惯性定律的建立

论惯性定律的发展史

惯性定律是指任何物体在不受外力作用的时侯，总保持匀速直线运动或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。惯性定律的建立有赖于人们对惯性的认识和力的认识的深入。它正确地解释了力和运动状态的关系，是区分开运动状态和运动状态改变的关键一步，而这看似简单的一步却在人类认知的发展史上经历了漫长的岁月。

在人类思想认知史上，两千多年前古希腊的哲学家亚里士多德的学说无疑地起到了广泛的影响，然而他关于物理学的论述，尤其是对惯性下的结论是很不完善的。亚里士多德肯定了两点：一、自然运动不涉及力的问题，只有强制运动才存在力的问题。二、力是物体强制运动的原因。从今天来看，这些显然都是错误的，然而它束缚了人们思想近千余年。

直到伽利略开创了实验和逻辑思维相结合的近代物理研究方法，并用于研究物体的运动。人们对惯性的认识才得到了进一步的完善。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，他认识到物体不受其他力的作用，可以永恒地运动，这已经很接近惯性定律，但是伽利略还没有完全摆脱亚里士多德的影响。

而最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定的是笛卡儿。笛卡儿是数学家和哲学家，他试图建立起包括整个宇宙在内的各种自然现象都能从基本原理和公式中推演出来的体系，惯性定律就是他的体系中的一条基本原理。他在他的《哲学原理》（1644年）一书中把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独的物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有的运动，其本身都是沿直线的。然而笛卡儿没有建立起他试图建立的那种能演绎出各种自然现象的体系，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。

站在巨人的肩膀上，牛顿比他的前辈看得更远。他既继承了伽利略重视实验和逻辑推理的研究方法，也继承了笛卡儿的研究成果。通过深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，他澄清了动量概念和力的概念。数十年磨一剑，牛顿终于总结出了惯性定律也就是牛顿第一定律，在《原理》一书中表述为每一个物体继续保持其静止或沿一直线作匀速直线运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。从此，惯性定律真正成为力学理论的出发点。

精彩课堂 ©惯性与惯性定律探微◎陈六钊【提要】“惯性定律”也叫“牛顿第一定律“，对于刚学 此知识的初中生来说，很容易把惯性的定义和“惯性定律“ 弄混淆，这两者的基本内容有点相似，但其实这两者不是一 回事。【关键词】物理惯性惯性定律本人从事初中物理教学多年，在教学工作中发现，许多 同学不了解惯性和惯性定律的区别，你问他时他说知道.可 是叫他回答时模糊不清，往往容易将两者混为一谈，实际上 “惯性”和“惯性定律”是两回事。本人总结出以下几点区 别。一、 “惯性”是一切物体都具有保持静止状态或匀速直 线运动状态的性质，它所表明的是物体本身的一种性质。这 里所指的“一切物体”既包括静止的物体也包括运动的物 体。“都具有”就是说没有例外，这就点明了共性。“或”是 指如果物体最初是静止的，它就有保持静止状态的性质；如 果最初是运动的，就有保持匀速直线运动的性质。所以课 本上给惯性的定义是：物体保持运动状态不变的性质叫做惯 性。学习惯性，应从两个方面理解：1.必须明确自然界的任 何物体，无论是大到星球，还是小到分子、原子，一切物体 都有惯性。2.无论物体何时何地或处于何种运动状态，其惯 性始终存在。许多学生容易把惯性理解成一种力，而它实际 上只是一种性质。而惯性定律是指一切物体在没有受到外 力作用的时候，总是保持静止状态或匀速直线运动状态的 规律，它表明的是物体的一种运动规律。它反映的是物体在 “不受外力”作用时的运动规律。“一切物体”指所有物体。 “总”说明没有例外和从始至终，这就点明了规律性。“没有 受到外力”是指“惯性定律”成立的条件。“惯性定律”指 出了一切物体都有惯性，提示了物体在一定条件下的运动状 态，反映了物体的运动规律。二、 当物体受到外力作用时，“惯性”与物体是否受 力，受力的大小以及物体是否运动，运动是快还是慢都无 关。它的大小只与物体的质量有关。但是当物体处于静止状 态或匀速直线运动状态中受到外力（非平衡力）的作用时， 物体的运动状态就会改变，不再保持静止状态或匀速直线运 动状态。当物体受平衡力作用时，它的运动状态就不会发生 改变，仍然保持静止状态或匀速直线运动状态。我们可以设 计几个能说明物体具有惯性的实验，让学生利用身边的器材 自主设计实验，建立惯性的概念，加深对惯性概念的理解， 激发学生的成就感和钻研精神。如用学生手中的钢笔帽做实验，将钢笔帽压住课桌边的 纸条，突然抽动纸条，而钢笔帽却未移动 再比如，将小车 放在平板的左边，把木板立在小车上，使小车向右运动，当 小车遇到障碍物突然停止运动时，木块向前方倒下。三、 在现实生活中，“惯性”可以解释的现象包括：车 上乘客在汽车启动或加速时会向后倾倒，在刹车或减速时 会向前倾倒；飞机要准确投掷命中目标，应有提前量；百米 冲刺的运动员到达终点不能立即停下来；拍打衣服时，灰尘 会离开衣服掉落下来；射出去的子弹离开枪口后还能继续飞 行；汽车向右拐弯时，乘客向左倾倒；击打一叠棋子最下的 棋子时，其余棋子位置不变；猛然抽出桌上花瓶下压的平滑 桌布，花瓶不动；在运动的车上向前跳（向后跳）和静止车 上跳的距离一样；在运动的车上抛弃一个小球，球最终落回 原点。利用“惯性定律”解释的现象则包括：正在做圆周运动 的小球如所受的外力同时撤去时，小球将沿原来运动的圆周 切线方向做匀速直线运动飞离；正在平直轨道上加速行驶的 火车，如牵引力减小到与摩擦力相等时，它将做匀速直线运 动；静止在桌面的小车在同一点处受到大小相等、方向相反 的两个力拉动时，仍然保持静止；甩掉手上的水滴；摩托车 飞跃障碍物；用铲子把煤抛进煤炉内；洗衣机甩干衣物；锤头 松动时向下击打锤柄可以让锤头更紧。四、 许多学生解释不清楚惯性现象，针对此本人总结如 下几点：第一，明确被研究的物体原来的运动状态；第二， 明确被研究物体的某部分在力的作用下改变了原来的运动 状态；第三，由于惯性，被研究物体的另一部分将保持原来 的运动状态。例如：正在向前奔跑的人，当脚下被障碍物绊 倒时为什么会向前倾倒？答：因为人原来奔跑时处于运动状 态，当人的脚被障碍物绊住时，受力由运动变成静止，而人 的上半身由于惯性将保持原来的向前的运动状态，所以人会 向前倾倒C上述几点论述，学生只要认真理解，慢慢消化，就能把 “惯性”和“惯性定律”区分清楚。（作者单位江西省高安荷岭中学）

