牛頓第一定律

牛頓第一定律

牛頓第一運動定律,簡稱牛頓第一定律。又稱慣性定律、惰性定律。常見的完整表述:任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態,直到外力迫使它改變運動狀態為止。

英國物理學家艾薩克·牛頓於1687年,在巨著《自然哲學的數學原理》里,提出了牛頓運動定律,牛頓第一運動定律就是其中一條定律。

基本信息

簡介

於1687年,英國物理泰斗艾薩克·牛頓在巨著《自然哲學的數學原理》里,提出了牛頓運動定律。牛頓第一運動定律就是其中一條定律。

牛頓第一運動定律(Newton'sfirstlawofmotion)表明,除非有外力施加,物體的運動速度不會改變。根據該定律,假設沒有任何外力施加或所施加的外力之和為零,則運動中物體總保持勻速直線運動狀態,靜止物體總保持靜止狀態。物體所顯示出的維持運動狀態不變的這性質稱為慣性。所以,該定律又稱為慣性定律。物體的慣性與其質量有關。

表達方式

牛頓牛頓

牛頓第一運動定律的一般表達方式為:

每一個物體都會堅持它的靜止狀態或沿一直線做勻速的運動,除非此物體受到力迫使它改變原有的狀態。

這定律陳述:如淨力(作用在一個物體上所有力的向量和)等於零,則這個物體的速度是一個常數。

結果是:

1.一個原來靜止的物體會保留在靜止狀態。除非有一淨外力對它作用。

2.一個運動的物體,不會改變它的速度;除非有一淨外力對它作用。

適用範圍

1.牛頓把他的運動定律建立在一個稱為慣性坐標系中,而任何參考坐標系相對慣性坐標系作勻速運動的也是慣性坐標系。因此,牛頓定律只在慣性坐標系中有效。

2.物體的運動速度要比光速小得多。

3.巨觀物體。

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、確定了慣性參考系並引出了邏輯循環論證,這是公理體系的表現,任何學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,建立的慣性概念。3、它的否命題揭示出力的概念,力是物體對物體的作用,力使物體的運動狀態發生變化。4、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、慣性質量、慣性系)並定性闡明力和運動的關係;其次,第一定律主要說明物體不受外力作用時的運動狀態。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F=0時的特殊情況。綜上所述,牛頓第一定律是完全獨立的基本定律,用其解決的問題,別任何規律都無法解決,第二、第三定律根本不能取代第一定律。

形成過程

牛頓第一定律是伽利略慣性概念的重述。亞里斯多德有這樣的觀點;宇宙中所有物體都有一自然的位置,重物如,岩石願在地球上靜止,而輕物,如煙願在天空中靜止。行星願在天空中停留。他想,物體靜止是它的自然狀態。如要一物體沿一直線作直線運動,則要有一連續的外力推它。否則,它會停止運動。

伽利略對亞里斯多德對關於宇宙的描述存有許多問體和懷疑。自己做了許多斜面落體實驗,從這些實驗結果,伽利略得出慣性的概念如下:一個物體不會自發地去改變它的速度,如一個物體原來作直線勻速運動,它會繼續沿原直線的方向勻速運動,除非它受到另外力的作用。如果一個物體,原來是靜止的,它會繼續靜止。物體的這種性質,稱為慣性。牛頓重述了伽利略慣性的定義;而成為他的運動第一定律。

發展歷程

公元前5世紀的德謨克利特伊壁鳩魯認為:“當原子在虛空里被帶向前進而沒有東西與他們碰撞時,它們一定以相等的速度運動。”這只是猜測或推想的結果。公元前4世紀,希臘的哲學家亞里士多德指出:力是維持物體運動的原因,有力就有運動,沒有力就沒有運動。雖然這是一個錯誤的觀點,但他第一次提出了力與運動間存在關係的論點,這就是他對動力學的貢獻。6世紀希臘學者菲洛彭諾斯對亞里士多德的運動學說持批判態度。他認為拋體本身具有某種動力,推動物體前進,直到耗盡才趨於停止,這種看法後來發展為“衝力理論”。14世紀,以布里丹阿爾伯特奧里斯姆等人提出“衝力理論”,他們認為:“推動者在推動一物體運動時,便對它施加某種衝力或某種動力,速度越大,衝力越大,衝力耗盡時,物體停止下來。”這為伽利略牛頓開闢了道路。17世紀,伽利略,在自己的著作中多次提出類似於慣性原理的說法。他分別於1632年和1638年,在《關於托勒密哥白尼兩大世界體系的對話》和《關於力學和運動兩種新科學的談話》(簡稱《兩門新科學》)中記錄了他的理想斜面實驗,並推想得到結論:“假設物體沿光滑斜面落下,並沿著另一斜面向上運動,則物體不受斜面傾角的影響仍將達到和原來同樣的高度,只是需要的時間不同而已。”伽利略得到的結論,打破了自亞里士多德以來一千多年間關於受力運動的物體,當外力停止作用時便歸於靜止的陳舊觀念。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進了一大步,這已經很接近慣性定律,但是伽利略還沒有擺脫亞里士多德的影響,還不能說伽略發現了慣性定律。1644年,笛卡爾在他的《哲學原理》一書中彌補了伽利略的不足。他明確地指出,除非物體受到外因的作用,物體將永遠保持其靜止或運動狀態,並且還特地聲明,慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動,而只保持在直線上運動。他把這條基本原理表述為兩條定律:一、每一單獨的物質微粒將繼續保持同一狀態,直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態為止;二、所有的運動,其本身都是沿直線的。然而笛卡兒沒有建立起他試圖建立的那種能演繹出各種自然現象的體系,其中許多是錯誤的,不過他的思想對牛頓的綜合產生了一定的影響。笛卡兒的貢獻在於他第一個認識到力是改變物體運動狀態的原因。1687年,牛頓在笛卡爾、伽利略等人工作的基礎上,撰寫《自然哲學的數學原理》,擺脫舊觀念的束縛,把慣性定律作為第一原理正式提了出來:一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態,除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態為止。他提出了保持勻速直線運動狀態和靜止狀態是物體的固有屬性的觀點,以及從中得出的慣性參照系的概念。

影響

1、牛頓第一定律給出了一個沒有加速度的參考系——慣性系,使人們對物理問題的研究和物理量的測量有意義,從而使它成為整個力學甚至物理學的出發點。牛頓第二、第三定律以及由牛頓運動定律建立起來的質點力學體系,如動量定理動量守恆定律動能定理等,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,奠定了經典力學的概念基礎,從而使它處於理論系統中第一個原理的前提地位,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)第一次科學地給出了力的定性定義(含力的本質和力的效果)。(3)第一次提出了經典力學的幾個基本概念,為第二、第三定律以及由牛頓運動定律建立起來的質點力學體系原理奠定了概念基礎。

物理學定律(1)

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