對牛頓第一定律的理解和釋疑

石新福

【摘 要】牛頓第一定律描述的是一種理想化的運動狀態，即物體不受外力作用的狀態。很顯然這無法用實驗直接驗證，但伽利略在分析大量事實的基礎上，忽略次要因素、突出主要因素，運用理想實驗這一科學推理的思維方法，闡明了力不是維持物體運動的原因，反映了物體運動的內在的本質規律。

【關鍵詞】牛頓第一定律 物理教學

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.03.061

牛頓第一定律的內容：“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態為止”。對牛頓第一定律理解有下面兩點：

1.任何物體都具有保持原有運動狀態不變的特性，即通常說物體具有“慣性”。

2.維持一個物體的運動狀態即保持物體的速度不變，并不需要力的作用，力的真正作用是改變物體的運動狀態即改變物體的速度。因此，物體具有速度并不表示物體是否受到外力的作用，物體具有加速度才是受到外力作用的標志。所以，力是物體產生加速度的原因，而不是物體運動的原因，物體的運動并不需要用力來維持。

牛頓第一定律科學地說明了“慣性”和“力”這兩個重要的物理概念，正確地解釋了力和運動的關系，它是物理學中的一條基本定律，但不少讀卻對它不理解，持疑慮和錯誤看法。主要有以下幾點：

1.有人認為牛頓第一定律指出的是不受外力作用時，物體 將做勻速直線運動或保持靜止，然而生活中卻找不出不受外力作用的物體，因而牛頓第一定律就無法用實驗來加以驗證，它的正確與否值得懷疑。

我們應這樣理解，伽利略設計了“小球沿不同傾角的光滑斜面運動到等高”的理想實，伽利略又考慮到了斜面的傾角連續變化到0°的理想極限，得出了“小球再也運動不到等高，而要永遠運動下去”的結論。從而發現了慣性定律（即現在的牛頓第一定律），伽利略開創的這種把經驗事實和抽象思維科學地結合起來的方法不僅完全可靠，而且正是科學研究中的重要方法。當然，由于自然界中不存在任何不受外力作用的物體，所以.牛頓第一定律不能簡單的從字面意義上用實驗直接加以驗證。但是自然界中有許多的物理現象可以證明這一定律的正確性。例如，A球作自由落體運動，B球作平拋運動時，它們在水平方向都不受任何外力作用，因此，A球水平方向上確實永運保持靜止狀態不變，B球在水平方向確實永遠保持勻速直接運動狀態不變，所以，牛頓第一定律的正確性是由它所推出的結論和實驗事實符合而得到證明的。

2.有人不能理解牛頓第一定律指出“物體不受任何外力作用而靜止或勻速直線運動，”而生話中見到的受了外力保持靜止或勻速直線運動是否相矛盾。

我們說并不矛盾。要知道，在實際生活中是不存在任何不受外力作用的物體的。如果一個物體受到幾個外力作用，并且這幾個外力的合力為零，那么，這些外力各自在物體上產生的作用效果就會相互抵消，因此，這時物體就猶如不受外力作用一樣，也可以保持靜止或勻速直線運動狀態。

3.有人認為，即然牛頓第一定律又叫慣性定律，那么，牛頓第一定律就是慣性的定義。

“定義”是用來區分不同概念的，而“定律”是用來反映普遍規律的，顯然上述認識是錯誤的，原因就在于{昆淆了“定義”和 “定律”的這一區別。

“慣性”是物體的一種基本屆性，一切物體都有保持靜止或勻速直線運動狀態的性質叫慣性。慣性的大小與物體受力情況，運動狀態等都無關系，質量大小是慣性大小的唯一量度。因此，對“慣性”下定義時，只要講物體本身具有什么性質，而不涉及到這個物體與其他物體有什么關系。但是，牛頓第一定律卻把物體的運動狀態與物體的受力情況聯系起來了，它指出一個物體不受外力作用時所遵循的規律，顯然，這不是在解釋或描述物體的某種特性，所以它決不是“慣性”的定義。

4.有人認為，如果物體運動加速度為零，那么牛頓第二定律就變成了牛頓第一定律，也就是說，牛頓第一定律是牛頓第二定律的特殊情況，牛頓第一定律可有可無。

這種看法是錯誤的。我們應有這樣的認識，正是因為牛頓第一定律為我們指出了物體在沒有受到外力作用時所處的狀態，我們才有可能進一步研究當物體受到外力作用時，將處于怎樣的運動狀態。牛頓第一定律確定了力的涵義，指出物體如果受到外力作用時，物體的運動狀態要發生改變，這就是牛頓第二定律所研究的內容。試想，如果我們原先不知道物體在不受外力的情況下處于怎樣的運動狀態，那么，要研究物體在力的作用下將作怎樣的運動則顯然是不可能的。因此，牛頓第一定律是研究力學的出發點，不是能用牛頓第二定律來取代的。

據此我們可以更好的從以下幾個方面來進一步理解牛頓定律：

1.牛頓第一定律描述的是一種理想化的運動狀態，即物體不受外力作用的狀態。很顯然這無法用實驗直接驗證，但伽利略在分析大量事實的基礎上，忽略次要因素、突出主要因素，運用理想實驗這一科學推理的思維方法，闡明了力不是維持物體運動的原因，反映了物體運動的內在的本質規律。伽利略不但證實了牛頓第一定律的正確性，同時也開創了科學研究的正確方法——實驗與思維的完美結合。他以系統的實驗和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統的自然觀，開創了以實驗事實為根據并具有嚴密邏輯體系的近代科學，因此，他被稱為“近代科學之父”。他的工作，為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎。

2.牛頓第一定律是力學基本定律建立的基礎。牛頓第一定律以一切物體所具有的屬性——慣性為出發點，比較嚴密地定義了慣性，揭示了慣性運動的本質，進一步還可以引入慣性參考系、慣性質量。定性地給出了力的科學定義，表述了力的本質和力的效果。牛頓第一定律包括了慣性、慣性運動、慣性參考系和力的概念，還啟迪人們去研究物體運動狀態的改變與外力作用的關系，可見牛頓第一定律是其他力學定律建立的基礎。

3.從形式上看，牛頓第二定律在外力為零的情況下，可引出與牛頓第一定律似乎完全相同的表述，但絕不能理解為牛頓第一定律是牛頓第二定律在作用力為零時的特例。否則就是舍棄了牛頓第一定律的精髓，即割裂了牛頓第一定律與牛頓運動定律整體間的邏輯結構關系，扭曲了牛頓第一定律的內涵。沒有慣性定律就沒有慣性、慣性運動、慣性參考系、力的科學概念，牛頓第二定律就無從談起，牛頓第一定律是前提、是基礎，并具有獨立性。

因此，我們的教師應該對牛頓第一定律有深入的認識，才能夠全面把握和運用牛頓第一定律。