牛顿第一定律

    牛顿第一定律（Newton first law）：也称惯性定律，即一切物体总是保持匀速直线运动状态或者静止状态，除非作用在它上面的力迫使他改变这种状态。

 

    通俗的说就是，一切物体具有惯性（interia），一切物体具有保持静止状态或者匀速直线运动状态的性质。

 

惯性定律

    由于物体保持运动状态不变的特性叫做惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。

    惯性是一切物体固有的属性，无论是固体、液体或气体，无论物体是运动还是静止，都具有惯性。

要点：

①所有物体都有惯性。

②力是改变物体运动的根本原因。

③一切物体的静止或者匀速直线运动状态是基本状态，不受外力，就保持这个状态，直到受力迫使它改变这样的状态。

④力不是物体维持运动状态的原因，而是改变运动状态的原因。

 

惯性的大小只与物体质量有关，质量越大，惯性越大，或者说，相同力的作用下，物体运动状态更难被改变。

质量（mass）：是衡量惯性大小的量，是个标量，只有大小，没有方向，国际单位是千克（kg）。

 

惯性系和非惯性系

牛顿第一定律中的匀速直线运动和静止都没有言明参考系，实际上这是一个假设的绝对时间上，在绝对空间的绝对运动。这样使牛顿力学成立的参考系叫惯性系。

有一些非惯性系比如，在加速运动的火车内桌面上的小球，小球以火车为参考系时，它在没有受外力时是做加速运动（火车的相反方向）的，这时火车为非惯性系，而小球由于惯性，在这个参考系里做了相对于火车的加速运动，等效为惯性产生了力（火车加速的相反方向），这个情况一般不好理解，我们可以把小球和火车都放在地面为参考系的惯性系中研究，就可以使用牛顿的运动定律来解答了。

牛顿第一定律说明

    （1）它明确了力和运动的关系。物体的运动并不是需要力来维持，只有当物体的运动状态发生变化，即产生加速度时，才需要力的作用。

在牛顿第一定律的基础上得出力的定义：力是一个物体对另一个物体的作用，它使受力物体改变运动状态。

    （2）它提出了惯性的概念。物体之所以保持静止或匀速直线运动，是在不受力的条件下，由物体本身的特性来决定的。物体所固有的、保持原来运动状态不变的特性叫惯性。

物体不受力时所作的匀速直线运动也叫惯性运动。

    牛顿在第一定律中没有说明静止或运动状态是相对于什么参照系说的，然而，按牛顿的本意，这里所指的运动是在绝对时间过程中的相对于绝对空间的某一绝对运动。

 

    注意：力不是产生速度的原因，而是产生加速度的原因！

 

牛顿第一定律的意义

    （一）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。

    （二）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。

牛顿运动定律根基：伽利略的斜面研究

    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。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。

    如图所示，如果曲面是绝对光滑的，那么从图1中A处落下的物体，应该会”冲击”到与A登高的B点。不管是当时人类的经验、意识积累，还是后来的机械能守恒，都能解释这一现象。

    如果我们将曲面拉长，上述运动的本质不会发生变化。如图2所示，A处落下的物体，依然会”冲击”到与A登高的B点；显然，这种情况小球在水平面内的运动距离会变大。

    如果我们继续把曲面拉长，当足够远时（接近无穷远处），上述运动的本质不会发生变化。如图3所示，A处落下的物体，依然会”冲击”到与A登高的B点；只不过B点太远了，小球就要运动很长、很长的一段时间。

我们应该知道，在这段时间内，小球是不会受到水平方向上力的作用的。也就是说，在没有水平外力（驱动力）的作用下，物体会运动，而且运动状态不会改变。

    这与人类史上：马必须拉车车才会运动的”默认定律”是矛盾的。便随着牛顿第一定律的阐述，以力学为基础的物理学开始快速发展起来。

    伽利略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。

牛顿第一定律的其他表述

    当一个质点距离其他质点足够远时，这个质点就作匀速直线运动或保持静止。（与外界没有力的相互作用）

    由于物体保持运动状态不变的特性叫做惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。惯性是一切物体固有的属性，无论是固体、液体、气体和等离子体，无论物体是运动还是静止，都具有惯性。

    牛顿第一定律（惯性定律）科学地阐明了力和惯性这两个物理概念，正确地解释了力和运动状态的关系，并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的属性——惯性，它是物理学中一条基本定律。

牛顿第一定律是牛顿第二定律的关系

    以把牛顿第一定律理解为牛顿第二定律的特殊情况，即加速度为零的特殊情况。这时候，根据牛顿第二定律F=ma可知，物体所受到的合外力为零，这与牛顿第一定律的描述是完全一致的。

    牛顿第一定律描述为：一切物体在没有受到力的作用时，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力迫使它改变这种运动状态。