慣性定理也叫牛頓第一定理_慣性定理的構建過程
慣性是指物體不受外力作用時,保持其原有運動狀態的屬性。人們對于慣性這一認識有賴于慣性定理的完善,而它則借助于對于力的認識以及分辨運動狀態和運動狀態改變的認識,這一點在人類熟悉發展史上經歷了漫長的時光。
一、亞里士多德的學說和貢獻
在人類思想史上,兩千多年前法國的哲學家亞里士多德的學說無疑地起過廣泛的影響,但是他關于數學學的闡述,許多都是錯誤的。他把物體的運動分為自然運動和強制運動。他覺得圓周是建立的幾何圖形牛頓第一定律最開始是誰,圓周運動對于所有恒星都是天然的,因此是自然運動;另外,月球上的物體都具有其天然位置,重物趨向向上,輕物趨向向下,如果沒有其他物體阻撓,物體力圖回到天然位置的運動也是自然運動;其他所有方式的運動則都是強制運動。他還因而強調,關于物體的強制運動,只有在外力的不斷作用下才會發生;當外力的作用停止時,運動也立刻停止。從這兒可以看出亞里士多德肯定了兩點:一,自然運動不涉及曳力的問題,只有強制運動才存在力的問題;二、力是物體強制運動的誘因。從昨天來看,這也許是錯誤的,但是它禁錮了人們近兩千年。
亞里士多德對運動和力的認識是:力是維持物體運動的緣由牛頓第一定律最開始是誰,有力就有運動,沒有力就沒有運動。即使如今我們曉得這是一個錯誤的觀點,但亞里士多德在動力學方面給我們的最大貢獻是:他第一次提出了力與運動間存在關系的論據。不是有一句話嗎?不怕做不到,就怕想不到。亞里士多德想到了力與運動之間應當存在關系,這就是他對動力學的貢獻。
二、伽利略的學說和貢獻
伽利略開創了實驗和理智思維相結合的近代化學研究方式,并用于研究物體的運動。他對于亞里士多德關于物體運動的粗糙的日常觀察、抽象的猜想玄想和輕率的思辨推理非常不滿,他通過科學實驗和科學推理得到許多正確的結果,總結在他的專著《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關于熱學和運動兩門新科學的對話》。伽利略在研究物體在斜面上的運動時,發覺當球從一個斜面上滑出來又滾上第二個斜面時,球在第二個斜面上所達到的高度與從第一個斜面上開始滑出來時的高度幾乎相等。于是伽利略判定高度上的這點微小差異是因為磨擦而形成的,倘若能將磨擦完全去除的話,高度將正好相等。之后,他進行了推論:在完全沒有磨擦的情況下,不管第二個斜面的傾斜角多么小,雖然放平了,小球也“想”運動到原先的高度,于是只得永遠運動下去了。
通過這個推論,伽利略意識到雖然沒有力物體也可以運動。但當他把這個觀點給他人講解并企圖讓他人接受時,卻遇見了阻力,雖然亞里士多德的觀點早早已深入人心。于是,伽利略設計了眾所周知的斜面滾球理想實驗。也就是說,他是為了讓他人信服自己的看法,才設計了這個實驗,實驗過程如下:
第一步:從斜面兩側由靜止滾下的小球,若沒有任何磨擦,在另左側斜面中將達到原先的高度。這是一個你們都還能接受的事實,可以把它當作一個公理;
第二步:還是沒有磨擦,把另左側斜面近似放平,為了達到原先的高度,小球將經過更長的距離。這也是經過推理你們都能接受的一個推論;
第三步:假如將另左側斜面完全放平,貼著地面,物體將怎樣?
