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牛頓第一定律的意義

  從前面的介紹中我們知道,牛頓第一定律或慣性定律,是從伽利略、笛卡兒到牛頓的幾位杰出科學(xué)家的努力總結(jié)出來的自然定律,它否定了幾千年來人們關(guān)于運動和力的錯誤觀念。通過不受力作用的物體的運動狀態(tài)的描繪,揭示出周圍環(huán)境對物體施加的作用力是物體運動狀態(tài)變化的原因。只有在此基礎(chǔ)上才有可能進(jìn)一步研究受力作用的物體運動變化的規(guī)律。所以第一定律的建立,在觀念上是革命性的變革,在科學(xué)的動力學(xué)體系中是不可缺少的重要基礎(chǔ)。

 

  可以從以下幾個方面深入理解第一定律的豐富內(nèi)涵和它的重要意義:

 

  1)提出了力概念的定性定義

 

  第一定律通過不受力的物體的運動狀態(tài)的描繪,繪出了力概念的定性定義。牛頓在表述他的第一定律前的定義中明確提出:力是對物體的作用,使物體改變靜止或勻速直線運動狀態(tài)。這就對力概念給出了定性的、科學(xué)的定義。其要點之一是力的起源:力是物體對物體的作用(牛頓第三定律進(jìn)一步揭示物體間力的相互作用性質(zhì)的規(guī)律)。力存在于這種作用過程之中。其要點之二是,力作用的效果:是使受力物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化,即產(chǎn)生加速度。

 

  在運動定律方面牛頓超過伽利略的重要方面之一,就在于科學(xué)地定義了力這個重要概念。它使原來關(guān)于推、拉這種關(guān)于力的模糊認(rèn)識上升到科學(xué)概念,從而大大拓寬了人們對力的認(rèn)識,拓寬了力的范圍。使人們根據(jù)上述的兩個要點,超過以前停留于推、拉這種直接的作用,去認(rèn)識更大范疇內(nèi)的作用力,包括引力,電磁力等等。

 

  2)慣性概念的確立

 

  第一定律表明:每一個物體都具有保持靜止或沿一直線作等速運動狀態(tài)的屬性,這就是慣性。牛頓在陳述第一定律前的定義中,明確定義了“慣性”這一概念,他指出:“慣性是一種起抵抗作用的能力,它存在于每一物體當(dāng)中,”這種抵抗作用的能力,“使之保持其現(xiàn)有狀態(tài),或者靜止,或是勻速直線運動?!憋@然,這里所說的起抵抗作用的能力,是指對外界改變物體運動狀態(tài)的作用的抵抗能力。

 

  因此,慣性是物體固有的屬性,不論物體是否受力都具有的性質(zhì)。當(dāng)物體沒有受外力作用時,靜者恒靜,動者恒作勻速直線運動,是物體慣性的表現(xiàn);當(dāng)物體受到外力作用時,物體的慣性表現(xiàn)于對外界作用的“抵抗性”(此即牛頓所說“抵抗能力”的含意)。這種“抵抗性”在牛頓第二定律中將得到進(jìn)一步的定量的闡明。

 

  3)定義了慣性系

 

  參考系是判斷動、靜,描述物體運動的依據(jù),人們可以任意選定一個參考系來對自己感興趣的物體運動進(jìn)行描述。對任一物體,不管它是否受力,都可以找到一個參考系,在此參考系中,該物體是靜止的或作勻速直線運動的??梢姡x開參考系談慣性定律是毫無意義的。

 

  牛頓第一定律把“不受其它物體作用力”作為“物體繼續(xù)保持靜止或勻速直線運動”的條件,就界定了牛頓力學(xué)適用于一類特殊的參考系,這類特殊的參考系就是不受力作用的物體在其中靜止或作勻速直線運動的參考系,稱為慣性系。牛頓第一定律正是通過不受外界作用的物體的運動狀態(tài)來定義慣性參考系,從而使它成為整個力學(xué)甚至物理學(xué)的出發(fā)點。

 

  牛頓在他的《原理》中對他討論的運動構(gòu)想的參考系是“絕對空間”。他聲明他將討論的運動是在“絕對空間”中的真正運動。在后面的“推論”中,牛頓又指出“在絕對空間中作勻速運動并不作任何轉(zhuǎn)動的空間內(nèi),一切運動按同樣方式進(jìn)行”。按牛頓所想象的絕對空間,是他設(shè)想的宇宙的不動的中心。從今天的觀點看,絕對空間的觀念是不對的,早已否定了的。但歷史地看,在三百多年前的牛頓要為他討論的運動引入一個客觀標(biāo)準(zhǔn)“絕對空間”,并吸取伽利略相對性原理,提出“在絕對空間中作勻速直線平動(無任何轉(zhuǎn)動)的空間內(nèi)”,運動定律同樣成立,確也是很不容易的。這就把運動定律所適用的參考系由抽象的一個“絕對”,變?yōu)樵S許多多可供選擇的具體參考系了(現(xiàn)代稱之為慣性系)。愛因斯坦認(rèn)為,牛頓引入絕對空間,對于建立他的力學(xué)體系是必要的。這是在那個時代“一位具有最高思維能力和創(chuàng)造力的人所能發(fā)現(xiàn)的唯一道路?!?/span>

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