一、牛顿第一定律

前一章我们学习了怎样描述物体的运动，但是没有进一步讨论物体为什么做这种或那种运动。要讨论这个问题，必须知道运动和力的关系。这一章我们就来研究运动和力的关系，阐明力是使物体运动状态发生改变的原因。在力学中，只研究物体怎样运动而不涉及运动和力的关系的分科，叫做运动学；研究运动和力的关系的分科，叫做动力学。

根据动力学的知识，如果知道了物体的受力情况，就可以确定物体的运动状况；或者反过来，如果知道了物体的运动状况，也可以确定物体的受力情况，这样，我们就不但能够描述运动，而且能够创造条件来控制物体的运动，使物体的运动符合人们的要求。

动力学的知识在生产和科学研究中是很重要的。设计各种机器，控制交通工具的速度，研究天体的运动，计算人造卫星的轨道等等，都离不开动力学的知识，

动力学的奠基人是英国科学家牛顿。牛顿在1687年出版了他的名著《自然哲学的数学原理》。在这部著作中，牛顿提出了三条运动定律，这三条定律总称为牛顿运动定律，是整个动力学的基础，这一章我们学习的就是牛顿运动定律。

在初中我们已经学过了牛顿第一定律，这一节我们先回顾一下历史，然后对这个定律本身作一些讨论。

历史的回顾  远在两千多年以前，人们已经提出了运动和力的关系问题。可是直到伽利略和牛顿（1642～1727）时代，才对这个问题给出了正确的答案。

在十七世纪以前，人们普遍认为力是维持物体运动的原因。用力推车，车子才前进，停止用力，车子就要停下来。古希腊的哲学家亚里士多德（公元前384～322）根据这类经验事实得出结论说：必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来。

在亚里士多德以后的两千年内，动力学一直没有多大进展。直到十七世纪，意大利的著名物理学家伽利略才根据实验揭示了现象的本质，指出了亚里士多德的观点的错误。伽利略发现运动物体所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的缘故。他断言：一旦物体具有某一速度，只要没有加速或减速的原因，这个速度将保持不变，而这种情况只有在摩擦力极小的水平面上才能近似达到。根据这种观点看来，力不是维持物体的运动即维持物体的速度的原因，而是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。

伽利略是怎样得到这个结论的呢？伽利略并没有脱离日常经验，而是对经验进行了分析。他研究了物体在斜面上的运动，发现物体沿斜面向下运动，有加速的原因出现，速度不断增加，沿斜面向上运动，有减速的原因出现，速度不断减小。他根据这一事实进行推论，指出在没有倾斜的光滑水平面上，物体的运动应当是既没有加速也没有减速，速度应当是不变的。当然伽利略知道，由于物体受到摩擦力的阻碍，这种水平运动的速度实际上并不是不变的。摩擦越小，物体以接近于恒定速度运动的时间就越长。在没有摩擦的理想情况下，物体将以恒定的速度持续运动下去。

我们可以用现代的实验设备来近似地验证上述结论。把物体放在一个水平导轨上，并设法使物体和导轨之间形成气层，物体沿这种气垫导轨运动时摩擦很小。推动一下物体，可以看到物体沿气垫导轨的运动很接近匀速直线运动。

伽利略还根据下面的理想实验进行推论，如图3-1甲所示，让小球沿一个斜面从静止滚下来，小球将滚上另一个斜面。如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度，他推论说，如果减小第二个斜面的倾角（图3-1乙），小球在这个斜面上达来的高度，而要沿着水平面以恒定速度持续运动下去，到原来的高度就要通过更长的距离。继续减小第二个斜面的倾角，使它最终成为水平面（图3-1丙），小球就再也达不到原来的高度，而是要沿着水平面以恒定速度持续运动下去。

伽利略的实验虽然是想象中的理想实验，但它们是建立在可靠的事实的基础之上的，伽利略把经验事实和抽象思维结合起来，这正是他的工作的卓越之处。由于伽利略细心地研究了理想实验，才使他对动力学做出了重大贡献，这类理想实验在真实的实验基础上，抓住主要因素，忽略次要因素，可以深入地揭示现象的本质，它是科学研究中的一种重要方法。

