2.1 牛顿第一定律在线视频

同学们好 这一节开始我们讲牛顿运动定律

首先我们讲牛顿第一定律

这个定律也叫惯性定律

这其实是伽利略首先发现的

这个定律的内容是这样的

任何物体如果没有力作用在它上面

都将保持静止的或作匀速直线运动的状态

这个当然在中学里面都学过了

我们在这里面 只是给几个说明

第一点 有人说这个是实验定律

其实不准确

在当时的情况下 伽利略发现这个定律

他不可能找到没有力的环境

没有这个条件他做不了这个实验

其实这个是伽利略通过思想实验 通过想象力

在经验的基础上总结归纳得出的一个规律

那么这个思想实验呢

大家在中学里面都听过 我们不在此重复了

第二点 这个定律实际上定义了惯性参考系

有人觉的奇怪 这里面没有提到参考系

当然也没有惯性这两个字

怎么你说这里面定义了呢

是这样的

它实际上是逻辑上隐含了这样的定义

先看一看在这个定律里面 它提到了

这个物体保持静止或者运动

无论是保持静止还是运动

我们知道总得有个参考系

所以牛顿第一定律里面

它是隐含着有个参考系的

它是相对于那个参考系

这个物体如果不受力的话它将保持静止或做匀速直线运动的状态

它是这样

我们暂且把这个参考系叫做惯性参考系

这样的惯性系是存在的

你在这样的惯性系看

这个物体不受力它是静止或匀速直线运动

可是惯性系存在这句话其实隐含着 不是惯性系的参考系也存在

为什么这么说

假如说世界上的所有的系 参考系都是惯性系

也就是说在任何参考系牛顿第一定律都是正确的话

那何必刻意把它叫做惯性系 你不用管它 对吧

说明什么呢

说明还有不是惯性系的参考系存在

是不是这样呢 我们看一个例子

假如说现在有一个火车 一开始是静止的

火车一开始相对于地面是静止的

车厢里面放了一个物体

这个物体和车厢底面之间的摩擦力是没有的

这是理想情况 假象实验

假设他们之间没有摩擦力

现在火车开始以加速度a启动了

那在地面看到什么现象呢

当然火车是以加速度a运动了

但是因为这个物体和车厢下面 没有摩擦力

所以在水平方向上这个物体不受力

所以这个物体在地面上看它还是保持静止状态

那我们说这和第一定律描述的情况是一样的

这个物体在水平方向没受力 它在水平方向保持静止

但是在这个S系看来

就是火车的参考系S看来会是什么样呢

刚才我们前面讲了加速度变换

我们知道 在这个火车参考系看来

这个物体实际上是以相反的方向的加速度a大小一样的运动

在S系看来它是向后运动的 加速运动的

那么在S系看来这当然不符合牛顿第一定律了

因为在S系这个物体在水平方向没有受到力

可是它却加速度运动也就是说它的运动状态改变了

所以我们说

相对于地面加速运动的这个火车参考系 不是惯性系

所以说有惯性系

那么在惯性系 牛顿第一定律是成立的

还有一些参考系 我们把它叫非惯性系

有两类参考系 一类呢惯性系

牛顿第一定律成立

另一类呢 牛顿第一定律不成立

所以说

牛顿第一定律 逻辑上隐含着这样惯性系存在

而且牛顿第一定律在这样的惯性系是成立的

那么实际惯性系在哪里呢

我们刚才说

在地面看来这个物体当然是符合牛顿第一定律的

那么好像地面是惯性系

但是我们知道

这是一个近似 地面参考系其实不是一个惯性系

因为我们知道地球有自转 地球自转的原因

地面参考系下实际上是有一个自转加速度的

这个加速度 我们可以估算出大概是3.4cm/s/s

不太大但是它是有的

所以地面参考系是一个近似的惯性系

或者说它也不是惯性系

地心参考系如何呢

地心参考系当然不受地球自转的影响

但是它绕着太阳有一个公转

那么公转加速度呢不大 更小0.6cm/s/s

所以说地心参考系也不是一个惯性系

那么太阳参考系如何呢

太阳参考系 太阳实际上也是绕着银河系做一个类似于圆的一个运动

那么它绕着银河系运动的加速度当然是非常小的

所以从这一点看

太阳参考系是一个比较好的惯性系

近似的看 它是一个比较好的惯性系

有没有更好的惯性系呢

一般来说 我们认为遥远的恒星参考系

遥远的恒星一般在地面上来看它一直是不动的

所以它是一个比较接近理想的惯性系

当然天文观测里面 还有更好的惯性系

当稍微复杂一点 在这里我们就不详细说了

第三点 牛顿第一定律定性了力

什么叫定性了力呢

它们里面说 没有力的话 物体运动状态就不改变

没有力的话 物体怎么怎么

从这句话你就大概对力有了一个概念

就是说这其实就是力的一个性质

没有力 物体的运动状态就不改变

第四个 它揭示了物体自然属性 惯性

为什么这么说呢

一个物体在惯性系 没有力的话它的运动状态就不改变

没有力的话 这个物体的运动状态为什么不改变呢

没有人知道

大家可能想这个可能是物体的自然属性吧

是的 我们把这个自然属性叫做惯性

但是你不要忘了

在牛顿第一定律发现之前

人们不知道物质有这样的属性

是牛顿第一定律第一次揭示了物体这种自然属性就是惯性

第五点

有人认为 牛顿第一定律的陈述方式逻辑不太严密

为什么这么说呢

它一开始提了力 没说力是什么

提了运动和静止 又没有提参考系

好像是这样 但其实不是

你听起来 它好像陈述比较模糊

但其实不是

比如说惯性系这一点

我们说 它虽然没有提惯性系 明确的提出来

但是它逻辑上 隐含着这种惯性系是存在的

而且定义了 只有在惯性系第一定律才成立

当然你可能问 那什么是惯性系啊

我们说 牛顿第一定律成立的那个参考系是惯性系

这不是逻辑循环么 有的人认为

我宁愿说 这是逻辑自洽

我们学物理多了以后 你会发现

物理学的理论体系 其实是逻辑自洽体系

另外第一定律 这样一个陈述方式

我不知道用什么样的比较准确的语言描述

我大概用了一个概念的开放性来描述

比如说惯性系

它没有明确的定义什么是惯性系

只是逻辑上隐含着 有这样的惯性系

这样的惯性系应该是什么样的

这样的结果呢

使得我们对惯性系的理解 没有一个限度

它没有给你加一个限度

所以牛顿第一定律发现以来 关于惯性系的讨论 一直没有停止

现在我们知道这个

爱因斯坦对于这个高速的问题 发展了

狭义相对论和广义相对论

那里面仍然有惯性系这个概念

那现在 我们对惯性系的理解

实际上是远远深于当时人们对牛顿第一定律

那个范畴里面的理解深度

好 这一节我们就讲到这