牛頓第一運動定律

牛頓第一運動定律，簡稱牛頓第一定律。又稱慣性定律、惰性定律。常見的完整表述：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。

英國物理學家艾薩克·牛頓於1687年，在巨著《自然哲學的數學原理》里，提出了牛頓運動定律，牛頓第一運動定律就是其中一條定律。

牛頓第一定律與牛頓第二、第三定律構成了牛頓力學的完整體系。

牛頓第一定律給出了慣性系的概念，第二、第三定律以及由牛頓運動定律建立起來的質點力學體系只對慣性系成立。因此，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。

基本介紹

• 中文名：牛頓第一運動定律
• 外文名：Newton's First law of Motion
• 別稱：慣性定律、惰性定律
• 表達式：∑Fi=0→dv/dt=0
• 提出者：艾薩克·牛頓
• 提出時間：1687年
• 套用學科：物理
• 適用領域範圍：力和運動狀態的關係、初等物理
• 適用領域範圍：力學
• 主要研究著作：《自然哲學的數學原理》

定律定義

牛頓在《自然哲學的數學原理》中的原始表述是：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀態，直到外力迫使它改變運動狀態為止。該表述在人教版、粵教版高中物理教材中被引用。

用數學公式表示為： ，其中 為合力，v為速度，t為時間。

魯教版高中物理教材中的表述是：牛頓第一定律表明，當合外力為零時，原來靜止的物體將繼續保持靜止狀態，原來運動的物體則將繼續以原來的速度做勻速直線運動。合外力為零包括兩種情況：一種是物體受到的所有外力相互抵消，合外力為零；另一種是物體不受外力的作用。有的專家學者認為這種表述方式並不嚴謹，所以通常採用原始表述。

演繹過程

伽利略研究運動學的方法是把實驗和數學結合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實驗檢驗。他對光滑斜面的推論是通過實驗觀察，並推論得到的。但是這個完全光滑的斜面在現實中不存在，因為無法將摩擦力完全消除，因此理想斜面實驗屬於伽利略的邏輯推理部分。

伽利略對光滑斜面的推論

現實中，當一個球沿斜面向下滾時，它的速度增大，而向上滾時，它的速度減小。

由此伽利略推論，當球沿水平面滾動時，它的速度應不增不減。實際上他發現，球愈來愈慢，最後停下來。伽利略認為，這並非是它的“自然本性”，而是由於摩擦阻力的緣故，因為他同樣還觀察到，表面愈光滑，球便會滾得愈遠。

於是他推論，若沒有摩擦阻力，球將永遠滾下去。

伽利略的理想斜面實驗

伽利略的理想斜面實驗

伽利略的理想斜面實驗實驗如圖所示，讓小球沿一個光滑斜面從靜止狀態開始下滾，小球將滾上另一個斜面，達到與原來差不多的高度然後再下滾。他推論，只是因為摩擦力，球才沒能達到原來的高度。然後，他減小後一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍達到同一高度，但這時它要滾得遠些。繼續減小第二個斜面的傾角，球達到同一高度就會滾得更遠。

於是他對斜面平放時的情況進行研究，結論顯然是球將永遠滾下去。這就是說，力不是維持物體的運動即維持物體的速度的原因，而恰恰是改變物體運動狀態即改變物體速度的原因。因此，一旦物體具有某一速度，如果它不受力，就將以這一速度勻速直線地運動下去。

適用範圍

牛頓第一定律只適用於慣性參考系。在質點不受外力作用時，能夠判斷出質點靜止或作勻速直線運動的參考系一定是慣性參考系，因此只有在慣性參考系中牛頓第一運動定律才適用。

牛頓第一定律在非慣性參考系（即有加速度的系統）中不適用，因為不受外力的物體，在該參考系中也可能具有加速度，這與牛頓第一定律相悖。

當牛頓第一定律不成立時，即非慣性系中，要用非慣性系中的力學方程 求解力學問題。式中 為在慣性系中測得的物體受的合力， 為在非慣性系中測得的慣性力, 為非慣性系統的加速度。

