初二物理牛顿第一定律教学视频

第五节　牛顿第一定律

一、亚里士多德的运动观念

在很早以前，力与运动的关系问题就成为了人们关注的焦点。古希腊哲学家和科学家亚里士多德就对力与运动的关系问题作过许多探讨。亚里士多德认为运动应该分为自然运动和受迫运动，自然运动是不需要力的推动的，而受迫运动则需要作用力的推动。受迫运动是作用力产生的结果，作用力的本质就是抵抗与克服物体趋向其自然位置的本性。他认为，物体要不断地做受迫运动，就必须要有外力不断地作用于物体，不断地与物体保持直接的接触。一旦力的作用停止了，直接接触中断了，物体的运动也就不能再延续下去。在他看来，物体本身并不具有维持自身运动的能力。

对于人们扔石头，石头离开手后仍然会运动一段距离，亚里士多德对此也用他的运动观念作出了解释。他认为，在一般状况下，石头与它后面的空气是保持着接触的，但当石头在手的推动下离开手的一瞬间，石头原来占据的位置就变成了虚空，而真空是大自然所厌恶的，因此周围的空气就会立即涌上来填补这个空间，从而形成气流对石头产生一种冲力，使它又能向前发生一定的位移。因此，依此类推，石头离开手后就仍能继续移动一段距离。对于所有的物体都能够作自由落体运动，亚里士多德是如此解释的，他认为是重量是使物体下落的原因，而物体中包含水元素特别是土元素又是物体拥有重量的原因。物体内含有的土元素越多也就越重，它趋向地心的要求就越强烈，他由此得出了一个影响深远的重要结论:物体下落速度与它的重量成正比。他继而引用马拉车的例子来论证他的观点，在一条平坦的路上，马需要不断地用力才能让车不断匀速前进，因此，沿直线以恒定速度运动的物体应当受到外力的恒定作用。

以我们今天的视角看来，亚里士多德在探索力与物体运动关系的问题上下了不少错误的结论。比如他认为，受力运动与物体的本质没有关系，只取决于外力的作用，“运动者皆有推动者推动”，“在受力时，力既是产生运动，又是维持运动的原因”，“沿直线以恒定速度运动的物体应当受外力的作用”等。由于亚里士多德的威望和影响，他的许多错误的结论被当作信条，统治了人们近两千年的历史。直到17世纪，在众多科学家的不断奋斗下，人们才逐步形成正确的概念，其中以伽利略的贡献尤为重要。

二、伽利略提出惯性原理

在比萨大学读书时，伽利略就指出:亚里士多德距离他们所生活的年代太过遥远了，人类的生活已经发生了翻天覆地的变化，亚里士多德在他所生活的年代里，受到他视野、知识的限制，作出的某些结论不可能永远正确而不犯错误。伽利略对运动学的研究十分重视，并且努力将其建立成为一门新科学。他认为运动是自然中最古老的课题，尽管前辈们作出了大量的研究，但是运动的某些性质仍是值得探讨的。他在批评亚里士多德运动观念的同时，不断地提出自己的力学观点。如前文所述，他在研究自由落体运动时，设计了著名的斜面实验，从而证明了落体“所经过的各种距离总是同所用时间的平方成正比”的自由落体定律。在此基础上，伽利略又进一步提出了“等末速度假设”即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同斜面从同一高度下落，到达末端时具有相同的速度。伽利略进一步用单摆摆球的等高性实验作了检验。

针对伽利略惯性原理，笛卡尔作了补充。笛卡尔克服了伽利略所认为的绕地球的圆周运动也是惯性运动的结论。明确指出，作惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动。他总结出两条规则:第一，物体将一直保持它的速度，除非有别的物体制止它或者减慢它的运动速度;第二，物体始终趋向于维持直线运动。至此，惯性定律已基本被发现。

三、牛顿第一定律的发现

1.牛顿关于力和惯性的定义

牛顿在笛卡尔、伽利略等人工作的基础上，首先定义了力和惯性两个概念，并在《原理》一书中予以发表。他认为，施加于物体的力是为了改变其静止或匀速直线运动状态而施加于物体上的一种作用。仅仅在作用中，力才显示出来，作用一结束，力便从物体间消失，然后由于惯性，物体继续保持原来的状态。他写到:“物质的惰性力或固有之力，是按一定的量而存在于其中的一种反抗的能力，由于这种力，任何物体不论是静止的或是沿直线均匀向前运动的(即匀速直线运动)，都要尽力维持其现状。”牛顿又指出，“这种力总是与具有该力的物体的质量成正比，而与物质的惰性毫无区别，只是说法不同而已。由于物质的惰性，物体要脱离其静止状态或匀速直线运动状态是困难的。基于这种考虑，这种表示惰性的力可以用一个最确切的名称，叫做惯性力或者惰性力……”牛顿在此所指的“惯性力”或者“惰性力”，实质上就是“惯性”。

