牛顿第一定律的建立过程
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牛顿第一定律的建立过程
一、亚里士多德的运动观念
力与运动的关系问题，很早以前，
就是人们关注的焦
点．古希腊最伟大的哲学家和科学家亚里士多德对力与运动
的关系问题作过许多探讨．亚里士多德把运动分为自然运动
和受迫运动，他
认为自然运动不需要力的推动，而受迫运动
需要作用力的推动．作用力是产生受迫运动的
原因，作用力
的本质就是抵抗，
克服物体趋向其自然位置的本性
．
他认为，
要使物体不断地作受迫运动，就要使外力不断作用于
物体，
不断地同物体保持直接接触．一旦这种作用停止了，直接接
触中断了，物体的运动也就随之停止，所以在他看来物体本
身不能维持运动．
亚里士多德用他的运动观念解释了我们扔石头，石头离开手
后为何还会运动一段距离．他认为，在这种状况下，石头后
面的空气同石头
保持着接触，当石头在手的推动下离开手的
一瞬间，石头原来占据的位置就成了虚空，而
大自然是厌恶
真空的，所以周围的空气就立即填补了这个空间，对石头形
成了一种冲力，使它又能向前移动一个位置．依此类推，石
头离开手后就能继续
移动一段距离．亚里士多德对自由落体
运动的解释，他认为是由于重量而使物体下落，而
物体之所
以有重量，是因为包含水元素特别是土元素的缘故．物体所
含土元素越多就越重，它趋向其自然位置
——
地心的要求就
越强烈，由此他得出一个重要结论
：物体下落速度同它的重
量成正比．他继而引用马拉车，认为为了在一条平坦的路上
拉车，马需要不断地用力，因此，沿直线以恒定速度运动的
物体（如
马车）应当受外力作用．
总之，亚里士多德在力与物体运动关
系的问题上做出了不少
错误的结论．即认为：受力运动与物体本质无关，取决于外
力的作用，
“
运动者皆有推动者推动
”
，
“
在受力时，
力既是产
生运动，又是维持运动的原因
”“
沿直线以恒定速度运动的物
体应当受外力的作用
”
等．
由于亚里士多德的威望和影响，
他
的一些错误结论被当作信条，统治了人们近二千年的历史，
< br>直到十七世纪，人们才逐步形成正确的概念，其中伽利略做
出了重要贡献．
二、伽利略提出惯性原理
伽利略早在比萨大学读书时就指出
：亚里士多德生活在
近二千年前，现在世界已发生了很大的变化．亚里士多德没
有离开过地中海领域，而现在人们已完成了环球旅行．亚里
士多德只了解
世界上的一个小角落，他不可能永远正确而不
犯错误．伽利略十分重视运动学的研究，并
努力建立一门新
科学．他写道：
“
在自
然中，最古老的课题莫过于运动．
尽管
哲学家们对此写出了内容
庞杂的著作，我却发现运动的某些
性质仍是值得探讨的．
”
伽利略在批评亚里士多德运动观念的
同时，提出了自己的力学观点．
他在研究自由落体运动时，
设计了
一个著名的斜面实验：他在一个板条上刻出一条直
槽，贴上羊皮纸使之平滑，让一个光滑
的黄铜小球沿直槽下
滚，并用水钟测定下落时间，伽利略在斜面成不同的倾斜角
和铜球滚动不同距离的情况下作了上百次测定，从而证明了
落体
“
所经过的各种距离总是同所用时间的平方成正比
”
的自
由落体定律．
在此基础上，<
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伽利略进一步提出了
“
等末速度假
设
”
即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同
斜面从同一高
度下落，到达末端时具有相同的速度．伽利略进一步用单摆
摆球的等高性实验作了检验．如图：拉至
AB
放开的摆
球会
升到对面同一水平高度上，如果在
E
或
F
处钉上小钉子，摆
球仍然沿不同
的圆弧上升到同一水平高度的各点．反过来，
如果让摆球从这些点下落，它同样会升到原
水平高度的
B
点．这说明，沿不同倾斜度的斜面（不同弧线）下
落，其末
速度是相等的．根据这个假设，伽利略推出了自由落体运动
是作匀加速直线运动的结论．
“
等末速度假设
”
和单摆摆球的等高性实验，把伽利略引向理
想斜面实验，如图让小球从第一个光滑斜面
AB
滚下，再爬
上第二个光滑斜面
BC
，则当小球在第二个斜面上爬到一定
高度，就停止上爬再度滚下．上爬到的这个高度（<
/p>
C
点）刚
好等于小球在第一个斜面上开始
滚下的出发点（
A
点）的高
度．如果从
AB
斜面滚下的小球沿
BD
、
BE
等斜面上爬，会
得
到相同的结果．而这一切都同两个斜面的夹角无关．于是
<
/p>
伽利略推想，如果第二个斜面的倾角等于零，也就是说它是
一个光
滑的平面
BF
，如果不考虑摩擦与空气阻力的作用，
那么小球从第一个斜面滚下以后，它在第二个斜面（平面）
上就永远达不到
它原来出发时的高度，那它将永远滚动下
去．在《关于两门新科学的对话》中，伽利略写
到：
“
我们可
进而指出，任何速度一旦
施加给一个运动着的物体，只要除
去加速或减速的外因，此速度可保持不变，不过，这是
只能
在水平面上发生的一种情形．因为在向下倾斜的平面上已经
存在一加速因素；而在向上倾斜的平面上则有一减速因
素．由此可见，在水平面上的运动
是永久的．因为，如果速
度是匀速的，
它就不能减小或缓慢下来
，
更不会停止．
”
伽利
略在这里基本上明确地提出了惯性原理．但伽利略在惯性原
理中，所考虑的平面
仅是地球表面上的
“
水平面
”
，伽利略本
人也认识到，他的惯性原理只在极限意义下才正确，因为一<
/p>
真正的水平面必然与地表面相切，因而如果延伸得足够远，
一定看
得出它是向高处走而沿着它向外运动的物体最终会
慢下来．而且伽利略的惯性原理仅限于
地球上，并没有把它
用于宇宙间使之成为普遍适用的定律．所以，伽利略的惯性
原理存在着很大的局限性．
针对伽利略惯性原
理的局限性，笛卡儿作了补充．笛卡儿克
服了伽利略所认为的绕地球的圆周运动也是惯性
运动的结
论．明确指出，作惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线