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牛頓第一定律的意義

  從前面的介紹中我們知道,牛頓第一定律或慣性定律,是從伽利略、笛卡兒到牛頓的幾位杰出科學(xué)家的努力總結(jié)出來的自然定律,它否定了幾千年來人們關(guān)于運(yùn)動(dòng)和力的錯(cuò)誤觀念。通過不受力作用的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描繪,揭示出周圍環(huán)境對(duì)物體施加的作用力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因。只有在此基礎(chǔ)上才有可能進(jìn)一步研究受力作用的物體運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律。所以第一定律的建立,在觀念上是革命性的變革,在科學(xué)的動(dòng)力學(xué)體系中是不可缺少的重要基礎(chǔ)。

 

  可以從以下幾個(gè)方面深入理解第一定律的豐富內(nèi)涵和它的重要意義:

 

  1)提出了力概念的定性定義

 

  第一定律通過不受力的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描繪,繪出了力概念的定性定義。牛頓在表述他的第一定律前的定義中明確提出:力是對(duì)物體的作用,使物體改變靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就對(duì)力概念給出了定性的、科學(xué)的定義。其要點(diǎn)之一是力的起源:力是物體對(duì)物體的作用(牛頓第三定律進(jìn)一步揭示物體間力的相互作用性質(zhì)的規(guī)律)。力存在于這種作用過程之中。其要點(diǎn)之二是,力作用的效果:是使受力物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,即產(chǎn)生加速度。

 

  在運(yùn)動(dòng)定律方面牛頓超過伽利略的重要方面之一,就在于科學(xué)地定義了力這個(gè)重要概念。它使原來關(guān)于推、拉這種關(guān)于力的模糊認(rèn)識(shí)上升到科學(xué)概念,從而大大拓寬了人們對(duì)力的認(rèn)識(shí),拓寬了力的范圍。使人們根據(jù)上述的兩個(gè)要點(diǎn),超過以前停留于推、拉這種直接的作用,去認(rèn)識(shí)更大范疇內(nèi)的作用力,包括引力,電磁力等等。

 

  2)慣性概念的確立

 

  第一定律表明:每一個(gè)物體都具有保持靜止或沿一直線作等速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的屬性,這就是慣性。牛頓在陳述第一定律前的定義中,明確定義了“慣性”這一概念,他指出:“慣性是一種起抵抗作用的能力,它存在于每一物體當(dāng)中,”這種抵抗作用的能力,“使之保持其現(xiàn)有狀態(tài),或者靜止,或是勻速直線運(yùn)動(dòng)?!憋@然,這里所說的起抵抗作用的能力,是指對(duì)外界改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的作用的抵抗能力。

 

  因此,慣性是物體固有的屬性,不論物體是否受力都具有的性質(zhì)。當(dāng)物體沒有受外力作用時(shí),靜者恒靜,動(dòng)者恒作勻速直線運(yùn)動(dòng),是物體慣性的表現(xiàn);當(dāng)物體受到外力作用時(shí),物體的慣性表現(xiàn)于對(duì)外界作用的“抵抗性”(此即牛頓所說“抵抗能力”的含意)。這種“抵抗性”在牛頓第二定律中將得到進(jìn)一步的定量的闡明。

 

  3)定義了慣性系

 

  參考系是判斷動(dòng)、靜,描述物體運(yùn)動(dòng)的依據(jù),人們可以任意選定一個(gè)參考系來對(duì)自己感興趣的物體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述。對(duì)任一物體,不管它是否受力,都可以找到一個(gè)參考系,在此參考系中,該物體是靜止的或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的??梢?,離開參考系談慣性定律是毫無意義的。

 

  牛頓第一定律把“不受其它物體作用力”作為“物體繼續(xù)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)”的條件,就界定了牛頓力學(xué)適用于一類特殊的參考系,這類特殊的參考系就是不受力作用的物體在其中靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系,稱為慣性系。牛頓第一定律正是通過不受外界作用的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來定義慣性參考系,從而使它成為整個(gè)力學(xué)甚至物理學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。

 

  牛頓在他的《原理》中對(duì)他討論的運(yùn)動(dòng)構(gòu)想的參考系是“絕對(duì)空間”。他聲明他將討論的運(yùn)動(dòng)是在“絕對(duì)空間”中的真正運(yùn)動(dòng)。在后面的“推論”中,牛頓又指出“在絕對(duì)空間中作勻速運(yùn)動(dòng)并不作任何轉(zhuǎn)動(dòng)的空間內(nèi),一切運(yùn)動(dòng)按同樣方式進(jìn)行”。按牛頓所想象的絕對(duì)空間,是他設(shè)想的宇宙的不動(dòng)的中心。從今天的觀點(diǎn)看,絕對(duì)空間的觀念是不對(duì)的,早已否定了的。但歷史地看,在三百多年前的牛頓要為他討論的運(yùn)動(dòng)引入一個(gè)客觀標(biāo)準(zhǔn)“絕對(duì)空間”,并吸取伽利略相對(duì)性原理,提出“在絕對(duì)空間中作勻速直線平動(dòng)(無任何轉(zhuǎn)動(dòng))的空間內(nèi)”,運(yùn)動(dòng)定律同樣成立,確也是很不容易的。這就把運(yùn)動(dòng)定律所適用的參考系由抽象的一個(gè)“絕對(duì)”,變?yōu)樵S許多多可供選擇的具體參考系了(現(xiàn)代稱之為慣性系)。愛因斯坦認(rèn)為,牛頓引入絕對(duì)空間,對(duì)于建立他的力學(xué)體系是必要的。這是在那個(gè)時(shí)代“一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路。”

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