牛顿运动三定律的物理意义和相互关系
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牛顿运动三定律的物理意义和相互关系
王礼祥
摘要
牛顿力学在经典物理中是成熟的典范，牛顿在《自然哲学的数学原
理》中用八个定义、四个注释、三个定律和六个推论建立了牛顿力学的公理化
体系，但
宏观物体运动遵循的牛顿力学也是一直争论不休并且不断发展和不断
完善的科学。最近《
物理通报》
2010
年第
5
期发表了《论接触体间牛顿第三定
律的可演绎性》断言牛顿第三定律不独立
可由第二定律推演得出，以及早先争
论的第一定律只是第二定律的特殊情况，第一定律中
存在逻辑循环，第一定律
不构成基础和独立的规律等等。于此，本文讨论牛顿运动三定律
的各自物理意
义（具体物理意义）与内在逻辑自洽一致性（相互关系）
< br>。
关键词
宏观经典物理学，宏观物体运动学，宏观物体动力学，牛顿运
动
三定律，公理化体系，物理意义，相互关系
中图分类号：
O301
文献标志码：
A
1
引言
牛顿力学由运动学和动力学组成，
运动学的根本任务是从现象上
解决物体
（质点）
的运
动的描述问题（
引入时间、空间、参考系、坐标系、质点、位置矢量、位移、速度和加速度
物理量）
，揭示特殊形式（直线、抛物线、圆„„）的运动遵循的基本规律；动力学从本质
上揭示运动产生的原因，指出运动是由物体惯性维持的（不是外力）
，力是
改变物体运动状
态的原因（即产生加速度的原因）
；加速度是联
系运动学与动力学的桥梁。动力学公理化体
系不断发展，但其基础也争论不休，在争鸣中
发展和完善；好多学者
[1][2][3][4][5][6]
对牛顿运动
三定律的基础（原始概述、第一性原理、定律物理意义相容性一致性整体性）
展开讨论，辩
明了一些是非但也引出了一些不必要的混乱，诸如《物理通报》
2010
年第
5
期发表了
《论
接触体间牛顿第三定律的可演绎性》断言牛顿第三定律不独立可由第二定律推演得出
„„。
据此，
我们从牛顿运动三定律的各自物理意义与内在逻辑
自洽一致性阐发一管之见，
供参考。
2
牛顿运动三定律的各自物理意义
牛顿运动三定律的各自物理意义是指三定律都有自己各自独立解决问题的范围和适用
的条件，
完全具有独立存在的价值，
三定律
各自的作用是不能互相替代的，
也不能用少于三
条定律的其它任
何规律取代牛顿运动三定律，
三定律是牛顿动力学公理化体系中最经济的公
理。
三定律互相支持、
包容并逻辑自洽一致地形成有
机整体，
构成经典力学的完整理论体系。
下面由牛顿运动三定律
的内容分析揭示物理意义。
2
．
1
牛顿第一定律的物理意义
牛顿第一定
律的内容是：
任何物体都保持静止或匀速直线运动状态，
直到其
他物体的作
用迫使它改变这种情况下状态为止。
从定律内容表述可见：
（
1
）
定律与运动有关，而物体（可简化为质点）的运动（机械运动）总是在时间和空
间中进行的，
运动的描述又是相对的，
因而必须在空
间中指明考察运动的参考系——惯性参
考系。第一定律确定了惯性系但引出了逻辑同一之
循环论证，正如爱因斯坦指出的：
“
惯性
原理的弱点在于它含有这样一种循环论证：如果一个物体离开别的物体都要足够远，那么
它运动起来就没有加速度；而只是由于它运动起来没有加速度这一事实，我们才知道它离
开别的物体是足够远的。„„究竟有没有惯性系呢？„„我们可以认为，惯性原理对于太
阳空间，在很高近似程度上是成立的。
”
[7]
简单说不受力作用的物体和物体保持静止或匀速
直线运动状态两者同一，
不能互相定义。
逻辑循环是公理体系的表现，
任何学科的第一命题
都要具有此特性，解决的办法是看由此导出的推论能否经得起大量
实践检验。
惯性系是牛顿运动定律在其中成立的参考系。李复
和高炳坤在《