獨立性

牛頓第一定律是完全獨立的基本定律，它的獨立性表現在：

1. 確定了慣性參考系並引出了邏輯循環論證，這是公理體系的表現，任何學科的第一命題都要具有此特性。
2. 指出了任何物體都具有慣性，建立的慣性概念。
3. 它的否命題揭示出力的概念，力是物體對物體的作用，力使物體的運動狀態發生變化。
4. 是牛頓第二定律的基礎，首先，牛頓第一定律為第二定律準備了概念（力、慣性質量、慣性系）並定性闡明力和運動的關係；其次，第一定律主要說明物體不受外力作用時的運動狀態。不受外力作用和物體所受外力矢量和為零不是一碼事，因此不能把牛頓第一定律當成牛頓第二定律在F=0時的特殊情況。
   綜上所述，牛頓第一定律是完全獨立的基本定律，用其解決的問題，別任何規律都無法解決，第二、第三定律根本不能取代第一定律。

發展簡史

公元前5世紀的德謨克利特、伊壁鳩魯認為：“當原子在虛空里被帶向前進而沒有東西與他們碰撞時，它們一定以相等的速度運動。”這只是猜測或推想的結果。

公元前4世紀，希臘的哲學家亞里士多德指出：力是維持物體運動的原因，有力就有運動，沒有力就沒有運動。雖然這是一個錯誤的觀點，但他第一次提出了力與運動間存在關係的論點，這就是他對動力學的貢獻。

6世紀希臘學者菲洛彭諾斯對亞里士多德的運動學說持批判態度。他認為拋體本身具有某種動力，推動物體前進，直到耗盡才趨於停止，這種看法後來發展為“衝力理論”。

14世紀，以布里丹、阿爾伯特、奧里斯姆等人提出“衝力理論”，他們認為：“推動者在推動一物體運動時，便對它施加某種衝力或某種動力，速度越大，衝力越大，衝力耗盡時，物體停止下來。”這為伽利略和牛頓開闢了道路。

17世紀，伽利略，在自己的著作中多次提出類似於慣性原理的說法。他分別於1632年和1638年，在《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關於力學和運動兩種新科學的談話》（簡稱《兩門新科學》）中記錄了他的理想斜面實驗，並推想得到結論：“假設物體沿光滑斜面落下，並沿著另一斜面向上運動，則物體不受斜面傾角的影響仍將達到和原來同樣的高度，只是需要的時間不同而已。”伽利略得到的結論，打破了自亞里士多德以來一千多年間關於受力運動的物體，當外力停止作用時便歸於靜止的陳舊觀念。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進了一大步，這已經很接近慣性定律，但是伽利略還沒有擺脫亞里士多德的影響，還不能說伽略發現了慣性定律。

1644年，笛卡爾在他的《哲學原理》一書中彌補了伽利略的不足。他明確地指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠保持其靜止或運動狀態，並且還特地聲明，慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動，而只保持在直線上運動。他把這條基本原理表述為兩條定律：一、每一單獨的物質微粒將繼續保持同一狀態，直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態為止；二、所有的運動，其本身都是沿直線的。然而笛卡兒沒有建立起他試圖建立的那種能演繹出各種自然現象的體系，其中許多是錯誤的，不過他的思想對牛頓的綜合產生了一定的影響。笛卡兒的貢獻在於他第一個認識到力是改變物體運動狀態的原因。

1687年，牛頓在笛卡爾、伽利略等人工作的基礎上，撰寫《自然哲學的數學原理》，擺脫舊觀念的束縛，把慣性定律作為第一原理正式提了出來：一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態為止。他提出了保持勻速直線運動狀態和靜止狀態是物體的固有屬性的觀點，以及從中得出的慣性參照系的概念。

定律影響

1.牛頓第一定律給出了一個沒有加速度的參考系——慣性系，使人們對物理問題的研究和物理量的測量有意義，從而使它成為整個力學甚至物理學的出發點。牛頓第二、第三定律以及由牛頓運動定律建立起來的質點力學體系，如動量定理、動量守恆定律、動能定理等，只對慣性系成立。

2.牛頓第一定律是其他原理的前提和基礎。第一定律中包含的基本概念，奠定了經典力學的概念基礎，從而使它處於理論系統中第一個原理的前提地位，這表現在：

（1）首次批駁了延續兩千多年的亞里士多德等人錯誤的力的概念，為確立正確的力的概念奠定了基礎。

（2）第一次科學地給出了力的定性定義（含力的本質和力的效果）。

（3）第一次提出了經典力學的幾個基本概念，為第二、第三定律以及由牛頓運動定律建立起來的質點力學體系原理奠定了概念基礎。