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牛顿第一定律的独立性 基础性不容质疑
张艺馨 侯雨晴 王 歌 刘增泽 冯 杰
(上海师范大学数理学院 上海 200234)
摘 要：当下于物理教学以及研究里，对于牛顿第一定律存有理解方面的偏颇，还存在程度上的差异，甚至出现了科学性的错误。在2015年发表的“牛顿第一定律的是与非”中，针对牛顿第一定律的实质给出了“颠覆性”的认识 ，还草率地对其予以改述 ，更错误地提出牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例。应该从经典力学的几个关键性概念的本质着手，对牛顿第一定律的本质、地位展开全面科学的理解。
关键词： 牛顿第一定律 惯性 基础性 独立性
张艺馨、侯雨晴、王歌等人指出，牛顿第一定律的独立性、基础性是不容被质疑的，于《物理通报》2017年第7期第2至3页以及第11页有所阐述。
1 引言
运动与物体相互作用的关联之课题，是人类历经数千载始终持续探索的，即便于当下而言，要解决已知运动情形下去求解力这一众多次被提及于人们眼前的问题pg下载，该如何去妥当安排火箭推力，以使它得以被输送至精准巧妙设计好的轨道之上呢？这属于动力学方面的问题 ，动力学的核心任务旨在由本质层面去揭示运动得以产生的缘由 ，自牛顿发表《原理》开始 ，牛顿三定律就成为了动力学的根基 ，用于指引我们去处理宏观低速运动的问题 ，于社会诸多领域有着广泛应用。三大定律蕴藏着丰富的物理内涵 ，绝非如同其在字面上显现的那般简易明晰 ，当前在物理教学以及研究里 ，好多人对牛顿三定律特别是其中的牛顿第一定律存有理解上的跑偏和程度上的不同 ，甚至存在科学性的失误的情况 在对牛顿第一定律的本质 、地位以及三个定律之间的逻辑关系方面理解不够深入 ，致使的。
比如说，《中学物理教学参考》于2015年发表的《牛顿第一定律的是与非》，其宣称针对牛顿三定律的实质给出了“颠覆性”的认知，指明牛顿第一定律属于牛顿第二定律的特例，牛顿第一定律未曾对力予以定义，还对牛顿第一定律的表述做了改写。并且还有早些时候争论的牛顿第一定律里存在循环论证的情况，牛顿第一定律以及牛顿第三定律均可依靠牛顿第二定律推导得出等等。
本文当中呢，会针对牛顿第一定律的本质，以及其丰富的内涵，展开简单的讨论，从牛顿第一定律在动力学基本定律里边，有着基础性的地位这个角度出发，去论述牛顿第一定律的独立性，进而否定了作者对于“牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例”的那种错误认识。
2 牛顿第一定律在动力学定律中具有基础性地位
对于牛顿第一定律进行表述，即任何物体，要是没有力施加于它上面，让它去改变自身状态的话，它就会继续保持自己静止或者匀速直线运动的那种状态 ．。
这个定律里含有的几个基本概念，能从其表述方式来简单讨论，其所奠定的动力学概念基础，能让牛顿第一定律的独立性，以及它在理论系统里作为第一个原理的前提地位得以确定。
2.1 揭示了物体运动的内在属性——惯性
牛顿第一定律描述了物体具有惯性运动的状态，也就是不受力的物体能够具有任何速度，然后一直保持永恒不变。这否定了亚里士多德速度需力维持的论断，在历史上占据重要地位。同时，该定律借助惯性的定义：物体自身要保持运动状态不变的性质或者是物体抵抗运动变化的性质，进而进一步揭示出了“惯性运动”的本质。正是物体的这一内在属性，维持了物体运动状态不变。有了对惯性运动本质的认识后，牛顿才想到能够从打破惯性运动着手，研究物体运动状态的变化与外力之间的关系以及物体间相互作用的关系。所以牛顿第一定律是牛顿第二定律、牛顿第三定律的基础，且惯性是牛顿定律乃至力学的出发点。
