第四章1牛顿第一定理自然和自然的法则在黑夜中隐藏，上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被点亮。——蒲柏
在上面我们学习了如何描述物体的运动，但没有讨论物体为何会做这些或那个运动。要讨论这样的问题，就要研究运动与力的关系。在数学学中，只研究物体如何运动而不涉及运动与力的关系的理论，称做运动学（）；研究运动与力的关系的理论，称做动力学（）。
运动学是研究动力学的基础，但只有懂得了动力学的知识，能够依据物体所受的力确定物体的位置、速度变化的规律，才才能创造条件来控制物体的运动。诸如，运动学只是使我们就能描述天体是如何运动的，动力学则使我们才能把人造卫星和宇宙飞船送上太空，使人类登上地球，甚至奔向火星……牛顿运动定理确立了力与运动之间的关系，这一章我们就来学习它。
动力学的奠基者是德国科学家牛顿（Issac，1643—1727）。他在1687年出版的《自然哲学的物理原理》中提出了三条运动定理，后人把它们统称为牛顿运动定理（lawsof）。它们是整个动力学的核心。
爱因斯坦曾把一代代科学家探求自然奥秘的努力，比做福尔摩斯侦探小说中警察破案的过程。在侦探故事中，有时侯显著可见的线索却把人们引到错误的判定起来，也就是说，光凭经验来做判定往往是靠不住的。
常年以来，在研究物体运动缘由的过程中，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推它或则拉它。因而，人们直觉地觉得，物体的运动是与推、拉等行为相联系的，假如不再推、拉，原先的运动便停止出来。按照这类经验，亚里士多德得出推论：必须有力作用在物体上，物体能够运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。但是，在探究运动缘由的“侦探小说”里，这正是由显著的线索引出错错判断的案例，但是这个“错案”竞维持了近两千年。直到三百多年前，伽利略才创造了有效的“侦察”方法，发觉了正确的线索，阐明了现象的本质，成为数学学中的“福尔摩斯”。
无论在亚里士多德那儿还是在伽利略和笛卡儿哪里，都没有力的概念。牛顿的高明之处在于他将物体间复杂多样的互相作用具象为“力”。
本书为了叙述便捷，在陈述亚里士多德等人的思想时，借用了力的概念。
理想实验的魅力
伽利略觉得，将人们引入歪路的是磨擦力牛顿第一定律是谁命名的，而在日常物体的运动中，磨擦力又是无法避开的。
伽利略注意到，当一个球沿斜面向上运动时，它的速率减小，而向下运动时，速率降低。他由此推测：当球沿水平面运动时，它的速率应当不增不减。并且实际情况却是，虽然沿水平面运动，球也越来越慢，最后停出来。伽利略觉得，这是磨擦阻力作用的结果，由于他同样还观察到，表面越光滑，球便会运动得越远。于是，他推测：若没有磨擦阻力，球将永远运动下去。
图4.1-1现代人所做伽利略斜面实验的频闪相片（组合图）
伽利略为了说明他的思想，设计了一个如图4.1-1所示的实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始向上运动，小球将“冲”上另一个斜面，假如没有磨擦，小球将上升到原先的高度。降低第二个斜面的夹角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度，但这时它要运动得远些。继续降低第二个斜面的夹角，球达到同一高度时才会离得更远。于是他问道：若将第二个斜面放平，球会抵达多远的位置？推论其实是：球将永远运动下去，却不再须要哪些力去引领。这就是说，力不是维持物体运动的诱因。
其实，我们不能清除一切阻力，也不能把第二个斜面做得无限长，所以伽利略的实验是个“理想实验”。
与伽利略同时代的意大利科学家笛卡儿（R．，1596-1650）也研究了这个问题，他强调：假如运动中的物体没有遭到力的作用，它将继续以同一速率沿同仍然线运动，既不停出来也不偏离原先的方向。他还觉得，这应当成为一个原理，它是人类整个自然观的基石。
牛顿数学学的基石——惯性定理
