几位科学家对牛顿第一定律的贡献

江苏省无锡市洛社高级中学 王诗锋 选自《中学物理教学参考》2009年第5期

笔者有幸参与了本市高中物理教学能手评选“上课关”的评委工作，课题为“牛顿第一定律”，在听课过程中笔者发现，5位选手对相关科学家贡献的处理都比较平淡。以下笔者就结合自己的认识谈一谈几位科学家对牛顿第一定律的贡献。

亚里士多德的贡献

提到牛顿第一定律，不得不提到亚里士多德。由于高中物理教材中两次提到这位伟大的科学家，都是讲到他对问题的错误认识，而这两个错误认识又都是被伽利略推翻的，就会有同学把亚里士多德想象成一个没有多少建树的科学家。

事实上，亚里士多德在西方科学和思想体系中的地位类似于孔子在东方儒学界中的地位。他一生贡献极多，但他主要是通过对事物的观察而直接得出结论，所以他的许多结论都缺少思辨的过程，不需要去证明。我们所学到的这位大家所犯的两点错误，并不能掩盖其在其他研究领域所作出的卓越贡献。

亚里士多德对运动和力的认识是：力是维持物体运动的原因，有力就有运动，没有力就没有运动。虽然现在我们知道这是一个错误的观点，但亚里士多德在动力学方面给我们的最大贡献是：他第一次提出了力与运动间存在关系的论点。不是有一句话吗？不怕做不到，就怕想不到。亚里士多德想到了力与运动之间应该存在关系，这就是他对动力学的贡献。

伽利略的贡献

伽利略是第一个意识到直觉有时并不可靠的人。有些教师认为伽利略是为了推翻亚里士多德关于力与运动关系的观点而提出的著名的斜面理想实验，这种想法是错误的。

事实上，伽利略在研究物体在斜面上的运动时，发现当球从一个斜面上滑下来又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度与从第一个斜面上开始滑下来时的高度几乎相等。于是伽利略断定高度上的这点微小差别是由于摩擦而产生的，如果能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。然后，他进行了推想：在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜角多么小，即使放平了，小球也“想”运动到原来的高度，于是只好永远运动下去了。

通过这个推想，伽利略意识到即使没有力物体也可以运动。但当他把这个观点给别人讲解并试图让别人接受时，却遇到了阻力，毕竟亚里士多德的观点早已经深入人心。于是，伽利略设计了众所周知的斜面滚球理想实验。也就是说，他是为了让别人信服自己的想法，才设计了这个实验，实验过程如下：

第一步：从斜面一侧由静止滚下的小球，若没有任何摩擦，在另一侧斜面上将达到原来的高度。这是一个大家都能够接受的事实，可以把它当做一个公理；

第二步：还是没有摩擦，把另一侧斜面近似放平，为了达到原来的高度，小球将经过更长的距离。这也是经过推理大家都能接受的一个结论；

第三步：如果将另一侧斜面完全放平，贴着地面，物体将如何？

被提问的人肯定在前两步的基础上得出：小球为了回到原来的高度，将永远运动下去。

到这里，伽利略的观点才被别人“不得不”接受。

但接下来伽利略错误地认为，由于小球将沿着这个贴着地面的轨道永远运动下去，而地球是球形，因此，它将绕地球一周之后再回到水平面上的出发点。

伽利略的贡献在于他提出了摩擦是影响物体运动的原因，没有摩擦物体将在水平面上永远运动的观点。更重要的是他认识到要验证一个结论是不是正确可以通过实验的方法来进行。他第一个走出“直观观察就能得出结论”的误区，提出了依靠实验来验证自己观点的科学研究方法。

笛卡儿的贡献

许多教材在处理笛卡儿的贡献时往往都是一笔带过，以至于许多教师都认为，笛卡儿只是同时提出了与伽利略相类似的观点，并没有将此观点进行发展，这就错误了。

笛卡儿经过研究明确指出：除非物体受到外力的作用，否则物体将永远保持其原来的静止或运动状态，并且永远不会使自己做曲线运动，而只保持在直线上运动。

这里，笛卡儿首先提出任何改变都是有原因的，物体要改变运动状态，就必须有外力的影响，没有外力的影响，物体就保持直线运动或静止状态。注意，此时笛卡儿的观点已经前进了一大步，他意识到：力是改变物体运动状态的原因。他还从他数学家的角度理解了伽利略所认为的小球将沿地球表面最后再回到水平面上出发点的结论是错误的。因为在不受外力的情况下，物体只能做直线运动，而不可能做曲线运动。

笛卡儿的贡献在于他第一个认识到力是改变物体运动状态的原因。

牛顿的贡献

牛顿非常谦虚，他认为自己之所以总结出牛顿第一定律是因为站在巨人肩膀上的缘故。这虽有一定道理，但掩盖不了他的贡献：他将对力与运动关系的探究在前面两位的基础上更进了一步。他认为保持匀速直线运动状态和静止状态是所有物体的固有属性（就是惯性），直到有外力的作用，它才会改变这种状态。

牛顿通过对前人经验及结论的总结，提出了力学第一定律，这是为其完整的力学体系做预备的。有些人所认为的“牛顿第一定律是多余的，只是牛顿第二定律的一个加速度为0的特例”的观点是错误的，因为牛顿第一定律隐含着一个重要的内容——惯性参照系。

如何判断一个物体是在做匀速直线运动还是处于静止状态呢？这就需要有一个参照系。如果参照系不同，那么在一个参照系中做匀速直线运动的物体在另一个参照系中可能就是做加速或者减速运动了。因此，选什么样的参照系来研究问题就变得非常关键。这就是牛顿惯性参照系的思维来源。

牛顿的贡献在于他提出了保持匀速直线运动状态和静止状态是物体的固有属性的观点，以及从中得出的惯性参照系的概念。

从以上角度来理解牛顿第一定律的发展过程，才是一个比较完整的过程。它使我们更加明白一个定律从人类开始有这个意识到最后形成，是一个漫长的、要经过许多人不断思考、不断完善、不断提高的过程。

发布时间：2010/1/8 下午1:50:00  阅读次数：14094