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1、牛顿第一定理的实质地位和作用高焜（安徽师范大学化学与电气工程大学江西南昌）指导老师：江燕燕摘要：文章研究了牛顿第一定理的实质及在牛顿三个定理中的地作用。澄清了对牛顿第一定理的一些模糊认识对认识牛顿三定理之间的关系和理论的完备性和逻辑性提出了不同的想法。文章强调：牛顿第一定理的实质是给出了一个不受力或所受合力为零不存在加速度的系统,即一般所说的惯性系而不是力的定义,定理创立与否来定而牛顿第二、第三定理只对惯性系才创立。惯性系也不能用牛顿义。关键词:牛顿第一定理;惯性系;力13世纪的约翰贝里单提出了“冲力”（）的概念，他把力道构想为初始推进者传给物体的
2、一种推进力，并赋于了力道一种永恒的质，觉得它将仍然持续下去牛顿第一定律适用于任何参考系吗，除非被外部阻力所减小或则用尽。在没有外力作用的情况下，力道的初始量将保持不变，但是他暗示，假若将运动的所有阻力撤离，这么物体一旦开始运动，很与可能将永远沿直线匀速运动下去，他没有任何理由改变自己的运动方向或则初始速率。1牛顿在1687年出版的名著自然哲学的物理原理一书中提出了三条定理做为动力学的基础。这三条定理也称牛顿运动定理,以牛顿运动定理为基础构建上去的热学理论称作牛顿热学。牛顿所述的三条定理的英文译文为:第一定理:任何物体都保持静止或沿一条直线做匀速运动的状态,除非作用在它前面的力促使它改变这些状态。第二定理:运动的变化与
3、所加的动力成反比,但是发生在这力所沿的直线的方向上。第三定理:对于每一个作用,总有一个相等的反作用与之相反;或则说,两个物体之间对各自对方的互相作用总是相等的,并且指向相反的方向。牛顿定理提出早已三百多年了,人们早已十分熟悉了。但是综观许多数学学的教科书,对牛顿第一定理的实质的认识,它在三个定理中的地位和作用,却甚少给出合理的解释和定位。下边就一些”物理学”教科书中对第一定理的不尽合理的解释和定位逐一给与说明。1牛顿第一定理的本质并非描述物体具有惯性几乎所有的“物理”教科书中都指出:牛顿第一定理描述了物体具有惯性,所以把第一定理也叫做惯性定理。其中具有代表性的:如深圳学院顾建中先生编
4、写的普通数学学简明教程热学部份2就明晰强调:“第一定理中包含两个重要的概念。(1)若果没有其他物体的作用,则所研究的物体将保持其静止的或匀速直线运动的状态;这些性质称为该物体的惯性由于第一定理包含惯性这个重要概念,所以又叫惯性定理。(2)。”又如张三惠等编绘的学院化学学热学3中强调:“牛顿第一定理和两个热学基本概念相联系。一个是物体的惯性,另一个是力。”马文蔚先生改编的数学学4也做了同样的阐述等等。假如第一定理的实质是描述物体的惯性,那它就没有独立存在的意义了,由于牛顿第二定理a=F/m不但描述了物体的惯性,但是定量地给出了物质的惯性大小可以用惯性质量m来描述,由此可见第一定
5、律叫做惯性定理,把它说成是描述物体惯性决非是牛顿的初衷。2牛顿第一定理的实质也不是对力作出定义上面早已提及,上海学院的顾建中先生编撰的普通化学学简明教程,“力学部份”指出,第一定理中包含两个重要概念,其中第(2)个是:“要改变物体的运动状态,即是说使物体形成加速度,一定要有其他物体对它的作用,这些作用称为力。”这段话的意思就是说牛顿第一定理实质是对力作了定义,而程守洙、江之永主编普通化学学卷15中更明晰强调:“第一定理还定性的阐明了力的含义。”如果真如上述所指,第一定理是对力的定义,那就形成了一种逻辑上的循环,即第一定理定义了力,而力的存在与否又决定了第一定理,这些逻辑上的混乱牛顿
