浅谈牛顿第一定律的教学

陈苹莲

中图分类号：G633.7

文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）07-0038-02

2000多年前，古希腊的学者亚里士多德（公元前384 -前322年）曾断言，使物体维持恒定的运动（即速度不变），就需要恒定的外力作用于它。由于亚里士多德的观点符合人们日常经验的直觉印象，在他以后近2000年的时间里，人们一直认为这种观点是正确的。

但是，这种仅凭日常生活经验和直觉印象得出的结论正确吗？我们今天知道亚里士多德的上述观点是错误的，但是为什么象皿里士多德这样的杰出人物也会把这个问题弄错了呢？为什么在长达2000多年的时间里，人们一直认为这种观点是正确的呢？

爱因斯坦把科学家们一代代探索自然界秘密的努力，比喻做读福尔摩斯一类的侦探小说。在好的侦探故事中，一些最明显的线索往往引导到错误的猜疑上去，凭直觉的推理方法是靠不住的。有个基本问题，由于它太复杂，曾经长达几千年搞不清，那就是运动的问题。长期以来人们一直认为，要改变一个静止物体的位置，必须推它、提它或拉它。人们直觉地认为，运动是与推、提、拉等动作相联系的。直接生活经验使人们深信，要使—个物体运动得更快，必须用更大的力推它。当推动物体的力不再作用时，原来运动的物体便静止下来。这也就是亚里士多德的观点。然而，在自然界这部侦探小说里这是一个错误的线索。直到三百多年前，伽利略才创造了有效的侦察技术，发展了寻求正确线索的系统方法，从而才找到了这个问题的正确答案，弄清了事实的真象。

那么伽利略（1564 ——1642意大利物理学家）创造的到底是一种什么样的侦察技术呢？他到底是怎样找到了这个问题的正确答案，弄清了事实的真象的呢？

伽利略仔细观察研究过物体沿斜面下滑的实验（图1）。在实验中，小球从第一个斜面AB滚下后，就会沿着第二个斜面BC向上滚，但小球在第二个斜面上达到的最大高度总是略低于小球从第一个斜面上滚下时的高度。并且斜面做得越光滑小球在第二个斜面上达到的最大高度就越接近于小球从第一个斜面上滚下时的高度。伽利略还注意到，当一个球沿斜面向下滚时，其速度逐渐增大，向上滚时速度逐渐减小，并且斜面的倾角越小速度变化得越慢，倾角越大速度变化得越快。由此他推论，当球沿水平面滚动时，其速度应不增不减，即保持匀速运动状态不变。

这是为什么呢？伽利略领悟到，将人们引入歧途的，是摩擦力或空气、水等媒质的阻力，这是人们在日常观察物体运动时难以完全避免的。为了得到正确的线索，除了实验和观察外，还需要抽象的思维。

伽利略推想：

①如果在完全没有摩擦的情况下，不管第一二个斜面的倾角是多大，小球在第二个斜面上达到的最大高度就总是等于小球从第一个斜面上滚下时的高度。（如图2 -1）

②第二个斜面的倾角越小，小球滚动的距离就越远；

③如果第二个斜面的倾角等于零度即第二个斜面成为一个水平面时，小球从第一个斜面滚下来后，就永远达也不到开始时的高度，也就是说，小球将以恒定不变的速度在无限长的水平面上永远运动下去。

伽利略由此得出，维持物体的运动，并不需要外力。

就这样，伽利略形成了和皿里士多德不同的结论：物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。物体不受外力作用时，将永远匀速地运动下去。但是，伽利略所讲的“水平面”是“各部分和地心等距离的”球面，所以，他所讲的水平面上的运动指的不是直线运动，而是“环绕一个中心的圆周运动”，所以不能算作“惯性定律”的准确表述。

与伽俐略同时代的法国科学家笛卡儿（Descar，1596年-1650年）进一步补充和完善了伽俐略的观点，他认为：如果无其它原因的作用的话，它将继续以同一速度在同一直线方向上运动，既不停下也不偏离原来的方向。”这是准确的惯性定律的表述。他认为自然运动是在一条直线上进行的，这就突破了伽利略所设想的“水平面”的局限。

伽利略的理想实验找到了解决运动问题的真正线索。爱因斯坦说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

伽利略的正确结论隔了一代人以后由牛顿总结成动力学的一条最基本的定律：一切物体总保持静止或匀速直线运动的状态，直到有外力迫使它改变这种状态时为止。这便是通常所说的牛顿第一定律。

这条定律说明了两个问题：

第一，定律揭示了力和运动的关系，物体的运动并不需要力去维持，只有当物体的运动状态（速度）发生变化即产生加速度时，才需要力的作用，具体包括：

①物体在不受外力时，将保持它原来的运动状态不变，即原来静止的物体将永远保持静止，原来运动的物体将永远以不变的速度作匀速直线运动。

②物体受到不为零的外力作用时，物体的运动状态将要被迫发生变化。即外力的作用是迫使物体的运动状态发生变化。

第二，牛顿第一定律实质上提出了惯性的概念，物体之所以能保持静止或匀速直线运动，是在不受力的条件下，由物体本身的特性来决定的，如果物体受到了外力的作用，外力就要迫使物体的运动状态发生变化。物体所固有的、保持原来运动状态不变的特性叫惯性，故第一定律又称为惯性定律，

亚里土多德根据直接观察到的表面现象得出了错误的结论。而伽利略则通过实验和推理，想象出无摩擦的光滑水平面的理想实验，推断出小球不受外力作用时将以不变的速度永远运动下去。伽利略从实验出发，把逻辑思维和实验事实相结合，得出了维持运动不需要力的正确结论，推翻了人们信奉了近2000年的亚里士多德的错误观点。还开创了把抽象逻辑思维和实验事实相结合的科学研究方法。伽利略曾深有体会地说：“追求科学需要特殊的勇敢！”

人类对力与运动的关系的认识过程充分说明了：科学的灵感并非来自神的启示，科学的内涵不简单地等同于我们的经验和感觉。科学的知识来自对我们周围世界的观察，并用我们的头脑来理解和指导这样的观察。科学是建筑在证据和理性思维（逻辑推理）的基础上的。

（责任编辑 全玲）