2.牛顿发现牛顿第一定律

牛顿不仅把惯性原理用于对地球上物体运动的解释，还将其用于天体，给惯性原理赋予了普遍意义，使它成为一个定律，即牛顿第一定律。其内容可简要陈述为:“任何物体都保持静止的或匀速直线运动状态，直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。”

牛顿指出，在没有空气阻力妨碍或重力向下吸引的情况下，抛物体将继续其运动。一个转动陀螺，如果没有空气阻力，它就不会停止转动。像彗星与行星这样较大的物体，由于在较为自由的空间中遇到的阻力较小，所以它们能在更长的时间内同时保持其进动与圆周运动。

牛顿第一定律中所提到的物体是被当作质点来看待的，因而只涉及到物体的平动，而不涉及到物体的内部运动。

3.牛顿第一定律的含义

牛顿第一定律揭示出，任何物体都具有一种保持其原来运动状态的特性，也就是惯性。当物体不受力时，它处于静止就保持静止状态不变;当它处于运动时，就保持匀速直线运动状态不变。这体现了物体具有保持它原来运动状态的特性。定律还说明了匀速直线运动和静止这两种状态在一定意义上的等价性。

牛顿第一定律是从大量的实验现象出发，归纳总结出的，它是有一定的实验基础，但自然界中不受力的孤立物体是不存在的，因此，这一定律并不能简单地按其字面意义用实验直接加以验证，这更反映了它的普遍意义。并且由牛顿第一定律得出的一切推论都和观察与实验结果相符合，这也间接证明了这一定律的正确性。

这一定律还显示，必须施加给物体一个力才能使物体改变运动状态，或由静止到运动，或由运动变为静止，或从一速度变为另一速度即力只是和运动状态的改变直接相联系的，这是由牛顿第二定律来定量描述的。

四、发现牛顿第一定律启示

在牛顿第一定律的发现过程中，理想实验在其中起了决定性的作用。理想实验是人们在科学实验的基础上，运用逻辑推理方法与发挥想像力，在思维中把客观的实验条件与研究对象加以理想化，抽象出来的一种理想化过程的“实验”。伽利略被称为物理实验方法的先祖，同时他又创造了理想实验的方法。他在科学研究中善于运用理想实验的方法，为驳斥亚里士多德的“重物下落速度快”的错误结论，他设计了把轻重不同两物体捆在一起让其自由下落的理想实验，从而推翻了亚里士多德的落体观念。他在发现惯性原理的过程中运用了理想斜面实验，堪称物理史中的一绝。因为他所设计的理想斜面这种在纯粹理想状态下的实验，在实际当中是无法实现的。尽管我们显示创造各种条件，把运动物体所受的摩擦力与空气阻力尽量减少，但是永远不可能完全排除掉。然而，这并不能阻碍人们根据多次越来越逼近于理想实验，运用逻辑推理方法进行科学抽象而作出应有的结论。伽利略运用理想实验所得到的结论被牛顿概括总结出牛顿第一定律，成为经典力学的建立基础。在爱因斯坦与英费尔德合著的《物理学的进化》一书中，也曾讲到一个关于惯性定律的理想实验，这对我们进一步理解牛顿第一定律是会有所帮助的。书中写道:“假如有人推着一辆小车在平路上行走，然后突然停止推那辆小车，小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离。我们问:怎样才能增加这段距离呢?这有许多办法，例如在车轮涂油，把路修得很平滑等。车轮转动得越容易、路愈平滑，车便显示运动得愈远……假想路是绝对平滑的，而车轮也毫无摩擦。那么就没有什么东西阻止小车，而它就会永远运动下去。”

在现代物理学中，理想实验的方法发挥的作用越来越大。爱因斯坦曾设计了“同时相对性”的理想实验，通过这一实验他确立了同时性的相对性的科学概念，成为创立狭义相对论的重要基础。理想实验根植于科学实验之中，但它具有现实实验所达不到的极度简化与纯化的程度，因而更有利于探索与揭示自然事物与现象的规律性。运用理想实验，是提出科学假说的重要途径之一，它具有加深对现实实验与研究对象性质及其运动规律的理解，还具有使逻辑证明与反驳更明确、直观及有力的作用，当然，理想实验的结论还须科学观察与实验的检验。