6、是不会没发觉的,也不会让这些逻辑错误存在于它的理论体系中。关于力的定义应当是在第一定理之外独立存在的一个概念:力是物体间的互相作用,而不是由第一定理给出的。3牛顿第一定理的实质是给出了惯性系牛顿第一定理的实质是:它给出了一个不受力或所受合力为零的物体或物体系,这个系统不存在运动状态的改变,即这个系统不存在加速度,我们晓得数学学中所研究的问题都是相对的,即以一定的物体或物体系作参照物的,而牛顿第一定理就给出了这样一个没有加速度的参照物系惯性系,它才使我们对化学问题的研究和数学量的检测变的有意义。4牛顿第一定理在理论系统中的地位第一定理中包含的基本概念，奠定了精典热学的概念基础，进而使
7、它处于理论系统中定义原理的前提地位。这表现在：（1）首次回击了延续两千多年的亚里士多德等人错误的力的概念，为确立正确的力的概念扫清了公路。（2）第一次科学地给出了力的定性定义（含力的本质和力的疗效）。（3）第一次提出了精典热学的几个基本概念，为其他几个原理奠定了概念基础。主要有：惯性参考系、力的定性概念（本质和疗效）、惯性及惯性运动。牛顿第一定理首先表明了“不受力”下，物体的动力学规律（做惯性运动）。在此基础上能够表明其他几个基础原理。首先，精典热学的全部规律均要求在惯性参考系内考察。牛顿第二定理进一步要注明“受力”下，物体的动热学规律。在这儿，利使劲的疗效，加速度a，定量定义了力的
8、大小和方向；也定量定义了惯性的大小即质量。得到牛顿第二定理表达式F=ma。在理的概念的基础上，能够进一步叙述力本身的规律，这就是：牛顿第三定理（反应斥力和反斥力的普遍关系）；力的叠加原理或力的独立作用原理（反应力的矢量性）。它们是力本身普遍的规律。还有具体力的规律，几种力的定量表达式：万有引力定理、胡克定律、和磨擦定理。其实，在理论系统中几个基本原理的关系式上，无论从概念的关系上看，还是从叙述规律的内容上看，第一定理均处于前提和基础地位。这在数学学的发展史上也是这么。5牛顿第一定理在数学教学中的地位力和运动的关系，是动力学的基本问题，人类正确认识这个问题，经历了漫长的过程。在数学学发
9、展史上，是伽利略最早发觉和提出了“惯性定理”，首先推翻了亚里士多德错误的力的概念，但因为没有排除重力的影响，故错误地觉得惯性运动不能是匀速直线运动，而应当是顺着月球表面的匀速圆周运动6。后经笛卡儿的修正，排除了一切力的作用，给出了“惯性定理”的正确叙述。牛顿承继了伽利略和迪卡儿的研究成果，于1687年发表了自然哲学的物理原理，提出了机械运动的三个基本定理，因而奠定了精典热学的理论基础。在关于牛顿三个运动定理的教学中，班主任和中学生常常会觉得牛顿第二定理是牛顿运动定理的核心，是重中之重，牛顿第一定理远不及牛顿第二定理这么重要，因而忽略了牛顿第一定理的概念教学。其缘由可能有三个方面：一是以牛顿第二定理
10、为中心的应用问题压制了牛顿第一定理的概念教学。估算过程推理性较强，能解开具体问题的答案，又能通过考试题检测知识的把握和应用情况牛顿第一定律适用于任何参考系吗，师生都感兴趣。二是牛顿第一定理的实验基础具象，不能直接得到实验验证，教学过程无法施行，从而忽视其重要性。三是有种倾向觉得牛顿第二定理可以囊括牛顿第一定理，第一定理不过是第二定理的特例，可以作为第二定理的逻辑结论，所以偏重于第二定理而忽略第一定理的教学。这些认识值得剖析。从数学学出发，受力条件下物体的云顶规律不能包括不是欧力下物体的运动规律。（1）从牛顿第二定理的表达式F合=ma推测，觉得假如F合=0，则a=0，表示物体静止或匀速直线运动，做惯性运动，即为第一定理。