1 一、惯性的故事——萨尔维阿蒂的大船

经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。当时曾有过一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张地球在运动，维护亚里土多德----托勒密体系的人则主张地静说。地静派有一条反对地动说的强硬理由：如果地球是在高速地运动，为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢？这的确是不能回避的一个问题。

1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐中，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现。所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行。它们也决不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离开了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”

伽利略的惯性定律

惯性定律，又称牛顿第一定律，无疑是由牛顿〔1643～1727〕发现的。但是，教科书上提到，对惯性定律的发现，除了牛顿是最大的功臣之外，伽利略〔1564～1642〕、笛卡尔〔1596～1650〕等人功不可没。而其中，尤以伽利略为甚，因为惯性这个概念就是伽利略提出来的。

1616年，伽利略前往罗马为自己作辩护。

此前，伽利略用自己的天文望远镜为哥白尼的日心说提供了诸多证据，同时伽利略在致大公夫人克里斯蒂娜的信中阐述了科学应该独立于宗教、科学优于宗教的观点。所以，他为了逃避惩罚，不得不为自己解脱指责甚至罪名。伽利略的言行，在诸多史学家认为，是科学向宗教挑战的实例。但是别忘了，伽利略是一位虔诚的天主教徒，伽利略与罗马教廷的矛盾仅仅是一种〝科学与宗教体系〞与〝另一种教学与宗教体系〞之间的矛盾，罗马教廷中也有许多著名的天文学家，只是他们都是维护日心说的。然而，伽利略的言行已经与罗马教廷主流思想相违背，这是事实。

虽然伽利略这次为自己作了辩护，教皇保罗五世下达了史称〝1616禁令〞。〝1616禁令〞对伽利略的影响是：禁止伽利略以口头的或文字的形式保持、传授或捍卫日心说。

1623年，伽利略的好朋友红衣主教巴尔贝里尼被选为教皇乌尔班八世〔1568～1644〕。伽利略认为这是自己时来运转的好机会，经过多方努力，伽利略获准出版他著名的«关于两大世界体系的对

话»，即以三个虚构人物对话的形成，以看似中立的立场，讨论地心说与日心说。此书中除了有伽利略用自制的望远镜天文观测的证据支持日心说之外，还以比较迂回的策略来说明地心说如何不靠。

要让人信服地球是运动的，而且在自转，就要合理地解释诸如〝自由下落的物体为什么还是掉到竖直下方，而不是后方〞之类的问题。此时的伽利略，似乎是为了解决这个显而易见的难题去建构一个概念或理论，即提出了物体具有惯性的概念。

在此之前，是没有惯性概念的，如果地球是自转的，这会造成一些不可理解的自然现象。比如，当我们沿水平方向向正北方瞄准射击时，如此地球是自西向东运动的，那么子弹就不会射中靶子，而会偏向靶子的西方，但实际情况并非如此。