牛頓第一定律的應用分析

周樹名

【摘要】牛頓第一定律也就是我們所知道的慣性定律，慣性定律提出了一個重要的物理概念“慣性”。慣性是質點間相互作用的結果，而不是物體本身和外界無關的屬性。牛頓運動定律的一大成就就是將機械運動的參考系分為非慣性系和慣性系兩大體系。在非慣性系之中，對慣性力的引用，仍然可以對這些機械運動給予很大的指導作用。本文首先對牛頓第一定律的概況做了介紹，然后對于牛頓第一定律的應用，尤其是其應用的局限性做了詳盡分析。

【關鍵詞】慣性定律 實質 應用分析

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0235-01

在十九世紀末，經典力學的影響已經波及到了世界任何角落，以至于很多物理學家都認為物理學的原理已經研究透徹，物理學的體系已經很完善。但是，在接下來的幾十年里，和物理相關的電磁理論、原子理論以及放射性等理論的逐步出現，使得人們又開始懷疑自己之前所熟悉的經典力學理論。新舊理論之間產生了巨大沖突。物理學家對于沖突的解決，衍生出來20世紀近代物理學的兩大理論的形成，即量子力學和相對論。新的理論并沒有否定經典力學的指導作用，而對于其應用的范圍開始有了界定。這便是牛頓第一定律的局限性。

1.牛頓第一定律的概況

英國科學家牛頓在經過長期的研究之后于1687年在他的書《自然哲學的教學原理》中提出了一套完善的關于經典力學的科學體系。這套偉大的理論對于物體不受力時的狀態做了詳盡描述：靜止或勻速直線運動。當然牛頓第一定律中關于其運用最多，影響最廣泛的就是其慣性定律。慣性的大小僅取決于其自身質量。慣性在生活以及科學研究中不可避免，牛頓對它的解釋為我們的生活和科學研究提供了正確的理論指導。

2.牛頓第一定律應用的局限性分析

牛頓定律的影響是深遠的，不過，隨著文明的進步科學的發展，以及20世紀相對論和量子力學的出現，牛頓定律的偉大地位受到了撼動，而進一步的研究發現，其應用存有一定的局限性，具體描述如下：

2.1牛頓定律的應用需要在一定速率范圍內

之所以會受到限制，主要是另一套理論的影響作用，相對力學理論。它們二者結合可以解釋機械運動的機理。正是由于愛因斯坦的狹義相對論的被證實，科學家們發現，物理上存在需要時間間隔傳遞的超距離作用。任何信息的傳遞都是需要時間的。時間的流失和空間間隔的測量不是絕對的，它是受到慣性系間的相對速度影響的，同樣也包括物體的質量的變化，它會隨著速率的不同而發生變化的。狹義相對論雖然提出了自然界不存有絕對的時空觀念，但是，它提出當物體速率遠遠小于真空光速的時候后，牛頓的經典力學理論依然可以對物體的運動做出十分精準的解釋。在日常生活之中，絕大多數的運動都是低速的，所以，牛頓第一定律在日常生活中還是有很大的應用的。若物體的運動接近光速的時候，牛頓第一定律就無法做出準確解釋了，這時就需要借助相對力學理論進行解釋，這也就是牛頓第一定律應用的局限性體現之處。

2.2牛頓第一定律對于量子現象解釋的局限性

20世紀初，隨著人們對于黑體輻射和光電效應以及源自穩定性的研究的逐步開展，科學家們便發現很多研究現象和經典物理學結論是相違背的。經典物理學的理論基礎恰恰是牛頓研究的力學理論。經典物理學對于物體微觀結構的穩定性和能量變化的不連續性的研究出現了瓶頸。薛丁格和海森堡的量子力學理論對該現象做出了比較合理的解釋。同經典力學發生違背的現象：經典力學中認為粒子性和波動性是兩個不同的物理性質，而量子現象中實物粒子同時表現出了粒子性和波動性，只不過兩種性質在不同條件下反應的程度不同，但是，它們是同時表現的。還有，量子力學中粒子的能量和角動量的值只能是某個量值的整數倍，出現了數值取立的相對獨立性，但是，經典物理學中認為其取值是連續的。還有就是，經典力學理論認為粒子具有確定的坐標和位置，同時可以確定其動量，因此便可以確定其運動軌跡，但是，在量子力學研究中發現，速度和坐標是不能夠同時確定的，只能確定大概的區域，從而量子運動軌跡只有概率意義。雖然量子理論的研究對于經典力學的沖擊是十分之大，但是，經典力學對于微觀粒子的研究仍然有很強的指導意義。

2.3牛頓第一定律提出的參考系的應用

牛頓在研究物體運動的時候，提出了一個特殊的參考系，即“不受其它物體作用力”，這就是物體繼續保持靜止或勻速直線運動的前提條件。牛頓第一定律通過不受外界作用的物體的運動狀態來定義慣性參考系，從而為整個力學和物理學的研究提供很好的基礎。慣性系便是牛頓在其《原理》中所提到的“絕對空間”。按照牛頓所設想的絕對空間，宇宙是不動的中心。今天看來，這是受到否定的。但是若放在當時的歷史環境背景下，牛頓既要對他所討論的運動引入絕對空間概念，又要結合伽利略的相對性原理，提出這樣的“絕對空間”的概念是很困難的，也是可以理解的。他將運動定律適用的參考體系又之前的“絕對”抽象的概念，轉化為了一個有很多供選擇的條件的一個體系，這也是一項很大的突破。在那樣一個時代，這樣的理論是思維能力和創造能力的提升的唯一通路。當然，提這樣的理論為后世的研究提供了絕對有利的研究基礎。

3.結論

總而言之，盡管牛頓第一定律在近代以及現代的物理學研究應用中有一定的局限性，但是，這些局限性的出現，也是建立在對牛頓定律的不斷應用中所產生和獲得的。因此，牛頓定律對于物理學的研究的作用是毋庸置疑的。當然，除了理論研究上的應用，慣性定律在日常生活中的應用也是很廣泛的，它對于日常生活的一些現象給予了正確的解釋，同時為我們的生產生活打來了極大便利。

參考文獻：

[1]章鵬.非慣性參照系中的動量定理和動量守恒定律[J].重慶建筑大學學報，1994 （1）.