2.2 明确了力和运动的关系给出了力的定性定义
鉴于物体存有惯性，故而若要使其运动状态出现变化pg下载，必定得有别的物体对其施加作用，此作用便称作力。于牛顿第一定律的根基之上得出力的定性定义，它是指致使一个物体的运动状态发生改变，让它产生加速度的其他物体对它施加的作用。该定律在对力进行定性定义之际隐含着一个问题，那就是什么被叫做物体不受力的作用。在自然界，绝不可能存在那种完全不受力作用的环境以及条件 ，对此问题，爱因斯坦给出的回答是距离其他所有物体足够远 ，那么牛顿第一定律实际上就是一个理想定律 ，它没办法直接借助实验去验证 ，然而牛顿第一定律乃是经由无数事实的研究才做出的正确推断 ，依据此所提出的关于力学问题的结论也完全契合实际 ，牛顿第一定律经受住了实验以及时间的严峻考验 ，实际上 ，在牛顿第一定律揭示出力是改变物体运动状态的原因之后 ，人们才会去进一步探究力是怎样改变物体运动状态的 ，正是这样的思想才引领着牛顿发现了牛顿第二定律 ，这实在是一个涵盖了丰富科学思维的科学过程。
2.3 牛顿第一定律确立了动力学定律成立的参照系
鉴于物体的机械运动属于一种相对运动，所以描述物体的运动要挑选适当的参照系 ，不管物体处于静止状态还是运动状态，都仅仅是针对某一个固定的参照系而言的，既然牛顿第一定律阐释了物体处于停滞、运动或者运动状态发生改变时所依从的规律，据此能够推断自然界必定存在起码一个能够严格适用于牛顿第一定律的参照系，这种能使牛顿第一定律得以成立的参照系统称为惯性系 ．在这样的参照系里观测，一个不受力作用的物体会维持静止或者匀速直线运动状态不变 ，显然，要是某参照系以恒定速度相对于惯性系做运动，这个参照系同样是惯性系 ，要是某参照系相对惯性系做加速运动，那么这个参照系就是非惯性系 ，牛顿受宗教影响觉得宇宙中心不动，他在论述牛顿第一定律之前，选用绝对时空中的一个静止的点作为参照 ，可见牛顿第一定律界定了惯性参照系，同时也引入了绝对时空观 ，由于“绝对静止”的物体是不存在的，惯性参照系是找不到的，是一个理想化的模型 ，从《原理》一书中我们得知最理想的惯性参照系应当是在宇宙中与其他所有物体距离无限远的孤立物体，这实际上是不存在的 ，在实际运用中，总是依据需求选取近似的惯性系 ，并非任何参照系都是惯性系 ，一个参照系是不是惯性系，要依靠观察和实验来判定 ，比如，实验表明，对于一般力学现象而言，地面参照系是一个足够精确的惯性系 ，惯性系这一适用条件的产生，使得动力学各定律以其为前提得以确立，这体现了牛顿第一定律的基础性以及各定律之间的有机联系。
2.4 确定了研究的对象——质点
在牛顿第一定律的表述里头，没涉及到物体自身的转动以及物体各个部分之间相对位置的变动情况，这就表明牛顿第一定律里所讲的物体指的是质点，也就是那种有质量但不存在体积或者形状的点，这是另外一个理想化模型。物体的惯性同样指的是质点的惯性或者物体作平动时的惯性，对于转动的物体而言，也是存在惯性的，不过跟这里所说的惯性可不是一码事。通过牛顿第二定律能够知道，质点的惯性是用质量来量度的。所以，牛顿第一定律所确定的研究对象，为牛顿第二定律准备好了物质客体模型。
2.5 牛顿第一定律具有公理性
