《牛顿第一定律》真实内涵

山东省曲阜市息陬镇春秋中学 刘震

关键词：运动状态保持不变，自旋状态，静止状态，匀速直线运动状态

伟大的科学家牛顿在《自然科学的数学原理》一书中提出的著名的运动三大定律，其中最著名的就是大家耳熟能详的《牛顿第一定律》。通过网络查询到的牛顿第一定律的原话是这样描述的：“Every object in a state of uniform motion tends to remain in that state of motion unless an unbalan ced force is applied to it.”翻译成中文为：“每一个处于匀速运动状态的物体都倾向于保持这种运动状态，除非对它施加不平衡的力。”

该定律在初中物理教材中的原话是：“一切物体在没有受到任何外力作用时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态”。当然这句话，虽然不是牛顿第一定律的原话，但几乎得到了所有人的认可。由于前提条件是不受外力作用，从来没有人能用实验直接去证明这话的正确或错误。所以一直以来被人们视为经典，认为它是一个公理，并适用于“一切物体”。

但笔者认为教材上的这句话《牛顿第一定律》即便在经典力学体系里也是有一定的局限性，应该给予纠正，回归牛顿第一定律的真实表述。

第一，匀速运动的内涵是什么？

相信大家都知道牛顿归纳前人科学观点后得出推论：如果不受非平衡力的作用，物体的匀速运动状态将不会被改变，这是牛顿第一定律的真实内涵。并没有说必须是匀速直线运动，为什么教材中就把匀速运动说成匀速直线运动呢？原文可以理解为：“一切原来匀速运动的物体，如果受到非平衡力作用，就不会继续匀速运动”。在这里，并没有说一定是匀速直线运动，为什么教材中把“匀速运动状态”写成“匀速直线运动状态”呢？难道牛顿说的匀速运动不包括匀速转动吗？

个人揣测，牛顿先生说的匀速运动应该也包括物体自身的匀速转动（也叫自旋）。静止状态则可以看成是速度为零的一种特殊的匀速直线运动或匀速转动状态。如果匀速运动不包括匀速转动，那就犯了以偏概全的错误。

所以现行教材关于牛顿第一定律的内容是由原《牛顿第一定律》推论而来，并不符合《牛顿第一定律》的真实内涵，尤其是对匀速运动的理解。

其实，在初中教材中，老师们普遍认为：“运动状态保持不变”就是指“匀速直线运动或静止状态”。把“运动状态保持不变”理解为“保持静止或匀速直线运动状态”，这是非常不妥当的。

比如，地球上某个位置有一个物体（如一个球，或者一个地球同步卫星）正在绕自己的中心旋转，“也叫做自转”！那么，如果它突然不受任何外力作用，该物体一定会永远保持自己的旋转状态！姑且称之为“自旋状态”吧。由于不受任何外力，球会在原位置保持转动状态，以不变的角速度永远转动，它即不会加速也不会减速，而是匀速转动（自旋）。也可以这样说：“一切匀速转动的物体，倾向于保持这种转动状态，除非对它施加不平衡的力。这完全与牛顿第一定律的原话一致。

大家知道，物体运动都必须选择一个参照系，即另外选择一个参照物或参照点。物体自旋时，一般是以物体中心为参照点。但是该自旋状态的球若以另外一个点O为参照点，比如以三维坐标系中原点O为参照点，在某一位置正在自旋的球，它是一种什么样的运动状态呢？

当然，许多人认为，该球是个质点，相对原点O，球可以被认为是相对静止状态。当然，如果球没有自旋，也许这种观点没有毛病，但问题是，此时此刻，球正在自旋，如果仍然坚持回答说球是静止状态的，显然又和我们的常规认识矛盾。

所以，在三维在空间里，“自旋状态”应该是“静止状态或匀速直线运动状态”之外的另一种状态！它不属于二者之一的任何一种状态。当然“自旋状态”的物体即使被看成一个质点，该旋转的质点显然有别于不旋转的质点。比如一个转动的风扇，风扇相对于轴心到底是转动还是不转动呢？

基于以上认知，我认为教材中的《牛顿第一定律》应该展示真实《牛顿第一定律》的原文原意，而不应把推论或者假说当成定律让学生学习。尽管这一推论能解释很多自然现象，但如果把它当成尚方宝剑，是必然禁锢人的思维。

如果保留现有推论（定律）的表述形式，也希望这样来描述：“一切物体在没有受到任何外力作用或受到平衡力作用时，将总保持运动状态不变”。（运动状态不变指：静止状态或匀速直线运动状态或自旋状态，也许以后还会出现其他状态）。

第二，我们平时看到的牛顿第一定律（教材中的定律内容）与牛顿第一定律原文之间有逻辑错误。

如果把牛顿第一定律的原话倒过来说就是：“当物体受非平衡力作用时，就不会保持匀速运动状态”，这句话也没毛病。“不保持匀速运动状态”可以有除匀速状态之外的好多种状态，如熟悉的加速、减速、方向改变等等。所以牛顿说，“如果原来匀速运动的物体，受到非平衡力作用，就不再做匀速运动，”这话没毛病，也可以用事实去验证。

但是如果把牛顿说的话倒过来同时在用否定句的语气描述就是这样的：“当物体不受非平衡力作用时，就会保持匀速运动状态”，即理解为受平衡力或不受力，结果就一定是匀速运动吗？这显然是不对的。这是逻辑性的错误。因为物体运动状态是多种多样的。谁又能保证除了匀速运动（即便包括静止状态）就没有其他形形式的运动状态了？比如除了曲线或者直线，难道就没有类似波等特殊的我们目前还未知的第三种或第四种运动状态？

牛顿第一定律原文是有条件的，条件之一：物体匀速运动的时候，第二个条件是：受非平衡力作用，结果是：匀速运动状态改变。这种说法是可证实的、科学严谨结论。

为什么到了教材中，牛顿第一定律就就变成了一个永远不能证实了假说？教材中的牛顿第一定律被人们视为经典，这其实是曲解了牛顿第一定律的原意。

所以，把牛顿第一定律原文，颠倒过来再用否定语气描述是不科学、不严禁的。

在几年前，我在授课过程中就曾经把物理教材第一定律原文改为“一切物体在没有受到任何外力作用或所受合力为零的时候，将总保持运动状态不变。”当时我还觉得很得意，现在看来，仍然很肤浅。

语言是一门艺术，语句的前后倒置，会使得语境条件和结论都会发生变化。所以，《牛顿第一定律》作为影响物理学界的伟大发现，我们应当交给学生真实的《牛顿第一定律》，而不是为了追求语言的优美动听而忽视科学的的严谨。

最后，个人才疏学浅，观点偏颇或错误在所难免，望各位同仁、大家斧正。