淺談牛頓第一定律的教學

陳蘋蓮

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2015）07-0038-02

2000多年前，古希臘的學者亞里士多德（公元前384 -前322年）曾斷言，使物體維持恒定的運動（即速度不變），就需要恒定的外力作用于它。由于亞里士多德的觀點符合人們日常經驗的直覺印象，在他以后近2000年的時間里，人們一直認為這種觀點是正確的。

但是，這種僅憑日常生活經驗和直覺印象得出的結論正確嗎？我們今天知道亞里士多德的上述觀點是錯誤的，但是為什么象皿里士多德這樣的杰出人物也會把這個問題弄錯了呢？為什么在長達2000多年的時間里，人們一直認為這種觀點是正確的呢？

愛因斯坦把科學家們一代代探索自然界秘密的努力，比喻做讀福爾摩斯一類的偵探小說。在好的偵探故事中，一些最明顯的線索往往引導到錯誤的猜疑上去，憑直覺的推理方法是靠不住的。有個基本問題，由于它太復雜，曾經長達幾千年搞不清，那就是運動的問題。長期以來人們一直認為，要改變一個靜止物體的位置，必須推它、提它或拉它。人們直覺地認為，運動是與推、提、拉等動作相聯系的。直接生活經驗使人們深信，要使—個物體運動得更快，必須用更大的力推它。當推動物體的力不再作用時，原來運動的物體便靜止下來。這也就是亞里士多德的觀點。然而，在自然界這部偵探小說里這是一個錯誤的線索。直到三百多年前，伽利略才創造了有效的偵察技術，發展了尋求正確線索的系統方法，從而才找到了這個問題的正確答案，弄清了事實的真象。

那么伽利略（1564 ——1642意大利物理學家）創造的到底是一種什么樣的偵察技術呢？他到底是怎樣找到了這個問題的正確答案，弄清了事實的真象的呢？

伽利略仔細觀察研究過物體沿斜面下滑的實驗（圖1）。在實驗中，小球從第一個斜面AB滾下后，就會沿著第二個斜面BC向上滾，但小球在第二個斜面上達到的最大高度總是略低于小球從第一個斜面上滾下時的高度。并且斜面做得越光滑小球在第二個斜面上達到的最大高度就越接近于小球從第一個斜面上滾下時的高度。伽利略還注意到，當一個球沿斜面向下滾時，其速度逐漸增大，向上滾時速度逐漸減小，并且斜面的傾角越小速度變化得越慢，傾角越大速度變化得越快。由此他推論，當球沿水平面滾動時，其速度應不增不減，即保持勻速運動狀態不變。

這是為什么呢？伽利略領悟到，將人們引入歧途的，是摩擦力或空氣、水等媒質的阻力，這是人們在日常觀察物體運動時難以完全避免的。為了得到正確的線索，除了實驗和觀察外，還需要抽象的思維。

伽利略推想：

①如果在完全沒有摩擦的情況下，不管第一二個斜面的傾角是多大，小球在第二個斜面上達到的最大高度就總是等于小球從第一個斜面上滾下時的高度。（如圖2 -1）

②第二個斜面的傾角越小，小球滾動的距離就越遠；

③如果第二個斜面的傾角等于零度即第二個斜面成為一個水平面時，小球從第一個斜面滾下來后，就永遠達也不到開始時的高度，也就是說，小球將以恒定不變的速度在無限長的水平面上永遠運動下去。

伽利略由此得出，維持物體的運動，并不需要外力。

就這樣，伽利略形成了和皿里士多德不同的結論：物體的運動并不需要外力來維持，只有運動的變化才是外力作用的結果。物體不受外力作用時，將永遠勻速地運動下去。但是，伽利略所講的“水平面”是“各部分和地心等距離的”球面，所以，他所講的水平面上的運動指的不是直線運動，而是“環繞一個中心的圓周運動”，所以不能算作“慣性定律”的準確表述。

與伽俐略同時代的法國科學家笛卡兒（Descar，1596年-1650年）進一步補充和完善了伽俐略的觀點，他認為：如果無其它原因的作用的話，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。”這是準確的慣性定律的表述。他認為自然運動是在一條直線上進行的，這就突破了伽利略所設想的“水平面”的局限。

伽利略的理想實驗找到了解決運動問題的真正線索。愛因斯坦說：“伽利略的發現以及他所用的科學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。”

伽利略的正確結論隔了一代人以后由牛頓總結成動力學的一條最基本的定律：一切物體總保持靜止或勻速直線運動的狀態，直到有外力迫使它改變這種狀態時為止。這便是通常所說的牛頓第一定律。

這條定律說明了兩個問題：

第一，定律揭示了力和運動的關系，物體的運動并不需要力去維持，只有當物體的運動狀態（速度）發生變化即產生加速度時，才需要力的作用，具體包括：

①物體在不受外力時，將保持它原來的運動狀態不變，即原來靜止的物體將永遠保持靜止，原來運動的物體將永遠以不變的速度作勻速直線運動。

②物體受到不為零的外力作用時，物體的運動狀態將要被迫發生變化。即外力的作用是迫使物體的運動狀態發生變化。

第二，牛頓第一定律實質上提出了慣性的概念，物體之所以能保持靜止或勻速直線運動，是在不受力的條件下，由物體本身的特性來決定的，如果物體受到了外力的作用，外力就要迫使物體的運動狀態發生變化。物體所固有的、保持原來運動狀態不變的特性叫慣性，故第一定律又稱為慣性定律，

亞里土多德根據直接觀察到的表面現象得出了錯誤的結論。而伽利略則通過實驗和推理，想象出無摩擦的光滑水平面的理想實驗，推斷出小球不受外力作用時將以不變的速度永遠運動下去。伽利略從實驗出發，把邏輯思維和實驗事實相結合，得出了維持運動不需要力的正確結論，推翻了人們信奉了近2000年的亞里士多德的錯誤觀點。還開創了把抽象邏輯思維和實驗事實相結合的科學研究方法。伽利略曾深有體會地說：“追求科學需要特殊的勇敢！”

人類對力與運動的關系的認識過程充分說明了：科學的靈感并非來自神的啟示，科學的內涵不簡單地等同于我們的經驗和感覺。科學的知識來自對我們周圍世界的觀察，并用我們的頭腦來理解和指導這樣的觀察。科學是建筑在證據和理性思維（邏輯推理）的基礎上的。

（責任編輯 全玲）