牛顿第一运动定律

物理定理

牛顿第一运动定律又称惯性定律。牛顿第一定律是：如果一个物体不受力或所受合外力为0，那么这个物体将保持静止或匀速直线运动。牛顿第一定律给出了惯性的概念。

定理

牛顿第一定律从拉丁文翻译过来，内容如下：

每个物体都会保持静止状态，或匀速直线运动，除非它被施加在其上的力改变这种运动状态。

因此，物体有保持运动状态的趋势，这被称为惯性。而力是改变物体运动状态的原因。

演绎过程

伽利略研究运动学的方法是把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实验检验。他对光滑斜面的推论是通过实验观察，并推论得到的。但是这个完全光滑的斜面在现实中不存在，因为无法将摩擦力完全消除，因此理想斜面实验属于伽利略的逻辑推理部分。

伽利略对光滑斜面的推论

现实中，当一个球沿斜面向下滚时，它的速度增大，而向上滚时，它的速度减小。

由此伽利略推论，当球沿水平面滚动时，它的速度应不增不减。实际上他发现，球愈来愈慢，最后停下来。伽利略认为，这并非是它的“自然本性”，而是由于摩擦阻力的缘故，因为他同样还观察到，表面愈光滑，球便会滚得愈远。

于是他推论，若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。

伽利略的理想斜面实验

伽利略的理想斜面实验实验如图所示，让小球沿一个光滑斜面从静止状态开始下滚，小球将滚上另一个斜面，达到与原来差不多的高度然后再下滚。他推论，只是因为摩擦力，球才没能达到原来的高度。然后，他减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度就会滚得更远。

于是他对斜面平放时的情况进行研究，结论显然是球将永远滚下去。这就是说，力不是维持物体的运动即维持物体的速度的原因，而恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将以这一速度匀速直线地运动下去。

伽利略不变性原理

伽利略不变性原理说：在任意恒定速度沿直线运动的系统中，无论其速度或方向如何，物理定律都是相同的。这一定理为牛顿运动定律提供了基本框架。爱因斯坦狭义相对论的相对性原理发展了伽利略不变性。

研究历史

对力与运动的早期研究

公元前5世纪的德谟克利特、伊壁鸠鲁认为：“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们碰撞时，它们一定以相等的速度运动。”

公元前4世纪，亚里士多德提出了他对运动的思考。他将运动分为“自然”和“暴力”，陆地固体物质的“自然”运动是下落，而“剧烈”的运动可以将物体推向一边。在亚里士多德的物理学中，“剧烈”的运动需要一个直接的原因，当物体脱离了“剧烈”运动的原因，就会回到“自然”的行为。

6世纪的拜占庭希腊思想家约翰·菲罗波努斯（John Philoponus）对此提出了质疑：根据亚里士多德的理论，空气既维持了运动，又阻碍了运动。菲罗波努斯提出了自己的运动学：运动的物体有一种内在的性质：动力。只要它的推动持续下去，物体就会继续运动。

14世纪，以布里丹、阿尔伯特、奥里斯姆等人提出“冲力理论”，他们认为：“推动者在推动一物体运动时，便对它施加某种冲力或某种动力，速度越大，冲力越大，冲力耗尽时，物体停止下来。”这为伽利略和牛顿开辟了道路。

对惯性的探索

法国哲学家勒内·笛卡尔在1629-1633年写的《世界》中通过“自然法则”引入了惯性的概念。然而《世界》的世界观是日心说的世界观，这种观点引发了伽利略与罗马天主教宗教裁判所之间的巨大冲突。笛卡尔不想卷入这场争论。1664年，也就是笛卡尔去世十多年后，《世界》才出版。

17世纪，伽利略在自己的著作中多次提出类似于惯性原理的说法。他分别于1632年和1638年，在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和运动两种新科学的谈话》中记录了他的理想斜面实验，并推想得到结论：“假设物体沿光滑斜面落下，并沿着另一斜面向上运动，则物体不受斜面倾角的影响仍将达到和原来同样的高度，只是需要的时间不同而已”。

现代惯性定律的概念归功于伽利略。伽利略认为运动物体的“自然”行为是继续运动，直到有其他东西干扰它。伽利略对他的理想斜面实验做了进一步的讨论：

想象一下，任何粒子在没有摩擦的情况下沿着水平面发射。然后我们知道，从前几页中更充分的解释的内容中，如果平面没有限制，这个粒子将沿着同一平面以均匀和永恒的运动运动。

1644年，笛卡尔在他的《哲学原理》一书中弥补了伽利略的不足。他明确地指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态，并且还特地声明，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动，而只保持在直线上运动。他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，其中许多是错误的，不过他的思想对牛顿的综合产生了一定的影响。笛卡儿的贡献在于他第一个认识到力是改变物体运动状态的原因。

1687年，牛顿在笛卡尔、伽利略等人工作的基础上，撰写《自然哲学的数学原理》，摆脱旧观念的束缚，把惯性定律作为第一原理正式提了出来：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外力迫使它改变这种状态为止。他提出了保持匀速直线运动状态和静止状态是物体的固有属性的观点，以及从中得出的惯性参照系的概念。

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