淺談大學物理課堂對牛頓第一定律的拓展講述

胡亞鵬

(南京航空航天大學理學院,江蘇南京 210016)

淺談大學物理課堂對牛頓第一定律的拓展講述

胡亞鵬

(南京航空航天大學理學院,江蘇南京 210016)

在大學物理課堂里,對牛頓第一定律做些相關的拓展性講述是有必要的。本教學論文主要基于力與物體運動狀態的關系、慣性定律、慣性參考系、絕對空間及相對論等脈絡來進行一些探討性的拓展講述。根據本人的課堂經驗,該拓展性講述的效果是比較良好的。它不僅可展示牛頓第一定律背后豐富的哲學、人文歷史、邏輯等內涵,也可展示其背后豐富的物理內涵,從而可激發學生對學習物理及探索自然界運動規律的興趣。

牛頓第一定律 慣性 絕對空間 相對論

1 引言

在大學物理的教學過程中，一般在講完第一章質點運動學后，即進入第二章質點動力學內容的講述。而在質點動力學里重點講述牛頓三大定律及其應用[1-2]。對于牛頓三大定律的應用部分，因為涉及矢量分析及其計算、微分及積分運算等高中物理基本不涉及的內容，故該部分相對來說內容比較好講，課堂效果也比較好。但對于牛頓三大定律的闡述部分，因為在高中物理里就對此有比較系統的論述，故大部分學生感覺這一部分內容和高中物理一樣，甚至有些老調重彈的感覺。因此，在大學物理課堂里講述牛頓三大定律的時候，如果不對牛頓三大定律作一些拓展的話，那課堂效果將比較差。本教學論文將從絕對空間、相對論等近代物理知識點出發對牛頓第一定律的拓展作些相關研討。根據本人的教學經驗，這種簡要的拓展對課堂效果是會起到良好作用的。它不僅可加深學生對牛頓第一定律的理解，而且也讓學生簡單了解了近代物理和經典物理的異同。特別是，通過這種簡要的拓展，可激發學生對學習物理及探索自然界規律的興趣。

2 牛頓第一定律的相關拓展

在高中物理里，物理教材一般會對牛頓第一定律的內容作如下描述：如果物體所受的合外力為零，則物體將保持其靜止或勻速直線運動的狀態不變[1-2]。需要注意的是，經過上個世紀無數物理學家的努力，以相對論和量子力學為基礎的近代物理已建立起來。而近代物理表明，牛頓力學體系，即牛頓三大定律及萬有引力定律都只是在低速、宏觀、弱引力條件下成立的[1-2]。因此，考慮到大學物理里后面也會講述近代物理的相關知識，故在大學物理里講述牛頓三大定律時將其與近代物理相關知識聯系起來的拓展是可行的。下面我們將重點對牛頓第一定律作一些拓展性的探討。

對于牛頓第一定律的相關拓展，一般可以先從力與物體的運動狀態之間的關系來闡述。在歷史上，古希臘的亞里斯多德是第一個對力和物體的運動狀態之間的關系進行思考并做出結論的人。他從一些簡單的事實如手推車現象中得出力是維持物體運動狀態的原因。因為，人推車后即給車力的時候，車就可運動起來即可具有運動狀態；而人放手不推車后即不給車力的時候，車將靜止下來即將不具有運動狀態。因此，在車運動和靜止兩種狀態中，人給車的力是至關重要。簡單來說，沒力就沒有運動，因此力是維持物體運動狀態的原因。對于該論點，在接下來的將近兩千年時間里直到伽利略的出現，人們一直認為它是正確的。從嚴格意義來說，伽利略的出現才是科學的真正誕生，因為是伽利略將科學實驗帶入了哲學思辨里。從而使得科學變成一門實驗的科學，進而將科學從哲學里分離出來。在著名的斜面實驗里，伽利略發現：當小球在很光滑的毛皮滑行時，抬起毛皮的兩邊，并固定小球在其中一邊下滑時的初始高度而降低另一邊毛皮的高度時，小球在毛皮滑行的距離雖然變長，但在另一邊毛皮小球能滑到的最高高度卻和該邊固定的初始高度一致。由這一實驗現象啟發，如果降低另一邊毛皮的高度至零，則小球將永遠運動下去。明顯，一直運動的小球在水平方向上沒有受到力的作用，也就是小球能一直維持運動但卻并沒有受到力的作用，因此力并不是維持物體運動狀態的原因。進一步，伽利略認為力是改變物體運動狀態的原因。而物體不受力時，物體具有維持運動或靜止狀態的慣性，也即慣性定律。因此，牛頓第一定律實際上與伽利略的慣性定律一致，故牛頓定律也常被稱為慣性定律。

對于力與物體運動狀態的關系的討論，有些高中作為牛頓第一定律的拓展也做了相關闡述。因此，在大學物理課堂里做上面這些闡述有可能是不夠的。實際上，在牛頓第一定律里，還可與近代物理相關知識聯系起來作進一步簡單的拓展。因為，物體的運動與靜止狀態是相對的。比如，相對于地面是靜止的物體，相對于運動的汽車而言就是運動的。因此，在牛頓第一定律描述里，物體不受力時將保持勻速直線運動狀態或靜止狀態時，實際上隱含著參考系。而我們通常將保持勻速直線運動狀態或靜止狀態的物體稱為慣性參考系。而慣性參考系背后實際上又隱含著絕對空間的概念。牛頓本人對此非常清楚，因為他清楚知道他的牛頓第二定律只適用于慣性參考系。因此，牛頓為了很好的定義慣性參考系，他在他的劃時代巨著《自然哲學的數學原理》里提出了絕對空間的概念。他認為絕對空間是存在的，而且和絕對時間一樣是均勻分布的。而慣性參考系則是相對于絕對空間靜止或勻速直線運動的參考系。至此，牛頓第一定律從邏輯來看似乎是完美無缺的。但絕對空間是否存在呢？牛頓本人對此也作了簡單的理性思考，如牛頓水桶實驗等來驗證絕對空間的存在。但是，在近代物理里隨著相對論的提出，我們知道絕對空間和絕對時間都是不存在的，即空間和時間都是相對的。在享受創建狹義相對論成功所帶來的喜悅的同時，愛因斯坦很清醒的認識到在他的狹義相對論里存在一個嚴重的困難，即：因為拋棄了絕對空間，慣性系將無法定義[3]。而狹義相對論里的兩條基本原理，即光速不變原理和相對性原理也都是在慣性系里定義的。

3 結語

在本教學研究論文里，我們對大學物理課堂里如何講述牛頓第一定律做了相關的拓展性研討。本研討主要基于力與物體運動狀態的關系、慣性定律、慣性參考系、絕對空間及相對論等脈絡來進行展開。因此，本拓展不僅可展示牛頓第一定律背后豐富的哲學、人文歷史、邏輯等內涵，也可展示其背后豐富的物理內涵。需要注意的是，雖然相對論已經取得了巨大的成功，但人類的思考與探索還依然前行。此外，在大學物理課堂里對牛頓第二定律、第三定律作相關性拓展講述也是值得教學研討的課題。本教學論文的研討也算是對此課題的拋磚引玉，希望能對同行有所幫助，從而對大學物理的課堂教學起到綿薄之力。

[1]宋士賢,文喜星,吳平.工科物理教程[M].北京：國防工業出版社,2011.

[2]程守洙,江之永.普通物理學(第5版)[M].北京：高等教育出版社,2011.

[3]趙崢,劉文彪.廣義相對論基礎[M].北京：清華大學出版社,2010.