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1、慣性定律的建立人類是如何認識慣性的，慣性定律為什么是牛頓第一定律的別稱，而不是伽利略或笛卡兒所發(fā)現(xiàn)的？古希臘的哲學家亞里士多德（Aristotle,前384前322）在他所著的物理學一書中認為：機械運動有自然運動和強迫運動，如馬拉車行駛、奴隸曳船行駛，這些運動必須有推動者，即運動必須有外力維持，否則就歸于靜止。他認為“一切運動的物體必定受某物的驅(qū)動”。千百年來人們都相信亞里士多德的說法：外力是物體產(chǎn)生并維持運動的原因。亞里士多德是根據(jù)對現(xiàn)象的觀察、直覺推理方法得到結(jié)論的，他沒想到用實驗來驗證，在他的思想中對慣性沒有任何認識。在隨后的2000多年中，許多哲學家提出了與亞里士多德不同的觀點，如比亞
2、里士多德稍晚的古希臘的另一位哲學家伊壁鳩魯（Epicurus，前342前270）、古羅馬原子論者盧克萊修（Lucretius,前99前55）、15世紀的羅馬教會主教尼古拉斯德庫薩（NicholasdeCusa）等等。他們的看法都是從一定哲理出發(fā)的猜測和推理，缺乏實驗根據(jù)，但他們都曾先后沖擊著亞里士多德的斷言。我國遠在春秋戰(zhàn)國的墨經(jīng)上就已有慣性的論述。在春秋戰(zhàn)國末期的考工記辀人篇中更有明確的記載：“勸登馬力，馬力既竭，辀猶能一取焉。”意思是說：馬拉車的時候，馬雖然對車不再施力了，但車還能繼續(xù)前進一段路，這顯然是在講述一種慣性現(xiàn)象。1632年，伽利略在他具有劃時代意義的巨著關(guān)于托勒密和哥白尼兩種世
3、界體系的對話一書中，通過薩爾瓦蒂（伽利略的代言人）和辛普利邱（亞里士多德的代言人）的一段對話，對慣性作了真正令人們信服的闡述。薩：“,假想有一光滑如鏡的平面是用鋼那樣堅硬的材料制成的，該平面同地平線不平行，而是略微傾斜，如果在它上面放上一個鋼那樣的又硬又重的材料制成的滾圓的球，你認為在松開手之后這個圓球會怎樣呢？,如果把同一個可運動的物體放在一個既不向上也不向下傾斜的表面上，會發(fā)生什么情況？”辛：“如果只是把它放在這個平面上不動，在這種情況下，該物體一點也不動。但是如果沿某個特定方向已經(jīng)給了它一個初始沖力，那么就再不會有加速或減速的原因?！彼_：“確實如此，但是如果沒有引起圓球減速的原因，就更不
4、會有使它停住不動的原因了，那么你說這個球會繼續(xù)運動到多遠？”薩：“如果這個空間是無限長的，那么在這個空間中的運動也同樣會是無限的嗎？也就是說，是永恒的嗎？”辛：“我看是這樣?！痹谶@段對話中，伽利略通過理想實驗，使亞里士多德的代言人不得不承認，一種非天然運動竟不需要外力，也能繼續(xù)不斷地運動下去。伽利略還在關(guān)于兩種新科學的對話一書中寫道：“我們可以進而提出任何速度一旦施加給一個運動著的物體，只要除去加速或減速的外因，此速度就可以保持不變，不過這是只能在水平面上發(fā)生的一種情形，因為在向下傾斜的平面上已經(jīng)存在一種加速因素，而在向上傾斜的平面上則有一減速因素。由此可見在水平面上的運動是永久的，因為，如果
5、速度是勻速的，它就不能減小或緩慢下來，更不會停止?！辟だ缘倪@些敘述明確地提出了“慣性原理”。伽利略的慣性原理的結(jié)論是作了大量觀察和實驗推理得到的。把實驗和理論分析相結(jié)合，從復雜的實際現(xiàn)象中抽象出最簡單最本質(zhì)的理想情況加以分析，從而得出對自然規(guī)律的正確認識，這是伽利略方法的突出特點，也是他能在科學上做出超越前人貢獻的基本原因。對此愛因斯坦曾說過：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學的推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！薄百だ詫茖W的貢獻就在于毀滅直覺的觀點，而用新的觀點來代替它，這就是伽利略發(fā)現(xiàn)的重要意義。（物理學的進化）伽利略雖然發(fā)現(xiàn)了“慣性原理”，但他并沒
