——谈对牛顿第一定律的理解

我在给老师提出的备课建议中，讲了三层含义：第一，使自己明白；第二，使学生明白；第三，使学生容易明白。“使自己明白”是一个基础性的要求，反映了教师对学科知识的理解程度，是我们教学设计的起点。

牛顿第一定律是牛顿经典力学体系的一个重要组成部分，在备课的过程中，建议从以下几个方面加以理解：

1．力学的研究对象是什么？

力学是研究力和运动之间的关系的。力和运动之间存在什么样的关系呢？牛顿第一定律告诉我们：物体在不受外力的时候，它的运动要么是静止的、要么做匀速直线运动；牛顿第二定律告诉我们：物体在受到外力的时候，其状态将发生改变。这个状态包括形态和运动状态，也就是说会发生形变和使物体产生加速度。因为高中阶段的研究对象通常都是质点，其形态的改变不需要考虑，所以通常说的状态改变指的就是运动状态的改变。牛顿第三定律告诉我们：力的作用是相互的，一对相互作用的物体尽管作用力相同，由于物体自身的性质不同，因而会产生不同的作用效果。三个定律组合在一起，告诉了我们力和运动之间的具体关系。

2．物体不受外力时和受力平衡时有何差异？

对于实际的物体而言，不受外力时，不仅运动状态不变，而且其它的力学性质也应不变。而受力平衡时，只是运动状态不变，但是会发生相应的形变。

从物理规律的角度看，不受力的物体，一定处于匀速直线运动状态或静止状态，其运动遵循牛顿第一定律；受到平衡力作用的物体，虽然也处于匀速直线运动状态或静止状态，但这种运动状态的形成是由于物体的合外力为零、加速度为零导致的，是根据牛顿第二定律和运动学规律得到的结果，和牛顿第一定律所述的“处于匀速直线运动状态或静止状态”完全不是一回事。

3．牛顿第一定律能通过实验验证吗？

不能，因为自然界中不受力的物体是不存在的。这是一种理想情况下的运动规律，无法用实验来直接验证。对于这个规律，我们如果不能找到它的反例，即不能通过反证法说明它的缺陷，那就承认好了。

需要注意的是，伽利略有一个非常著名的理想实验，这个实验最终只说明了物体的运动不需要力来维持，这和牛顿第一定律所说的理想情况下的运动规律是两码事。

4．牛顿第一定律所描述的情况在自然界中并不存在，这个定律还有什么意义？

不受力的物体在自然界中确实是不存在的，但这并不说明牛顿第一定律就没有什么作用。牛顿第一定律的意义可以从以下三个方面加以理解：

第一，第一次给出了惯性的概念。惯性是物体的一种固有的属性，和密度、电阻……等一样，是物体本身所具有的。我们从物理学的角度来认识世界，就是要揭示自然界中事物的本质属性。从这个意义上说，牛顿第一定律的作用之一，就是告诉了我们自然界所有物体都具有的一种固有属性，意义重大。

第二，第一次给出了力的科学定义。力是什么？我们可能会不假思索地说，不就是物体对物体的作用吗？我问这个问题的时候，你做了回答，我们之间有了作用，这是力的作用吗？太阳照射到绿叶上，发生了光合作用，这是力的作用吗？将一片金属锌放到硫酸中，发生了明显的化学反应，这是力的作用吗？只要我们稍做思考，就会发现用“物体对物体的作用”来定义力，显然是不确切的。牛顿第一定律告诉我们，力是改变物体运动状态的原因，是使物体产生加速度的原因（前提是研究对象为质点，后面不再重复），这样的定义，逻辑关系清晰，作用的特征明确，显然比“物体对物体的作用”科学多了。

第三，我们先来做两个想象的实验。第一，将甲、乙两个物体从同一高度由静止同时释放，以甲为参照物看乙，乙静止不动，但却受到了一个重力的作用。物体的合外力不为零，为什么却静止不动？第二，在一个车厢中有一个表面光滑的小桌，上面放了一个苹果，所受的合外力显然为零。如果你坐在车中的座椅上对苹果进行观察，当车由静止开始启动时，会发现苹果在桌面上滑动了起来。为什么合外力为零的物体，会自发地相对你运动起来？这样的两个实验，用牛顿第二定律能方便解释吗？

上述的实验告诉我们，要研究力和运动的关系问题，参照系的选择是很重要的，在有的参照系下，物体的运动遵循牛顿运动定律，有的则不遵循。什么参照系下遵循呢？牛顿第一定律告诉我们，只有选择相对地面处于“匀速直线运动状态或静止状态”的物体为参照物，物体的运动才遵循牛顿运动定律。换句话说，牛顿第一定律给整个动力学体系选择了一个特定的参照系——惯性参照系，所有的此类问题，都是在这个参照系的前提下进行分析的。

我曾经问过很多学生，你们有没有利用过牛顿第一定律求解过问题？他们都摇着头说没有。如果我们理解了上述意义，就会发现，每一个运用牛顿运动定律求解的问题，都要选择参照系，都要应用牛顿第一定律。

由此可以明白，我们为什么把牛顿第一定律称之为整个经典力学体系的基石了。