牛顿第一定律,力学体系的基础

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如果你是一名理科生，那你一定对牛顿第一定律不会陌生。实际上，可能每个人人都听说过三大著名力学定律，牛顿第一定律，牛顿第二定律，以及牛顿第三定律。而这三大著名力学定律的提出者，就是那个坐在苹果树下被掉落的苹果砸到的牛顿。那么，牛顿的成就究竟是被苹果砸到后的灵光乍现，还是背后无数日夜的探索研究呢？牛顿第一定律的提出过程又有着怎样有趣的故事呢？且听奇技网小编慢慢道来。

牛顿第一定律的简介

1、牛顿第一定律介绍

英国物理学家艾萨克·牛顿于1687年，在巨著《自然哲学的数学原理》里，提出了牛顿运动定律，牛顿第一运动定律就是其中一条定律。牛顿第一运动定律，简称牛顿第一定律。又称惯性定律、惰性定律。常见的完整表述任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

2、牛顿第一定律的定义

牛顿在《自然哲学的数学原理》中的原始表述是任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。该表述在人教版、粤教版高中物理教材中被引用。鲁教版高中物理教材中的表述是牛顿第一定律表明，当合外力为零时，原来静止的物体将继续保持静止状态，原来运动的物体则将继续以原来的速度做匀速直线运动。合外力为零包括两种情况一种是物体受到的所有外力相互抵消，合外力为零；另一种是物体不受外力的作用。有的专家学者认为这种表述方式并不严谨，所以通常采用原始表述。

3、牛顿第一定律的适用范围

牛顿第一定律只适用于惯性参考系。在质点不受外力作用时，能够判断出质点静止或作匀速直线运动的参考系一定是惯性参考系，只有在惯性参考系中牛顿第一运动定律才适用。牛顿第一定律在非惯性参考系（即有加速度的系统）中不适用，因为不受外力的物体，在该参考系中也可能具有加速度，这与牛顿第一定律相悖。

4、牛顿力学体系介绍

牛顿第一定律与牛顿第二、第三定律构成了牛顿力学的完整体系。牛顿第一定律给出了惯性系的概念，第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系只对惯性系成立。，牛顿第一定律是不可缺少的，是完全独立的一条重要的力学定律。

牛顿第一定律的证明

伽利略研究运动学的方法是把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实验检验。他对光滑斜面的推论是通过实验观察，并推论得到的。这个完全光滑的斜面在现实中不存在，因为无法将摩擦力完全消除，理想斜面实验属于伽利略的逻辑推理部分。

1、伽利略的光滑斜面理论

现实中，当一个球沿斜面向下滚时，它的速度增大，而向上滚时，它的速度减小。由此伽利略推论，当球沿水平面滚动时，它的速度应不增不减。实际上他发现，球愈来愈慢，停下来。伽利略认为，这并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的缘故，因为他同样还观察到，表面愈光滑，球便会滚得愈远。于是他推论，若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。

2、伽利略的理想斜面实验

伽利略的理想斜面实验实验过程让小球沿一个光滑斜面从静止状态开始下滚，小球将滚上另一个斜面，达到与原来差不多的高度然后再下滚。他推论，只是因为摩擦力，球才没能达到原来的高度。然后，他减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度就会滚得更远。

于是他对斜面平放时的情况进行研究，结论显然是球将永远滚下去。这就是说，力不是维持物体的运动即维持物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。

牛顿第一定律的影响

1、定义惯性系

牛顿第一定律给出了一个没有加速度的参考系——惯性系，使人们对物理问题的研究和物理量的测量有意义，从而使它成为整个力学甚至物理学的出发点。牛顿第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系，如动量定理、动量守恒定律、动能定理等，只对惯性系成立。

2、基础定律

牛顿第一定律是其他原理的前提和基础。第一定律中包含的基本概念，奠定了经典力学的概念基础，从而使它处于理论系统中第一个原理的前提地位，这表现在（1）批驳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奠定了基础。（2）第一次科学地给出了力的定性定义（含力的本质和力的效果）。（3）第一次提出了经典力学的几个基本概念，为第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系原理奠定了概念基础。

牛顿第一定律的发展史

1、公元前人们的的观点

公元前5世纪的德谟克利特、伊壁鸠鲁认为“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们碰撞时，它们一定以相等的速度运动。”这只是猜测或推想的结果。公元前4世纪，希腊的哲学家亚里士多德指出力是维持物体运动的原因，有力就有运动，没有力就没有运动。虽然这是一个错误的观点，但他第一次提出了力与运动间存在关系的论点，这就是他对动力学的贡献。6世纪希腊学者菲洛彭诺斯对亚里士多德的运动学说持批判态度。他认为抛体本身具有某种动力，推动物体前进，直到耗尽才趋于停止，这种看法后来发展为“冲力理论”。14世纪，以布里丹、阿尔伯特、奥里斯姆等人提出“冲力理论”，他们认为“推动者在推动一物体运动时，便对它施加某种冲力或某种动力，速度越大，冲力越大，冲力耗尽时，物体停止下来。”这为伽利略和牛顿开辟了道路。

