牛顿第一运动定律

定律的表述

在牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》中，牛顿第一运动定律的原始表述是：任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。该表述在我国人教版、粤教版高中物理教材中被引用。

该定律的数学表达式为： ，其中 为合力，为速度，为时间。

在鲁教版高中物理教材中，牛顿第一运动定律的表述为：当合外力为零时，原来静止的物体将继续保持静止状态，原来运动的物体则将继续以原来的速度做匀速直线运动。合外力为零包括两种情况，一种是物体受到的所有外力相互抵消，合外力为零；另一种是物体不受外力的作用。

有专家学者认为鲁教版中的这种表述方式不严谨，建议采用牛顿的原始表述。

2019年人教版初中物理教材中，牛顿第一运动定律的定义为：一切物体在没有受到外力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。

伽利略斜面实验

伽利略非常擅长把实验和数学结合在一起，他研究运动学的方法既注重逻辑推理，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。由于完全光滑的斜面在现实中是不存在，因此理想斜面实验属于伽利略的逻辑推理部分。

1）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，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。

伽利略的理想斜面实验

于是他推论，若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。

2）理想的斜面实验

伽利略的理想斜面实验实验如右图所示，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，力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果不受力，它就将以这一速度匀速直线地运动下去。[1]

适用范围

牛顿第一定律只适用于惯性参考系。惯性参考系中，在质点不受外力作用时，能够判断出质点静止或作匀速直线运动。牛顿第一定律在有加速度的非惯性参考系中是不适用，因为不受外力的物体，在非惯性参考系中也可能具有加速度，这与牛顿第一定律相悖。

非惯性系中，要用非惯性系中的力学方程求解力学问题。式中为在惯性系中物体所受的合力，为非惯性系中测得的惯性力，为非惯性系统的加速度。独立性

牛顿第一定律是完全独立的基本定律，它的独立性表现在：1）确定了惯性参考系，并引出了逻辑循环论证，这是公理体系的表现，任何学科的第一命题都要具有此特性。2）指出了任何物体都具有惯性，建立了惯性的概念。3）它的否命题揭示了力的概念—力是物体对物体的作用，力使物体的运动状态发生变化。

牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础，首先，牛顿第一定律为第二定律准备了概念（力、惯性质量、惯性系）并定性阐明力和运动的关系；其次，第一定律主要说明物体不受外力作用时的运动状态。不受外力作用和物体所受外力矢量和为零不是一码事，因此不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在时的特殊情况。

总之，牛顿第一定律是完全独立的基本定律，它解决的问题，任何其它定律都无法解决，第二、第三定律不能取代第一定律。

发展简史

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之碰撞，它们一定以恒定的速度运动。”

公元前4世纪，希腊的哲学家亚里士多德指出：力是维持物体运动的原因，有力就有运动，没有力就没有运动。虽然这是一个错误的观点，但他第一次提出了力与运动间存在关系的论点，这就是他对动力学的贡献。

6世纪希腊学者菲洛彭诺斯对亚里士多德的运动学说提出批判，他认为抛物体本身具有某种动力，推动物体前进，直到耗尽才趋于停止，这种看法后来发展为“冲力理论”。

14世纪，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。”这为伽利略和牛顿的理论开辟了道路。

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》（简称《两门新科学》）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。”伽利略的实验结论，打破了自亚里士多德以来一千多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念。伽利略的思想无疑地比他的前辈前进了一大步，这已经很接近惯性定律，但是伽利略仍没有摆脱亚里士多德的影响，还不能说伽利略发现了惯性定律。

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；他还特地声明，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。

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。[2]

定律影响

1.牛顿第一定律给出了一个没有加速度的参考系—惯性系，使人们对物理问题的研究和物理量的测量有了实际意义，从而使它成为整个力学甚至物理学的出发点。牛顿第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系，如动量定理、动量守恒定律、动能定理等，只对惯性系成立。

2.牛顿第一定律是其他原理的前提和基础。第一定律中包含的基本概念，奠定了经典力学的概念基础，从而使它处于理论系统中第一个原理的前提地位，这表现在：1）首次批驳了延续两千多年的亚里士多德等人错误的力的概念，为确立正确的力的概念奠定了基础。2）第一次科学地给出了力的定性定义（含力的本质和力的效果）。3）第一次提出了经典力学的几个基本概念，为第二、第三定律以及由牛顿运动定律建立起来的质点力学体系原理奠定了概念基础。