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牛頓第一定律的認識
牛頓第一定律的認識
[摘要]本文澄清了對牛頓第一定律的一些模糊認識，指出了它在牛頓運動定律中的地位和作用。
[關鍵詞]牛頓第一定律 力 慣性系
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Ⅲ：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代的地位和作用：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，是對古代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。
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，進而認為可以取代第一定律的認識，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。
[參考文獻]
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[4]漆安慎，杜嬋英.力學，上冊.高等教育出版社，1997，1版222.
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