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高一物理必修一知识点总结:惯性定律是如何建立的

时间:2018-08-11 14:47:53    浏览数:
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高一物理必修一知识点总结:惯性定律是如何建立的

古希腊的哲学家亚里士多德(Aristotle,前384~前322)在他所著的《物理学》一书中认为:机械运动有自然运动和强迫运动,如马拉车行驶、奴隶曳船行驶,这些运动必须有推动者,即运动必须有外力维持,否则就归于静止。他认为“一切运动的物体必定受某物的驱动”。千百年来人们都相信亚里士多德的说法:外力是物体产生并维持运动的原因。亚里士多德是根据对现象的观察、直觉推理方法得到结论的,他没想到用实验来验证,在他的思想中对惯性没有任何认识。

在随后的2000多年中,许多哲学家提出了与亚里士多德不同的观点,如比亚里士多德稍晚的古希腊的另一位哲学家伊壁鸠鲁(Epicurus,前342~前270)、古罗马原子论者卢克莱修(Lucretius,前99~前55)、15世纪的罗马教会主教尼古拉斯·德·库萨(Nicholas de Cusa)等等。他们的看法都是从一定哲理出发的猜测和推理,缺乏实验根据,但他们都曾先后冲击着亚里士多德的断言。

我国远在春秋战国的《墨经》上就已有惯性的论述。在春秋战国末期的《考工记·辀人篇》中更有明确的记载:“劝登马力,马力既竭,辀犹能一取焉。”意思是说:马拉车的时候,马虽然对车不再施力了,但车还能继续前进一段路,这显然是在讲述一种惯性现象。

1632年,伽利略在他具有划时代意义的巨著《关于托勒密和哥白尼两种世界体系的对话》一书中,通过萨尔瓦蒂(伽利略的代言人)和辛普利邱(亚里士多德的代言人)的一段对话,对惯性作了真正令人们信服的阐述。

萨:“……假想有一光滑如镜的平面是用钢那样坚硬的材料制成的,该平面同地平线不平行,而是略微倾斜,如果在它上面放上一个钢那样的又硬又重的材料制成的滚圆的球,你认为在松开手之后这个圆球会怎样呢?……如果把同一个可运动的物体放在一个既不向上也不向下倾斜的表面上,会发生什么情况?”

辛:“如果只是把它放在这个平面上不动,在这种情况下,该物体一点也不动。但是如果沿某个特定方向已经给了它一个初始冲力,那么就再不会有加速或减速的原因。”

萨:“确实如此,但是如果没有引起圆球减速的原因,就更不会有使它停住不动的原因了,那么你说这个球会继续运动到多远?”

萨:“如果这个空间是无限长的,那么在这个空间中的运动也同样会是无限的吗?也就是说,是永恒的吗?”

辛:“我看是这样。”

在这段对话中,伽利略通过理想实验,使亚里士多德的代言人不得不承认,一种非天然运动竟不需要外力,也能继续不断地运动下去。伽利略还在《关于两种新科学的对话》一书中写道:“我们可以进而提出任何速度一旦施加给一个运动着的物体,只要除去加速或减速的外因,此速度就可以保持不变,不过这是只能在水平面上发生的一种情形,因为在向下倾斜的平面上已经存在一种加速因素,而在向上倾斜的平面上则有一减速因素。由此可见在水平面上的运动是永久的,因为,如果速度是匀速的,它就不能减小或缓慢下来,更不会停止。”伽利略的这些叙述明确地提出了“惯性原理”。

伽利略的惯性原理的结论是作了大量观察和实验推理得到的。把实验和理论分析相结合,从复杂的实际现象中抽象出最简单最本质的理想情况加以分析,从而得出对自然规律的正确认识,这是伽利略方法的突出特点,也是他能在科学上做出超越前人贡献的基本原因。对此爱因斯坦曾说过:“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法,是人类思想史上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正开端。”“伽利略对科学的贡献就在于毁灭直觉的观点,而用新的观点来代替它,这就是伽利略发现的重要意义。”(《物理学的进化》)

伽利略虽然发现了“惯性原理”,但他并没有完全摆脱亚里士多德的影响,尽管他明确地指出了在无摩擦无边际的水平面上运动将是永恒的匀速直线运动,但在其他地方,他却一再强调均匀圆运动才可能是天然的和永恒的。

英国物理学家、数学家、经典物理的奠基人牛顿在前人的研究基础上于1687年发表了历史巨著《自然哲学的数学原理》,该书中对力学的几个基本概念下了定义,其中定义3:“物质的惰性力或固有力是一种反抗的能力,由于这种力,任何物体都要保持其静止的或匀速直线运动状态的现状。”对此定义牛顿又做了如下的说明:“由于物质的惰性,物体要脱离其静止状态或运动状态是困难的,基于这种考虑,这种表示惰性的力可以用一个最确切的名称,叫惯性力。”惯性作为一个物体在运动中表现出来的固有的或天然的属性名称一直沿用到今天,这是牛顿首先提出的。牛顿还认为:“这种力总是与具有该力的物体成正比。”在现代教科书上通常把这句话写成:一个物体的质量是它的惯性大小的量度,质量大的物体惯性大。

牛顿继续在《原理》中提出了运动三定律,冠以首位的是:“定律1:每个物体都要继续保持它的静止状态或沿着笔直的直线和匀速运动的状态。除非对它施加外力,以迫使它改变这种状态。”这个定律揭示了任何物体都具有一种保持其原来运动状态的特性即惯性,当物体不受力时,它处于静止或匀速直线运动状态,体现了它保持原来运动状态的特性,当物体受到外力作用时,惯性会对运动状态的改变进行反抗,这时这种特性就明显表示出来。所以惯性的正确认识和惯性定律的建立最终应该归于牛顿,因此牛顿第一定律又被称为惯性定律。

牛顿第一定律(惯性定律)的建立,具有深刻的哲学意义,它告诉人们惯性是所有物体具有的本性,打破了地上运动和宇宙空间运动的人为界限,统一了宏观与微观的运动,并提出了处理任何运动的单一模式。由此出发可顺利研究物体运动状态改变的原因,它是第二、第三定律的基础。

人类对于惯性的认识从亚里士多德到伽利略再到牛顿,经历了2000多年无数个有名无名的科学家的探索才逐渐趋向完美,而其中伽利略的理想实验的思想方法给人以深刻的启迪,这段历史对每个学习物理并愿通向成功之路者是最好的借鉴。

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