惯性定律的建立.doc

惯性定律的建立 人类是如何认识惯性的，惯性定律为什么是牛顿第一定律的别称，而不是伽利略或笛卡儿所发现的？ 古希腊的哲学家亚里士多德（Aristotle,前384前322）在他所著的物理学一书中认为：机械运动有自然运动和强迫运动，如马拉车行驶、奴隶曳船行驶，这些运动必须有推动者，即运动必须有外力维持，否则就归于静止。他认为“一切运动的物体必定受某物的驱动”。千百年来人们都相信亚里士多德的说法：外力是物体产生并维持运动的原因。亚里士多德是根据对现象的观察、直觉推理方法得到结论的，他没想到用实验来验证，在他的思想中对惯性没有任何认识。 在随后的2000多年中，许多哲学家提出了与亚里士多德不同的观点，如比亚里士多德稍晚的古希腊的另一位哲学家伊壁鸠鲁（Epicurus，前342前270）、古罗马原子论者卢克莱修（Lucretius，前99前55）、15世纪的罗马教会主教尼古拉斯德库萨（Nicholas de Cusa）等等。他们的看法都是从一定哲理出发的猜测和推理，缺乏实验根据，但他们都曾先后冲击着亚里士多德的断言。 我国远在春秋战国的墨经上就已有惯性的论述。在春秋战国末期的考工记辀人篇中更有明确的记载：“劝登马力，马力既竭，辀犹能一取焉。”意思是说：马拉车的时候，马虽然对车不再施力了，但车还能继续前进一段路，这显然是在讲述一种惯性现象。 1632年，伽利略在他具有划时代意义的巨著关于托勒密和哥白尼两种世界体系的对话一书中，通过萨尔瓦蒂（伽利略的代言人）和辛普利邱（亚里士多德的代言人）的一段对话，对惯性作了真正令人们信服的阐述。 萨：“假想有一光滑如镜的平面是用钢那样坚硬的材料制成的，该平面同地平线不平行，而是略微倾斜，如果在它上面放上一个钢那样的又硬又重的材料制成的滚圆的球，你认为在松开手之后这个圆球会怎样呢？如果把同一个可运动的物体放在一个既不向上也不向下倾斜的表面上，会发生什么情况？” 辛：“如果只是把它放在这个平面上不动，在这种情况下，该物体一点也不动。但是如果沿某个特定方向已经给了它一个初始冲力，那么就再不会有加速或减速的原因。” 萨：“确实如此，但是如果没有引起圆球减速的原因，就更不会有使它停住不动的原因了，那么你说这个球会继续运动到多远？” 萨：“如果这个空间是无限长的，那么在这个空间中的运动也同样会是无限的吗？也就是说，是永恒的吗？” 辛：“我看是这样。”在这段对话中，伽利略通过理想实验，使亚里士多德的代言人不得不承认，一种非天然运动竟不需要外力，也能继续不断地运动下去。伽利略还在关于两种新科学的对话一书中写道：“我们可以进而提出任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的外因，此速度就可以保持不变，不过这是只能在水平面上发生的一种情形，因为在向下倾斜的平面上已经存在一种加速因素，而在向上倾斜的平面上则有一减速因素。由此可见在水平面上的运动是永久的，因为，如果速度是匀速的，它就不能减小或缓慢下来，更不会停止。”伽利略的这些叙述明确地提出了“惯性原理”。 伽利略的惯性原理的结论是作了大量观察和实验推理得到的。把实验和理论分析相结合，从复杂的实际现象中抽象出最简单最本质的理想情况加以分析，从而得出对自然规律的正确认识，这是伽利略方法的突出特点，也是他能在科学上做出超越前人贡献的基本原因。对此爱因斯坦曾说过：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法，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。”“伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点，而用新的观点来代替它，这就是伽利略发现的重要意义。”（物理学的进化） 伽利略虽然发现了“惯性原理”，但他并没有完全摆脱亚里士多德的影响，尽管他明确地指出了在无摩擦无边际的水平面上运动将是永恒的匀速直线运动，但在其他地方，他却一再强调均匀圆运动才可能是天然的和永恒的。 英国物理学家、数学家、经典物理的奠基人牛顿在前人的研究基础上于1687年发表了历史巨著自然哲学的数学原理，该书中对力学的几个基本概念下了定义，其中定义3：“物质的惰性力或固有力是一种反抗的能力，由于这种力，任何物体都要保持其静止的或匀速直线运动状态的现状。”