石新福

【摘 要】牛頓第一定律描述的是一種理想化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即物體不受外力作用的狀態(tài)。很顯然這無法用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證，但伽利略在分析大量事實(shí)的基礎(chǔ)上，忽略次要因素、突出主要因素，運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)這一科學(xué)推理的思維方法，闡明了力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，反映了物體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在的本質(zhì)規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】牛頓第一定律 物理教學(xué)

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.03.061

牛頓第一定律的內(nèi)容：“一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”。對(duì)牛頓第一定律理解有下面兩點(diǎn)：

1.任何物體都具有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性，即通常說物體具有“慣性”。

2.維持一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即保持物體的速度不變，并不需要力的作用，力的真正作用是改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即改變物體的速度。因此，物體具有速度并不表示物體是否受到外力的作用，物體具有加速度才是受到外力作用的標(biāo)志。所以，力是物體產(chǎn)生加速度的原因，而不是物體運(yùn)動(dòng)的原因，物體的運(yùn)動(dòng)并不需要用力來維持。

牛頓第一定律科學(xué)地說明了“慣性”和“力”這兩個(gè)重要的物理概念，正確地解釋了力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，它是物理學(xué)中的一條基本定律，但不少讀卻對(duì)它不理解，持疑慮和錯(cuò)誤看法。主要有以下幾點(diǎn)：

1.有人認(rèn)為牛頓第一定律指出的是不受外力作用時(shí)，物體 將做勻速直線運(yùn)動(dòng)或保持靜止，然而生活中卻找不出不受外力作用的物體，因而牛頓第一定律就無法用實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證，它的正確與否值得懷疑。

我們應(yīng)這樣理解，伽利略設(shè)計(jì)了“小球沿不同傾角的光滑斜面運(yùn)動(dòng)到等高”的理想實(shí)，伽利略又考慮到了斜面的傾角連續(xù)變化到0°的理想極限，得出了“小球再也運(yùn)動(dòng)不到等高，而要永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去”的結(jié)論。從而發(fā)現(xiàn)了慣性定律（即現(xiàn)在的牛頓第一定律），伽利略開創(chuàng)的這種把經(jīng)驗(yàn)事實(shí)和抽象思維科學(xué)地結(jié)合起來的方法不僅完全可靠，而且正是科學(xué)研究中的重要方法。當(dāng)然，由于自然界中不存在任何不受外力作用的物體，所以.牛頓第一定律不能簡單的從字面意義上用實(shí)驗(yàn)直接加以驗(yàn)證。但是自然界中有許多的物理現(xiàn)象可以證明這一定律的正確性。例如，A球作自由落體運(yùn)動(dòng)，B球作平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們?cè)谒椒较蚨疾皇苋魏瓮饬ψ饔?，因此，A球水平方向上確實(shí)永運(yùn)保持靜止?fàn)顟B(tài)不變，B球在水平方向確實(shí)永遠(yuǎn)保持勻速直接運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，所以，牛頓第一定律的正確性是由它所推出的結(jié)論和實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合而得到證明的。

2.有人不能理解牛頓第一定律指出“物體不受任何外力作用而靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)，”而生話中見到的受了外力保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)是否相矛盾。

我們說并不矛盾。要知道，在實(shí)際生活中是不存在任何不受外力作用的物體的。如果一個(gè)物體受到幾個(gè)外力作用，并且這幾個(gè)外力的合力為零，那么，這些外力各自在物體上產(chǎn)生的作用效果就會(huì)相互抵消，因此，這時(shí)物體就猶如不受外力作用一樣，也可以保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.有人認(rèn)為，即然牛頓第一定律又叫慣性定律，那么，牛頓第一定律就是慣性的定義。

“定義”是用來區(qū)分不同概念的，而“定律”是用來反映普遍規(guī)律的，顯然上述認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的，原因就在于{昆淆了“定義”和 “定律”的這一區(qū)別。

