一、牛顿第一定律

一、牛顿第一定律

上一节我们了解了如何表述物体的行进过程，不过并未深入探讨物体为何会呈现这种或那种的行进方式。要探究这个议题，就必须明确运动与力的相互作用。本节内容将着重分析运动和力的关联，揭示外力是导致物体运动情形产生转变的根本因素。力学领域里，有个分支专门考察物体行进状态而不探讨其与力的关联性，这个分支称为运动学；另有一个分支则专注于分析运动状态与力的相互作用，这个分支被称作动力学。

依据力学原理，若知晓物体承受的力，便能掌握其运动轨迹；反之，若明了物体的运动状态，同样可以推知其受力情形，如此一来，我们既能详述运动现象，亦可创设适宜条件，以引导物体按需行动。

动力学理论在制造和科研领域具有关键作用。构思各类机械装置，调控交通工具的运行速率，探究宇宙天体的运行轨迹，推算人造星体的运行路线，这些活动均需运用动力学原理，

牛顿是英国科学家的代表人物，他奠定了动力学的基础。牛顿于1687年发表了其重要著作《自然哲学的数学原理》。书中阐述了三条运动定律，这些定律被称为牛顿运动定律，构成了动力学的基础。本章的内容就是学习牛顿运动定律。

初中阶段我们已经接触过牛顿第一定律，这一部分内容我们首先来梳理一下相关背景，接着再对这一定律进行深入探讨。

回顾历史，早在两千多年以前，人类便开始探究运动与力的关联。然而，直到伽利略和牛顿（1642～1727）那个时期，这个问题才获得了科学的解答。

早在十七世纪之前，社会上普遍存在一种看法，即认为力是确保物体持续运动的关键因素。举例来说，若要使车子前行，就必须施加推力，一旦停止用力，车子便会停下。古希腊的哲学家亚里士多德（公元前384～322），正是基于此类日常观察，提出了自己的观点：要想让物体运动起来，就必须要有力的介入，反之，若没有力的作用，物体便会处于静止状态。

亚里士多德去世之后的两千年时光里，动力学领域几乎毫无突破。直到十七世纪，意大利享有盛誉的物理学家伽利略，通过实验探究，才阐明了相关现象的内在规律，并指出了亚里士多德看法的错误之处。伽利略察觉到，运动物体之所以会最终停止，是由于受到了摩擦阻力的作用。他声称：物体一旦获得某个速率，只要缺少使其增速或减速的因素，这个速率就不会变动，而这种情况只有在摩擦力非常小的平地上才能大致实现。从这种看法出发，力并非维系物体运动即维持物体速率的缘由，反而是促使物体运动状态发生转变即速率发生改变的因素。

伽利略是如何得出这个发现的呢？他并非脱离生活观察，而是深入剖析了这些观察。他考察了物体在斜坡上的行为，发现物体向下滑行时，存在使其加速的因素，速度持续提升；而物体向上爬升时，存在使其减速的因素，速度逐步降低。他由这一现象得出结论，说明在不受外力干扰的平坦地面上，物体的行进状态应该是既不加快也不减慢，速率应当维持稳定。不过伽利略也明白，由于地面存在阻力作用，这种平面运动的速度实际上不会保持恒定。阻力越小，物体以近乎不变速率行进的时间就越持久。若完全消除摩擦力，物体将能以固定速度永远运动下去。

借助先进的检测装置能够比较精确地检验前述论断。将物件置于一条平直的轨道上，并设法让物件与轨道之间产生一层气流，物件沿着这种充气轨道行进时受到的阻力非常小。轻轻推动一下物件，可以发现物件沿充气轨道的运动情形十分接近匀速直线运动。

伽利略借助图3-1甲中的模拟情境展开分析，观察小球从第一个斜面静止状态下落的过程，发现其会继续向另一个斜面运动。假如完全没有外力干扰，该球能够抵达起始位置的高度，他由此推断，若将第二个斜面的倾斜度调小，如图3-1乙所示，小球在该斜面上的上升高度会降低，而会在水平面上维持恒定的运动速度持续前进，想要达到原有高度则需行进更远的路径。再逐步降低第二个斜坡的坡度，直至它完全变成平面，这时候小球就无法再抵达原先的高度，而是沿着平面以不变的速度不停前进。

图 3-1 伽利略的斜面实验

伽利略的实验虽然只是设想中的完美场景，不过它们确实根植于真实可靠的依据，伽利略将实际观察与理论思考融会贯通，这恰恰体现了他研究工作的非凡价值。伽利略通过认真探究理想实验，从而在动力学领域取得显著成就，这类实验以真实实验为根基，着重考虑核心要素，舍弃非关键部分，能够透彻展现事物的内在规律，属于科研过程中的关键手段。

十七世纪时法国学者笛卡儿对伽利略的观点做了进一步阐释和修正，他首次清晰阐述了惯性原理，提出物体若不受外力作用，其运动状态将保持不变，既不会减速，也不会改变前进路线开元棋官方正版下载，这一发现推动动力学发展迈出关键一步。