对此定义牛顿又做了如下的说明：“由于物质的惰性，物体要脱离其静止状态或运动状态是困难的，基于这种考虑，这种表示惰性的力可以用一个最确切的名称，叫惯性力。”惯性作为一个物体在运动中表现出来的固有的或天然的属性名称一直沿用到今天，这是牛顿首先提出的。牛顿还认为：“这种力总是与具有该力的物体成正比。”在现代教科书上通常把这句话写成：一个物体的质量是它的惯性大小的量度，质量大的物体惯性大。 牛顿继续在原理中提出了运动三定律，冠以首位的是：“定律1：每个物体都要继续保持它的静止状态或沿着笔直的直线和匀速运动的状态。除非对它施加外力，以迫使它改变这种状态。”这个定律揭示了任何物体都具有一种保持其原来运动状态的特性即惯性，当物体不受力时，它处于静止或匀速直线运动状态，体现了它保持原来运动状态的特性，当物体受到外力作用时，惯性会对运动状态的改变进行反抗，这时这种特性就明显表示出来。所以惯性的正确认识和惯性定律的建立最终应该归于牛顿，因此牛顿第一定律又被称为惯性定律。 牛顿第一定律（惯性定律）的建立，具有深刻的哲学意义，它告诉人们惯性是所有物体具有的本性，打破了地上运动和宇宙空间运动的人为界限，统一了宏观与微观的运动，并提出了处理任何运动的单一模式。由此出发可顺利研究物体运动状态改变的原因，它是第二、第三定律的基础。 人类对于惯性的认识从亚里士多德到伽利略再到牛顿，经历了2000多年无数个有名无名的科学家的探索才逐渐趋向完美，而其中伽利略的理想实验的思想方法给人以深刻的启迪，这段历史对每个学习物理并愿通向成功之路者是最好的借鉴。对“牛顿第一定律”的几点认识1 贬低亚里士多德的做法欠妥亚里土多德是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家。在人类科学史上，亚里土多德是第一个阐明各学科研究对象和基本概念的人，他对混饨一团的科学进行了分类，为科学的发展奠定了基础，他的著作是希腊文明的百科全书，内容涉及天文学、地理学、地质学、物理学、动物学、胚胎学、解剖学、生理学、心理学、经济学、政治学、教育学、逻辑学、伦理学、历史学、美学、修辞学、诗歌等。亚里士多德集古代知识于一身，对世界的贡献之大，令人震惊因此黑格尔称其为“人类的导师”，马克思称其为“古代最伟大的思想家”，恩格斯称其为“古代最博学的人”。亚里士多德是许多学科的奠基人。在哲学方面，他的最大贡献在于创立了形式逻辑，丰富和发展了哲学的各个分支学科。在生物方面，他对500多种不同的动植物进行了分类，至少对50多种动物进行了解剖研究，指出鲸鱼是胎生的，考察了小鸭胚胎的发育过程。在教育方面，他主张国家应进行公共教育，使学生的身体、德行和智慧得以全面和谐地发展。他提出的“贫穷是革命与罪孽之母”、“立法者应该把主要精力放在教育青年上，忽视教育必然危及国本”等观点非常富有哲理性。亚里士多德的教学思想是建立在对人的身心发展研究基础上的，他主张依据年龄分期实施教学，实现人类自身发展规律和教育发展规律的结合。主张学生在德、智、体、美等方面全面发展，且在不同的成长时期侧重不同。在教学方法上，亚里土多德重视练习与实践的作用。在师生关系上，亚里士多德对导师柏拉图不是言听计从，唯唯诺诺，而是在继承的基础上敢于思考、坚持真理、勇于挑战，提出“吾爱吾师，吾尤爱真理”。亚里土多德曾提出许多数学和物理学的概念，如极限、无穷数、力的合成等。创建了视觉、色彩视觉和虹等原始学说。亚里士多德认为地上的物质由土、水、气、火这四种“基本元素”组成，试图从物质本身来说明自然，把科学从宗教与神话中解放出来，这是有进步意义的、亚里士多德认为地球是球形的，其依据是：月食是地球的影子投到月球上所致，由于月食时看到地球的影子总是圆的，由此推断地球应该是一个球体而不是圆盘状。亚里士多德把物体的运动分为自然运动和强迫运动两种。自然运动就是重物竖直下落和轻物竖直上升的运动；除了这一运动外，所有其它形式的运动都只能在外力强迫下才能进行。这一观点尽管错误，但其中已含有静止惯性的思想。当然，亚里士多德对很多问题的处理是错误的。每个人的认识均受其所处时代科技水平的影响，和所有科学家一样，亚里土多德的一些观点存在错误是难免的。我们在教学中不应该因此就把亚里土多德看成是阻碍科学进步的反动或落后势力的代表而一味地进行批判。哈佛大学的校训“让柏拉图与你为友，让亚里土多德与你为友，更重要的，让真理与你为友”很值得我们借鉴。