牛頓第一定律的獨(dú)立性基礎(chǔ)性不容質(zhì)疑

張藝馨 侯雨晴 王 歌 劉增澤 馮 杰

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

牛頓第一定律的獨(dú)立性基礎(chǔ)性不容質(zhì)疑

張藝馨 侯雨晴 王 歌 劉增澤 馮 杰

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

目前在物理教學(xué)及研究中，對(duì)牛頓第一定律存在理解上的偏頗和程度上的差異，甚至是科學(xué)性的錯(cuò)誤．2015年發(fā)表的“牛頓第一定律的是與非”，對(duì)牛頓第一定律的實(shí)質(zhì)提出了“顛覆性”的認(rèn)識(shí)，還輕率地對(duì)其進(jìn)行了改述，更加錯(cuò)誤地提出牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例．應(yīng)當(dāng)從經(jīng)典力學(xué)的幾個(gè)關(guān)鍵性概念的本質(zhì)出發(fā)，對(duì)牛頓第一定律本質(zhì)、地位進(jìn)行全面科學(xué)地理解．

牛頓第一定律 慣性 基礎(chǔ)性 獨(dú)立性

1 引言

運(yùn)動(dòng)和物體相互作用的關(guān)系是人類幾千年來不斷探索的課題，即使在今天，已知運(yùn)動(dòng)求力的問題仍然不斷提到人們面前．怎樣安排火箭推力才能將它送上巧妙設(shè)計(jì)的軌道？這便是動(dòng)力學(xué)問題．動(dòng)力學(xué)的根本任務(wù)是從本質(zhì)上揭示運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的原因．自牛頓發(fā)表《原理》以來，牛頓三定律便成為動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)[1]，指導(dǎo)著我們解決宏觀低速運(yùn)動(dòng)問題，在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用．三大定律蘊(yùn)含著豐富的物理內(nèi)涵，遠(yuǎn)非像它在字面上表述的那樣簡(jiǎn)單而一目了然，目前在物理教學(xué)及研究中，許多人對(duì)牛頓三定律尤其是其中的牛頓第一定律存在理解上的偏頗和程度上的差異，甚至是科學(xué)性的錯(cuò)誤．主要體現(xiàn)在對(duì)牛頓第一定律的本質(zhì)、地位以及三個(gè)定律間的邏輯關(guān)系理解不深．

例如《中學(xué)物理教學(xué)參考》在2015年發(fā)表的《牛頓第一定律的是與非》，宣稱對(duì)牛頓三定律的實(shí)質(zhì)提出了“顛覆性”的認(rèn)識(shí)，指出牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例，牛頓第一定律并沒有對(duì)力做出定義，并對(duì)牛頓第一定律的表述進(jìn)行改寫[2]．以及早先爭(zhēng)論的牛頓第一定律中存在循環(huán)論證，牛頓第一定律和牛頓第三定律都可由牛頓第二定律推演得出等．

本文將簡(jiǎn)單討論牛頓第一定律的本質(zhì)及其豐富的內(nèi)涵，從牛頓第一定律在動(dòng)力學(xué)基本定律中具有基礎(chǔ)性的地位這一角度，論述牛頓第一定律的獨(dú)立性，從而否定了作者對(duì)“牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)．

2 牛頓第一定律在動(dòng)力學(xué)定律中具有基礎(chǔ)性地位

牛頓第一定律的表述:任何物體繼續(xù)保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態(tài)[3]．

從其表述方式即可以簡(jiǎn)單討論該定律中包含的幾個(gè)基本概念，奠定了動(dòng)力學(xué)的概念基礎(chǔ)，從而可以確定牛頓第一定律的獨(dú)立性及其在理論系統(tǒng)中第一個(gè)原理的前提地位.

2.1 揭示了物體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在屬性——慣性

牛頓第一定律描述了物體具有慣性運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，即不受力的物體可以具有任何速度，并且保持永恒不變．這就否定了亞里士多德的速度需要力來維持的論斷，在歷史上具有重要地位．同時(shí)，該定律通過慣性的定義：物體本身要保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)或者說是物體抵抗運(yùn)動(dòng)變化的性質(zhì)，從而進(jìn)一步揭示出了“慣性運(yùn)動(dòng)”的本質(zhì)．正是物體的這一內(nèi)在屬性，維持了物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變．有了對(duì)慣性運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)認(rèn)識(shí)后，才有牛頓想到可以從打破慣性運(yùn)動(dòng)出發(fā)，去研究物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化與外力之間的關(guān)系以及物體間相互作用的關(guān)系．所以牛頓第一定律是牛頓第二定律、牛頓第三定律的基礎(chǔ)，而慣性是牛頓定律乃至力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)．

