运动和力的关系——牛顿第一定律的历史演变

运动和力的关系——牛顿第一定律的历史演变

从古希腊哲学家亚里士多德到现代物理学的奠基人牛顿，人类对力和运动关系的认识经历了一个漫长而曲折的过程。本文将带你回顾这一科学探索之旅，深入理解牛顿第一定律的科学内涵。

先来看一下课本这一节开始的思考题。
截取自人教版高中物理

初中阶段学习的牛顿第一定律的内容是：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。这说明如果物体受到的阻力为零，速度就不会减小，物体将以恒定不变的速度永远运动下去。

滑冰运动员如果不用力，他会慢慢停下来，这是因为冰面虽然光滑但还是存在阻力，所以这与牛顿第一定律并不矛盾。

长期以来人们一直在思考，力和运动之间到底有什么关系？物体受到外力就会运动，当撤去外力物体就会逐渐停下来。由此亚里士多德得出结论：力是维持物体运动的原因。

这个结论是否正确呢？伽利略对这个问题进行了深入思考，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大；向上滚动时，速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。然而，实际情况却是，即使沿水平面滚动，球也会越滚越慢，最后停了下来。

伽利略认为这是摩擦作用的结果。若没有摩擦，球将永远运动下去。同时他还观察到表面越光滑，球就运动的越远。于是伽利略推断，如果没有摩擦阻力，球将永远运动下去。

为了验证他的想法， 伽利略设计了一个实验。

现代人所做伽利略斜面实验的频闪照片（组合图）

如图，让一个小球沿斜面从静止状态开始运动，小球将“冲”上另一个斜面。如果没有摩擦，小球将到达原来的高度。如果第二个斜面倾角减小，小球仍将到达原来的高度，但是运动的距离更长。由此可以推断，当斜面最终变为水平面时，小球要到达原有高度将永远运动下去。这说明，力不是维持物体运动的原因。

完全没有摩擦的木板是找不到的，无限长的木板也是不存在的，所以这个实验只是一个理想实验。但这个实验通过观察已知的实验现象，经过大量的猜想蔓延到了理想化的结论。

勒内·笛卡尔，法国物理学家、数学家、哲学家

和伽利略同时代的科学家笛卡尔补充和完善了伽利略的观点。他明确指出，除非物体受到外力的作用，物体将永远保持静止或运动状态，永远不会让自己沿曲线运动，而只保持在直线上运动。他还认为，这应该成为一个原理，是人类整个自然观的基石。笛卡尔对运动和力的描述比伽利略更进一步。

艾萨·克牛顿，英国物理学家、数学家、哲学家

最后时间来到了牛顿的时代，他在历史上第一次提出了力的概念，把物体之间复杂的相互作用都抽象为力，于是他在前人的基础上总结出：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态，这就是著名的牛顿第一定律。

这个定律告诉我们一切物体都有保持原来状态的性质，这种性质叫做惯性，所以牛顿第一定律又叫做惯性定律。这个定律还告诉我们力是改变物体运动状态的原因。

总结

回顾整个过程，最初亚里士多德把人们的经验总结为力是维持物体运动的原因，但这是错误的。伽利略通过理想化的外推指出，物体如果不受外力，将永远的运动下去。最终牛顿进一步将它解释为一切物体都有保持原来状态的性质，而力是改变物体运动状态的原因。