牛顿第一运动定律

牛顿第一运动定律（Newton's first law of motion）表明，假若施加于某物体的外力为零，则该物体的运动速度不变。根据这定律，假设没有任何外力施加或所施加的外力之和为零，则运动中物体总保持匀速直线运动状态，静止物体总保持静止状态。物体所呈现出的维持运动状态不变的性质称为“惯性”。所以，此定律又称为“惯性定律”。

1687年，英国物理泰斗艾萨克·牛顿在钜著《自然哲学的数学原理》里，提出了牛顿运动定律，其中有三条定律，分别为牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律与牛顿第三运动定律。

牛顿运动定律只成立于惯性参考系，又称为“牛顿参考系”。有些学者诠释第一定律为惯性参考系的定义。 按照这种观点，则由于只有从惯性参考系观察，第二定律才成立，所以，不能从第二定律以特别案例的方式来推导出第一定律。另外又有一些学者将第一定律视为第二定律的推论。按照这种观点，第二定律变为作用力的定义，整个经典力学变为一种公理化理论。

目录

概述

牛顿第一定律表明，假若施加于某物体的外力为零，则该物体的运动速度不变。以方程式表达，

<math>\sum_i \mathbf{F}_i = 0 \Rightarrow \frac{\mathrm{d} \mathbf{v} }{\mathrm{d}t} = 0</math> ；

其中，<math>\mathbf{F}_i</math> 是第 <math>i</math> 个外力，<math>\mathbf{v}</math> 是速度，<math>t</math> 是时间。

从第一定律可以得到下面推论：

• 静止的物体会保持静止，除非有外力施加于这物体。
• 运动中的物体不会改变其速度，除非有外力施加于这物体。注意到速度是向量，物体运动速度的大小与方向都不会改变。

根据第一定律，从测量物体的运动速度是否改变，可以判断是否有外力作用于物体。注意到上述几个句子尚未对于力给出严格定义，这可以用操作定义的方法来完成。两个同样的弹簧，假若被压缩同样的距离，则其各自产生的“弹力”（一种物理现象）必定相等。将这两个弹簧并联，可以产生两倍的弹力。将一物体的两边分别连接这两个弹簧的末端，使弹力的作用方向相反，则作用于物体的净力为零。为了对于弹力给出定量描述，设定“标准单位力”为某特定弹簧压缩特定距离所产生的弹力。任意数量的标准单位力都可以用几个弹簧所组成的系统来实现。弹簧系统可以用来做测量实验，对于任意力做比较，给出它的测量值。

在做牛顿第一定律的实验时，必须测量速度与时间，这涉及到参考系的设定。因此，可以更加仔细地将牛顿第一定律表明为

采用某种参考系来做测量，假若施加于一个物体的外力为零，则该物体的运动速度不变。

在宇宙中，存在著无数可能的参考系，在这些参考系中，满足牛顿第一定律的参考系称为“惯性参考系”，而其它不满足第一定律的参考系称为“非惯性参考系”。从做实验观察物体的行为，就可以辨别出哪种是惯性参考系，哪种不是惯性参考系。因此，在本章节论述里，牛顿第一定律可以被视为惯性参考系的定义。牛顿在《自然哲学的数学原理》里采用就是这种诠释。

另外还有一种常见的诠释是由古斯塔夫·基尔霍夫给出。按照这种诠释，牛顿第一定律被视为牛顿第二定律的特别案例，而牛顿第二定律则被视为力的定义。这样，就不必涉及引入力的概念这棘手的任务。然而，这种诠释会导致一个后果，即整个经典力学会变成一种公理化理论，而不是更为物理学者青睐的“自然定律”，即从实验结果演绎出的规则。那么，怎样才能将实际物理引入这工理化理论？一个方法就是，检试这诠释所推导出的结果是否符合实际物理，只有符合实际物理的诠释才能被采纳，换句话说，从对于力的定义所演绎出的规则，其结果必须符合实验的检试，否则不能被采纳。经过多次检试，可以推断，在某种特定的参考系下做测量，才可以采纳这诠释，这种特定的参考系就是惯性参考系，在任何其它种参考系下做测量，都无法采纳这诠释。