2 正确理解伽利略理想实验的推论伽利略根据理想实验得出推论：“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这一速度这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的原因，而朝上的斜面提供了减速的原因。由此可见，只有在水平面上运动才是不变的。”（两种新科学的对话）他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种没有增加或减小速度外部原因的物体，其不变的运动是圆周运动。他对圆运动是最自然最完善的思想印象太深，以致对开普勒的行星椭圆轨道理论不感兴趣。他不承认宇宙的无限性，因此认为，沿直线的无限匀速运动是不可能的，只能是沿着地球表面的圆运动，他只承认圆惯性运动，而不承认直线惯性运动，因此未能将惯性运动推广到一切运动上。圆运动是最完美的运动这一观点可以追溯到古希腊，毕达哥拉斯学派认为，一切立体图形中最美好的是球形，一切平面图形中最美好的是圆形，而宇宙是一种和谐的代表物，所以一切天体的形状都应该是球形，一切天体的运动都应该是匀速圆周运动。柏拉图主张天体的运动可以用匀速圆周运动的组合来解释。亚里士多德继承了柏拉图的观点，认为圆周是完美的几何图形，圆运动是一种原始的运动，并且是唯一种能够无限继续的运动，所有天体的圆周运动都是自然运动。哥白尼接受了圆运动是最完善运动的观念，认为一切行星的运动都是均匀永恒的圆运动或其复合运动，伽利略也坚持认为行星的运动是最自然最完善的圆运动。伽利略把产生加速或减速的原因归之于靠近或者离开地球中心的倾向，也就是说他还没有建立起物体相互作用的清晰概念。他既没有找出改变运动状态的原因是力，也没有发现力与运动之间严格的关系。所以说，伽利略首先提出了惯性运动这一思想，但还不能说他发现了惯性定律。3 笛卡儿对惯性定律的贡献伽利略逝世两年后，笛卡儿补充和完善了伽利略的论点，他强调惯性运动的直线性。他在哲学原理一书中这样描述：“所有的运动，其本身都是沿直线的。”笛卡儿认为惯性运动不仅仅局限于水平面上的运动，而是包括一切方向上的运动。笛卡儿在哲学原理中的表述为：“只要物体开始运动，就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动，直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。”这一叙述尽管包含了“不受任何力”的思想，但还没有明确提出，所以说笛卡儿的叙述还不是真正意义上的惯性定律。4 牛顿第一定律的产生牛顿继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，也继承了笛卡地的研究成果。经过深入研究，澄清了力的概念，确立了经典力学的基础牛顿运动定律。牛顿在1687年出版的自然哲学的数学原理一书中对第一定律的表述为：“一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止”牛顿第一定律真正揭示了力与运动的关系：力是物体运动状态变化的原因，而不是维持物体运动状态的原因。这是伽利略和笛卡儿都没能解决的。从此惯性定律才真正成为力学理论的基础。所以说，牛顿第一定律才是真正意义上的惯性定律。有些资料上讲：“伽利略的理想实验证明了物体不受外力作用时总保持原来的匀速直线运动状态或流止状态。”这一提法是不符合史实的。5 正确理解牛顿第一定律的意义（1）牛顿第一定律包含了三层意思：牛顿第一定律说明了物体不受外力时的运动状态是匀速直线运动或静止（所以说力不是维持物体运动的原因）；一切物体都有保持匀速直线运动或静止的特性（即一切物体都有惯性）；外力是迫使物体改变运动状态的原因。（2）牛顿第一定律的成立是有条件的。它只适用于质点在惯性系中的运动，在非惯性系中不适用；牛顿第一定律所指的物体是质点，不适用于转动的物体。6 牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例由于实际上不存在完全不受其它物体作用的孤立物体，所以第一定律不能用实验直接加以验证，主要是由它所推出的结论和实验事实符合而得到验证。第一定律指出了物体在不受力的情况下处于怎样的运动状态，这样就可以研究物体在受力情况下的运动状态，因此，在牛顿力学的理论系统中牛顿第一定律是第二定律的前提和基础。牛顿第一定律反映的是物体不受力时的运动状态是匀速直线运动或静止，不能反映所受