怎样理解牛顿第一定律

2022-09-10

惯性定律是牛顿物理学的基石, 在高中物理阶段有极其重要的地位, 因此理解和掌握惯性定律是学好力学的关键, 根据多年的教学经验, 我认为应从以下几方面来理解。

1 分析历史渊源, 站在实验的基础上建立正确观点

两千多年以前人们普遍接受亚里士多德的关于力和运动的观点, 即力是维持物体运动状态的原因, 主要有几个原因, 一方面, 亚里士多德是西方文化的奠基人, 研究成果广泛而丰富, 影响十分巨大, 另一方面, 他的观点又与人们的许多生活经验相一致 (一些是生活经验的精辟总结) 因此, 得以广泛接受, 可见这种错误观点的延续是有着历史局限性的。

而伽利略对这个问题的研究是站在理想实验的基础上, 理想实验的意义就在于它摒弃了那种单纯依靠思辨来研究的行为方式, 这样得出的结论就更加严谨和合理。

牛顿的总结则又是从物理上赋予了明确的内涵, 这种惯性和力的关系的提出是建立在实验和前人成功经验上的思想升华, 是对科学认识的有规律的深入。因此就得到了后人的肯定和历史的验证。

2 理解定律的内容和物理意义

2.1 内容

一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态, 直到有外力迫使它改变这种状态为止。

2.2 内容应从以下几个方面理解

(1) 牛顿第一定律说明了物体不受外力时的运动状态是匀速直线运动状态或静止状态 (力不是维持物体运动状态的原因) 。

(2) 一切物体都有保持匀速直线运动状态或静止状态的性质, 叫惯性 (一切物体的共性) 。

(3) 外力的作用是迫使物体改变运动状态 (力是改变物体运动状态的原因) 。以前, 人们普遍认为力是维持物体运动的原因, 表面这似乎是正确的。如桌子不推就不动, 树无风就不摇等。已经推动了的桌子, 一放手就停住了, 也好像都能说明这点, 其实我们的理解是不正确的, 仔细分析一下, 我们用力推桌子, 使桌子由静止变为运动, 桌子的运动状态发生过改变分析受力, 这时桌子的水平方向受两个力的作用, 推力和摩擦力, 当桌子向前运动时, 推力大于摩擦力, 合力向前, 而我们停止推它时, 桌子在水平方向没有了推力, 但摩擦力仍然存在合力方向向后, 因此, 我们使桌子由静止变为运动或运动变为静止, 两次状态的改变都是由于力的作用造成的, 当桌子不受力时, 就成了惯性定律所描述的状态, 因此力是改变物体运动状态的原因而不是维持物体运动状态的原因。

2.3 惯性的理解, 惯性是物体的固有属性, 与物体的受力情况及运动状态无关

(1) 物体的惯性大小表现在改变物体运动状态的难易。如用同样大的力改变一个篮球和一个铅球的状态, 显然篮球被抛出来获得的速度大, 就是说, 篮球的状态较容易改变, 篮球的惯性小;铅球被抛出来的速度较小, 也就是铅球的状态较难改变, 铅球的惯性较大。又如, 推一辆空车容易, 而推动一辆装满石头的车子就很费劲, 说明前者惯性小后者惯性大, 从这些实例得出, 物体惯性的大小和物体的质量有关, 既质量大的物体惯性大, 质量小的物体惯性小, 也就是说质量大的物体难改变它的状态, 质量小的物体改变它的状态较容易。

(2) 有人说:一辆汽车以100km/h的高速行驶和以20km/h的低速行驶, 前者较难停下来, 所以物体的速度越大惯性就越大, 粗看起来好像很有道理。

其实这是将两个不同的问题等同起来了, 一个是同一物体在不同的运动状态下停下来的难易程度问题, 另一个是改变同一物体的原有运动状态的难易程度问题, 从加速度角度考虑, 正因为对同一辆汽车来说在不同的运动状态下惯性相同, 要改变它原有运动状态难易程度一样, 才使得它高速行驶时不容易停下来。具体算一下, 若这辆车在1000N的力的制动下, 每秒钟的速度减少10km/h, 那么当汽车以20km/h行驶时, 1000牛的力使它停下来需要2秒钟;当它以100km/h的高速行驶时1000N的制动力仍然只能使它每秒钟减小10km/h的速度。因此要经过10秒钟才能停下来, 可见, 高速不容易停下来不是因为惯性大了而是运动状态变化大了, 同一时间运动状态的变化量不同。