定律定义 牛顿在《自然哲学的数学原理》中的原始表述是: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。 [3] 该表述在人教版、粤教版高中物理教材中被引用。 用数学公式表示为: ,其中 为合力,v为速度,t为时间。 鲁教版高中物理教材中的表述是:牛顿第一定律表明,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。 [5] 有的专家学者认为这种表述方式并不严谨,所以通常采用原始表述。 [2] 2019年初中物理(人教版)定义: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。 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。 [6] 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。 [7] 适用范围 牛顿第一定律只适用于惯性参考系。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的参考系一定是惯性参考系,因此只有在惯性参考系