6、有完全擺脫亞里士多德的影響，盡管他明確地指出了在無摩擦無邊際的水平面上運動將是永恒的勻速直線運動，但在其他地方，他卻一再強調(diào)均勻圓運動才可能是天然的和永恒的。英國物理學家、數(shù)學家、經(jīng)典物理的奠基人牛頓在前人的研究基礎(chǔ)上于1687年發(fā)表了歷史巨著自然哲學的數(shù)學原理，該書中對力學的幾個基本概念下了定義，其中定義3：“物質(zhì)的惰性力或固有力是一種反抗的能力，由于這種力，任何物體都要保持其靜止的或勻速直線運動狀態(tài)的現(xiàn)狀?！睂Υ硕x牛頓又做了如下的說明：“由于物質(zhì)的惰性，物體要脫離其靜止狀態(tài)或運動狀態(tài)是困難的，基于這種考慮，這種表示惰性的力可以用一個最確切的名稱，叫慣性力?！睉T性作為一個物體在運動中表現(xiàn)出
7、來的固有的或天然的屬性名稱一直沿用到今天，這是牛頓首先提出的。牛頓還認為：“這種力總是與具有該力的物體成正比。”在現(xiàn)代教科書上通常把這句話寫成：一個物體的質(zhì)量是它的慣性大小的量度，質(zhì)量大的物體慣性大。牛頓繼續(xù)在原理中提出了運動三定律，冠以首位的是：“定律1：每個物體都要繼續(xù)保持它的靜止狀態(tài)或沿著筆直的直線和勻速運動的狀態(tài)。除非對它施加外力，以迫使它改變這種狀態(tài)。”這個定律揭示了任何物體都具有一種保持其原來運動狀態(tài)的特性即慣性，當物體不受力時，它處于靜止或勻速直線運動狀態(tài)，體現(xiàn)了它保持原來運動狀態(tài)的特性，當物體受到外力作用時，慣性會對運動狀態(tài)的改變進行反抗，這時這種特性就明顯表示出來。所以慣性的
8、正確認識和慣性定律的建立最終應(yīng)該歸于牛頓，因此牛頓第一定律又被稱為慣性定律。牛頓第一定律（慣性定律）的建立，具有深刻的哲學意義，它告訴人們慣性是所有物體具有的本性，打破了地上運動和宇宙空間運動的人為界限，統(tǒng)一了宏觀與微觀的運動，并提出了處理任何運動的單一模式。由此出發(fā)可順利研究物體運動狀態(tài)改變的原因，它是第二、第三定律的基礎(chǔ)。人類對于慣性的認識從亞里士多德到伽利略再到牛頓，經(jīng)歷了2000多年無數(shù)個有名無名的科學家的探索才逐漸趨向完美，而其中伽利略的理想實驗的思想方法給人以深刻的啟迪，這段歷史對每個學習物理并愿通向成功之路者是最好的借鑒。對“牛頓第一定律”的幾點認識1 貶低亞里士多德的做法欠妥亞
9、里土多德是世界古代史上最偉大的哲學家、科學家和教育家。在人類科學史上，亞里土多德是第一個闡明各學科研究對象和基本概念的人，他對混飩一團的科學進行了分類，為科學的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，他的著作是希臘文明的百科全書，內(nèi)容涉及天文學、地理學、地質(zhì)學、物理學、動物學、胚胎學、解剖學、生理學、心理學、經(jīng)濟學、政治學、教育學、邏輯學、倫理學、歷史學、美學、修辭學、詩歌等。亞里士多德集古代知識于一身，對世界的貢獻之大，令人震驚因此黑格爾稱其為“人類的導師”，馬克思稱其為“古代最偉大的思想家”，恩格斯稱其為“古代最博學的人”。亞里士多德是許多學科的奠基人。在哲學方面，他的最大貢獻在于創(chuàng)立了形式邏輯，豐富和發(fā)展了哲學