2.2 明確了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系給出了力的定性定義

由于物體具有慣性，所以要使其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，一定要有其他物體對(duì)它作用，這種作用稱之為力．在牛頓第一定律的基礎(chǔ)上得出力的定性定義，它指迫使一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，使它產(chǎn)生加速度的別的物體對(duì)它的作用．該定律對(duì)力進(jìn)行定性定義時(shí)隱含了一個(gè)問題，即什么叫物體不受力的作用？在自然界不可能存在完全不受力作用的環(huán)境和條件．愛因斯坦對(duì)這個(gè)問題的回答是距離其他一切物體足夠遠(yuǎn)[4]．因此牛頓第一定律實(shí)際上是一個(gè)理想定律，無法直接用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是牛頓第一定律又是通過無數(shù)事實(shí)的研究而做出的正確推斷，依據(jù)此提出的關(guān)于力學(xué)問題的結(jié)論也是完全符合實(shí)際的，牛頓第一定律經(jīng)受住了實(shí)驗(yàn)和時(shí)間的考驗(yàn)．實(shí)際上，在牛頓第一定律揭示出力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因后，人們才去進(jìn)一步探究力是怎樣改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的，正是這樣的思想才引導(dǎo)著牛頓發(fā)現(xiàn)了牛頓第二定律，這是一個(gè)包含了豐富科學(xué)思維的科學(xué)過程．

2.3 牛頓第一定律確立了動(dòng)力學(xué)定律成立的參照系

由于物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)是一種相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此描述物體的運(yùn)動(dòng)需要選取適當(dāng)?shù)膮⒄障担疅o論物體是處于靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都只能是對(duì)某一個(gè)確定的參照系而言．既然牛頓第一定律闡明了物體在靜止、運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所遵從的規(guī)律，由此可以推斷自然界中必然存在至少一個(gè)能夠嚴(yán)格適用于牛頓第一定律的參照系，這種能使牛頓第一定律成立的參照系叫做慣性系．在這種參照系中觀察，一個(gè)不受力的作用的物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變．顯然，若某參照系以恒定速度相對(duì)于慣性系運(yùn)動(dòng)，這個(gè)參照系也就是慣性系．若某參照系相對(duì)慣性系做加速運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)參照系就是非慣性系．牛頓受宗教影響認(rèn)為宇宙中心不動(dòng)，他在論述牛頓第一定律前，選擇用絕對(duì)時(shí)空中的一個(gè)靜止的點(diǎn)做參照[5]．可見牛頓第一定律定義了慣性參照系，同時(shí)也引入了絕對(duì)時(shí)空觀．由于“絕對(duì)靜止”的物體是不存在的，慣性參照系是找不到的，是一個(gè)理想化的模型．從《原理》一書中我們了解到最理想的慣性參照系應(yīng)該是在宇宙中距離其他一切物體無限遠(yuǎn)處的孤立物體，這實(shí)際上是不存在的．在實(shí)際應(yīng)用中，總是根據(jù)需要選取近似的慣性系．并非任何參照系都是慣性系．一個(gè)參照系是不是慣性系，要靠觀察和實(shí)驗(yàn)來判定．例如，實(shí)驗(yàn)指出，對(duì)一般力學(xué)現(xiàn)象來說，地面參照系是一個(gè)足夠精確的慣性系．慣性系這一適用條件的產(chǎn)生，讓動(dòng)力學(xué)各定律以此為前提得到建立，這反映了牛頓第一定律的基礎(chǔ)性以及各定律間的有機(jī)聯(lián)系．

2.4 確定了研究的對(duì)象——質(zhì)點(diǎn)

由于牛頓第一定律的表述中，沒有涉及物體本身的轉(zhuǎn)動(dòng)和物體各部分之間相對(duì)位置的變動(dòng)，表明牛頓第一定律中的物體指的是質(zhì)點(diǎn)，即有質(zhì)量但不存在體積或形狀的點(diǎn)，是又一個(gè)理想化模型．物體的慣性也是指質(zhì)點(diǎn)的慣性或物體作平動(dòng)時(shí)的慣性，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的物體來說，也是存在慣性的，但和這里所說的慣性不是一回事[6]．由牛頓第二定律可知，質(zhì)點(diǎn)的慣性是用質(zhì)量來量度的．因此，牛頓第一定律確定的研究對(duì)象，為牛頓第二定律準(zhǔn)備了的物質(zhì)客體模型[7]．

