对《牛顿第一定律》一节的几点认识

对《牛顿第一定律》一节的几点认识

笔者就《牛顿第一定律》一节的几个问题谈谈个人观点。

一、贬低亚里士多德的做法欠妥

亚里士多德是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家。在人类科学史上，亚里士多德是第一个阐明各学科研究对象和基本概念的人，他对混沌一团的科学进行了分类，为科学的发展奠定了基础。他的著作是希腊文明的百科全书，内容涉及天文学、地理学、地质学、物理学、动物学、胚胎学、解剖学、生理学、心理学、经济学、政治学、教育学、逻辑学、伦理学、历史学、美学、修辞学、诗歌等。亚里士多德集古代知识于一身，对世界的贡献之大，令人震惊，因此黑格尔称其为“人类的导师”，马克思称其为“古代最伟大的思想家”，恩格斯称其为“古代最博学的人”。

亚里士多德是许多学科的奠基人。在哲学方面，他最大的贡献在于创立了形式逻辑，丰富和发展了哲学的各个分支学科。在生物方面，他对五百多种不同的动植物进行了分类，至少对五十多种动物进行了解剖研究，指出鲸鱼是胎生的，考察了小鸡胚胎的发育过程。在教育方面，他主张国家应进行公共教育，使学生的身体、德行和智慧得以全面和谐地发展。他提出的“贫穷是革命与罪孽之母”，“立法者应该把主要精力放在教育青年上，忽视教育必然危及国本”等观点非常富有哲理性。亚里士多德的教学思想是建立在对人的身心发展研究基础上的，他主张依据年龄分期实施教学，实现人类自身发展规律和教育发展规律的结合;建立了包括自然科学在内的百科全书式的课程体系，提出了注重实践的良好措施;主张学生在德、智、体、美等方面全面发展，且在不同的成长时期侧重不同。在教学方法上，亚里士多德重视练习与实践的作用。在师生关系上，亚里士多德对导师柏拉图不是言听计从、唯唯诺诺，而是在继承的基础上敢于思考、坚持真理、勇于挑战，提出“吾爱吾师，吾尤爱真理”。

亚里士多德曾提出许多数学和物理学的概念，如极限、无穷数、力的合成等，创建了视觉、色彩视觉和虹等原始学说。亚里士多德认为地上的物质由土、水、气、火这四种“基本元素”组成，试图从物质本身来说明自然，把科学从宗教与神话中解放出来，这一精神是有进步意义的。亚里士多德认为地球是球形的，其依据是:月食是地球的影子投到月球上所致，由于月食时看到地球的影子总是圆的，由此推断地球应该是一个球体而不是圆盘状。

亚里士多德把物体的运动分为自然运动和强迫运动两种，自然运动就是重物竖直下落和轻物竖直上升的运动;除了这一运动外，所有其他形式的运动都只能在外力强迫下才能进行。这一观点尽管错误，但其中明显含有静止惯性的思想。

当然，亚里士多德对很多问题的处理是错误的。

每个人的认识均受其所处时代科技水平的影响，和所有科学家一样，亚里士多德的一些观点存在错误是难免的，但不应该因此就把亚里士多德看成是阻碍科学进步的反动或落后势力的代表而进行批判，应该批判的是照搬亚里士多德的观点而墨守成规的人。

哈佛大学的校训“让柏拉图与你为友，让亚里士多德与你为友，更重要的，让真理与你为友”很值得借鉴。

二、要正确理解伽利略理想实验的推论

伽利略根据理想实验得出推论:“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这一速度——这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的原因，而朝上的斜面提供了减速的原因。由此可见，只有在水平面上运动才是不变的。”(《两种新科学的对话》)他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种没有增加或减小速度外部原因的物体，其不变的运动是圆周运动。他对圆运动最自然最完善的思想印象太深，以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感兴趣。他不承认宇宙的无限性，因此认为，无限沿直线的匀速运动是不可能的，只能是沿着地球表面的圆运动。他只承认圆惯性运动，而不承认直线惯性运动，因此未能将惯性运动推广到一切运动上。

