2018年高中物理 第四章 牛顿运动定律 4.5 牛顿第三定律 牛顿运动定律素材 新人教版必修1.docVIP

牛顿运动定律 牛顿运动定律是经典力学理论体系的基础 虽然和其他物理定律一样，都可以由实验得出，但牛顿运动定律不同于一般的物理定律。以牛顿运动定律为出发点，可以演绎出全部经典力学理论。因此牛顿提出的三个运动定律类似于数学上的公理或公设，是整个理论系统的基础。数学上的公理是永远无法证明的（或者说是无须证明的），牛顿定律也是无法证明的，只能从大量的事实（实验）中归纳出来。这一点上，牛顿运动定律相当于“相对论”的两个假设。两者的区别是，牛顿三定律还可以用实验来验证，而相对论的假设则更接近于主观臆断，几乎无法验证，至少不能直接验证（其实牛顿第一定律也是无法直接验证的）。 鉴于此，个人认为，作为基本原理的物理定律和其他的物理定律（比如动量守恒定律、机械能守恒定律），应该在称谓上有个区别。比如可以把牛顿运动定律叫做牛顿运动原理或牛顿运动公理。 这些原理或公理是无法证明的，因此必须以实验事实作为其坚实的基础。检验这些基本原理或公理是否正确，可以通过两条途径。第一条途径直接检验，即用可重复的实验来验证。第二条途径是间接检验，即验证由这些原理演绎出来的理论（推论），是否符合客观事实。如果推论都是经得起事实检验的，则说明原来的假设也是成立的。 ? 新旧教材在这一章上无甚改动（实在也无法改动），故本文对教材不作评述，而试对几个相关问题，谈一点个人见解。 一、牛顿第一定律是牛顿第二定律的前提和基础 这个问题，很多人（包括老师）都不甚理解。有人认为牛顿第一定律只是牛顿第二定律的一种特例，即合外力为零的情况下，加速度为零。这样的话，牛顿第一定律似乎是可有可无的。 要回答这个问题，我们要知道牛顿为什么要提出三定律。牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出三个运动定律的直接原因，是要借此去证明万有引力的存在，推导万有引力定律。因此，牛顿三定律是作为运动学的基本原理提出来的，是试图描述自然界（机械运动）的本质。 物体作机械运动的本质，涉及到两个问题，一是物体的运动学本性，二是力对物体运动的作用。牛顿第一定律正是解答了这两个问题：物体的本性（本质属性），是要保持原有的运动状态，力的作用是改变物体的运动状态。 牛顿观点和亚里士多德观点的区别，正在于对物体的运动学本性认识的不同。在亚里士多德看来，物体的本性是静止，而力的作用是使物体运动。因此他才有物体受力就运动，不受力就静止的观点。而牛顿在总结前人研究成果的基础上，提出了物体的运动学本性，是保持原有的运动状态，而不是保持静止。 牛顿三定律中，第一定律描述的是物质在运动学上最根本性的性质，是关于运动问题的终极原因。所以说，牛顿第一定律是基础，是整个牛顿力学体系的前提。而牛顿第二定律，是对力究竟怎样改变物体运动状态的一个定量表达。 我们可以把牛顿第一定律当作“为什么合外力为零时，物体加速度就等于零？”这个问题的答案。即如果我们要追问，为什么物体在不受力（或合外力为零）的情况下，物体要保持静止状态或匀速直线运动状态，牛顿的回答是，这是因为物体有惯性。如果我们再追问，物体为什么会有惯性，牛顿只能回答，这是物体的本性。当然，这不是一个令人满意的回答，而实际上，这个问题是没有答案的。所谓本性，即本质属性，就是物体本来就是如此的一种性质，是我们已经无法找到另外原因的一种性质，是我们所能找到的终极原因。 对于本性，我们已经不能再问为什么了，问了也没有答案。 ? 实际上，牛顿第一定律是无法直接验证的，因为存在于我们这个宇宙的任何一个地方的物体，都不可能不受到力的作用（至少受到万有引力），事实上连合力为零都做不到。虽然事实上人们做不到让一个物体完全不受力，但经过几代人的探索（主要是伽利略的功劳），最终还是发现了物体的这一本性，这正是人类思维的妙处。正如爱因斯坦所说，这个世界最难于理解的，是它竟然是能被理解。 ? 为什么需要牛顿第三定律？ 牛顿第三定律似乎跟前面两个定律没有关系，其实有人认为这个定律并不需要。 其实不然，牛顿第三定律至少有两个作用。 一、明确了“力”的概念。第一定律、第二定律所讲的“力”，在第三定律中给出了明确的界定。 二、如果只有第一、第二定律，我们永远只能对一个孤立的物体进行分析。有了第三定律，才能够由此及彼，推演出整个宇宙的运动图景。 从万有引力定律的推导也可以看出，牛顿第三定律是必不可少的。 ? 总结： 牛顿第一定律和第三定律可以说是并列的关系，是牛顿力学体系的基础。而牛顿第二定律只是对牛顿第一定律的部分内容的一个定量表达。 如果说牛顿力学体系存在问题，那么问题最有可能出在第一定律和第三定律。当然，第一定律如果出了问题，那第二定律也是不能成立的。现在看来，第一定律是有问题的，而第三定律似乎没有问题。 个人认为。牛顿第一定律的最大问题在于，没有用物理学的方法来定义直线。匀速直线运动的直线，仅是数学上的直线。而数学上的直线只