第三种诠释称为“爱因斯坦诠释”。阿尔伯特·爱因斯坦的等效原理指出，对于一位处于引力场的观察者呈静止状态与一位不处于引力场的观察者呈加速度运动状态而言，假若这两位观察者感受到的力相等，则他们会无法分辨到底感受到的是引力还是因加速度而产生的惯性力（注意到惯性力的方向与加速度的方向相反，惯性力抗拒加速度运动）。任何处于引力场的自由落体都不会感受到引力，因为，引力已与自由掉落的加速度运动所出现的惯性力相互抵销，因此，假设从某个参考系观察到这自由落体呈静止状态或或等速直线运动，则这参考系满足牛顿第一定律，这参考系是惯性参考系。由此可采用一种新的观点，即与处于引力场的自由落体呈静止状态或等速直线运动的参考系为惯性参考系，而牛顿第一定律适用于此惯性参考系。一个物体的无重量现象可以用来辨明惯性参考系。

历史

亚里斯多德认为，在宇宙里，所有物体都有其“自然位置”──处于完美状态的位置。物体会固定不动地处于其自然位置。被移离其自然位置的物体，会倾向于返回其自然位置。这是因为物体倾向于完美状态的位置。因此，像石头一类的重物体倾向于朝著地面移动，像烟灰一类的轻物质倾向于朝著包含月亮在内的区域移动。亚里斯多德仔细地区分了两种运动，“自然运动”与“暴烈运动”（英文翻译violent motion）。重物体的自由坠落是一种自然运动，而发射体的运动则是非自然运动。处于自然位置的物体倾向于固定不动，只有施加“暴烈力”（英文翻译violent），才能将物体移离其自然位置。所有暴烈运动都不具有永久性，迟早会终止结束。为了维持暴烈运动，必需继续地施加暴烈力于物体，使其移离自然位置。不处于自然位置的任意物体，在被释放后，会很快地达到其最终速度，然后维持这速度直到移动至它的自然位置。伽利略·伽利莱的想法大不相同。伽利略提出的惯性定律表明，只有施加外力，才能改变物体速度；维持物体速度不变，不需要任何外力。为了证实他的主张是正确的，伽利略做了一个思想实验。如右图所示，让静止的圆球从点A滚下斜面AB，滚到最底端后，圆球又会滚上斜面BC，假设两块斜面都非常的平滑、摩擦系数为零，而且无空气阻力，则圆球会滚到与点A同高度的点C；对于斜面BD、BE或BF，尽管圆球的滚动距离会变得越来越长，圆球也同样地会滚到与点A同高度的位置；假设斜面是水平面BH，则该圆球永远不能滚到先前的高度，因此会不停地呈匀速直线运动。伽利略总结，运动中的物体会持续地以匀速直线运动，假若不碰到任何阻碍。伽利略的惯性定律彻底地推翻了多年来学者们研读的阿里斯托德理论，因此促使十七世纪学者们产生极大的困惑，但他并没有建构出一个新的替代理论，这还有待后来牛顿的贡献。

伽利略的想法导致牛顿第一定律诞生──不施加外力，则没有加速度，因此物体会维持速度不变。牛顿将第一定律的想法归功于伽利略。第一定律其实是伽利略所提出的惯性定律的再次陈述。原版第一定律的英文翻译为

Every body perseveres in its state of rest, or of uniform motion in a right line, unless it is compelled to change that state by forces impressed thereon.

中文翻译为

物体会坚持其静止或匀速直线运动状态，除非有外力迫使改变其状态。

紧接在写出第一定律后，牛顿开始描述他所观察到的各种物体的自然运动。像飞箭、飞石一类的发射体，假若不被空气的阻力抗拒，不被重力吸引墬落，它们会持续不停地运动。像陀螺一类的旋转体，假若不受到地面的摩擦力损耗，它们会永久不息地旋转。像行星、彗星一类的星体，移动于阻力较小的自由空间，会更长时期地维持它们的运动轨道。在这里，牛顿并没有提到第一定律与惯性参考系之间的关系，他所专注的问题是，为什么在一般观察中，运动中的物体最终会停止运动？他认为原因是有空气阻力、地面摩擦力等等作用于物体。假若这些力不存在，则运动中的物体会永远不停的做等速直线运动。这点子是很重要的突破，需要极仔细的分析与极丰富的想像才能研究出这点子。

