惯性、惯性定律的提出 惯性、惯性定律萌芽于古希腊，在我国的先秦时期也记载了“静者恒静，动者恒动”的思想［1］．到了近代，惯性定律首先被伽利略（Galieo Galiei，1564－1642）发现，后经笛卡儿（Rene Dsecartes，1596－1650）、伽桑狄（Pierre Gassend，1592－1655）等人的不断完善，最后由牛顿（Lsaac Newton，1642－1727）综合整理为运动第一定律．不仅惯性观念的发展与时代的宇宙图景有紧密的联系，而且惯性定律的发现也标志着近代物理学的开始．有学者认为，从历史的角度来看，惯性定律可以说是首次使近代力学的建立变为可能的“原理”［2］．还有人认为，惯性观念的改变是古代与中世纪的自然哲学过渡到近代物理学的最重要标志［3］．在惯性定律的教学中，惯性、惯性定律的发现在大大简化的同时，不可避免地出现了一些误解．本文将对惯性、惯性定律的发现过程进行梳理． 1、古希腊原子论的惯性运动［4］ 古代的运动观起源于对必然运动的思辨性考察与追求．古原子论的奠基者留其伯（Leucipps，前500－前440）和德谟克利特（Democritus，前460－前370）认为宇宙的万物起源于原子在虚空中的必然的旋涡运动，不同形状的带钩和角的原子在旋涡运动中因重量不同，分层次地聚集并镶嵌而构成万物．他们的继承人伊壁鸠鲁（Epicurus，前342－前270）和卢克莱修（Lueritius，前99－前55）认为，当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们冲撞时，他们一定以相等的速度运动．这表明，他通过思辨性的原子运动分析，设想原子在虚空中没有阻尼的情况下，只要不受外界作用的干扰，会一直等速地运动下去，这实际上是原子的惯性运动思想． 2、亚里士多德的力是物体运动的原因 亚里士多德（Aristotle，前384－前322）是古希腊哲学家、科学家．在古希腊哲学和科学史上，他曾是最博学的人物．对现代物理学思想的考察都绕不开他．他把位置移动这类运动区分为自然运动和强制运动两种．地面上物体的自然运动是沿铅直直线上升或下降的运动．这些物体是气、土、火、水这四大元素组成的．土由于具有重性，要沿铅直线下降到其自然位置即宇宙的中心，并环绕着此中心累积为地球，火由于具有轻性，要沿直线上升到其自然位置即月球天层．气和水则留居在中间的位置上．一般的物体是由这四种元素混合而成的，他们的自然位置由其中的主要成分决定．天上的星体则是由另外一种叫做以太的元素组成的，它的本性与地上的四大元素不同，使得天体的自然运动采取匀速圆周运动的形式． 地上的物体除了直上直下的自然运动之外，所有的其他形式的运动都属于强制运动，这种形式的运动必定受到自身以外的实体的推动，即力是物体运动的原因［5］．他举例说，石头抛在空中仍然能运动，是因为为了防止石头后面产生真空，空气流到石头后面，在流动过程中，空气推动石头以维持石头的运动．他并由此推论真空是不可能存在的． 亚里士多德的这些言论在我们现在看来是非常怪异和荒诞的，在我们教育下，他也成为学生嘲笑的对象．但是我们必须从历史角度来看待他，他重视经验、从现实世界出发在当时推崇理性思辨、轻视经验的时代是非常进步的． 3、伽利略发现惯性定律 亚里士多德还认为物体运动的速度与物体的重量成正比．伽利略除了利用“落体佯谬”来批驳这一观点外，还利用“冲淡重力”的斜面实验来研究落体运动的规律．他在斜面实验的基础上，设计了我们熟知的推出惯性定律的斜面理想实验．伽利略在《两门新科学的对话》中根据以上实验得出以下结论：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加速因素，而在向上倾斜的平面上则有一减速的因素．