对牛顿第一定律的理解和释疑

石新福

【摘 要】牛顿第一定律描述的是一种理想化的运动状态，即物体不受外力作用的状态。很显然这无法用实验直接验证，但伽利略在分析大量事实的基础上，忽略次要因素、突出主要因素，运用理想实验这一科学推理的思维方法，阐明了力不是维持物体运动的原因，反映了物体运动的内在的本质规律。

【关键词】牛顿第一定律 物理教学

中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2014.03.061

牛顿第一定律的内容：“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止”。对牛顿第一定律理解有下面两点：

1.任何物体都具有保持原有运动状态不变的特性，即通常说物体具有“惯性”。

2.维持一个物体的运动状态即保持物体的速度不变，并不需要力的作用，力的真正作用是改变物体的运动状态即改变物体的速度。因此，物体具有速度并不表示物体是否受到外力的作用，物体具有加速度才是受到外力作用的标志。所以，力是物体产生加速度的原因，而不是物体运动的原因，物体的运动并不需要用力来维持。

牛顿第一定律科学地说明了“惯性”和“力”这两个重要的物理概念，正确地解释了力和运动的关系，它是物理学中的一条基本定律，但不少读却对它不理解，持疑虑和错误看法。主要有以下几点：

1.有人认为牛顿第一定律指出的是不受外力作用时，物体 将做匀速直线运动或保持静止，然而生活中却找不出不受外力作用的物体，因而牛顿第一定律就无法用实验来加以验证，它的正确与否值得怀疑。

我们应这样理解，伽利略设计了“小球沿不同倾角的光滑斜面运动到等高”的理想实，伽利略又考虑到了斜面的倾角连续变化到0°的理想极限，得出了“小球再也运动不到等高，而要永远运动下去”的结论。从而发现了惯性定律（即现在的牛顿第一定律），伽利略开创的这种把经验事实和抽象思维科学地结合起来的方法不仅完全可靠，而且正是科学研究中的重要方法。当然，由于自然界中不存在任何不受外力作用的物体，所以.牛顿第一定律不能简单的从字面意义上用实验直接加以验证。但是自然界中有许多的物理现象可以证明这一定律的正确性。例如，A球作自由落体运动，B球作平抛运动时，它们在水平方向都不受任何外力作用，因此，A球水平方向上确实永运保持静止状态不变，B球在水平方向确实永远保持匀速直接运动状态不变，所以，牛顿第一定律的正确性是由它所推出的结论和实验事实符合而得到证明的。

2.有人不能理解牛顿第一定律指出“物体不受任何外力作用而静止或匀速直線运动，”而生话中见到的受了外力保持静止或匀速直线运动是否相矛盾。

我们说并不矛盾。要知道，在实际生活中是不存在任何不受外力作用的物体的。如果一个物体受到几个外力作用，并且这几个外力的合力为零，那么，这些外力各自在物体上产生的作用效果就会相互抵消，因此，这时物体就犹如不受外力作用一样，也可以保持静止或匀速直线运动状态。

3.有人认为，即然牛顿第一定律又叫惯性定律，那么，牛顿第一定律就是惯性的定义。

“定义”是用来区分不同概念的，而“定律”是用来反映普遍规律的，显然上述认识是错误的，原因就在于{昆淆了“定义”和 “定律”的这一区别。

“惯性”是物体的一种基本届性，一切物体都有保持静止或匀速直线运动状态的性质叫惯性。惯性的大小与物体受力情况，运动状态等都无关系，质量大小是惯性大小的唯一量度。因此，对“惯性”下定义时，只要讲物体本身具有什么性质，而不涉及到这个物体与其他物体有什么关系。但是，牛顿第一定律却把物体的运动状态与物体的受力情况联系起来了，它指出一个物体不受外力作用时所遵循的规律，显然，这不是在解释或描述物体的某种特性，所以它决不是“惯性”的定义。

4.有人认为，如果物体运动加速度为零，那么牛顿第二定律就变成了牛顿第一定律，也就是说，牛顿第一定律是牛顿第二定律的特殊情况，牛顿第一定律可有可无。

这种看法是错误的。我们应有这样的认识，正是因为牛顿第一定律为我们指出了物体在没有受到外力作用时所处的状态，我们才有可能进一步研究当物体受到外力作用时，将处于怎样的运动状态。牛顿第一定律确定了力的涵义，指出物体如果受到外力作用时，物体的运动状态要发生改变，这就是牛顿第二定律所研究的内容。试想，如果我们原先不知道物体在不受外力的情况下处于怎样的运动状态，那么，要研究物体在力的作用下将作怎样的运动则显然是不可能的。因此，牛顿第一定律是研究力学的出发点，不是能用牛顿第二定律来取代的。

据此我们可以更好的从以下几个方面来进一步理解牛顿定律：

1.牛顿第一定律描述的是一种理想化的运动状态，即物体不受外力作用的状态。很显然这无法用实验直接验证，但伽利略在分析大量事实的基础上，忽略次要因素、突出主要因素，运用理想实验这一科学推理的思维方法，阐明了力不是维持物体运动的原因，反映了物体运动的内在的本质规律。伽利略不但证实了牛顿第一定律的正确性，同时也开创了科学研究的正确方法——实验与思维的完美结合。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学，因此，他被称为“近代科学之父”。他的工作，为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。

2.牛顿第一定律是力学基本定律建立的基础。牛顿第一定律以一切物体所具有的属性——惯性为出发点，比较严密地定义了惯性，揭示了惯性运动的本质，进一步还可以引入惯性参考系、惯性质量。定性地给出了力的科学定义，表述了力的本质和力的效果。牛顿第一定律包括了惯性、惯性运动、惯性参考系和力的概念，还启迪人们去研究物体运动状态的改变与外力作用的关系，可见牛顿第一定律是其他力学定律建立的基础。

3.从形式上看，牛顿第二定律在外力为零的情况下，可引出与牛顿第一定律似乎完全相同的表述，但绝不能理解为牛顿第一定律是牛顿第二定律在作用力为零时的特例。否则就是舍弃了牛顿第一定律的精髓，即割裂了牛顿第一定律与牛顿运动定律整体间的逻辑结构关系，扭曲了牛顿第一定律的内涵。没有惯性定律就没有惯性、惯性运动、惯性参考系、力的科学概念，牛顿第二定律就无从谈起，牛顿第一定律是前提、是基础，并具有独立性。

因此，我们的教师应该对牛顿第一定律有深入的认识，才能够全面把握和运用牛顿第一定律。