好几位其它自然哲学家与科学家似乎分别独立地想出了惯性定律。十七世纪哲学家勒内·笛卡儿也曾经提出惯性定律，虽然他没有做出任何实验来证实这定律的正确性。

惯性参考系

当描述物体运动时，只有相对于特定的物体、观察者或者时空坐标，才能确实显示出其物理行为。这些特定的标识称为参考系。假若选择了不适当的参考系，则相关的运动定律可能会比较复杂，在惯性参考系中，力学定律会展现出最简单的形式。从惯性参考系观察，任何呈匀速直线运动的参考系，也都是惯性参考系，否则是“非惯性参考系”。换句话说，牛顿定律满足伽利略不变性，即在所有惯性参考系里，牛顿定律都保持不变。

牛顿将第一定律建立在一个所谓的[[绝对时空|Template:Tooltip]]，其不依赖于外界任何事物而独自存在的参考系。绝对时空是一个地位独特的绝对参考系。在绝对时空中，自由物体具有保持原来运动状态的性质。这性质称为惯性。因此，第一定律又称为“惯性定律”。但以现代物理学的观点看来，并不存在一个地位独特的绝对参考系。

在牛顿时期，固定星体时常被用为参考系，这是因为，相对于绝对空间，它们大致静止不动。在那些相对于固定星体呈静止不动或匀速直线运动的参考系中，牛顿运动定律被认为正确无误。但是，学者们现在知道，固定星体并不是固定不动。在银河系内的固定星体会随著整个星系旋转，显示出自行；而那些在银河系外的固定星体会从事它们自己的运动，这可能是因为宇宙膨胀、本动速度等等。 现在，惯性参考系的概念不再倚赖绝对空间或固定星体。替而代之，根据在某参考系中物理定律的简易性质，学者可以辨识这参考系是否为惯性参考系。更确切而言，假若虚设力不存在，则这参考系是惯性参考系；否则，不是惯性参考系。

实际而言，虽然不是必要条件，选择以固定星体来近似惯性参考系，造成的误差相当微小。例如，地球绕著太阳的公转所产生的离心力，比太阳绕著银河系中心的公转所产生的离心力，要大三千万倍。所以，在研究太阳系中星体的运动时，太阳是一个良好的惯性参考系。

参阅

(MIT Course 8.01) ]]

• 牛顿运动定律
  • 牛顿第一定律
  • 牛顿第二定律
  • 牛顿第三定律
• 物理学定律列表

参考文献

• Dugas, R., A History Of Mechanics, New York: Dover Publications, Inc., 1988, ISBN 0-486-65632-2 
• Frautschi, Steven, The Mechanical universe: mechanics and heat illustrated, Cambridge University Press, 1986, ISBN 9780521304320 
• French, Anthony, Newtonian Mechanics, 1971 
• Graneau, Peter; Graneau, Neal, In the Grip of the Distant Universe: The Science of Inertia, World Scientific, 2006, ISBN 978-981-256-754-3 </ref>
• Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jerl, Fundamental of Physics 7th, USA: John Wiley and Sons, Inc., 2005, ISBN 0-471-23231-9 
• Landau, L. D.; Lifshitz, E. M., Mechanics, Pergamon Press, 1960 
• Mach, Ernst, The science of mechanics; a critical and historical account of its development, Watchmaker Publishing, 2010 [1919], ISBN 978-1603863254 
• 马克士威, 詹姆斯, Matter and Motion, D.Van Nostrand, 1878 
• Newton, Isaac, Newton's Principia : the mathematical principles of natural philosophy, New York: Daniel Adee, 1846 　请上网阅读作者Andrew Motte的英文翻译。
• Thornton, Marion, Classical dynamics of particles and systems 5th, Brooks/Cole, 2004, ISBN 0534408966 

外部连结

• 吴老师物理网页：第一定律模拟

en:Newton's first law of motion pt:Primeira lei de Newton