11、上述错误在于：F合=0，并不能表示物体“不受力”，而是“受力”下合力为零，尽管与“不受力”是的运动状态相同,但此时a=0不是第一定理的惯性运动，由于惯性运动必有“不受力”的前提条件。惯性定理的外界条件是不受力，不能把“受力”而合力为零条件下的运动称为惯性运动，尽管她们达到的运动疗效相同，但两者是本质上不同的运动，“不受力”下的运动是理想运动，以理想实验为基础，合力为零下的运动是真实运动，以真实实验为基础。（2）从物体受一个力时的第二定理F=ma出发，觉得F=0为物体“不受力”的物理抒发，则a=0，物体做惯性运动。上述错误在于：牛顿第二定理是构建在物体“受力”条件下和真实的实验基础上的，因而
12、不能逻辑地推论时理想极限情况下的运动，物体在“不受力”情况下做惯性运动，其加速度怎样，只能借助理想实验来证明。如前所述，第一定理和第二定理的实验基础完全不同，真实实验不能包括理想实验，理想实验是真实实验的理想极限，是无任何实验偏差的思维实验，十四位理想化具象的产物，“不受力”的条件对真实实验不能满足，只能靠思维的逻辑推理去掌握，这正是牛顿第一定理与第二定理彼此独立的实验依据。可见，第一定理和第二定理实务题“不受力”和“受力”条件下两个本质不同的运动规律。6牛顿第一定理的作用当我们选取了由牛顿第一定律所给出的参照系惯性系,使化学量的检测才弄成可能;牛顿第二、第三定理才显得有意义。如牛顿第二定
13、律给出的物理表示,它只有在相对惯性系一个没有加速度的参照系时,才有确定的检测值,如参照系不是惯性系,而存在加速度,则中的的值就将改变,这么第二定律就没有意义了,或则说不再创立了。诸如,设一个在平直轨道上的货车,货车上有一光滑的桌面,桌面上放一小球,开始时静止在轨道上(见图1)。图1加速货车示意图小球相对地面也是静止。在地上和车上的观察者看见,这个小球在水平桌面上不受力,所以没有加速度。但当货车以水平加速度0往右运动时,在地面的参照系中的人看,小球在水平方向不受力,一直静止,而在有加速度的参照系货车中的观察者看,小球虽不受力,但却以-0向左运动,这似乎与牛顿第一定理不符,而
14、且小球相对于车上的观察者来说,它的加速度随0而变化,可见,牛顿第二定理不再创立。它从一个方面说明:牛顿第二定理只对没有加速度的参照系创立。同样对于第三定理也是一样,如对有加速度的参照系,物体间的斥力和反斥力的大小就不再相等,即分别是斥力和反斥力),则第三定理也就不创立了。同样,由牛顿运动定理构建上去的质点热学体系,如动量定律=,动量守恒定理,动能定律等也都对惯性系创立。可见牛顿第一定理是不可缺乏的,是完全独立的一条重要的热学定理。所以可以看出牛顿第一定理,它和第二、第三定理构成了一个完整的理论体系,它是第二、第三定理的基石,是第二、第三定理创立的保证,而牛顿第二、第三定理只
15、对由第一定理给出的惯性系才创立。由此我们也给出了惯性系和非惯性系的定义:一个不存在加速度的参照系称做惯性系,否则为非惯性系。非惯性系中的热学问题不能由牛顿第二定理来解决而要用非惯性系中的热学多项式:求解。式中为在惯性系中测得的物体受的力,而为在非惯性系中测得的惯性力,0为非惯性系统的加速度。而我们的一些教科书上如:马文蔚改编的面向21世纪课程教材化学学4却说:“我们把适用牛顿定理的参考系称作惯性参考系,简称惯性系;反之就叫非惯性系。这些阐述因果关系上有些颠倒,逻辑上也不够严谨。5结束语牛顿第一定理与其他两个定理构成了牛顿热学的完整体系,牛顿第一定理给出了惯性系的概念,它的本质并不是给出物体的惯性,也不包含切实的定义。牛顿第二、第三定理只对惯性系组建。参考文献:1爱德华格兰特著，张卜天译，近代科学在中世纪的基础。重庆：山东科技技术出版社，2010.1182顾建中.普通化学学简明教程热学部份M.上海:人民教育出版社.19773张三惠.学院化学学热学M.上海:北大学院出版社.4马文蔚.化学学,下册M.上海:高等教育出版社.19995程守洙、江之永.普通化学学(第五版)M,第1册.上海:高等教育出版社,19986戴维林德伯格著，王珺等译，西方科学的起源。上海：中国对外翻译出版公司，2001.312