2.5 牛頓第一定律具有公理性

牛頓第一定律具有邏輯循環(huán)的性質(zhì)，但這并不影響它的科學(xué)性，正是公理性的反映．先來分析一下牛頓第一定律自身存在的邏輯循環(huán)．一個(gè)物體不受力，它相對(duì)于慣性系就做勻速直線運(yùn)動(dòng)；但是又只能根據(jù)一個(gè)物體相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)，才能肯定這個(gè)物體不受力；同時(shí)又只能根據(jù)一個(gè)物體不受力時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，才能斷定所用的參照系是慣性系．這樣，就完全陷入了邏輯循環(huán)．為何擺脫不了這種循環(huán)呢？原因就在于牛頓第一定律具有公理性．何為公理，即學(xué)科最初的命題和概念，它們是作為建立邏輯體系的推理前提．這些公理都是人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐中直接得來的，是通過直接間接實(shí)踐反復(fù)證明了的，具有“自明性”，表現(xiàn)在邏輯上無法嚴(yán)格定義．牛頓第一定律作為力學(xué)的第一條命題，自然不能夠通過從它所導(dǎo)出的其他命題去證明，也無法通過直接的物理實(shí)驗(yàn)得到證明，只能依靠它得出的大量推論，在實(shí)踐中得到檢驗(yàn)．正是這種公理性，又使我們進(jìn)一步看到牛頓第一定律的基礎(chǔ)性．

綜前所述，牛頓第一定律在動(dòng)力學(xué)定律中具有基礎(chǔ)性地位，從而確定了其獨(dú)立性，牛頓第一定律具有不可替代性．

3 牛頓第一定律不是牛頓第二定律的特例

《牛頓第一定律的是與非》中指出，從牛頓第二定律的表達(dá)式F=ma出發(fā)，當(dāng)合外力F合=0，則a=0，表示物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并不改變，做慣性運(yùn)動(dòng)，即牛頓第一定律．這表述中存在較明顯的概念錯(cuò)誤，首先牛頓第二定律是受力作用下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它不能包括不受力作用下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(牛頓第一定律)；其次合外力為零F合=0，不是不受力，雖然a=0，物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這與牛頓第一定律描述的物體不受外力作用時(shí)，保持靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)(即慣性運(yùn)動(dòng))有本質(zhì)的區(qū)別，它們只是有一樣的外在運(yùn)動(dòng)形式；最后第二定律是建立在物體“受力”的真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一般情形下的規(guī)律，不能邏輯的推斷出F∝0的理想極限情況下的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槿魏问挛镆坏┻_(dá)到它的極限情形時(shí)，便要發(fā)生質(zhì)的改變，出現(xiàn)了和一般情形的質(zhì)的差別．

4 小結(jié)

沒有牛頓第一定律，就沒有慣性、慣性運(yùn)動(dòng)、慣性參照系和力的科學(xué)概念，牛頓第二定律也就無從談起．從哲學(xué)層面上，如果我們不知道物體在不受外力的情況下處于什么樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，要研究物體在外力的作用下將怎樣運(yùn)動(dòng)是不可能的．因而把牛頓第一定律看成是牛頓第二定律的特例，進(jìn)而產(chǎn)生牛頓第二定律可以取代牛頓第一定律的認(rèn)識(shí)，不過是一種形式上本末倒置的解釋．它割裂了牛頓第一定律與第二定律之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，扭曲了牛頓第一定律的內(nèi)涵，從而抹殺了牛頓第一定律的獨(dú)立性．牛頓第一定律的基礎(chǔ)性具有不可取代的地位，它與牛頓第二、三定律并列，一起構(gòu)成了統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)定律，并與萬有引力定律一起建立了完整的牛頓力學(xué)體系．

1 漆安慎,杜嬋英.力學(xué)(第2版).北京:高等教育出版社,2005

2 郭洪梅.牛頓第一定律的是與非.中學(xué)物理教學(xué)參考,2015,44(1):66

3 張三慧.力學(xué)(第2版).北京:高等教育出版社,2005

4 馮杰.大學(xué)物理專題研究.北京:清華大學(xué)出版社,2011

5 王宏偉.牛頓定律與17世紀(jì)牛頓的時(shí)空觀.淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010,12(63):90～92

6 張東升.牛頓第一定律的建立及其哲學(xué)意義.物理教師,2016,37(5):70～73

7 張立久.牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例嗎.物理教學(xué)探討,2015(7):61～63

2017-04-04)