10、的各個分支學科。在生物方面，他對500多種不同的動植物進行了分類，至少對50多種動物進行了解剖研究，指出鯨魚是胎生的，考察了小鴨胚胎的發(fā)育過程。在教育方面，他主張國家應(yīng)進行公共教育，使學生的身體、德行和智慧得以全面和諧地發(fā)展。他提出的“貧窮是革命與罪孽之母”、“立法者應(yīng)該把主要精力放在教育青年上，忽視教育必然危及國本”等觀點非常富有哲理性。亞里士多德的教學思想是建立在對人的身心發(fā)展研究基礎(chǔ)上的，他主張依據(jù)年齡分期實施教學，實現(xiàn)人類自身發(fā)展規(guī)律和教育發(fā)展規(guī)律的結(jié)合。主張學生在德、智、體、美等方面全面發(fā)展，且在不同的成長時期側(cè)重不同。在教學方法上，亞里土多德重視練習與實踐的作用。在師生關(guān)系上，亞里
11、士多德對導師柏拉圖不是言聽計從，唯唯諾諾，而是在繼承的基礎(chǔ)上敢于思考、堅持真理、勇于挑戰(zhàn)，提出“吾愛吾師，吾尤愛真理”。亞里土多德曾提出許多數(shù)學和物理學的概念，如極限、無窮數(shù)、力的合成等。創(chuàng)建了視覺、色彩視覺和虹等原始學說。亞里士多德認為地上的物質(zhì)由土、水、氣、火這四種“基本元素”組成，試圖從物質(zhì)本身來說明自然，把科學從宗教與神話中解放出來，這是有進步意義的、亞里士多德認為地球是球形的，其依據(jù)是：月食是地球的影子投到月球上所致，由于月食時看到地球的影子總是圓的，由此推斷地球應(yīng)該是一個球體而不是圓盤狀。亞里士多德把物體的運動分為自然運動和強迫運動兩種。自然運動就是重物豎直下落和輕物豎直上升的運動
12、；除了這一運動外，所有其它形式的運動都只能在外力強迫下才能進行。這一觀點盡管錯誤，但其中已含有靜止慣性的思想。當然，亞里士多德對很多問題的處理是錯誤的。每個人的認識均受其所處時代科技水平的影響，和所有科學家一樣，亞里土多德的一些觀點存在錯誤是難免的。我們在教學中不應(yīng)該因此就把亞里土多德看成是阻礙科學進步的反動或落后勢力的代表而一味地進行批判。哈佛大學的校訓“讓柏拉圖與你為友，讓亞里土多德與你為友，更重要的，讓真理與你為友”很值得我們借鑒。正確理解伽利略理想實驗的推論伽利略根據(jù)理想實驗得出推論：“一個運動的物體，假如有了某種速度以后，只要沒有增加或減小速度的外部原因，便會始終保持這一速度一一這個
13、條件只有在水平的平面上才有可能，因為在斜面的情況下，朝下的斜面提供了加速的原因，而朝上的斜面提供了減速的原因。由此可見，只有在水平面上運動才是不變的?！保▋煞N新科學的對話）他所說的水平面是和地球同心的球面，也就是說，那種沒有增加或減小速度外部原因的物體，其不變的運動是圓周運動。他對圓運動是最自然最完善的思想印象太深，以致對開普勒的行星橢圓軌道理論不感興趣。他不承認宇宙的無限性，因此認為，沿直線的無限勻速運動是不可能的，只能是沿著地球表面的圓運動，他只承認圓慣性運動，而不承認直線慣性運動，因此未能將慣性運動推廣到一切運動上。圓運動是最完美的運動這一觀點可以追溯到古希臘，畢達哥拉斯學派認為，一切立
14、體圖形中最美好的是球形，一切平面圖形中最美好的是圓形，而宇宙是一種和諧的代表物，所以一切天體的形狀都應(yīng)該是球形，一切天體的運動都應(yīng)該是勻速圓周運動。柏拉圖主張?zhí)祗w的運動可以用勻速圓周運動的組合來解釋。亞里士多德繼承了柏拉圖的觀點，認為圓周是完美的幾何圖形，圓運動是一種原始的運動，并且是唯一種能夠無限繼續(xù)的運動，所有天體的圓周運動都是自然運動。哥白尼接受了圓運動是最完善運動的觀念，認為一切行星的運動都是均勻永恒的圓運動或其復合運動，伽利略也堅持認為行星的運動是最自然最完善的圓運動。伽利略把產(chǎn)生加速或減速的原因歸之于靠近或者離開地球中心的傾向，也就是說他還沒有建立起物體相互作用的清晰概念。他既沒有
