牛顿本人对牛顿第一定律的建立有哪些贡献?

伽利略及笛卡尔等,都没有建立科学的力的概念,他们说的都是“如果没有其他物体的作用”。牛顿把一切改变物体运动状态的作用定义为力,指出力是改变物体运动状态的原因,总结出了牛顿第一定律。

有相当一部分学生在学习了牛顿第一定律后,心里有两个疑问。一是亚里士多德的观点与牛顿第一定律不同,认为物体受力才运动,不受力就静止,摩擦以及空气阻力等因素也被他忽略了,为什么还说他是伟大的科学家呢?二是牛顿第一定律实际上是伽利略发现的,却被牛顿拿来作为他的第一运动定律,牛顿是否有剽窃他人成果的嫌疑?

一、古代对力的认识

力的概念古已有之,但与现代科学中力的概念有所不同。

在 20 世纪末我国使用的高中物理教科书中,有一段关于力的描述:人们对力的认识,最初是从日常生活和生产劳动中得到的,是和人力相联系的。用手推动小车,提起重物,拉长或压缩弹簧,肌肉会感到紧张,我们就说,人对小车、重物、弹簧用了力。后来人们把力的概念加以扩展,把凡是能和人力起相同效果的作用都叫力……

这段话明确了以下两点:

最初,人们认识的力是与肌肉紧张相联系的,那时还没有把其他物体的作用也认为是力。

后来,人们把力的概念加以扩展,把凡是能和人力起相同效果的作用都叫力。

在亚里士多德时代,人们对力的概念是最初的认识:车在人推它的时候就运动,在人不推它的时候就会慢慢停下来,而让它停下来的作用,人们并不认为是力。这样看来,在那个时代亚里士多德的说法并没有多大的问题。

在伽利略时代,人们仍然没有把力的概念加以扩展,伽利略通过理想实验和缜密的思考而得出的结论是:原来运动的物体,如果没有其他物体的作用,将会一直运动下去。注意,伽利略说的是“如果没有其他物体的作用”,并没有说到力的作用。

与伽利略同时代的物理学家、数学家笛卡尔在他的《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足,进一步完善了伽利略的观点,指出不受其他物体作用时,原来运动的物体将会做匀速直线运动。

二、牛顿扩展了力的概念

古代人们对力的认识,一直延续到了牛顿时代。

牛顿在他的著作《自然哲学之数学原理》(以下简称《原理》)的开头,给出了 8 个定义,其中定义 4 是:

外力是一种对物体的推动作用,使其改变静止的或匀速直线运动的状态。

后面紧跟着给出了三个运动定律,其定律 Ⅰ(即牛顿第一定律)是:

每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态,除非有外力作用于它迫使它改变那个状态。

把一切能改变物体运动状态的其他物体的作用定义为力,至此,人们才把力的概念扩展,成为现代的、科学的力的概念,这是牛顿的伟大贡献。

三、牛顿第一定律及众人的贡献

牛顿第一定律包含两句话,第一句说明了物体有惯性,即保持其原来静止或匀速直线运动的状态不变的性质,第二句话是只有力的作用才能迫使它改变原来的运动状态,即力是改变物体运动状态的原因。

对于第一句话,是牛顿之前的“巨人”们做的贡献。亚里士多德说明了原来静止的物体,在不受力的作用时,要保持静止状态。伽利略的贡献是:原来运动的物体,如果没有其他物体的作用,将一直运动下去。笛卡尔则把伽利略说的“一直运动下去”,改为确切的“做匀速直线运动”。牛顿站在这些“巨人”的肩膀上,将他们的观点概括为“每个物体都保持其静止、或匀速直线运动的状态”,从而明确了一切物体都有惯性,而惯性指的就是物体保持静止或匀速直线运动状态不变的性质。

对于牛顿第一定律的第二句话,则完全是牛顿本人的贡献,他指出:改变物体运动状态的只有力的作用。科学的力的概念就此诞生。

因此,说牛顿剽窃伽利略的成果是站不住脚的。

四、牛顿运动定律定义了科学的力的概念

《原理》书中的定义 4,只是力的概念的定性表述,完整的、科学的力的概念包含在牛顿三个运动定律之中。

定义 4 包含两句话。第一句话是:外力是一种对物体的推动作用,即是物体对物体的作用,牛顿第三定律则进一步明确说明了这种作用是相互的,并且总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上,用简捷的数学语言表示为 F = − F ʹ。

第二句话是:只有外力作用能迫使其(受力物体)改变静止的或匀速直线运动的状态,即力是改变物体运动状态的原因,这是对力的定性的描述。牛顿第二定律则描述了力与运动状态改变间的定量关系,用数学语言表述是:F = ma,式中 a 是物体运动状态的变化率。

这样就全面地定义了力,即它是一种能够改变物体运动状态的物体间的相互作用。

牛顿第二定律还定义了惯性。牛顿第一定律定性地说明了惯性是物体保持原来运动状态的性质,但它并没有说明惯性的大小如何量度,甚至都没有说明惯性是否有大小之分。牛顿第二定律说明了力 F 与物体运动状态的变化率 a 成正比,即 Fa,也可以写作 F = ka,其比例系数 k = \(\frac{\boldsymbol{F}}{\boldsymbol{a}}\),它就是惯性大小的量度,该比值越大,说明该物体的远动状态越不容易被改变,即惯性越大。这个系数就是物体的质量(惯性质量)m,这就是我们说“质量是物体惯性大小的量度”的依据。

五、牛顿第一定律定义了惯性参考系

关于牛顿第一定律,还有一件事非常重要,那就是参考系的问题。并不是在所有的参考系中牛顿第一定律(还有牛顿第二定律)都成立,我们把牛顿第一定律成立的参考系,称为惯性参考系,简称惯性系,而牛顿第一定律不成立的参考系,称为非惯性参考系,简称非惯性系。例如,一个金属小球放在火车车厢内的水平桌面上,处于静止状态。当火车开始启动时,小球相对于桌面开始运动,但小球并没有受到外力的作用(它与水平桌面间的摩擦力可以忽略不计),这说明以加速运动的火车车厢为参考系,牛顿第一定律不成立。而对于地面参考系而言,小球仍然保持静止,因此地面参考系是惯性系而加速运动的车厢是非惯性系。

单纯的运动学问题,参考系的选择是任意的,但涉及力与运动关系的动力学问题时,在中学阶段必须选择惯性系,这点在物理教学中非常重要。

绝对的惯性参考系并不存在,在讨论地球表面附近小范围的运动及相互作用等问题时,常常把小范围的地面作为近似程度很好的惯性参考系来处理,它在一些大学物理教材中被称为“实验室参考系”,而在我们中学物理教学中常常称其为“地面参考系”,相对地面做匀速直线运动的参考系也是惯性参考系。在讨论有关地球卫星发射及运转等问题时,常把地心参考系作为惯性参考系;在讨论向太阳系外发射人造星体等更大空间的问题时,又常以日心为参考系。

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发布时间:2024/7/6 下午2:26:42  阅读次数:62

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