關于牛頓第一定律的探索

婁姍姍

摘 要： 牛頓第一定律是經典力學中的三大定律之一，也叫作慣性定律，確立了運動和力之間的關系，是動力學的奠基石，為后面學習共點力平衡的知識打下了堅實的基礎，為后續牛頓定律的學習做好了準備。

關鍵詞： 牛頓第一定律 伽利略 勻速直線運動 慣性

牛頓第一定律選自人教版必修一第四章第一節，放在運動學和力學內容之后，教材安排合理，知識點緊湊，但是很多教師在講這節內容時對牛頓第一定律的起源講解得比較少，因此學生對相關科學家的貢獻了解得非常少。要想深刻理解牛頓第一定律的內容，就必須了解亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓這幾位科學家做出的貢獻，接下來沿著歷史足跡重現這個物理思想的形成過程。

1.引路者—亞里士多德

在了解亞里士多德的貢獻之前，我們先了解一下亞里士多德這個人。亞里士多德是古希臘哲學家、科學家和教育學家，他是柏拉圖的學生、亞歷山大大帝的老師。他一生勤奮致學，寫下了大量著作，研究的領域非常廣泛，包括物理學、詩歌（包括戲劇）、音樂、生物學、動物學、邏輯學等，堪稱古希臘的百科全書。

在物理學中亞里士多德的成就很多，但是最常被提到的卻是他所犯的錯誤。在研究自由落體運動時，根據生活經驗，他認為重的物體比輕的物體下落的速度快，最終被伽利略推翻。他在研究力和運動之間的關系時，提出假設“凡是運動的物體，一定有推動者在推著它運動”。當看到一個物體在運動，必然有一個物體在推動它，當沒有推力時，它就會停止移動。如風過樹擺，風停樹靜，這些日常生活現象很好地符合他的觀點，于是他在日常觀察基礎上經過思考之后得出結論——力是維持物體運動的原因。雖然他的觀點最終被伽利略推翻，但是他所做的貢獻是不可磨滅的，他的貢獻在于他把運動和力結合起來。

2.探路者—伽利略

當時亞里士多德的學說與基督教教義結合，這樣的結合讓他的學說成為權威，兩千多年來一直沒有人質疑他的觀點，直到伽利略用著名的斜面理想實驗推翻了他的觀點。伽利略認為將人們引入歧途的是摩擦力，在日常生活運動中，摩擦是難以避免的。他注意到當小球沿水平面運動時，由于摩擦力的作用，球最終會停下來。他發現表面越光滑，球會運動得越遠，于是，他推斷：若沒有摩擦力，球將永遠運動下去。

伽利略為了證明他的思想，設計了著名的斜面理想實驗，實驗過程如下：

第一步：讓小球從斜面靜止開始向下運動，小球將會沖上另一個斜面，如果沒有摩擦，小球將沖上原來的高度；

第二步：減小第二個斜面的傾角，小球仍然會達到同一個高度，但是小球在斜面上運動的距離要遠一些。繼續減小斜面的傾角，小球達到同一個高度時運動的距離就會更遠；

第三步：如果將第二個斜面放平，球會到達多遠的位置？

在第一步和第二步的基礎上，很容易得出結論：球將永遠運動下去，不需要力推動。他指出力并不是維持物體運動的原因。伽利略構想的理想實驗（又稱假想實驗）是以可靠的事實為基礎的，把實驗與邏輯推理和諧地結合在一起，這種科學探究方法有力地推動了科學發展和進步。

3.探路者—笛卡爾

笛卡爾是與伽利略同時代的法國著名科學家，相對于亞里士多德和伽利略，很多學生對笛卡爾的貢獻了解得更少，很多老師講解時一筆帶過，學生認為笛卡爾的思想和伽利略的思想相似，并沒有什么發展，這是不對的。

笛卡爾指出：如果運動中的物體沒有受到力的作用，它將繼續以同一速度沿同一直線運動，既不停下來又不偏離原來的方向。笛卡兒最早認識到慣性定律是解決力學問題的關鍵所在，最早把慣性定律作為原理加以確立，這對后來牛頓的綜合工作有極其深遠的影響。笛卡爾想象力豐富，他的許多觀點都具有啟發性，笛卡爾的貢獻就在于他是第一個認識到力是改變物體運動狀態的原因的。

4.鋪路者—牛頓

“如果說我比別人看得更遠些，那是因為我站在了巨人的肩上”，這句話大家耳熟能詳，這是著名的科學家牛頓說過的話。牛頓在伽利略和笛卡爾工作的基礎上，在隔了一代人之后，在《自然哲學的數學原理》一書中定義了力和慣性的概念，把物體運動的原因加以概括和提煉，提出了牛頓第一定律，這也是牛頓三大定律中最基本的定律。他認為一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種運動狀態。把物體具有保持原來勻速直線運動狀態或靜止狀態的性質叫作慣性，所以牛頓第一定律也叫慣性定律。牛頓之所以能夠成功，是因為他站在巨人的肩膀上，勤奮學習，不斷發現新知識。

這些科學家的貢獻是巨大的，牛頓第一定律不斷地發展，逐漸地完善，是幾代人共同不懈努力的結果，一個規律的發現并不是一帆風順的，一開始的認識可能是錯誤的，需要人類不斷探索才能發現真理。這些科學家在科學研究過程中是極其艱難的，需要付出大量精力和心血，才能發現現象背后的真理。通過對物理學歷史發展過程的考察，有助于學生了解科學家認識和發現物理定理、定律的基本方法，從而“以史為鑒”，培養學生以科學家認識世界的方式認識世界。

參考文獻：

[1]郭桂周，于海波.“牛頓第一定律”物理學史辨——兼論宗教對近代科學起源的推動作用[J].物理教師，2012，33（11）.

[2]李良杰.牛頓第一定律的教材編制摭論[J].課程教學研究，2013（2）.