“惯性系”考》中巧妙
选择了惯性系。
（
2
）
第一定律指出了任何物体都具有惯性
（物体保持原有运动状态不变的
性质——静
者恒静，动者恒动）
。物体的惯性使物体能保持静止
或匀速直线运动状态，惯性是物体固有
的反抗运动状态改变的能力，
是物体的固有属性；
即惯性反映了物体运动状态改变的难易程
度（惯性大的物体运动状态不容易改变，惯性小的物体容易改变运动状态）
，物体惯性
大小
用质量来定量量度（质量在的物体惯性大）
。运动不需要力
来维持，惯性是维持物体运动的
原因，第一定律建立了惯性概念。
（
3
）
牛顿第一定律描述的是物体在不受任何外力作用时的状态，
而自
然界中不受外力
作用的物体是不存在的，所以牛顿第一定律不能用实验来直接验证，它是
间接实验、思维、
推理和想象的产物；
第一定律定性地揭示了力
与运动的关系，
说明力的作用是改变物体运动
状态（运动状态指
物体的速度，
速度矢量不变状态不变，
速度矢量变化运动状态变
化）
的原
因，也就是产生加速度的原因。第一定律科学地定义了
力的概念，力是物体对物体的作用，
力使物体的运动状态发生改变。此乃第一定律之否命
题揭示出的事实。
（
4
）
牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础，
首先第一定
律为第二定律准备了概念
（力、
惯性质量、
惯性系）
并定性阐明力和运动的关系，
其次第一定律主要说
明物体不受外力作用
时的运动状态，
不受外力作用和物体所受外
力矢量和为零
（合力为零）
是不是一马事，
不能
把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在
F
=0
时的特殊情况，
F
=0<
/p>
肯定导出加速度
a=0
，但加速
度等于零的运动是什么运动第二定律不能回答，还是得由第一定律本身彻底阐明惯性运动
（静止或匀速直线运动）
。
< br>显然，
第一定律确实是完全独立的基本定律，
用其解决的
问题，
别的任何规律都无法解
决，第二、第三定律根本不能取代
第一定律。
2.2
牛顿第二定律的物理意义
牛顿第二定
律的内容：
物体的加速度跟所受外力成正比，
跟物体的质量成反
比，
加速度
的方向跟外力的方向相同。用公式表达是
由第二定律表述可知：
（
1
）牛顿第二定律定量阐明了力与运动的关系，具体说是力
、惯性质量和加速度的定
量关系。
牛顿第二定律揭示了物体质量
的惯性本质，
质量是物体惯性大小的定量量度，
物体
的质量越大物体的惯性就越大，
物体的质量是维持惯性运动的根本原因；<
/p>
力是改变物体运动
状态的原因，
即产生加
速度的原因，
力的作用产生加速度大小的难易程度取决于物体的惯性
质量。
定律进步表明：相同力作用于不同物体上，
质量大的
物体获得的加速度小，
质量小的
物体获得的加速大，
即加速度大小与质量成反比；
不同力作用于同一物体上，
< br>大力产生大的
加速度，即加速度大小与外力成正比。定律同时给出了力的独立作用
原理（叠加原理）
，即
当存在多个力共同作用在同一物体上时，
物体获得的加速度是每个力单独作用时产生的加速
度的矢量和，
这为解决复杂力作用产生的运动效果提供了保障，
能实现已知受
力情况求解全
部运动信息；
反之也可以由运动分析决定受力总效
果，
也即是复杂运动可以分解简单运动的
矢量叠加。
。
（
2
）牛顿第二定律具有瞬时性、矢量性和相对性。瞬时性是指物体上所受的力与力作
用产生的加速度之间存在瞬时对应关系，即
t
时刻的力与
t
时刻的加速度相应，力变加速度
也变，<
/p>
受力作用是原因产生加速度是结果，
第二定律存在因果关系。
矢量性是指力矢量的方
向决定加速度矢量的方向，
< br>即加速度的方向始终跟外力的方向一致，
瞬时性和矢量性都遵循