進(jìn)一步要注明“受力”下，物體的動(dòng)熱學(xué)規(guī)律。在這兒，利使勁的療效，加速度a，定量定義了力的
8、大小和方向；也定量定義了慣性的大小即質(zhì)量。得到牛頓第二定理表達(dá)式F=ma。在理的概念的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步敘述力本身的規(guī)律，這就是：牛頓第三定理（反應(yīng)斥力和反斥力的普遍關(guān)系）；力的疊加原理或力的獨(dú)立作用原理（反應(yīng)力的矢量性）。它們是力本身普遍的規(guī)律。還有具體力的規(guī)律，幾種力的定量表達(dá)式：萬(wàn)有引力定理、胡克定律、和磨擦定理。其實(shí)，在理論系統(tǒng)中幾個(gè)基本原理的關(guān)系式上，無(wú)論從概念的關(guān)系上看，還是從敘述規(guī)律的內(nèi)容上看，第一定理均處于前提和基礎(chǔ)地位。這在數(shù)學(xué)學(xué)的發(fā)展史上也是這么。5牛頓第一定理在數(shù)學(xué)教學(xué)中的地位力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，是動(dòng)力學(xué)的基本問題，人類正確認(rèn)識(shí)這個(gè)問題，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過程。在數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)
9、展史上，是伽利略最早發(fā)覺和提出了“慣性定理”，首先推翻了亞里士多德錯(cuò)誤的力的概念，但因?yàn)闆]有排除重力的影響，故錯(cuò)誤地覺得慣性運(yùn)動(dòng)不能是勻速直線運(yùn)動(dòng)，而應(yīng)當(dāng)是順著月球表面的勻速圓周運(yùn)動(dòng)6。后經(jīng)笛卡兒的修正，排除了一切力的作用，給出了“慣性定理”的正確敘述。牛頓承繼了伽利略和迪卡兒的研究成果，于1687年發(fā)表了自然哲學(xué)的物理原理，提出了機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本定理，因而奠定了精典熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。在關(guān)于牛頓三個(gè)運(yùn)動(dòng)定理的教學(xué)中，班主任和中學(xué)生常常會(huì)覺得牛頓第二定理是牛頓運(yùn)動(dòng)定理的核心，是重中之重，牛頓第一定理遠(yuǎn)不及牛頓第二定理這么重要，因而忽略了牛頓第一定理的概念教學(xué)。其緣由可能有三個(gè)方面：一是以牛頓第二定理
10、為中心的應(yīng)用問題壓制了牛頓第一定理的概念教學(xué)。估算過程推理性較強(qiáng)，能解開具體問題的答案，又能通過考試題檢測(cè)知識(shí)的把握和應(yīng)用情況牛頓第一定律適用于任何參考系嗎，師生都感興趣。二是牛頓第一定理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)具象，不能直接得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，教學(xué)過程無(wú)法施行，從而忽視其重要性。三是有種傾向覺得牛頓第二定理可以囊括牛頓第一定理，第一定理不過是第二定理的特例，可以作為第二定理的邏輯結(jié)論，所以偏重于第二定理而忽略第一定理的教學(xué)。這些認(rèn)識(shí)值得剖析。從數(shù)學(xué)學(xué)出發(fā)，受力條件下物體的云頂規(guī)律不能包括不是歐力下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（1）從牛頓第二定理的表達(dá)式F合=ma推測(cè)，覺得假如F合=0，則a=0，表示物體靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，做慣性運(yùn)動(dòng)，即為第一定理。
11、上述錯(cuò)誤在于：F合=0，并不能表示物體“不受力”，而是“受力”下合力為零，盡管與“不受力”是的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同,但此時(shí)a=0不是第一定理的慣性運(yùn)動(dòng)，由于慣性運(yùn)動(dòng)必有“不受力”的前提條件。慣性定理的外界條件是不受力，不能把“受力”而合力為零條件下的運(yùn)動(dòng)稱為慣性運(yùn)動(dòng)，盡管她們達(dá)到的運(yùn)動(dòng)療效相同，但兩者是本質(zhì)上不同的運(yùn)動(dòng)，“不受力”下的運(yùn)動(dòng)是理想運(yùn)動(dòng)，以理想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，合力為零下的運(yùn)動(dòng)是真實(shí)運(yùn)動(dòng)，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。（2）從物體受一個(gè)力時(shí)的第二定理F=ma出發(fā)，覺得F=0為物體“不受力”的物理抒發(fā)，則a=0，物體做慣性運(yùn)動(dòng)。上述錯(cuò)誤在于：牛頓第二定理是構(gòu)建在物體“受力”條件下和真實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因而
12、不能邏輯地推論時(shí)理想極限情況下的運(yùn)動(dòng)，物體在“不受力”情況下做慣性運(yùn)動(dòng)，其加速度怎樣，只能借助理想實(shí)驗(yàn)來證明。如前所述，第一定理和第二定理的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)完全不同，真實(shí)實(shí)驗(yàn)不能包括理想實(shí)驗(yàn)，理想實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的理想極限，是無(wú)任何實(shí)驗(yàn)偏差的思維實(shí)驗(yàn)，十四位理想化具象的產(chǎn)物，“不受力”的條件對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)不能滿足，只能靠思維的邏輯推理去掌握，這正是牛頓第一定理與第二定理彼此獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。可見，第一定理和第二定理實(shí)務(wù)題“不受力”和“受力”條件下兩個(gè)本質(zhì)不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。6牛頓第一定理的作用當(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
13、律給出的物理表示,它只有在相對(duì)慣性系一個(gè)沒有加速度的參照系時(shí),才有確定的檢測(cè)值,如參照系不是慣性系,而存在加速度,則中的的值就將改變,這么第二定律就沒有意義了,或則說不再創(chuàng)立了。諸如,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,開始時(shí)靜止在軌道上(見圖1)。圖1加速貨車示意圖小球相對(duì)地面也是靜止。在地上和車上的觀察者看見,這個(gè)小球在水平桌面上不受力,所以沒有加速度。但當(dāng)貨車以水平加速度0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-0向左運(yùn)動(dòng),這似乎與牛頓第一定理不符,而
14、且小球相對(duì)于車上的觀察者來說,它的加速度隨0而變化,可見,牛頓第二定理不再創(chuàng)立。它從一個(gè)方面說明:牛頓第二定理只對(duì)沒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,即分別是斥力和反斥力),則第三定理也就不創(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
15、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)問題不能由牛頓第二定理來解決而要用非慣性系中的熱學(xué)多項(xiàng)式:求解。式中為在慣性系中測(cè)得的物體受的力,而為在非慣性系中測(cè)得的慣性力,0為非慣性系統(tǒng)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(jì)課程教材化學(xué)學(xué)4卻說:“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)。5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。參考文獻(xiàn):1愛德華格蘭特著，張卜天譯，近代科學(xué)在中世紀(jì)的基礎(chǔ)。重慶：山東科技技術(shù)出版社，2010.1182顧建中.普通化學(xué)學(xué)簡(jiǎn)明教程熱學(xué)部份M.上海:人民教育出版社.19773張三惠.學(xué)院化學(xué)學(xué)熱學(xué)M.上海:北大學(xué)院出版社.4馬文蔚.化學(xué)學(xué),下冊(cè)M.上海:高等教育出版社.19995程守洙、江之永.普通化學(xué)學(xué)(第五版)M,第1冊(cè).上海:高等教育出版社,19986戴維林德伯格著，王珺等譯，西方科學(xué)的起源。上海：中國(guó)對(duì)外翻譯出版公司，2001.312
