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牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律是牛頓力學(xué)的三大定理之一，也被稱為慣性定律或惰性定律。它指出，所有物體都會(huì)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它們改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。這意味著物體在沒有任何外力作用的情況下，將保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。這個(gè)定律在解釋和預(yù)測物體在力學(xué)方面的行為時(shí)非常有用，也是物理學(xué)和工程學(xué)的基礎(chǔ)之一。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律
牛頓力學(xué)三大定理之一
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，簡稱牛頓第一定律，又稱慣性定律、惰性定律。常見的表述為：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。
基本信息
中文名
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律
外文名
Newton's First law of Motion
別名
慣性定律
惰性定律
表達(dá)式
∑Fi=0→dv/dt=0
提出者
艾薩克·牛頓
提出時(shí)間
1687年
應(yīng)用學(xué)科
適用領(lǐng)域
力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系、初等物理、力學(xué)
主要研究著作
定律介紹
在牛頓的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的原始表述是：任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。該表述在我國人教版、粵教版高中物理教材中被引用。
該定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
在魯教版高中物理教材中，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的表述為：當(dāng)合外力為零時(shí)，原來靜止的物體將繼續(xù)保持靜止?fàn)顟B(tài)，原來運(yùn)動(dòng)的物體則將繼續(xù)以原來的速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)。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。
2019年人教版初中物理教材中，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的定義為：一切物體在沒有受到外力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
斜面實(shí)驗(yàn)
伽利略非常擅長把實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起，他研究運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法既注重邏輯推理，又依靠實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。他對光滑斜面的推論是通過實(shí)驗(yàn)觀察，并推論得到的。由于完全光滑的斜面在現(xiàn)實(shí)中是不存在，因此理想斜面實(shí)驗(yàn)屬于伽利略的邏輯推理部分。
1）光滑斜面的推論
現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)一個(gè)球沿斜面向下滾時(shí)，它的速度增大，而向上滾時(shí)，速度減小。
由此伽利略推論，當(dāng)球沿水平面滾動(dòng)時(shí)，它的速度應(yīng)不增不減。實(shí)際上他發(fā)現(xiàn)，球愈來愈慢，最后停下來。伽利略認(rèn)為，這并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的緣故，因?yàn)樗瑯舆€觀察到，表面愈光滑，球便會(huì)滾得愈遠(yuǎn)。于是他推論，若沒有摩擦阻力，球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。
2）理想的斜面實(shí)驗(yàn)
伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)如右圖所示，讓小球沿一個(gè)光滑斜面從靜止?fàn)顟B(tài)開始下滾，小球?qū)L上另一個(gè)斜面，達(dá)到與原來差不多的高度然后再下滾。他推論，只是因?yàn)槟Σ亮?，球才沒能達(dá)到原來的高度。然后，他減小后一斜面的傾角，小球在這個(gè)斜面上仍達(dá)到同一高度，但這時(shí)它要滾得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，球達(dá)到同一高度就會(huì)滾得更遠(yuǎn)。
于是他對斜面平放時(shí)的情況進(jìn)行研究，結(jié)論顯然是球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾下去。這就是說，力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。因此，一旦物體具有某一速度，如果不受力，它就將以這一速度勻速直線地運(yùn)動(dòng)下去。
適用范圍
牛頓第一定律只適用于慣性參考系。慣性參考系中，在質(zhì)點(diǎn)不受外力作用時(shí)，能夠判斷出質(zhì)點(diǎn)靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓第一定律在有加速度的非慣性參考系中是不適用，因?yàn)椴皇芡饬Φ奈矬w，在非慣性參考系中也可能具有加速度，這與牛頓第一定律相悖。
獨(dú)立性