圆运动是最完美的运动这一观点可以追溯到古希腊，毕达哥拉斯学派认为，一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而宇宙是一种和谐的代表物，所以一切天体的形状都应该是球形，一切天体的运动都应该是匀速圆周运动。柏拉图主张天体的运动可以用匀速圆周运动的组合来解释。亚里士多德继承了柏拉图的观点，认为圆周是完美的几何图形，圆运动是一种原始的运动，并且是唯一一种能够无限继续的运动，所有天体的圆周运动都是自然运动。哥白尼接受了圆运动是最完善运动的观念，认为一切行星的运动都是均匀永恒的圆运动或复合运动。伽利略也坚持认为行星的运动是最自然最完善的圆运动。

伽利略把产生加速或减速的原因归之于靠近或者离开地球中心的倾向，也就是说他还没有建立起物体相互作用的清晰概念。他既没有找出改变运动状态的原因是力，也没有发现力与运动之间严格的关系。所以说，伽利略首先提出了惯性运动这一思想，但还不能说他发现了惯性定律。

三、笛卡儿对惯性定律的贡献

伽利略逝世两年后，笛卡儿补充和完善了伽利略的论点，他强调惯性运动的直线性。他在《哲学原理》一书中这样描述:“所有的运动，其本身都是沿直线的。”笛卡儿认为惯性运动不仅仅局限于水平面上的运动，而是包括一切方向上的运动。笛卡儿在《哲学原理》中的表述为:“只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。”这一叙述尽管包含了“不受任何力”的思想，但还没有明确提出，所以说笛卡儿的叙述还不是真正意义上的惯性定律。

四、牛顿第一定律的产生

牛顿继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，也继承了笛卡儿的研究成果。经过深入研究，澄清了力的概念，确立了经典力学的基础——牛顿运动定律。牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中对第一定律的表述为:“一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。”牛顿第一定律真正揭示了力与运动的关系:力是物体运动状态变化的原因，而不是维持物体运动状态的原因。这是伽利略和笛卡儿都没能解决的。从此惯性定律才真正成为力学理论的基础。所以说，牛顿第一定律才是真正意义上的惯性定律。

有些资料上讲，“伽利略的理想实验证明了物体不受外力作用时总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态”，这一提法显然是不符合史实的。

五、正确理解牛顿第一定律的意义

1.牛顿第一定律包含了三层意思

(1)牛顿第一定律说明了物体不受外力时的运动状态是匀速直线运动或静止(所以说力不是维持物体运动的原因)。

(2)一切物体都有保持匀速直线运动或静止的特性(即一切物体都有惯性)。

(3)外力是迫使物体改变运动状态的原因。

2.牛顿第一定律的成立是有条件的

它只适用于质点在惯性系中的运动，在非惯性系中不适用;牛顿第一定律所指的物体是质点，不适用于转动的物体。

六、牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例

由于实际上不存在完全不受其他物体作用的孤立物体，所以第一定律不能用实验直接加以验证，主要是由它所推出的结论和实验事实符合而得到验证。第一定律指出了物体在不受力的情况下处于怎样的运动状态，这样就可以研究物体在受力情况下的运动状态，因此，在牛顿力学的理论系统中牛顿第一定律是第二定律的前提和基础。

牛顿第一定律反映的是物体不受力时的运动状态是匀速直线运动或静止，不能反映所受合力为零时的运动状态是匀速直线运动或静止，合力为零时的情况是牛顿第二定律解决的问题。

将牛顿第一定律视为牛顿第二定律的特例是不妥当的。有些资料上讲，“牛顿第一定律说明了物体不受力(或所受合力为零)时的运动状态是匀速直线运动或静止”，这种提法是不合适的，因为牛顿第一定律不包括“所受合外力为零”的情况。

参考文献

［1］中国大百科全书编委会.中国大百科全书·力学.北京·上海:中国大百科全书出版社，1985.

［2］中国大百科全书编委会.中国大百科全书·物理学.北京·上海:中国大百科全书出版社，1987.

［3］人民教育出版社物理室.物理教师手册.北京:人民教育出版社，1998.

［4］何维杰.物理思想史与方法论.长沙:湖南大学出版社，2001.