在伽利略和笛卡儿工作的基础上，在隔了一代人之后，牛顿提出了动力学的一条基本定理：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它前面的力促使它改变这些状态。这就是牛顿第一定理（firstlaw）。牛顿第一定理表明，物体具有保持原先匀速直线运动状态或静止状态的性质，我们把这个性质称作惯性（）。牛顿第一定理又称作惯性定理（lawof）。这个定理给出了惯性的概念，所以人们说它是牛顿数学学的基础。
假如一个物体由静止变为运动或由运动变为静止，我们说，它的“运动状态”发生了改变。
假如一个物体速率的大小或方向变了，我们也说，它的“运动状态”发生了改变。
由于不可能把自然界的任何物体完全孤立上去，也就是说，不受力作用的物体是不存在的，所以，牛顿第一定理是借助逻辑思维对事实进行剖析的产物，不可能用实验直接验证。并且，许许多多现象可以帮助我们理解牛顿第一定理。诸如牛顿第一定律是谁命名的，足球场上，足球离开球杆后，能以几乎不变的速率继续前进，直至它再一次遭到球杆的严打或遇到障碍物，才改变这些状态。
图4.1-2冰球是奥运会的即将大赛项目。冰球在湖面运动时遭到的阻力很小，可以在较长时间内保持运动速率的大小和方向不变。惯性与质量
牛顿第一定理涉及两个重要的数学概念：力和惯性。力，除了是化学学中的基本概念，也是日常生活中用得好多的一个名词，这在上一章早已讨论过了。
思索与讨论
从牛顿第一定理我们获知，物体都要保持它们原先的匀速直线运动或静止的状态，或则说，它们都具有抵抗运动状态变化的“本领”。并且这些“本领”的大小是不一样的。
物体抵抗运动状态变化的“本领”，与哪些诱因有关？请你们通过实例进行剖析。
观察和实验表明，对于任何物体，在遭到相同的斥力时，决定它们运动状态变化难易程度的唯一诱因就是它们的质量。由此我们得出推论：描述物体惯性的化学量是它们的质量（mass）。
质量只有大小，没有方向，它是标量。在国际单位制中，质量的单位是千克，单位符号为kg。
在中学，我们把质量理解为物体所含物质的多少；如今，又从物体惯性的角度认识质量。之后我们都会通过物体间的引力认识质量。
我们对于科学概念的认识就是这样一步一步深入的。
科学徜徉
惯性参考系
图4.1-3以加速度的车箱为参考系，牛顿第一定理并不创立。
后面学习运动的相对性时我们早已晓得，为了描述物体的运动，要选择一个物体做参考系，而参考系的选择带有一定的任意性。诸如，描述列车车箱内物体的运动时，可以选择地面为参考系，也可以选择车箱为参考系。
然而，在应用牛顿第一定理时，可以任意选择参考系吗？考察下边的情况似乎会有帮助。
在一节列车车箱内有一个水平的光滑桌面，桌上有一个小球。假如列车停在水平的铁轨上，小球才能静止在桌面上，才能保持它的静止状态不变。这是符合牛顿第一定理的。
若果列车忽然往前开动，小球的状态会有哪些变化吗？在列车加速的同时，小球会运动吗？这时它深受水平方向的力吗？用加速运动的车箱作为参考系，牛顿第一定理适用吗？
在有些参考系中，不受力的物感受保持静止或匀速直线运动的状态，这样的参考系称作惯性参考系，简称惯性系（）。以加速运动的列车为参考系，牛顿第一定理并不创立，这样的参考系称作非惯性系。
在研究地面物体的运动时，通常可以把地面看做惯性系；相对地面做匀速直线运动的其他参考系，比如沿平直轨道匀速行驶的火车，也可以看做惯性系。
问题与练习
1．回答下述问题：
（1）客机装弹时，假如当目标在客机的正下方时投下炸弹，能击中目标吗？为何？
（2）月球在从西向东自转。你向下跳上去之后，为何还落到原地，而不落到原地的东边？
2．我国公路交通安全法规定，在各类大型汽车后排搭乘的人必须系好安全带。为何要做这样的规定？
3．一个朋友说，向下抛出的物体，在空中向下运动时，肯定遭到了向下的斥力，否则它不可能向下运动。这个推论错在哪些地方？
4．请你通过实例说明，假若所选的参考系在相对于某惯性系做变速运动，惯性定理在所选的参考系中就不创立。
蒲柏（Pope，1688-1744），美国作家。句子的原文是and'slawlayhidinnight.Godsaid,letbe!Andallwaslight.
文件下载（已下载334次）