牛顿第一定律   牛顿参考伽利略等人的成果，结合自身探索，归纳了力学原理，确立了三条运动准则，首要准则阐述如下：

物体通常维持直线运动或静止不动，除非遭遇外力干扰而改变原有状态。

这就是牛顿第一运动法则。物体维持原有直线等速运动或静止状态的能力称作惯性，牛顿第一运动法则也被称为惯性法则。

坐在车里的旅客，一旦车辆猛然启动，身体会不由自主地向后倒去，这源于车子已经向前行驶而旅客却因惯性仍想维持静止状态的特性。反之，当车辆突然刹车，身体又会向前甩动，这是由于车子已经停稳而旅客因惯性仍要保持原有速度前行的结果。所有物体都具备惯性开元ky888棋牌官方版，这是一种内在属性开元ky888棋牌官网版，物体的运动无需外力来维持。

牛顿第一定律阐述的是一种理论情形，物体不受外力影响时的情况。然而，现实中的物体总会与周围环境产生联系，不存在完全不受外力影响的物体。当物体同时受到多个力的作用，如果这些力的效果相互抵消，合力等于零，即它们处于平衡状态，那么物体的运动状态将保持不变。我们一般见到的等速直线运动情形和静止情形，实际上都是物体承受彼此抵消的力的效果。

阅读材料：爱因斯坦谈运动的问题

存在一个核心议题，历经数千年仍因难度过高而界限不明，即关于移动的现象。……假设有件固定不动的物件，完全缺乏位移。要挪动此物，需施加外力，例如施力推动、举升，或借助马匹、蒸汽机等他物作用，我们的本能认知认为活动与推举、牵引等行为相关联。反复的实践让我们更加确信，要让物体移动得更快，就需要施加更强的力量。这个道理似乎很浅显：对物体施加的力度越大，它的速度就会越快，由四匹马拉的车比由两匹马拉的车跑得要快。因此，人们的本能感觉是，速度的变化主要取决于外力的大小。

……

伽利略所取得的成就，以及他运用的科学探究方式，是人类认知史上极为重要的里程碑，同时也宣告了物理学正式起步。他的研究成果表明，仅凭直接观察得出的初步判断并不可靠，有时会误导思考方向。

直觉为何会失误呢？认为四匹马拉的车比两匹马拉的车跑得更快，这难道不是显而易见的事实吗？

……

要是有人拉着一个小车在平坦的地面移动，随后猛地停止拉动那辆小车，小车不会马上停下来，它还会往前滑行一小段距离，我们想：怎样能让这段距离变得更长呢？这有很多途径，比如给车轮抹油，把路面弄得更光滑等。车轮转起来越轻松、道路越平整，车就能滑行得越远。然而给车轮抹油和把路面弄平到底有什么效果呢？这种情形下效果变得单一了，外界的干扰变得微弱了。就是说，轮子内部以及轮子与地面之间的那种所谓的磨擦效应变得微弱了。设想路面是绝对平整的，而轮子也没有磨擦，那么没有任何东西能够阻碍小车，它就会持续不断地前行。这个推论源自一个理想化的推演，而这样的推演在现实中是无法完全实现的，因为不可能将所有的外部干扰彻底清除。这个理想实验指出了真正建立运动的力学基础的线索。

对比这两种处理问题的思路，我们可以这样理解，依照本能的判断是这样的：力度越强，进展就越快，所以进展程度能反映出是否存在外力施加在物体上。伽利略揭示的重要现象是：某个物体，如果既没有人推拉它，也没有其他方式施加影响，或者更简洁地讲，没有任何外力作用，那么这个物体会保持匀速直线运动，也就是沿着一条直线永远以恒定速度前进。由此可见，运动状态本身并不能说明外力是否作用在物体上。伽利略这一正确认识，经过一代人的时间后由牛顿总结为惯性定律。

……

人的思考构建了一个不断演变的宇宙认知体系，伽利略在科学领域的重要成就，在于打破了固有认知模式，并以全新视角取而代之，这构成了他研究成果的核心价值。

源自A·爱因斯坦与L·英费尔德合著的《物理学的进化》一书，该著作的篇名系编辑所题。

练习一

一个球正以每秒20厘米的速度前进，并且不受任何外力影响，那么在经过5秒钟之后，它的行进速率会是多少呢

火车行进过程中，桌面上的小球静置不动。若小球突然朝前移动，表明火车速度在减小；若小球朝后移动，则说明火车速度在增加。

地球自西向东旋转。当我们向上跳跃时，身体仍保持原有运动状态，随地球一起转动。由于持续运动，跳起后落回地面仍是起始位置，不会偏移到西边。

（4）分别举出几个利用惯性和防止惯性的不利影响的例子。

文件下载（已下载 63 次）