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淺談對牛頓第一定律的認識

來源:萬方期刊網  時間:2016-07-04 10:32:00  點擊:

淺談對牛頓第一定律的認識

  對牛頓第一定律人們往往有這樣一種錯誤的認識,認為它是當物體加速度為零時牛頓第二定律的一種特例,似乎這是很顯然的事。但是,倘若如此的話,牛頓為何還將第一定律排列在三定律之首!這樣豈不背棄了他總結出的“自然喜歡簡單”的推理法則。這一問題的實質是第一定律在牛頓定律中的地位問題。為此,需要從兩方面進行分析:首先是牛頓運動定律結構的整體性,其次是它在這一整體中所具有的基礎性地位。
  一、牛頓第一定律的獨立性
  牛頓力學的公理體系—定律Ⅰ(慣性定律):每個物體都保持其靜止、或勻速直線運動的狀態,除非有外力作用于它迫使它改變那個狀態。定律Ⅱ:運動的變化正比于外力,變化的方向沿外力作用的直線方向。定律ⅢLWLm.coM:每一個作用都有一個相等的反作用。慣性定律的獨立性之辯:許多物理學家認為,牛頓第一定律不具有獨立性,是第二定律的一個特例。或者說,當作用到物體上的合外力為零時,物體的速度不變化,就是勻速直線運動,也就是第一定律描述的運動狀況。另外一種觀點:第一定律具有不可取的地位和作用:作為慣性和力的原始定義,沒有這個原始性定義,無法構建第二定律。它是第二定律的基礎,應該具有獨立性.慣性定律的誕生:牛頓在“原理”中給出第一定律的名稱,笛卡爾在1644年出版的《哲學原理》中,“如果物質處在運動之中,那么如果無其他原因的作用的話,它將繼續以同一速度在同一直線方向上運動,既不停下,也不偏離原來的方向[1]”,更接近牛頓第一定律的描述。伽利略在1632年出版的《關于兩大世界體系的對話》和1638年出版的《關于力學和局部運動的兩門新科學的談話和數學證明》,通過“斜面的理想實驗”,“乘船的理想實驗”描述了慣性定律。
  二、牛頓第一定律揭示了物體運動的內在屬性,奠定了三個定律作為-個統-整體的基礎
  牛頓第一定律的表述:任何物體都保持靜止或沿一條直線做勻速運動的狀態,除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。它指出了牛頓第一定律和兩個力學基本概念相聯系。從表述上看,牛頓第一定律與慣性運動定律并無區別,都描述了物體所具有的慣性運動狀態。不受外力的物體可以具有任何速度,而且保持永恒不變。這就否定了亞里士多德的速度依賴于力的論斷。而亞里斯多德的運動觀,在伽利略前一直是居統治地位的。所以慣性定律的建立,是對古運動觀實行變革的總結,并且成為研究動力學的出發點。第一定律當然也具有這一意義。但是,不能因此而將慣性定律與第一定律等量齊觀。慣性定律只是唯象的描述了慣性運動,而第一定律則揭示出慣性運動的本質。牛頓在《自然哲學的數學原理》一書中,在運動基本定律表述之前,先列出若干個定義,包括對慣性作了定義,就是這一認識的體現。他指出慣性是物體所固有的反抗運動狀態變化的能力,正是物體的這一內在屬性,維持了物體運動狀態不變。同時又提出,慣性是以質量來量度的,從而使質量具有了慣性質量的意義。這一物理思想的引入,不僅使慣性定律由表及里的升華為第一定律,而且可以從打破慣性出發,進而研究物體運動狀態的變化與外力之間的關系,以及物體間相互作用的關系。既然物體運動狀態的變化是由外部作用即由力而引起的,這就能將物體和力分離開來,從而使運動方程的建立成為可能。所以第一定律是第二、三定律的基礎,而慣性則是牛頓定律乃至力學的出發點。
  三、第一定律確立了動力學定律生效的參照系——慣性系
  牛頓第一定律的實質是:它給出了一個不受力或所受合力為零的物體或物體系,這個系統不存在運動狀態的改變,即這個系統不存在加速度,我們知道物理學中所研究的問題都是相對的,即以一定的物體或物體系作參照物的,而牛頓第一定律就給出了這樣一個沒有加速度的參照物系─—慣性系,它才使我們對物理問題的研究和物理量的測量變的有意義。當我們選定了由牛頓第一定律所給出的參照系─—慣性系,使物理量的測量才變成可能;牛頓第二、第三定律才變得有意義。如牛頓第二定律給出的數學表示 ,它只有在相對慣性系─—一個沒有加速度的參照系時, 才有確定的測量。如果參照系不是慣性系,而存在加速度,則 的值 就將改變,那第二律就沒有意義了,或者說不再成立了。它從一個方面說明:牛頓第二定律只對沒有加速度的參照系成立,即慣性系。第三定律也是如此,有加速度的參照系,物體間的作用力和反作用力的大小就不再相等,即
  分別是作用力和反作用力),則第三定律也就不成立了。同樣,由牛頓運動定律建立起來的質點力學體系,如動量定理 ,動量守恒定律 等也都只慣性系成立。可見牛頓第一定律是不可缺少的,是完全獨立的一條重要的力學定律。所以可以看出牛頓第一定律,它和第二、第三定律構成了一個完整的理論體系,它是第二、第三定律的基石,是第二、第三定律成立的保證,而牛頓第二、第三定律只對由第一定律給出的慣性系才成立。
  四、第一定律具有公理性
  第一定律表述上的邏輯循環,是它的公理性的反映。我們先分析一下第一定律自身存在的邏輯循環。在物體沒有受到外力時,物體運動的速度是恒定的。可是怎么得知物體受沒受到外力作用呢?還得要看物體運動的速度是不是不變的。二者互為前提,形成了條件和結論相互轉換的命題。如果再考慮到第一定律適用的條件,就另表述為:在慣性參照系中,不受外力的物體,將做恒速運動。那么,慣性參照系又是怎樣確定的呢?還要根據兩條:①物體不受外力,②物體速度恒定。可見這樣的表述,不過是對慣性參照系所作定義的同義反復。從這里我們看到:判斷有無外力和物體運動速度的測定,以及參照系的確定,這三者之間形成了一種邏輯上的循環論證。愛因斯坦就曾指出這是第一定律的弱點。
  形成邏輯上缺陷的癥結在于對物體受不受外力,和所選用的參照系是不是慣性系,這兩件事的判據都是物體的速度是否恒定。三者之中若有兩個是能獨立確定下來的,通過第一定律就能確定第三者。然而離開運動定律,獨立給出力和慣性系的定義,在牛頓力學里是沒有的,能夠獨立測定的只是速度這一件事。