“慣性”是物體的一種基本屆性，一切物體都有保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)叫慣性。慣性的大小與物體受力情況，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等都無關(guān)系，質(zhì)量大小是慣性大小的唯一量度。因此，對(duì)“慣性”下定義時(shí)，只要講物體本身具有什么性質(zhì)，而不涉及到這個(gè)物體與其他物體有什么關(guān)系。但是，牛頓第一定律卻把物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與物體的受力情況聯(lián)系起來了，它指出一個(gè)物體不受外力作用時(shí)所遵循的規(guī)律，顯然，這不是在解釋或描述物體的某種特性，所以它決不是“慣性”的定義。

4.有人認(rèn)為，如果物體運(yùn)動(dòng)加速度為零，那么牛頓第二定律就變成了牛頓第一定律，也就是說，牛頓第一定律是牛頓第二定律的特殊情況，牛頓第一定律可有可無。

這種看法是錯(cuò)誤的。我們應(yīng)有這樣的認(rèn)識(shí)，正是因?yàn)榕ｎD第一定律為我們指出了物體在沒有受到外力作用時(shí)所處的狀態(tài)，我們才有可能進(jìn)一步研究當(dāng)物體受到外力作用時(shí)，將處于怎樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。牛頓第一定律確定了力的涵義，指出物體如果受到外力作用時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要發(fā)生改變，這就是牛頓第二定律所研究的內(nèi)容。試想，如果我們?cè)炔恢牢矬w在不受外力的情況下處于怎樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，要研究物體在力的作用下將作怎樣的運(yùn)動(dòng)則顯然是不可能的。因此，牛頓第一定律是研究力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，不是能用牛頓第二定律來取代的。

據(jù)此我們可以更好的從以下幾個(gè)方面來進(jìn)一步理解牛頓定律：

1.牛頓第一定律描述的是一種理想化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即物體不受外力作用的狀態(tài)。很顯然這無法用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證，但伽利略在分析大量事實(shí)的基礎(chǔ)上，忽略次要因素、突出主要因素，運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)這一科學(xué)推理的思維方法，闡明了力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，反映了物體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在的本質(zhì)規(guī)律。伽利略不但證實(shí)了牛頓第一定律的正確性，同時(shí)也開創(chuàng)了科學(xué)研究的正確方法——實(shí)驗(yàn)與思維的完美結(jié)合。他以系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和觀察推翻了以亞里士多德為代表的、純屬思辨的傳統(tǒng)的自然觀，開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系的近代科學(xué)，因此，他被稱為“近代科學(xué)之父”。他的工作，為牛頓的理論體系的建立奠定了基礎(chǔ)。

2.牛頓第一定律是力學(xué)基本定律建立的基礎(chǔ)。牛頓第一定律以一切物體所具有的屬性——慣性為出發(fā)點(diǎn)，比較嚴(yán)密地定義了慣性，揭示了慣性運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，進(jìn)一步還可以引入慣性參考系、慣性質(zhì)量。定性地給出了力的科學(xué)定義，表述了力的本質(zhì)和力的效果。牛頓第一定律包括了慣性、慣性運(yùn)動(dòng)、慣性參考系和力的概念，還啟迪人們?nèi)パ芯课矬w運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變與外力作用的關(guān)系，可見牛頓第一定律是其他力學(xué)定律建立的基礎(chǔ)。

3.從形式上看，牛頓第二定律在外力為零的情況下，可引出與牛頓第一定律似乎完全相同的表述，但絕不能理解為牛頓第一定律是牛頓第二定律在作用力為零時(shí)的特例。否則就是舍棄了牛頓第一定律的精髓，即割裂了牛頓第一定律與牛頓運(yùn)動(dòng)定律整體間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，扭曲了牛頓第一定律的內(nèi)涵。沒有慣性定律就沒有慣性、慣性運(yùn)動(dòng)、慣性參考系、力的科學(xué)概念，牛頓第二定律就無從談起，牛頓第一定律是前提、是基礎(chǔ)，并具有獨(dú)立性。

因此，我們的教師應(yīng)該對(duì)牛頓第一定律有深入的認(rèn)識(shí)，才能夠全面把握和運(yùn)用牛頓第一定律。