牛頓第一定律是完全獨(dú)立的基本定律，它的獨(dú)立性表現(xiàn)在：1）確定了慣性參考系，并引出了邏輯循環(huán)論證，這是公理體系的表現(xiàn)，任何學(xué)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，建立了慣性的概念。3）它的否命題揭示了力的概念—力是物體對物體的作用，力使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。
牛頓第一定律是牛頓第二定律的基礎(chǔ)，首先，牛頓第一定律為第二定律準(zhǔn)備了概念（力、慣性質(zhì)量、慣性系）并定性闡明力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；其次，第一定律主要說明物體不受外力作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。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(dāng)成牛頓第二定律在
總之，牛頓第一定律是完全獨(dú)立的基本定律，它解決的問題，任何其它定律都無法解決，第二、第三定律不能取代第一定律。
發(fā)展簡史
公元前4世紀(jì)，希臘的哲學(xué)家亞里士多德指出：力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，有力就有運(yùn)動(dòng)，沒有力就沒有運(yùn)動(dòng)。雖然這是一個(gè)錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，但他第一次提出了力與運(yùn)動(dòng)間存在關(guān)系的論點(diǎn)，這就是他對動(dòng)力學(xué)的貢獻(xiàn)。
6世紀(jì)希臘學(xué)者菲洛彭諾斯對亞里士多德的運(yùn)動(dòng)學(xué)說提出批判，他認(rèn)為拋物體本身具有某種動(dòng)力，推動(dòng)物體前進(jìn)，直到耗盡才趨于停止，這種看法后來發(fā)展為“沖力理論”。
14世紀(jì)，布里丹、阿爾伯特、奧里斯姆等人提出“沖力理論”，他們認(rèn)為：“推動(dòng)者在推動(dòng)一物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，便對它施加某種沖力或某種動(dòng)力，速度越大，沖力越大，沖力耗盡時(shí)，物體停止下來?！边@為伽利略和牛頓的理論開辟了道路。
17世紀(jì)，伽利略，在自己的著作中多次提出類似于慣性原理的說法。他分別于1632年和1638年，在《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關(guān)于力學(xué)和運(yùn)動(dòng)兩種新科學(xué)的談話》（簡稱《兩門新科學(xué)》）中記錄了他的理想斜面實(shí)驗(yàn)，并推想得到結(jié)論：“假設(shè)物體沿光滑斜面落下，并沿著另一斜面向上運(yùn)動(dòng)，則物體不受斜面傾角的影響仍將達(dá)到和原來同樣的高度，只是需要的時(shí)間不同而已?！辟だ缘膶?shí)驗(yàn)結(jié)論，打破了自亞里士多德以來一千多年間關(guān)于受力運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)外力停止作用時(shí)便歸于靜止的陳舊觀念。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進(jìn)了一大步，這已經(jīng)很接近慣性定律，但是伽利略仍沒有擺脫亞里士多德的影響，還不能說伽利略發(fā)現(xiàn)了慣性定律。
1644年，笛卡爾在他的《哲學(xué)原理》一書中彌補(bǔ)了伽利略的不足。他明確指出，除非物體受到外因的作用，物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；他還特地聲明，慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)不會(huì)使自己趨向曲線運(yùn)動(dòng)，而只保持在直線上運(yùn)動(dòng)。他把這條基本原理表述為兩條定律：一、每一單獨(dú)的物質(zhì)微粒將繼續(xù)保持同一狀態(tài)，直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀態(tài)為止；二、所有的運(yùn)動(dòng)，其本身都是沿直線的。
1687年，牛頓在笛卡爾、伽利略等人工作的基礎(chǔ)上，撰寫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。他提出了保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)是物體的固有屬性的觀點(diǎn)，以及從中得出的慣性參照系的概念。
重要影響
1.牛頓第一定律給出了一個(gè)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了實(shí)際意義，從而使它成為整個(gè)力學(xué)甚至物理學(xué)的出發(fā)點(diǎn)。牛頓第二、第三定律以及由牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立起來的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系，如動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律、動(dòng)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(chǔ)。第一定律中包含的基本概念，奠定了經(jīng)典力學(xué)的概念基礎(chǔ)，從而使它處于理論系統(tǒng)中第一個(gè)原理的前提地位，這表現(xiàn)在：1）首次批駁了延續(xù)兩千多年的亞里士多德等人錯(cuò)誤的力的概念，為確立正確的力的概念奠定了基礎(chǔ)。2）第一次科學(xué)地給出了力的定性定義（含力的本質(zhì)和力的效果）。3）第一次提出了經(jīng)典力學(xué)的幾個(gè)基本概念，為第二、第三定律以及由牛頓運(yùn)動(dòng)定律建立起來的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系原理奠定了概念基礎(chǔ)。
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