牛顿第一定律有着体现逻辑循环特性的情况，然而这并没有对其自身具备的科学性形成困扰 ，它属于公理性的一种呈现。且来说析一下牛顿第一定律自身所存在着的逻辑循环。有 一物体处于不受力之时 ，它针对惯性系而言会进行到匀速直线运动状态 ；可又仅仅能够依据一个物体针对惯性系开展匀速直线运动 ，才能够确定这个物体处于不受力状态 ；同时又仅仅能够依据一个物体处于不受力时开展匀速直线运动 ，才能够判定所运用的参照系是惯性系。如此下去 ，便全然陷入到了逻辑循环里面。为什么摆脱不清这类循环呢？原因在于牛顿第一定律具有公理性，什么是公理，那就是学科最开始的命题以及概念，它们可是作为构建逻辑体系的推理前提存在的。这些公理都是人们在长时间实践里直接获取的，是经过直接间接实践反复去证明了的，具有“自明性”，在逻辑方面表现为没办法严格去定义。牛顿第一定律身为力学的第一条命题，自然是不能够借助从它推导出来的其他命题去证明的，也没办法通过直接的物理实验获得证明，只能依靠它得出的大量推论，在实践之中得到检验。正是这种公理性，又让我们进一步瞧见了牛顿第一定律的基础性。
总括前文所说情况，牛顿第一定律于动力学定律体系里占据着基础性的地位，借此便明确了它单单具有自己的独立性，并且牛顿第一定律有着根本无法被替代的特性。
3 牛顿第一定律不是牛顿第二定律的特例
在《牛顿第一定律的是与非》里表明，从牛顿第二定律的表达式F = ma开始，当合外力F合 =0时，那么a =0pg下载赏金下载，这意味着物体维持静止或者匀速直线运动状态，物体的运动状态不会改变，进行惯性运动，也就是牛顿第一定律。此表述存在较为显著的概念过错，其一，牛顿第二定律是受力作用下物体的运动规律，它无法涵盖不受力作用下物体的运动规律（牛顿第一定律）；其二，合外力为零F合 =0，并非不受力，尽管a =0，物体保持静止或匀速直线运动状态，这与牛顿第一定律所描述的物体不受外力作用时，保持静止或做匀速直线运动（即惯性运动）存在本质差别，它们仅有着相同的外在运动形式；最后，第二定律是构建在物体“受力”的真实实验基础上的一般情形下的规律，无法从逻辑上推断出F ∝0的理想极限情况下的运动，因为任何事物一旦抵达它的极限情形时，就要发生质的变化，出现了与一般情形的质的差异。
4 小结
没有牛顿第一定律，便不会有惯性、惯性运动、惯性参照系以及力的科学概念，牛顿第二定律也无法被提及。从哲学层面来讲，倘若不清楚物体在不受外力作用时会怎样运动，那这是不可能的。故而，将牛顿第一定律视作牛顿第二定律的特例，进而产生牛顿第二定律能够取代牛顿第一定律的认知，这只是一种形式上台本倒置的解释。它切断了牛顿第一定律与第二定律之间的逻辑结构关联，歪曲了牛顿第一定律的内涵，进而消除了牛顿第一定律的独立性。牛顿第一定律的基础性拥有不可替代的地位，它与牛顿第二、三定律并排，一同构成了统一的运动定律，并且与万有引力定律一同构建了完整的牛顿力学体系。
参 考 文 献
一二版作者漆安慎以及这个杜婵英所作的那本《力学》，出版地点是首都北京，由高等教学出版社出版，时间是二零零五年。
二，郭洪梅，牛顿第一定律的是和非，中学物理教学参考，二零一五年，四十四卷，第一期，第六十六页。
3 张三慧.力学(第2版).北京:高等教育出版社,2005
4 冯杰.大学物理专题研究.北京:清华大学出版社,2011
王宏伟，其作牛顿定律与17世纪牛顿的时空观，发表于淮南师范学院学报，在2010年，第12卷，第63期，页码范围为90至92页。
张东升，其作品为牛顿第一定律的建立及其哲学意义。该作品发表于物理教师，时间是2016年，所在期数为37卷第5期，页码范围是70至73页。
张立久，其探讨了牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例这一内容，该探讨发表于《物理教学探讨》2015年第7期，页码为61至63页。