15、找出改變運動狀態(tài)的原因是力，也沒有發(fā)現(xiàn)力與運動之間嚴格的關(guān)系。所以說，伽利略首先提出了慣性運動這一思想，但還不能說他發(fā)現(xiàn)了慣性定律。2 笛卡兒對慣性定律的貢獻伽利略逝世兩年后，笛卡兒補充和完善了伽利略的論點，他強調(diào)慣性運動的直線性。他在哲學原理一書中這樣描述：“所有的運動，其本身都是沿直線的。”笛卡兒認為慣性運動不僅僅局限于水平面上的運動，而是包括一切方向上的運動。笛卡兒在哲學原理中的表述為：“只要物體開始運動，就將繼續(xù)以同一速度并沿著同一直線方向運動，直到遇到某種外來原因造成的阻礙或偏離為止?！边@一敘述盡管包含了“不受任何力”的思想，但還沒有明確提出，所以說笛卡兒的敘述還不是真正意義上的慣性
16、定律。3 牛頓第一定律的產(chǎn)生牛頓繼承了伽利略重視實驗和邏輯推理的研究方法，也繼承了笛卡地的研究成果。經(jīng)過深入研究，澄清了力的概念，確立了經(jīng)典力學的基礎(chǔ)一一牛頓運動定律。牛頓在1687年出版的自然哲學的數(shù)學原理一書中對第一定律的表述為：“一切物體總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止”牛頓第一定律真正揭示了力與運動的關(guān)系：力是物體運動狀態(tài)變化的原因，而不是維持物體運動狀態(tài)的原因。這是伽利略和笛卡兒都沒能解決的。從此慣性定律才真正成為力學理論的基礎(chǔ)。所以說，牛頓第一定律才是真正意義上的慣性定律。有些資料上講：“伽利略的理想實驗證明了物體不受外力作用時總保持原來的勻速直線運動
17、狀態(tài)或流止狀態(tài)?！边@一提法是不符合史實的。4 正確理解牛頓第一定律的意義（1）牛頓第一定律包含了三層意思： 牛頓第一定律說明了物體不受外力時的運動狀態(tài)是勻速直線運動或靜止（所以說力不是維持物體運動的原因）； 一切物體都有保持勻速直線運動或靜止的特性（即一切物體都有慣性）； 外力是迫使物體改變運動狀態(tài)的原因。（2）牛頓第一定律的成立是有條件的。它只適用于質(zhì)點在慣性系中的運動，在非慣性系中不適用；牛頓第一定律所指的物體是質(zhì)點，不適用于轉(zhuǎn)動的物體。5 牛頓第一定律不是牛頓第二定律的特例由于實際上不存在完全不受其它物體作用的孤立物體，所以第一定律不能用實驗直接加以驗證，主要是由它所推出的結(jié)論和實驗事實
18、符合而得到驗證。第一定律指出了物體在不受力的情況下處于怎樣的運動狀態(tài)，這樣就可以研究物體在受力情況下的運動狀態(tài)，因此，在牛頓力學的理論系統(tǒng)中牛頓第一定律是第二定律的前提和基礎(chǔ)。牛頓第一定律反映的是物體不受力時的運動狀態(tài)是勻速直線運動或靜止，不能反映所受合力為零時的運動狀態(tài)是勻速直線運動或靜止，合力為零時的情況是牛頓第二定律解決的問題。將牛頓第一定律視為牛頓第二定律的特例是不妥當?shù)?。有些資料上講：“牛頓第一定律說明了物體不受力（或所受合力為零）時的運動狀態(tài)是勻速直線運動或靜止?！边@種提法是不合適的，因為牛頓第一定律不包括“所受合外力為零”的情況。參考文獻：1中國大百科全書力學上海：中國大百科全書出版社，1985.2中國大百科全書物理學上海：中國大百科全書出版社，1987.3人民教育出版社物理室物理教師手冊北京：人民教育出版社，1998.4何維杰.物理思想史與方法論.長沙：湖南大學出版社，2001.
慣性定律的建立
