關(guān)于牛頓第一定律的探索

婁姍姍

摘 要： 牛頓第一定律是經(jīng)典力學(xué)中的三大定律之一，也叫作慣性定律，確立了運(yùn)動(dòng)和力之間的關(guān)系，是動(dòng)力學(xué)的奠基石，為后面學(xué)習(xí)共點(diǎn)力平衡的知識(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為后續(xù)牛頓定律的學(xué)習(xí)做好了準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞： 牛頓第一定律 伽利略 勻速直線運(yùn)動(dòng) 慣性

牛頓第一定律選自人教版必修一第四章第一節(jié)，放在運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)內(nèi)容之后，教材安排合理，知識(shí)點(diǎn)緊湊，但是很多教師在講這節(jié)內(nèi)容時(shí)對(duì)牛頓第一定律的起源講解得比較少，因此學(xué)生對(duì)相關(guān)科學(xué)家的貢獻(xiàn)了解得非常少。要想深刻理解牛頓第一定律的內(nèi)容，就必須了解亞里士多德、伽利略、笛卡爾和牛頓這幾位科學(xué)家做出的貢獻(xiàn)，接下來(lái)沿著歷史足跡重現(xiàn)這個(gè)物理思想的形成過(guò)程。

1.引路者—亞里士多德

在了解亞里士多德的貢獻(xiàn)之前，我們先了解一下亞里士多德這個(gè)人。亞里士多德是古希臘哲學(xué)家、科學(xué)家和教育學(xué)家，他是柏拉圖的學(xué)生、亞歷山大大帝的老師。他一生勤奮致學(xué)，寫(xiě)下了大量著作，研究的領(lǐng)域非常廣泛，包括物理學(xué)、詩(shī)歌（包括戲劇）、音樂(lè)、生物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、邏輯學(xué)等，堪稱古希臘的百科全書(shū)。

在物理學(xué)中亞里士多德的成就很多，但是最常被提到的卻是他所犯的錯(cuò)誤。在研究自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，他認(rèn)為重的物體比輕的物體下落的速度快，最終被伽利略推翻。他在研究力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系時(shí)，提出假設(shè)“凡是運(yùn)動(dòng)的物體，一定有推動(dòng)者在推著它運(yùn)動(dòng)”。當(dāng)看到一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)，必然有一個(gè)物體在推動(dòng)它，當(dāng)沒(méi)有推力時(shí)，它就會(huì)停止移動(dòng)。如風(fēng)過(guò)樹(shù)擺，風(fēng)停樹(shù)靜，這些日常生活現(xiàn)象很好地符合他的觀點(diǎn)，于是他在日常觀察基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)思考之后得出結(jié)論——力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。雖然他的觀點(diǎn)最終被伽利略推翻，但是他所做的貢獻(xiàn)是不可磨滅的，他的貢獻(xiàn)在于他把運(yùn)動(dòng)和力結(jié)合起來(lái)。

2.探路者—伽利略

當(dāng)時(shí)亞里士多德的學(xué)說(shuō)與基督教教義結(jié)合，這樣的結(jié)合讓他的學(xué)說(shuō)成為權(quán)威，兩千多年來(lái)一直沒(méi)有人質(zhì)疑他的觀點(diǎn)，直到伽利略用著名的斜面理想實(shí)驗(yàn)推翻了他的觀點(diǎn)。伽利略認(rèn)為將人們引入歧途的是摩擦力，在日常生活運(yùn)動(dòng)中，摩擦是難以避免的。他注意到當(dāng)小球沿水平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力的作用，球最終會(huì)停下來(lái)。他發(fā)現(xiàn)表面越光滑，球會(huì)運(yùn)動(dòng)得越遠(yuǎn)，于是，他推斷：若沒(méi)有摩擦力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。

伽利略為了證明他的思想，設(shè)計(jì)了著名的斜面理想實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

第一步：讓小球從斜面靜止開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)，小球?qū)?huì)沖上另一個(gè)斜面，如果沒(méi)有摩擦，小球?qū)_上原來(lái)的高度；

