牛頓第一運動(dòng)定律（牛頓力學(xué)三大定理之一）
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牛頓第一運動(dòng)定律是牛頓力學(xué)的三大定理之一，也被稱(chēng)為慣性定律或惰性定律。它指出，所有物體都會(huì )保持勻速直線(xiàn)運動(dòng)或靜止狀態(tài)，直到有外力迫使它們改變運動(dòng)狀態(tài)為止。這意味著(zhù)物體在沒(méi)有任何外力作用的情況下，將保持原有的運動(dòng)狀態(tài)不變。這個(gè)定律在解釋和預測物體在力學(xué)方面的行為時(shí)非常有用，也是物理學(xué)和工程學(xué)的基礎之一。牛頓第一運動(dòng)定律
牛頓力學(xué)三大定理之一
牛頓第一運動(dòng)定律，簡(jiǎn)稱(chēng)牛頓第一定律，又稱(chēng)慣性定律、惰性定律。常見(jiàn)的表述為：任何物體都要保持勻速直線(xiàn)運動(dòng)或靜止狀態(tài)，直到外力迫使它改變運動(dòng)狀態(tài)為止。
基本信息
中文名
牛頓第一運動(dòng)定律
外文名
Newton's First law of Motion
別名
慣性定律
惰性定律
表達式
∑Fi=0→dv/dt=0
提出者
艾薩克·牛頓
提出時(shí)間
1687年
應用學(xué)科
適用領(lǐng)域
力和運動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系、初等物理、力學(xué)
主要研究著(zhù)作
定律介紹
在牛頓的巨著(zhù)《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》中，牛頓第一運動(dòng)定律的原始表述是：任何物體都要保持勻速直線(xiàn)運動(dòng)或靜止狀態(tài)，直到外力迫使它改變運動(dòng)狀態(tài)為止。該表述在我國人教版、粵教版高中物理教材中被引用。
該定律的數學(xué)表達式為：
在魯教版高中物理教材中，牛頓第一運動(dòng)定律的表述為：當合外力為零時(shí)，原來(lái)靜止的物體將繼續保持靜止狀態(tài)，原來(lái)運動(dòng)的物體則將繼續以原來(lái)的速度做勻速直線(xiàn)運動(dòng)。合外力為零包括兩種情況，一種是物體受到的所有外力相互抵消，合外力為零；另一種是物體不受外力的作用。
2019年人教版初中物理教材中，牛頓第一運動(dòng)定律的定義為：一切物體在沒(méi)有受到外力的作用時(shí)，總保持靜止狀態(tài)或勻速直線(xiàn)運動(dòng)狀態(tài)。
斜面實(shí)驗
伽利略非常擅長(cháng)把實(shí)驗和數學(xué)結合在一起，他研究運動(dòng)學(xué)的方法既注重邏輯推理，又依靠實(shí)驗檢驗。他對光滑斜面的推論是通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察，并推論得到的。由于完全光滑的斜面在現實(shí)中是不存在，因此理想斜面實(shí)驗屬于伽利略的邏輯推理部分。
1）光滑斜面的推論
現實(shí)中，當一個(gè)球沿斜面向下滾時(shí)，它的速度增大，而向上滾時(shí)，速度減小。
由此伽利略推論，當球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，它的速度應不增不減。實(shí)際上他發(fā)現，球愈來(lái)愈慢，最后停下來(lái)。伽利略認為，這并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的緣故，因為他同樣還觀(guān)察到，表面愈光滑，球便會(huì )滾得愈遠。于是他推論，若沒(méi)有摩擦阻力，球將永遠滾下去。
2）理想的斜面實(shí)驗
伽利略的理想斜面實(shí)驗實(shí)驗如右圖所示，讓小球沿一個(gè)光滑斜面從靜止狀態(tài)開(kāi)始下滾，小球將滾上另一個(gè)斜面，達到與原來(lái)差不多的高度然后再下滾。他推論，只是因為摩擦力，球才沒(méi)能達到原來(lái)的高度。然后，他減小后一斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍達到同一高度，但這時(shí)它要滾得遠些。繼續減小第二個(gè)斜面的傾角，球達到同一高度就會(huì )滾得更遠。
于是他對斜面平放時(shí)的情況進(jìn)行研究，結論顯然是球將永遠滾下去。這就是說(shuō)，力不是維持物體運動(dòng)的原因，而是改變物體運動(dòng)狀態(tài)的原因。因此，一旦物體具有某一速度，如果不受力，它就將以這一速度勻速直線(xiàn)地運動(dòng)下去。
適用范圍
牛頓第一定律只適用于慣性參考系。慣性參考系中，在質(zhì)點(diǎn)不受外力作用時(shí)，能夠判斷出質(zhì)點(diǎn)靜止或作勻速直線(xiàn)運動(dòng)。牛頓第一定律在有加速度的非慣性參考系中是不適用，因為不受外力的物體，在非慣性參考系中也可能具有加速度，這與牛頓第一定律相悖。
獨立性
牛頓第一定律是完全獨立的基本定律，它的獨立性表現在：1）確定了慣性參考系，并引出了邏輯循環(huán)論證，這是公理體系的表現，任何學(xué)科的第一命題都要具有此特性。2）指出了任何物體都具有慣性，建立了慣性的概念。3）它的否命題揭示了力的概念—力是物體對物體的作用，力使物體的運動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。
