張藝馨 侯雨晴 王 歌 劉增澤 馮 杰

(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

牛頓第一定律的獨立性基礎性不容質疑

張藝馨 侯雨晴 王 歌 劉增澤 馮 杰

(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

目前在物理教學及研究中，對牛頓第一定律存在理解上的偏頗和程度上的差異，甚至是科學性的錯誤．2015年發(fā)表的“牛頓第一定律的是與非”，對牛頓第一定律的實質提出了“顛覆性”的認識，還輕率地對其進行了改述，更加錯誤地提出牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例．應當從經(jīng)典力學的幾個關鍵性概念的本質出發(fā)，對牛頓第一定律本質、地位進行全面科學地理解．

牛頓第一定律 慣性 基礎性 獨立性

1 引言

運動和物體相互作用的關系是人類幾千年來不斷探索的課題，即使在今天，已知運動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計的軌道？這便是動力學問題．動力學的根本任務是從本質上揭示運動產(chǎn)生的原因．自牛頓發(fā)表《原理》以來，牛頓三定律便成為動力學的基礎[1]，指導著我們解決宏觀低速運動問題，在社會各個領域得到廣泛應用．三大定律蘊含著豐富的物理內涵，遠非像它在字面上表述的那樣簡單而一目了然，目前在物理教學及研究中，許多人對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，甚至是科學性的錯誤．主要體現(xiàn)在對牛頓第一定律的本質、地位以及三個定律間的邏輯關系理解不深．

例如《中學物理教學參考》在2015年發(fā)表的《牛頓第一定律的是與非》，宣稱對牛頓三定律的實質提出了“顛覆性”的認識，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力做出定義，并對牛頓第一定律的表述進行改寫[2]．以及早先爭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．

本文將簡單討論牛頓第一定律的本質及其豐富的內涵，從牛頓第一定律在動力學基本定律中具有基礎性的地位這一角度，論述牛頓第一定律的獨立性，從而否定了作者對“牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例”的錯誤認識．

2 牛頓第一定律在動力學定律中具有基礎性地位

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動的狀態(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單討論該定律中包含的幾個基本概念，奠定了動力學的概念基礎，從而可以確定牛頓第一定律的獨立性及其在理論系統(tǒng)中第一個原理的前提地位.

2.1 揭示了物體運動的內在屬性——慣性

牛頓第一定律描述了物體具有慣性運動的狀態(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，該定律通過慣性的定義：物體本身要保持運動狀態(tài)不變的性質或者說是物體抵抗運動變化的性質，從而進一步揭示出了“慣性運動”的本質．正是物體的這一內在屬性，維持了物體運動狀態(tài)不變．有了對慣性運動的本質認識后，才有牛頓想到可以從打破慣性運動出發(fā)，去研究物體運動狀態(tài)的變化與外力之間的關系以及物體間相互作用的關系．所以牛頓第一定律是牛頓第二定律、牛頓第三定律的基礎，而慣性是牛頓定律乃至力學的出發(fā)點．

2.2 明確了力和運動的關系給出了力的定性定義

由于物體具有慣性，所以要使其運動狀態(tài)發(fā)生變化，一定要有其他物體對它作用，這種作用稱之為力．在牛頓第一定律的基礎上得出力的定性定義，它指迫使一個物體運動狀態(tài)改變，使它產(chǎn)生加速度的別的物體對它的作用．該定律對力進行定性定義時隱含了一個問題，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．愛因斯坦對這個問題的回答是距離其他一切物體足夠遠[4]．因此牛頓第一定律實際上是一個理想定律，無法直接用實驗驗證，但是牛頓第一定律又是通過無數(shù)事實的研究而做出的正確推斷，依據(jù)此提出的關于力學問題的結論也是完全符合實際的，牛頓第一定律經(jīng)受住了實驗和時間的考驗．實際上，在牛頓第一定律揭示出力是改變物體運動狀態(tài)的原因后，人們才去進一步探究力是怎樣改變物體運動狀態(tài)的，正是這樣的思想才引導著牛頓發(fā)現(xiàn)了牛頓第二定律，這是一個包含了豐富科學思維的科學過程．