第二步：減小第二個(gè)斜面的傾角，小球仍然會(huì)達(dá)到同一個(gè)高度，但是小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的距離要遠(yuǎn)一些。繼續(xù)減小斜面的傾角，小球達(dá)到同一個(gè)高度時(shí)運(yùn)動(dòng)的距離就會(huì)更遠(yuǎn)；

第三步：如果將第二個(gè)斜面放平，球會(huì)到達(dá)多遠(yuǎn)的位置？

在第一步和第二步的基礎(chǔ)上，很容易得出結(jié)論：球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，不需要力推動(dòng)。他指出力并不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因。伽利略構(gòu)想的理想實(shí)驗(yàn)（又稱假想實(shí)驗(yàn)）是以可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)的，把實(shí)驗(yàn)與邏輯推理和諧地結(jié)合在一起，這種科學(xué)探究方法有力地推動(dòng)了科學(xué)發(fā)展和進(jìn)步。

3.探路者—笛卡爾

笛卡爾是與伽利略同時(shí)代的法國(guó)著名科學(xué)家，相對(duì)于亞里士多德和伽利略，很多學(xué)生對(duì)笛卡爾的貢獻(xiàn)了解得更少，很多老師講解時(shí)一筆帶過(guò)，學(xué)生認(rèn)為笛卡爾的思想和伽利略的思想相似，并沒(méi)有什么發(fā)展，這是不對(duì)的。

笛卡爾指出：如果運(yùn)動(dòng)中的物體沒(méi)有受到力的作用，它將繼續(xù)以同一速度沿同一直線運(yùn)動(dòng)，既不停下來(lái)又不偏離原來(lái)的方向。笛卡兒最早認(rèn)識(shí)到慣性定律是解決力學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵所在，最早把慣性定律作為原理加以確立，這對(duì)后來(lái)牛頓的綜合工作有極其深遠(yuǎn)的影響。笛卡爾想象力豐富，他的許多觀點(diǎn)都具有啟發(fā)性，笛卡爾的貢獻(xiàn)就在于他是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因的。

4.鋪路者—牛頓

“如果說(shuō)我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募缟稀?，這句話大家耳熟能詳，這是著名的科學(xué)家牛頓說(shuō)過(guò)的話。牛頓在伽利略和笛卡爾工作的基礎(chǔ)上，在隔了一代人之后，在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中定義了力和慣性的概念，把物體運(yùn)動(dòng)的原因加以概括和提煉，提出了牛頓第一定律，這也是牛頓三大定律中最基本的定律。他認(rèn)為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)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。把物體具有保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫作慣性，所以牛頓第一定律也叫慣性定律。牛頓之所以能夠成功，是因?yàn)樗驹诰奕说募绨蛏希趭^學(xué)習(xí)，不斷發(fā)現(xiàn)新知識(shí)。

這些科學(xué)家的貢獻(xiàn)是巨大的，牛頓第一定律不斷地發(fā)展，逐漸地完善，是幾代人共同不懈努力的結(jié)果，一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)并不是一帆風(fēng)順的，一開(kāi)始的認(rèn)識(shí)可能是錯(cuò)誤的，需要人類不斷探索才能發(fā)現(xiàn)真理。這些科學(xué)家在科學(xué)研究過(guò)程中是極其艱難的，需要付出大量精力和心血，才能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后的真理。通過(guò)對(duì)物理學(xué)歷史發(fā)展過(guò)程的考察，有助于學(xué)生了解科學(xué)家認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)物理定理、定律的基本方法，從而“以史為鑒”，培養(yǎng)學(xué)生以科學(xué)家認(rèn)識(shí)世界的方式認(rèn)識(shí)世界。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭桂周，于海波.“牛頓第一定律”物理學(xué)史辨——兼論宗教對(duì)近代科學(xué)起源的推動(dòng)作用[J].物理教師，2012，33（11）.

[2]李良杰.牛頓第一定律的教材編制摭論[J].課程教學(xué)研究，2013（2）.