“牛顿第一定律”相关的物理学史

“牛顿第一定律”相关的物理学史湖北省恩施高中陈恩谱在《牛顿第一定律》一节梳理物理学史时，很多老师由于对物理学史的生疏，导致读不懂教材，进而给学生讲解这段历史时，也是糊里糊涂的，笔者就此问题作一简单澄清，希望对各位有用。一、亚里士多德他提出了物体基于“本性”的“自然运动”和在外在作用（推、拉、提、举）下违逆物体本性的“受迫运动”概念。依其本性不同，他将物体分为三类：一类是地面上的物体，其本性是“好逸恶劳”，其自然运动是静止；一类是空中的物体，其本性是“回到家乡”——重的物体家在大地，轻的物体家在天上，其自然运动是重落轻升；一类是天体，其本性是神圣的，其自然运动就是最完美的最和谐的匀速圆周运动。物体要违逆本性做受迫运动，必须要外在作用来维持。——这就是高中课本中所说的：地面上的物体的运动需要“力”来维持，否则它就会停下来。但其实，亚里士多德并没有提出科学的“力”的概念，他使用的是推、拉、提、举等具体的人格化的词。二、伽利略伽利略敏锐的把握住了亚里士多德关于地面物体运动的错误之处是在于亚里士多德没有注意摩擦的影响。伽利略通过单斜面实验和双斜面实验指出，地面上的物体之所以会停下来，是因为物体受到了摩擦；如果没有摩擦等作用，地面上的物体会一直运动下去。伽利略为了解释物体一直运动下去的原因，提出了“惯性”的概念；伽利略指出，基于惯性，地面上的物体的“自然运动”是匀速运动。特别提醒，伽利略也没有提出“力”的概念，他用的是摩擦。但是，他第一次提出了“惯性”的概念。另一方面，伽利略通过落体运动的研究，指出了亚里士多德的另一个错误——空中的物体并不是重落轻升，而是下落一样快，伽利略借此实验提出了速度和加速度概念，指出所有落体运动的加速度相同；之所以重落轻升，是因为空气的作用。三、笛卡尔伽利略是意大利人，笛卡尔是法国人，伽利略是实验物理学家，笛卡尔是集大成的哲学家。笛卡尔了解同时代的伽利略的工作，他用他哲学家的敏锐眼光看到了伽利略工作的伟大意义，并对伽利略的结论进行了哲学式的推广：自然界一切物体都具有相同的本性——惯性，自然界一切物体基于惯性的自然运动都是匀速直线运动！笛卡尔把这一原则称之为他的自然哲学的第一定律，他认为第一定律是新物理学的基础。可以说，是伽利略打开了新物理学的大门，是笛卡尔开创了新物理学的理论基础。在此也要指出，笛卡尔也没有建立科学的力的概念。笛卡尔为物理学建立了一个描述运动多少的守恒量——动量mv。四、牛顿牛顿站在巨人们的肩膀上，用他欧氏几何的理论建构精神，建立起了他的运动定律体系；他建立的牛顿第一定律，巩固了笛卡尔关于自然界一切物体本性和自然运动的认知，并进一步创造了科学的“力”的概念——使物体违逆自然本性做变速运动（受迫运动）的原因，叫做力，即力是产生加速度的原因。牛顿的最大贡献，就是建立了力的概念，并以第二定律的形式，定量的给出了力的大小的定义——力的大小等于物体动量对时间的变化率，从而为新物理学奠定了坚实而便捷的理论分析基础。当然，牛顿第一定律建立力的概念，牛顿第二定律定量的定义了力的大小，但是这两个定律却没有揭示力的来源与本性，牛顿进一步建立了力的本性中的最通用原则——力的作用是相互的，即牛顿第三定律。牛顿据此研究了天体的运动，在开普勒行星运动定律的基础上，利用第二、第三定律，牛顿得出了物理学史上第一相互作用——万有引力的决定式，指出了质量作为力的一个来源的事实。开普勒的贡献是打破了天体做匀速圆周运动的神话，牛顿的贡献是将天上地下的物体统一了起来，它们本性一样，自然运动一样，受迫运动的规律也是一样的，宇宙万物都在牛顿运动定律的统治下运动。