page有人會想,物體受不受外力,完全可以從有無別的物體跟它作用來判定。但是,這個判據已經隱含了一個前提,那就是首先承認是以慣性系做參照系的。在非慣性系里,力的存在并不總是跟別的物體存在相聯系;既便是在慣性系里,也不能完全就此斷言。例如場力,如果是已知的,那是可以檢測到的;如若是一種尚未被認識的長程力,判據就失效了,還得要靠速度是否恒定來確定。在宇宙飛船中,字航員做實驗,是有可能遇上這種情形的。
  為何擺脫不了這種循環呢?原因就在于第一定律所具有的公理性。
  任何一門獨立的科學,初建立時,當作出發點的命題和概念、定義,都是人們在長期實踐中直接得來的。又是通過間接實踐反復證明了的、具有“自明性”。因而表現在邏輯上無法嚴格定義,不需加以證明,也無法證明。這些最初的命題和概念稱之為公理或公設,是作為推理建立邏輯體系的前提。歐幾里德幾何學就是這樣結構的,如過兩點只能引一條直線、整體大于部分等就是它的公理。
  牛頓仿照歐幾里德的方法,也是先提出定義和公理,作為建立力學邏輯體系的前提。慣性和第一定律就是當作力學的出發點,所以它們在牛頓力學體系里具有公理一樣的性質。我們不可能借助力學范疇的定義、定律和方法對它加以論證,也不可能用直接的物理實驗得到驗證,它的正確性只能靠由它得出的大量推論,在實踐中經受檢驗。正是這種公理性,使它帶上了先天的弱點。這又使我們進一步看到它的基礎性。
  綜上所述,說明第一定律在動力學基本定律中,具有基礎性地位。因而把第一定律只看作是第二定律的特例,進而認為可以取第一定律的認識,不過是一種形式上本末倒置的理解,舍棄了第一定律與整體之間的邏輯結構關系和它的內在含意,從而也抹煞了它的獨立性。基礎性確立了它的獨立性,使它與二、三定律并列,一起構成了統-的運動定律。
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