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，它就不能减少或缓慢下来，更不会停止．伽利略就是这样把实验、物理思想与数学演绎有机地结合起来推出了惯性定律．他的研究方法开辟了物理研究的先河．爱因斯坦是这样评价的：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始．［6］ 但对伽利略的惯性定律仔细分析可以发现，他的惯性是不彻底的，带有明显的“圆惯性”痕迹．他认为物体等速运动的路线是一个各部分一定和地心等距离的水平面，而不是直线．他在论及天体时认为，只有静止和圆周运动用于维持宇宙秩序．天体的圆周运动也是惯性．由此可以看出伽利略地上的惯性是正确的，而天上的惯性是错误的． 4、笛卡儿提出惯性定律［7］ 与伽利略不同的是，笛卡儿试图从力学的一些基本原理出发，通过数学演绎推导出各种自然现象来．笛卡儿认为整个物理宇宙好比一个钟表机构．这架机器一旦建成并由上帝启动后，它将不再需要旋紧发条或任何修理而无休止地运动下去!为了确保这架宇宙机器不致慢下来，笛卡儿论证说，一定存在一个运动量守恒原理．笛卡尔根据这一思想提出了惯性定律：如果物体处在运动之中，那么如果无其他原因作用的话，它将继续以同一速度在同一直线上运动，既不停下也不偏离原来的方向．笛卡尔的论述突破了伽利略所设想的“水平面”的局限，因此一般认为笛卡儿的《哲学原理》的出版标志着近代惯性原理的提出［８］．然后他把原因归于上帝，认为是上帝赋予物体这一特性．他虽然正确地提出了惯性定律，但他的前提是错误的． 5、牛顿第一定律［4］ 除了伽利略、笛卡儿以外，开普勒、伽桑狄都对惯性做过研究，这些对牛顿后来的思想产生过影响．从内容看，牛顿第一定律和惯性定律没有什么不同，但是发现了惯性定律并不等同于发现牛顿第一定律．这是因为牛顿运动三定律是一个整体，他们作为牛顿力学的基础是彼此紧密联系在一起的．牛顿从研究惯性定律时起到最后提出第一定律止，花了他20年的时间．在这段时间里，他发现了研究惯性质量或惯性力并将它与惯性运动区别开来．牛顿在《自然哲学的数学原理》一书里，对第一定律是这样陈述的：“每个物体继续保持静止或沿一直线做等速运动状态，除非有力加其上迫使它改变这种状态．牛顿在他的三定律和万有引力定律的基础上把天上的地上物体的运动统一起来，完成了物理学上第一次大综合． 6、爱因斯坦对牛顿第一定律的修正［8］ 仔细分析牛顿第一定律不难发现，如果不知道什么是“力”的话，这一命题将是毫无意义的．为了避免使用“力”这个未加精确定义的概念．爱因斯坦曾经把惯性定律表述为：“一物体在离其他物体都足够远时，一直保持静止状态或匀速直线运动状态．”这样表述的惯性定律具有更普遍的意义，它的有效性超出了经典力学的范畴． 牛顿第一定律还有循环论证问题．定律成立的条件是惯性参考系，但怎样判断物体受没受外力和怎样判断所使用的参考系是不是惯性系这两件事，要同时靠物体是否在做惯性运动来决定．因此，该定律含有一定的“循环论证”或“逻辑循环”的性质，但作为力学中具有公理性质的定律，这是不可避免的． 从上面分析可以看出，惯性定律有一个复杂、长期的演变过程．当然它还将随着实践的发展而不断变化．惯性是这样，其他概念、规律的发展也是这样．我们只有把有血有肉，而不是干巴巴的物理概念、规律呈现给学生，他们才能体验到科学发展过程中的艰辛，才能形成正确的科学态度和科学精神． 参考文献 1 王锦光，洪震寰．中国古代物理学史略．石家庄：河北科学技术出版社，1990 导航：尖子网/港湾/物理/时空理论 |