牛頓第一定律是牛頓第二定律的基礎，首先，牛頓第一定律為第二定律準備了概念（力、慣性質(zhì)量、慣性系）并定性闡明力和運動(dòng)的關(guān)系；其次，第一定律主要說(shuō)明物體不受外力作用時(shí)的運動(dòng)狀態(tài)。不受外力作用和物體所受外力矢量和為零不是一碼事，因此不能把牛頓第一定律當成牛頓第二定律在
總之，牛頓第一定律是完全獨立的基本定律，它解決的問(wèn)題，任何其它定律都無(wú)法解決，第二、第三定律不能取代第一定律。
發(fā)展簡(jiǎn)史
公元前4世紀，希臘的哲學(xué)家亞里士多德指出：力是維持物體運動(dòng)的原因，有力就有運動(dòng)，沒(méi)有力就沒(méi)有運動(dòng)。雖然這是一個(gè)錯誤的觀(guān)點(diǎn)，但他第一次提出了力與運動(dòng)間存在關(guān)系的論點(diǎn)，這就是他對動(dòng)力學(xué)的貢獻。
6世紀希臘學(xué)者菲洛彭諾斯對亞里士多德的運動(dòng)學(xué)說(shuō)提出批判，他認為拋物體本身具有某種動(dòng)力，推動(dòng)物體前進(jìn)，直到耗盡才趨于停止，這種看法后來(lái)發(fā)展為“沖力理論”。
14世紀，布里丹、阿爾伯特、奧里斯姆等人提出“沖力理論”，他們認為：“推動(dòng)者在推動(dòng)一物體運動(dòng)時(shí)，便對它施加某種沖力或某種動(dòng)力，速度越大，沖力越大，沖力耗盡時(shí)，物體停止下來(lái)?！边@為伽利略和牛頓的理論開(kāi)辟了道路。
17世紀，伽利略，在自己的著(zhù)作中多次提出類(lèi)似于慣性原理的說(shuō)法。他分別于1632年和1638年，在《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話(huà)》和《關(guān)于力學(xué)和運動(dòng)兩種新科學(xué)的談話(huà)》（簡(jiǎn)稱(chēng)《兩門(mén)新科學(xué)》）中記錄了他的理想斜面實(shí)驗，并推想得到結論：“假設物體沿光滑斜面落下，并沿著(zhù)另一斜面向上運動(dòng)，則物體不受斜面傾角的影響仍將達到和原來(lái)同樣的高度，只是需要的時(shí)間不同而已?！辟だ缘膶?shí)驗結論，打破了自亞里士多德以來(lái)一千多年間關(guān)于受力運動(dòng)的物體，當外力停止作用時(shí)便歸于靜止的陳舊觀(guān)念。伽利略的思想無(wú)疑地比他的前輩前進(jìn)了一大步，這已經(jīng)很接近慣性定律，但是伽利略仍沒(méi)有擺脫亞里士多德的影響，還不能說(shuō)伽利略發(fā)現了慣性定律。
1644年，笛卡爾在他的《哲學(xué)原理》一書(shū)中彌補了伽利略的不足。他明確指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠保持其靜止或運動(dòng)狀態(tài)；他還特地聲明，慣性運動(dòng)的物體永遠不會(huì )使自己趨向曲線(xiàn)運動(dòng)，而只保持在直線(xiàn)上運動(dòng)。他把這條基本原理表述為兩條定律：一、每一單獨的物質(zhì)微粒將繼續保持同一狀態(tài)，直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止；二、所有的運動(dòng)，其本身都是沿直線(xiàn)的。
1687年，牛頓在笛卡爾、伽利略等人工作的基礎上，撰寫(xiě)《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》，擺脫舊觀(guān)念的束縛，把慣性定律作為第一原理正式提了出來(lái)：一切物體總保持勻速直線(xiàn)運動(dòng)狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。他提出了保持勻速直線(xiàn)運動(dòng)狀態(tài)和靜止狀態(tài)是物體的固有屬性的觀(guān)點(diǎn)，以及從中得出的慣性參照系的概念。
重要影響
1.牛頓第一定律給出了一個(gè)沒(méi)有加速度的參考系—慣性系，使人們對物理問(wèn)題的研究和物理量的測量有了實(shí)際意義，從而使它成為整個(gè)力學(xué)甚至物理學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。牛頓第二、第三定律以及由牛頓運動(dòng)定律建立起來(lái)的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系，如動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律、動(dòng)能定理等，只對慣性系成立。
2.牛頓第一定律是其他原理的前提和基礎。第一定律中包含的基本概念，奠定了經(jīng)典力學(xué)的概念基礎，從而使它處于理論系統中第一個(gè)原理的前提地位，這表現在：1）首次批駁了延續兩千多年的亞里士多德等人錯誤的力的概念，為確立正確的力的概念奠定了基礎。2）第一次科學(xué)地給出了力的定性定義（含力的本質(zhì)和力的效果）。3）第一次提出了經(jīng)典力學(xué)的幾個(gè)基本概念，為第二、第三定律以及由牛頓運動(dòng)定律建立起來(lái)的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系原理奠定了概念基礎。
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