2、伽利略的观点

17世纪，伽利略，在自己的著作中多次提出类似于惯性原理的说法。他分别于1632年和1638年，在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和运动两种新科学的谈话》（简称《两门新科学》）中记录了他的理想斜面实验，并推想得到结论“假设物体沿光滑斜面落下，并沿着另一斜面向上运动，则物体不受斜面倾角的影响仍将达到和原来同样的高度，只是需要的时间不同而已。”伽利略得到的结论，打破了自亚里士多德以来一千多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，这已经很接近惯性定律，伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响，还不能说伽略发现了惯性定律。原文地址http://.yi2./article/201606/13119.html

3、笛卡尔的观点

1644年，笛卡尔在他的《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足。他明确地指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，并且还特地声明，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上运动。他把这条基本原理表述为两条定律一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。笛卡儿的贡献在于他第一个认识到力是改变物体运动状态的原因。

4、牛顿的观点

1687年，牛顿在笛卡尔、伽利略等人工作的基础上，撰写《自然哲学的数学原理》，摆脱旧观念的束缚，把惯性定律作为第一原理正式提了出来一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。他提出了保持匀速直线运动状态和静止状态是物体的固有属性的观点，以及从中得出的惯性参照系的概念。

牛顿三大定律

牛顿运动定律包含以下三个定律

1、惯性定律

一切物体再不受外力作用时,总保持匀速直线运动状态或静止状态。

2、加速度定律

物体运动的加速度与作用在物体上所有外力的合力成正比,与物体的质量成反比。

3、作用与反作用定律

两物体间的作用力和反作用力总是作用在一条直线上,大小相等方向相反。

牛顿三大定律的特点

1、牛顿运动定律中的各定律互相独立

牛顿第一运动定律为后续定律准备了概念并定性阐明了力和运动的关系。特别地，第一定律中所述的“物体不受外力作用时的运动状态”和第二定律中的物体所受外力矢量和为零（合力为零）这一运动状态不同。牛顿第二运动定律引入了惯性质量，全面完整地刻画了物体因受力作用而产生加速度，以及加速度与外力及质量的定量关系，构成了第二定律独立于第一、第三定律的深刻内涵和根本原因。牛顿第三运动定律不能由第二定律推演得出，第二定律也代替不了第三定律，第一定律更不能取代第三定律；第三定律也是在非基于伽利略先前提出的观点的基础上，牛顿所提出的一条定律。第三定律的正确性要靠大量实践来检验。第三定律其实是用力的语言表达的动量守恒定律，而动量守恒定律是自然界中普遍成立的少量几条基本物理规律之一，动量守恒在任何物理领域中均成立（计及电磁场的动量后，运动电子与电磁场的动量也守恒）。

2、牛顿运动定律相互关联

牛顿运动定律在研究对象上呈递进关系。第一、第二定律只研究单一物体（可以只有一个物体，也可以从众多物体中隔离出一个物体来作为研究对象），解决其不受力或受很多力作用后的运动问题；第三定律扩展了研究对象，至少研究是两个物体之间的相互作用，这种相互作用制约或影响了研究对象或研究对象以外的其它物体的运动。只有把第一、第二和第三定律有机结合才能解决全部的复杂动力学问题，由质点的动力学出发去解决质点系、刚体、流体、振动、波动等的力学问题。牛顿运动定律都只在第一定律确定的惯性参考系成立。牛顿的绝对时空观中的惯性系虽然存在逻辑循环（或称逻辑同一）之难，在动力学的力的语言表达中是理论体系必不可少的。一切动力学问题确定了惯性系便能解决。由于任何科学都不可能做到绝对真理，力学也是一门近似程度比较高的科学，绝对的惯性系不存在，但近似的惯性系是始终存在。牛顿运动定律只在惯性系中适用，说明了三定律的一致性。第一定律引入力的概念和阐明惯性属性，定性揭示力和运动的关系，为第二定律打下基础、准备必要的概念；第三定律进一步给出作用力的性质，揭示物体运动的相互制约机制。三定律结合，全面解决了任意物体在受复杂的外力作用后的运动问题。牛顿运动定律是一个有机整体，是一脉相承的完整理论体系，是力学的基本公理，由它们出发推论而出的动量定理、动量守恒定律、动能定理、机械能守恒定律、动量矩定理、角动量守恒定律，进一步证实了动力学公理化体系相容性和一致性。或许我们应该感谢那个砸在牛顿脑袋上的苹果，感谢上天赐给我们一个伟大的物理学家，牛顿三大定律是力学的基础定律，而牛顿第一定律更是基础的基础。牛顿一定付出了常人无法想象的努力，或许正是因为他的不懈努力，才能成为那个被上天选中的“被苹果砸中”的幸运儿。