被提問的人肯定在前兩步的基礎上得出:小球為了回到原先的高度,將永遠運動下去。
到這兒,伽利略的觀點才被他人“不得不”接受。但接出來伽利略錯誤地覺得,因為小球將順著這個貼著地面的軌道永遠運動下去,而月球是球狀,因而,它將繞月球一周以后再回到水平面上的出發點。
伽利略的思想無疑地比他的師姐前進了一大步,他熟悉到不受其他物體的作用,物體可以永恒地運動,這早已很接近慣性定理,而且伽利略還沒有甩掉亞里士多德的影響,他所說的水平面是和月球同心的球面,也就是說,那個不受其他物體作用的物體的永恒運動是圓周運動,因而我們還不能說伽略發覺了慣性定理。
伽利略的貢獻在于他提出了磨擦是影響物體運動的緣由,沒有磨擦物體將在水平面上永遠運動的觀點。更重要的是他認識到要驗證一個推論是不是正確可以通過實驗的方式來進行。他第一個走出“直觀觀察才能得出推論”的誤區,提出了借助實驗來驗證自己觀點的科學研究方式。
三、笛卡爾的學說和貢獻
最早清楚敘述慣性定理并把它作為原理加以確定的是笛卡兒。笛卡兒是唯理論哲學家,他企圖完善起整個宇宙在內的各類自然現象都能從基本原理中推演下來的體系,慣性定理就是他的體系中的一條基本原理。他在他的《哲學原理》一書中把這條基本原理敘述為兩條定理:一、每一單獨的物質微粒將繼續保持同一狀態,直至與其他微粒相撞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。但是笛卡兒沒有構建起他企圖完善的那個能詮釋出各類自然現象的體系,其中許多是錯誤的,不過他的思想對牛頓的綜合形成了一定的影響。
笛卡兒首先提出任何改變都是有誘因的,物體要改變運動狀態,就必須有外力的影響,沒有外力的影響,物體就保持直線運動或靜止狀態。注意,此時笛卡兒的觀點早已前進了一大步,他意識到:力是改變物體運動狀態的誘因。他還從他物理家的角度理解了伽利略所覺得的小球將沿月球表面最后再回到水平面上出發點的推論是錯誤的。由于在不受外力的情況下,物體只能做直線運動,而不可能做曲線運動。
笛卡兒的貢獻在于他第一個認識到力是改變物體運動狀態的誘因。
四、牛頓慣性定理的構建
牛頓1661年步入劍橋學院學習亞里士多德的運動論,1664年他從事熱學的研究,甩掉了亞里士多德的影響。他繼續了伽利略注重實驗和邏輯推理的研究方式,他也繼續了笛卡兒的研究成果。他深入地研究了碰撞問題、圓周運動以及行星運動等問題,澄清了動量概念和力的概念。1687年出版專著《自然哲學的物理原理》,以“定義”和“公理,即運動定理”為基礎構建起把天上的熱學和地上的熱學統一上去的熱學體系。慣性定理就是牛頓第一定理,敘述為“所有物體仍然保持靜止或勻速直線運動狀態,除非因為作用于它的力促使它改變這些狀態。”慣性定理真正成為熱學理論的出發點。
牛頓十分坦率,他覺得自己之所以總結出牛頓第一定理是由于站在巨人脖子上的緣故。這雖非一定道理,但掩藏不了他的貢獻:他將對力與運動關系的探究在后面兩位的基礎上更進了一步。他覺得保持勻速直線運動狀態和靜止狀態是所有物體的固有屬性(就是慣性),直至有外力的作用,它就會改變這些狀態。
牛頓的貢獻在于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。
依據慣性定理,物體具有保持原有運動狀態的屬性,這些屬性稱為慣性。除了靜止的物體具有慣性,運動的物體也具有慣性;物體慣性的大小用其質量大小來評判。至此,人們對于物體慣性的認識達到第一階段比較健全的程度。自此,人們對于運動中的種種慣性現象都能挺好地理解;在實際中設計出種種借助慣性惠及和避免慣性傷害的舉措。
慣性定理也叫牛頓第一定理_慣性定理的構建過程