牛頓三大定律排序之我見

黃新燕

摘 要：牛頓1866就創(chuàng)立了三大定律，而在20年后才發(fā)表，三大定律的排序一定是經(jīng)過深思熟慮的。其理由應(yīng)是：第一，牛頓第一定律定性地給出了力與物體運(yùn)動(dòng)及其變化之間的直接因果關(guān)系，而牛頓第二定律則在第一定律的基礎(chǔ)上定量地闡述力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，更加完善。第一定律和第二定律中均提到“力”的概念，在此基礎(chǔ)上，順理成章，第三定律具體闡述兩個(gè)物體之間的力及其特點(diǎn)。第二，牛頓第一定律和第二定律分析的是一個(gè)物體力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，而第三定律的是兩個(gè)物體之間作用力與反作用力的關(guān)系，由一個(gè)物體到兩個(gè)物體，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，一步一步地深入。

關(guān)鍵詞：牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律；內(nèi)容；特點(diǎn)；排序理由

從事中學(xué)物理教學(xué)多年，每當(dāng)講授牛頓三大定律時(shí)筆者總是在思索一個(gè)問題：牛頓當(dāng)年為何按現(xiàn)有的這一順序去排序這三大定律呢？為何沒將第二定律或第三定律排在第一呢？仔細(xì)剖析牛頓三大定律的內(nèi)容及創(chuàng)作特點(diǎn)，談?wù)劰P者的看法。

牛頓1666年初創(chuàng)立了三大運(yùn)動(dòng)定律，他自己謙虛地說是站在巨人的肩膀上成功的，但牛頓喜歡思考問題，他會(huì)長(zhǎng)時(shí)間地專注地想問題，直到得到他需要的答案，所以他所做的工作不僅是總結(jié)，更是賦予了明確的內(nèi)涵。是什么力量導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)的改變呢？伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)已研究這個(gè)問題，但牛頓又經(jīng)過艱辛的思考和在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將它進(jìn)一步完善，得出了“一切物體在沒有受到任何外力作用時(shí)，總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”。它定性地揭示了運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，闡述力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，同時(shí)明確了力和物體運(yùn)動(dòng)及其變化之間的直接因果關(guān)系，進(jìn)一步可理解為力是產(chǎn)生加速度的原因。這條定律同時(shí)又確立了慣性的概念以及慣性與質(zhì)量有關(guān)，所以牛頓第一定律是物理學(xué)中一條基本規(guī)律，也是牛頓物理學(xué)的基石。但它僅僅是定性地給出了力與物體運(yùn)動(dòng)及其變化之間的直接因果關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，順理成章的問題是：力與運(yùn)動(dòng)的定量關(guān)系是什么呢？

牛頓第一定律告訴我們：物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其改變是由它所受的力決定的，而不是因?yàn)槠渌囊蛩兀欢\(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的難易程度又與其自身的質(zhì)量有關(guān)。于是，探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系就是自然而又十分必要的。牛頓第二定律則定量地確立力和運(yùn)動(dòng)之間的直接關(guān)系，即因果關(guān)系，指出了物體加速度a與物體所受合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量m成反比，即F合=ma，很顯然，它準(zhǔn)確地指出了F，m，a三者之間的定量關(guān)系，這是在牛頓第一定律的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的，故理應(yīng)排序第二。

牛頓第一、第二定律中的“力”，是一個(gè)很重要的物理量，它是使物體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵，那么它又因何而來？有什么特點(diǎn)呢？很顯然牛頓第三定律解決了這個(gè)問題。牛頓第三定律：物體間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。它準(zhǔn)確地描述了什么是力、力的產(chǎn)生原因及特點(diǎn)，即力是物體與物體的相互作用，物體間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，且作用在一條直線上。進(jìn)一步明確了要改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必須有其它物體與它相互作用，物體之間的相互作用是通過“力”來體現(xiàn)。可見，第三定律是在第一、第二定律的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的，它解決了第一、第二定律中“力”的概念及特點(diǎn)，更加明晰了作用力和反作用力間的關(guān)系，使之成為牛頓運(yùn)動(dòng)定律整體的一個(gè)基本組成部分，故應(yīng)排序第三。

再看這三大定律，第一定律定性揭示一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，第二定律定量揭示一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，而第三定律解決了兩個(gè)物體之間力的關(guān)系。這就是物理學(xué)研究問題的方法，遵從一定的邏輯關(guān)系，并由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由個(gè)別到普遍，一步一步地深入。天體運(yùn)動(dòng)中開普勒三大定律的排序不也是遵守這樣的規(guī)律嗎？所以，作為中學(xué)物理教師，我們?cè)诮o學(xué)生傳授物理知識(shí)的同時(shí)，不妨啟迪學(xué)生，讓他們高瞻遠(yuǎn)矚，站在一定的高度去認(rèn)識(shí)知識(shí)，給學(xué)生一種意識(shí)：人們對(duì)科學(xué)概念的認(rèn)識(shí)是一步一步深入的。

牛頓在1666年就創(chuàng)立了牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律，而在20后才發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》公布了他的三大定律。牛頓是一位具有嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)思維能力的科學(xué)家，所以三大定律的排序顯然是經(jīng)過深思熟慮的。