2.3 牛頓第一定律確立了動力學定律成立的參照系

由于物體的機械運動是一種相對運動，因此描述物體的運動需要選取適當?shù)膮⒄障担疅o論物體是處于靜止還是運動狀態(tài)都只能是對某一個確定的參照系而言．既然牛頓第一定律闡明了物體在靜止、運動或運動狀態(tài)改變時所遵從的規(guī)律，由此可以推斷自然界中必然存在至少一個能夠嚴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，一個不受力的作用的物體將保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)不變．顯然，若某參照系以恒定速度相對于慣性系運動，這個參照系也就是慣性系．若某參照系相對慣性系做加速運動，那么這個參照系就是非慣性系．牛頓受宗教影響認為宇宙中心不動，他在論述牛頓第一定律前，選擇用絕對時空中的一個靜止的點做參照[5]．可見牛頓第一定律定義了慣性參照系，同時也引入了絕對時空觀．由于“絕對靜止”的物體是不存在的，慣性參照系是找不到的，是一個理想化的模型．從《原理》一書中我們了解到最理想的慣性參照系應該是在宇宙中距離其他一切物體無限遠處的孤立物體，這實際上是不存在的．在實際應用中，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．一個參照系是不是慣性系，要靠觀察和實驗來判定．例如，實驗指出，對一般力學現(xiàn)象來說，地面參照系是一個足夠精確的慣性系．慣性系這一適用條件的產(chǎn)生，讓動力學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性以及各定律間的有機聯(lián)系．

2.4 確定了研究的對象——質點

由于牛頓第一定律的表述中，沒有涉及物體本身的轉動和物體各部分之間相對位置的變動，表明牛頓第一定律中的物體指的是質點，即有質量但不存在體積或形狀的點，是又一個理想化模型．物體的慣性也是指質點的慣性或物體作平動時的慣性，對于轉動的物體來說，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，質點的慣性是用質量來量度的．因此，牛頓第一定律確定的研究對象，為牛頓第二定律準備了的物質客體模型[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，但這并不影響它的科學性，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)．一個物體不受力，它相對于慣性系就做勻速直線運動；但是又只能根據(jù)一個物體相對于慣性系做勻速直線運動，才能肯定這個物體不受力；同時又只能根據(jù)一個物體不受力時做勻速直線運動，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．這些公理都是人們在長期實踐中直接得來的，是通過直接間接實踐反復證明了的，具有“自明性”，表現(xiàn)在邏輯上無法嚴格定義．牛頓第一定律作為力學的第一條命題，自然不能夠通過從它所導出的其他命題去證明，也無法通過直接的物理實驗得到證明，只能依靠它得出的大量推論，在實踐中得到檢驗．正是這種公理性，又使我們進一步看到牛頓第一定律的基礎性．

綜前所述，牛頓第一定律在動力學定律中具有基礎性地位，從而確定了其獨立性，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式F=ma出發(fā)，當合外力F合=0，則a=0，表示物體保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，物體的運動狀態(tài)并不改變，做慣性運動，即牛頓第一定律．這表述中存在較明顯的概念錯誤，首先牛頓第二定律是受力作用下物體的運動規(guī)律，它不能包括不受力作用下物體的運動規(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動狀態(tài)，這與牛頓第一定律描述的物體不受外力作用時，保持靜止或做勻速直線運動(即慣性運動)有本質的區(qū)別，它們只是有一樣的外在運動形式；最后第二定律是建立在物體“受力”的真實實驗基礎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動，因為任何事物一旦達到它的極限情形時，便要發(fā)生質的改變，出現(xiàn)了和一般情形的質的差別．

4 小結

沒有牛頓第一定律，就沒有慣性、慣性運動、慣性參照系和力的科學概念，牛頓第二定律也就無從談起．從哲學層面上，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動狀態(tài)，要研究物體在外力的作用下將怎樣運動是不可能的．因而把牛頓第一定律看成是牛頓第二定律的特例，進而產(chǎn)生牛頓第二定律可以取代牛頓第一定律的認識，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構關系，扭曲了牛頓第一定律的內涵，從而抹殺了牛頓第一定律的獨立性．牛頓第一定律的基礎性具有不可取代的地位，它與牛頓第二、三定律并列，一起構成了統(tǒng)一的運動定律，并與萬有引力定律一起建立了完整的牛頓力學體系．

1 漆安慎,杜嬋英.力學(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.中學物理教學參考,2015,44(1):66

3 張三慧.力學(第2版).北京:高等教育出版社,2005

4 馮杰.大學物理專題研究.北京:清華大學出版社,2011

5 王宏偉.牛頓定律與17世紀牛頓的時空觀.淮南師范學院學報,2010,12(63):90～92

6 張東升.牛頓第一定律的建立及其哲學意義.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.物理教學探討,2015(7):61～63

2017-04-04)