伽利略同时代的法国科学家笛卡儿（1596～1650）进一步补充和完善了伽利略的论点，第一次明确地表述了惯性定律，笛卡儿认为：如果没有其他原因，运动的物体将继续以同一速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。这样，笛卡儿为发展动力学又迈出了重要一步。

牛顿第一定律      牛顿在伽利略等人的研究基础上，并根据他自己的研究，系统地总结了力学的知识，提出了三条运动定律，其中第一条定律的内容是：

一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。

这就是牛顿第一定律。物体的这种保持原来的匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性，牛顿第一定律又叫做惯性定律。

汽车里的乘客，当汽车突然开动时，身体要向后面倾倒，这是因为汽车已经开始前进而乘客由于惯性要保持静止状态的缘故。当汽车突然停止时，身体要向前面倾倒，这是因为汽车已经停止而乘客由于惯性要保持原来速度前进的缘故。一切物体都具有惯性，惯性是物体的固有性质，物体的运动并不需要力来维持。

牛顿第一定律所描述的是一种理想化的状态，即物体不受外力作用的状态。但是，任何物体都和周围的物体有相互作用，不受外力作用的物体是不存在的。物体受到几个力的作用，如果合力为零，即这几个力相互平衡，这时物体的运动状态并不发生改变。我们通常所看到的匀速直线运动状态和静止状态，其实都是物体受到相互平衡的力的作用的结果。

阅读材料：爱因斯坦谈运动的问题

有一个基本问题，几千年来都因为它太复杂而含糊不清，这就是运动的问题。……设想有一个静止的物体，没有任何运动。要改变这样一个物体的位置，必须使它受力，如推它，提它，或由其他的物体如马、蒸汽机作用于它，我们的直觉认为运动是与推、提、拉等动作相连的。多次的经验使我们进一步深信，要使一个物体运动得愈快，必须用更大的力推它。结论好象是很自然的：对一个物体的作用愈强，它的速度就愈大，一辆四匹马驾的车比一辆两匹马驾的车运动得快一些。这样，直觉告诉我们，速率主要是跟作用有关。

……

伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。这个发现告诉我们，根据直接观察所得出的直觉的结论不是常常可靠的，因为它们有时会引到错误的线索上去。

但是直觉错在哪里呢？说一辆四匹马驾的车比一辆两匹马驾的车走得快些难道还会有错吗？

……

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，例如在车轮上涂油，把路修得很平滑等。车轮转动得愈容易、路愈平滑，车便可以继续运动得愈远。但是在车轮上涂油和把路修平有什么作用呢？只有一种作用：外部的影响减小了。即车轮里以及车轮与路之间的那种所谓摩擦力的影响减小了。……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。这个结论是从一个理想实验中得来的，而这个实验实际上是永远无法做到的，因为不可能把所有的外界影响都消除掉。这个理想实验指出了真正建立运动的力学基础的线索。

比较一下对待这个问题的两种方法，我们可以说，根据直觉的观念是这样的：作用愈大，速度便愈大，因此速度本身表明着有没有外力作用于物体之上。伽利略所发现的新线索是：一个物体，假如既没有人去推它、拉它，也没有人用旁的方法去作用于它，或者简单些说，假如没有外力作用于它，此物体将均匀地运动，即沿一直线永远以同样速度运动下去。因此，速度本身并不表明有没有外力作用于物体上。伽利略这个正确的结论隔了一代以后由牛顿把它写成惯性定律。

……

人的思维创造出一直在改变的一个宇宙图景。伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点而用新的观点来代替它。这就是伽利略的发现的重大意义。

——摘自A·爱因斯坦，L·英费尔德著：《物理学的进化》。这里的标题是编者加的。

练习一

（1）一个球以20cm/s的速度运动着，而且没有受到力的作用，5s后它的速度将是多大？

（2）在行驶的火车里的水平桌面上放着一个小球。当小球突然相对于车厢发生向前运动或者向后运动时，火丰的运动状态分别发生了怎样的改变？

（3）地球从西向东转。为什么我们向上跳起来以后还落到原地，而不落到原地的西边？

（4）分别举出几个利用惯性和防止惯性的不利影响的例子。

发布时间：2015/7/2 下午1:17:06  阅读次数：3165