【每周一论】【03】牛顿第一定理的实质、地位和作用
牛顿在1687年出版的名著《自然哲学的物理原理》一书中提出了三条定理做为动力学的基础。这三条定理也称牛顿运动定理,以牛顿运动定理为基础构建上去的热学理论称作牛顿热学。
教科版教材中对牛顿第一定理的实质的认识,它在三个定理中的地位和作用,极少给出合理的解释和定位。下边就一些”物理学”教科书中对第一定理的不尽合理的解释和定位逐一给与说明。
1.牛顿第一定理的本质并非描述物体具有惯性。几乎所有的“物理”教科书中都指出:牛顿第一定理描述了物体具有惯性,所以把第一定理也叫做惯性定理。其中具有代表性的:如深圳学院顾建中先生编撰的《普通化学学简明教程》力学部份强调:“第一定理中包含两个重要的概念。(1)若果没有其他物体的作用,则所研究的物体将保持其静止的或匀速直线运动的状态；这些性质称为该物体的惯性……因为第一定理包含惯性这个重要概念,所以又叫惯性定理。…”又如张三惠等编绘的《大学化学学》力学手指出:“牛顿第一定理和两个热学基本概念相联系。一个是物体的惯性,…,另一个是力。”马文蔚先生改编的《物理学》也做了同样的阐述等等。假如第一定理的实质是描述物体的惯性,那它就没有独立存在的意义了,由于牛顿第二定理不但描述了物体的惯性,但是定量地给出了物质的惯性大小可以用惯性质量m来描述,由此可见第一定理也称惯性定理,把它说成是描述物体惯性决非是牛顿的初衷。
2.牛顿第一定理的实质也不是对力作出定义
后面早已提及,上海学院的顾建中先生编撰的《普通化学学简明教程》,“力学部份”指出,第一定理中包含两个重要概念,其中第(2)个是:“要改变物体的运动状态,即是说使物体形成加速度,一定要有其他物体对它的作用,这些作用称为力。”这段话的意思就是说牛顿第一定理实质是对力作了定义,而程守洙、江之永主编《普通化学学》卷1中更明晰强调:“第一定理还定性的阐述了力的含义。”如果真如上述所指,第一定理是对力的定义,那就形成了一种逻辑上的循环,即第一定理定义了力,而力的存在与否又决定了第一定理,这些逻辑上的混乱牛顿是不会没发觉的,也不会让这些逻辑错误存在于它的理论体系中。关于力的定义应当是在第一定理之外独立存在的一个概念:力是物体间的互相作用,而不是由第一定理给出的。
3.牛顿第一定理的实质是给出了惯性系
牛顿第一定理的实质是:它给出了一个不受力或所受合力为零的物体或物体系,这个系统不存在运动状态的改变,即这个系统不存在加速度,我们晓得数学学中所研究的问题都是相对的,即以一定的物体或物体系作参照物的,而牛顿第一定理就给出了这样一个没有加速度的参照物系—惯性系,它才使我们对化学问题的研究和数学量的检测变的有意义。
4.牛顿第一定理的地位和作用
当我们选取了由牛顿第一定律所给出的参照系----惯性系,使化学量的检测才弄成可能;牛顿第二、第三定理才显得有意义。如牛顿第二定理给出的物理表示∑F=ma,它只有在相对惯性系----一个没有加速度的参照系时,a才有确定的检测值,如参照系不是惯性系,而存在加速度,则前面表达式中的a的值就将改变,这么第二定理就没有意义了,或则说不再组建了。
比如,设一个在平直轨道上的货车,货车上有一光滑的桌面,桌面上放一小球,开始时静止在轨道上(见右图)
小球相对地面也是静止。在地上和车上的观察者看见,这个小球在水平桌面上不受力,所以没有加速度。但当货车以水平加速度a0往右运动时,在地面的参照系中的人看,小球在水平方向不受力,一直静止,而在有加速度的参照系货车中的观察者看,小球虽不受力,但却以
向左运动,这似乎与牛顿第一定理不符,并且小球相对于车上的观察者来说,它的加速度随a0而变化,可见,牛顿第二定理
不再创立。它从一个方面说明：牛顿第二定理只对没有加速度的参照系创立。同样对于第三定理也是一样,如对有加速度的参照系,物体间的斥力和反斥力的大小就不再相等,即F≠F′,第三定理也就不创立了。同样,由牛顿运动定理构建上去的质点热学体系,如动量定律、动量守恒定理,动能定律等也都对惯性系创立。可见牛顿第一定理是不可缺乏的,是完全独立的一条重要的热学定理。所以可以看出牛顿第一定理,它和第二、第三定理构成了一个完整的理论体系,它是第二、第三定理的基石,是第二、第三定理创立的保证,而牛顿第二、第三定理只对由第一定理给出的惯性系才创立。
由此我们也给出了惯性系和非惯性系的定义:一个不存在加速度的参照系称做惯性系,否则为非惯性系。非惯性系中的热学问题不能由牛顿第二定理来解决而要用非惯性系中的热学多项式求解:
式中∑Fi为在惯性系中测得的物体受的力,而
为在非惯性系中测得的惯性力,a0为非惯性系统的加速度。而我们的一些教科书上如：马文蔚改编的面向21世纪课程教材《物理学》上册却说:“我们把适用牛顿定理的参考系称作惯性参考系,简称惯性系;反之就叫非惯性系。这些阐述因果关系上有些颠倒,逻辑上也不够严谨。
结束语：
牛顿第一定理与其他两个定理构成了牛顿热学的完整体系,牛顿第一定理给出了惯性系的概念,它的本质并不是给出物体的惯性,也不包含切实的定义。牛顿第二、第三定理只对惯性系组建。
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