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惯性定律的建立过程 湖北省枣阳市兴隆二中 谢江涛 胡 丽 惯性是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态的属性。人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律的建立，而它则依靠于对于力的认识以及区分运动状态和运动状态改变的认识，这一点在人类熟悉发展史上经历了漫长的岁月。 一、亚里士多德的学说和贡献 在人类思想史上，两千多年前希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起过广泛的影响，然而他关于物理学的论述，许多都是错误的。他把物体的运动分为自然运动和强制运动。他认为圆周是完善的几何图形，圆周运动对于所有星体都是天然的，因而是自然运动；另外，地球上的物体都具有其天然位置，重物趋于向下，轻物趋于向上，假如没有其他物体阻碍，物体力图回到天然位置的运动也是自然运动；其他所有形式的运动则都是强制运动。他还进而指出，关于物体的强制运动，只有在外力的不断作用下才能发生；当外力的作用停止时，运动也立即停止。从这里可以看出亚里士多德肯定了两点：一，自然运动不涉及曳力的问题，只有强制运动才存在力的问题；二、力是物体强制运动的原因。从今天来看，这显然是错误的，然而它束缚了人们近两千年。 亚里士多德对运动和力的认识是：力是维持物体运动的原因，有力就有运动，没有力就没有运动。虽然现在我们知道这是一个错误的观点，但亚里士多德在动力学方面给我们的最大贡献是：他第一次提出了力与运动间存在关系的论点。不是有一句话吗？不怕做不到，就怕想不到。亚里士多德想到了力与运动之间应该存在关系，这就是他对动力学的贡献。 二、伽利略的学说和贡献 伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。他对于亚里士多德关于物体运动的粗糙的日常观察、抽象的猜测玄想和想当然的思辨推理十分不满，他通过科学实验和科学推理得到许多正确的结果，总结在他的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和运动两门新科学的对话》。伽利略在研究物体在斜面上的运动时，发现当球从一个斜面上滑下来又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度与从第一个斜面上开始滑下来时的高度几乎相等。于是伽利略断定高度上的这点微小差别是由于摩擦而产生的，如果能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。然后，他进行了推想：在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜角多么小，即使放平了，小球也“想”运动到原来的高度，于是只好永远运动下去了。 通过这个推想，伽利略意识到即使没有力物体也可以运动。但当他把这个观点给别人讲解并试图让别人接受时，却遇到了阻力，毕竟亚里士多德的观点早已经深入人心。于是，伽利略设计了众所周知的斜面滚球理想实验。也就是说，他是为了让别人信服自己的想法，才设计了这个实验，实验过程如下： 第一步：从斜面一侧由静止滚下的小球，若没有任何摩擦，在另一侧斜面上将达到原来的高度。这是一个大家都能够接受的事实，可以把它当做一个公理； 第二步：还是没有摩擦，把另一侧斜面近似放平，为了达到原来的高度，小球将经过更长的距离。这也是经过推理大家都能接受的一个结论； 第三步：如果将另一侧斜面完全放平，贴着地面，物体将如何？ 被提问的人肯定在前两步的基础上得出：小球为了回到原来的高度，将永远运动下去。 到这里，伽利略的观点才被别人“不得不”接受。但接下来伽利略错误地认为，由于小球将沿着这个贴着地面的轨道永远运动下去，而地球是球形，因此，它将绕地球一周之后再回到水平面上的出发点。 伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他熟悉到不受其他物体的作用，物体可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有摆脱亚里士多德的影响，他所说的水平面是和地球同心的球面，也就是说，那种不受其他物体作用的物体的永恒运动是圆周运动，因此我们还不能说伽略发现了惯性定律。 伽利略的贡献在于他提出了摩擦是影响物体运动的原因，没有摩擦物体将在水平面上永远运动的观点。更重要的是他认识到要验证一个结论是不是正确可以通过实验的方法来进行。他第一个走出“直观观察就能得出结论”的误区，提出了依靠实验来验证自己观点的科学研究方法。 三、笛卡尔的学说和贡献 最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛卡儿是唯理论哲学家，他试图建立起整个宇宙在内的各种自然现象都能从基本原理中推演出来的体系，惯性定律就是他的体系中的一条基本原理。他在他的《哲学原理》一书中把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。 笛卡儿首先提出任何改变都是有原因的，物体要改变运动状态，就必须有外力的影响，没有外力的影响，物体就保持直线运动或静止状态。注意，此时笛卡儿的观点已经前进了一大步，他意识到：力是改变物体运动状态的原因。他还从他数学家的角度理解了伽利略所认为的小球将沿地球表面最后再回到水平面上出发点的结论是错误的。因为在不受外力的情况下，物体只能做直线运动，而不可能做曲线运动。 笛卡儿的贡献在于他第一个认识到力是改变物体运动状态的原因。 四、牛顿惯性定律的建立 牛顿1661年进入剑桥大学学习亚里士多德的运动论，1664年他从事力学的研究，摆脱了亚里士多德的影响。他继续了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，他也继续了笛卡儿的研究成果。他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，澄清了动量概念和力的概念。1687年出版著作《自然哲学的数学原理》，以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上的力学和地上的力学统一起来的力学体系。惯性定律就是牛顿第一定律，表述为“所有物体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它的力迫使它改变这种状态。”惯性定律真正成为力学理论的出发点。 牛顿非常谦虚，他认为自己之所以总结出牛顿第一定律是因为站在巨人肩膀上的缘故。这虽有一定道理，但掩盖不了他的贡献：他将对力与运动关系的探究在前面两位的基础上更进了一步。他认为保持匀速直线运动状态和静止状态是所有物体的固有属性（就是惯性），直到有外力的作用，它才会改变这种状态。 牛顿的贡献在于他提出了保持匀速直线运动状态和静止状态是物体的固有属性的观点，以及从中得出的惯性参照系的概念。 根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态的属性，这种属性称为惯性。不仅静止的物体具有惯性，运动的物体也具有惯性；物体惯性的大小用其质量大小来衡量。至此，人们对于物体惯性的认识达到第一阶段比较完善的程度。从此，人们对于运动中的种种惯性现象都能很好地理解；在实际中设计出种种利用惯性造福和防止惯性伤害的措施。 (责任编辑：admin) |