牛頓第一定律:慣性定律-中文百科頻道

定律定義

牛頓在《自然哲學的數學原理》中的原始表述是：任何物體都要保持勻速直線運動或靜止狀态，直到外力迫使它改變運動狀态為止。該表述在人教版、粵教版高中物理教材中被引用。

用數學公式表示為：，其中為合力，v為速度，t為時間。

魯教版高中物理教材中的表述是：牛頓第一定律表明，當合外力為零時，原來靜止的物體将繼續保持靜止狀态，原來運動的物體則将繼續以原來的速度做勻速直線運動。合外力為零包括兩種情況：一種是物體受到的所有外力相互抵消，合外力為零；另一種是物體不受外力的作用有的專家學者認為這種表述方式并不嚴謹，所以通常采用原始表述。

2019年初中物理（人教版）定義：一切物體在沒有受到外力的作用時，總保持靜止狀态或勻速直線運動狀态。

演繹過程

伽利略研究運動學的方法是把實驗和數學結合在一起，既注重邏輯推理，又依靠實驗檢驗。他對光滑斜面的推論是通過實驗觀察，并推論得到的。但是這個完全光滑的斜面在現實中不存在，因為無法将摩擦力完全消除，因此理想斜面實驗屬于伽利略的邏輯推理部分。

伽利略對光滑斜面的推論

現實中，當一個球沿斜面向下滾時，它的速度增大，而向上滾時，它的速度減小。

由此伽利略推論，當球沿水平面滾動時，它的速度應不增不減。實際上他發現，球愈來愈慢，最後停下來。伽利略認為，這并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的緣故，因為他同樣還觀察到，表面愈光滑，球便會滾得愈遠。

于是他推論，若沒有摩擦阻力，球将永遠滾下去。

伽利略的理想斜面實驗

伽利略的理想斜面實驗實驗如圖所示，讓小球沿一個光滑斜面從靜止狀态開始下滾，小球将滾上另一個斜面，達到與原來差不多的高度然後再下滾。他推論，隻是因為摩擦力，球才沒能達到原來的高度。然後，他減小後一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍達到同一高度，但這時它要滾得遠些。繼續減小第二個斜面的傾角，球達到同一高度就會滾得更遠。

于是他對斜面平放時的情況進行研究，結論顯然是球将永遠滾下去。這就是說，力不是維持物體的運動即維持物體的速度的原因，而恰恰是改變物體運動狀态即改變物體速度的原因。因此，一旦物體具有某一速度，如果它不受力，就将以這一速度勻速直線地運動下去。

适用範圍

牛頓第一定律隻适用于慣性參考系。在質點不受外力作用時，能夠判斷出質點靜止或作勻速直線運動的參考系一定是慣性參考系，因此隻有在慣性參考系中牛頓第一運動定律才适用。

牛頓第一定律在非慣性參考系（即有加速度的系統）中不适用，因為不受外力的物體，在該參考系中也可能具有加速度，這與牛頓第一定律相悖。

當牛頓第一定律不成立時，即非慣性系中，要用非慣性系中的力學方程求解力學問題。式中為在慣性系中測得的物體受的合力，為在非慣性系中測得的慣性力, 為非慣性系統的加速度。

獨立性

牛頓第一定律是完全獨立的基本定律，它的獨立性表現在：

确定了慣性參考系并引出了邏輯循環論證，這是公理體系的表現，任何學科的第一命題都要具有此特性。

指出了任何物體都具有慣性，建立的慣性概念。

它的否命題揭示出力的概念，力是物體對物體的作用，力使物體的運動狀态發生變化。

是牛頓第二定律的基礎，首先，牛頓第一定律為第二定律準備了概念（力、慣性質量、慣性系）并定性闡明力和運動的關系；其次，第一定律主要說明物體不受外力作用時的運動狀态。不受外力作用和物體所受外力矢量和為零不是一碼事，因此不能把牛頓第一定律當成牛頓第二定律在F=0時的特殊情況。綜上所述，牛頓第一定律是完全獨立的基本定律，用其解決的問題，别任何規律都無法解決，第二、第三定律根本不能取代第一定律。

發展簡史

公元前5世紀的德谟克利特、伊壁鸠魯認為：“當原子在虛空裡被帶向前進而沒有東西與他們碰撞時，它們一定以相等的速度運動。”這隻是猜測或推想的結果。

公元前4世紀，希臘的哲學家亞裡士多德指出：力是維持物體運動的原因，有力就有運動，沒有力就沒有運動。雖然這是一個錯誤的觀點，但他第一次提出了力與運動間存在關系的論點，這就是他對動力學的貢獻。

6世紀希臘學者菲洛彭諾斯對亞裡士多德的運動學說持批判态度。他認為抛體本身具有某種動力，推動物體前進，直到耗盡才趨于停止，這種看法後來發展為“沖力理論”。

14世紀，以布裡丹、阿爾伯特、奧裡斯姆等人提出“沖力理論”，他們認為：“推動者在推動一物體運動時，便對它施加某種沖力或某種動力，速度越大，沖力越大，沖力耗盡時，物體停止下來。”這為伽利略和牛頓開辟了道路。

17世紀，伽利略，在自己的著作中多次提出類似于慣性原理的說法。他分别于1632年和1638年，在《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》和《關于力學和運動兩種新科學的談話》（簡稱《兩門新科學》）中記錄了他的理想斜面實驗，并推想得到結論：“假設物體沿光滑斜面落下，并沿着另一斜面向上運動，則物體不受斜面傾角的影響仍将達到和原來同樣的高度，隻是需要的時間不同而已。” 伽利略得到的結論，打破了自亞裡士多德以來一千多年間關于受力運動的物體，當外力停止作用時便歸于靜止的陳舊觀念。伽利略的思想無疑地比他的前輩前進了一大步，這已經很接近慣性定律，但是伽利略還沒有擺脫亞裡士多德的影響，還不能說伽利略發現了慣性定律。

1644年，笛卡爾在他的《哲學原理》一書中彌補了伽利略的不足。 [12] 他明确地指出，除非物體受到外因的作用，物體将永遠保持其靜止或運動狀态，并且還特地聲明，慣性運動的物體永遠不會使自己趨向曲線運動，而隻保持在直線上運動。他把這條基本原理表述為兩條定律：一、每一單獨的物質微粒将繼續保持同一狀态，直到與其他微粒相碰被迫改變這一狀态為止；二、所有的運動，其本身都是沿直線的。然而笛卡兒沒有建立起他試圖建立的那種能演繹出各種自然現象的體系，其中許多是錯誤的，不過他的思想對牛頓的綜合産生了一定的影響。笛卡兒的貢獻在于他第一個認識到力是改變物體運動狀态的原因。

1687年，牛頓在笛卡爾、伽利略等人工作的基礎上，撰寫《自然哲學的數學原理》，擺脫舊觀念的束縛，把慣性定律作為第一原理正式提了出來：一切物體總保持勻速直線運動狀态或靜止狀态，除非作用在它上面的外力迫使它改變這種狀态為止。他提出了保持勻速直線運動狀态和靜止狀态是物體的固有屬性的觀點，以及從中得出的慣性參照系的概念。