课外读物优秀教学设计

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。

一个物体，如果不受其他物体作用(或所受合力为零)，则它将保持静止或作匀速直线运动。这就是牛顿第一定律，该定律的最初表述是伽利略提出的，后经笛卡尔改进，牛顿将其进一步完善。关于牛顿第一定律，有下列几点需要说明:

⑴惯性定律是不能直接用实验严格地验证的，它是理想化抽象思维的产物。

在上述定律的表述中，用了"力"这个词儿。这是牛顿力学最基本的概念之一，也是日常生活和物理学史中用得很滥的词儿。有鉴于此，我们不妨改用下列较为现代化的说法来表述惯性定律: 自由粒子永远保持静止或匀速直线运动的状态。

所谓"自由粒子"，是不受任何相互作用的粒子(质点)。它应该是完全孤立的，或者是世界上唯一的粒子。显然，实际上我们不可能真正观察到这样的粒子。但当其他粒子都离它非常远，从而对它的影响可以忽略时，或者其他粒子对它的作用彼此相互抵消时(即所谓受合力为零)，我们可以把这个粒子看成是自由的。这一般是办不到的，即使这能办得到，这个孤立的自由粒子，由于找不到参考物来定义参考系，从而无法考虑它的运劫惰况。

由此可见，惯性定律是不能直接用实验严格验证的，它是理想化抽象思维的产物。

⑵牛顿第一定律提出了"力"和"惯性"这两个重要概念。

牛顿动力学中的核心概念是力。

经验告诉我们，物体的运动是由于物体之间的相互作用引起的。列车的行进是由于机车的牵引作用，枪弹的射击是靠着炸药爆炸的作用。物体之间的相互作用，用"力"这个概念来表达。实际上，人对力最初的认识是源于人的肌肉对重物的作用。力的概念虽然出现得很早，但是关于力和运动的关系的正确认识却得到得相当晚。在亚里士多德的《物理学》中有一条原理:"凡运动着的事物必然都有推动者在推动着它运动。"这个论断在几乎长达两千年的时间里被认为是无可怀疑的经典。从动力学角度来认识力，把力与物体的运动状态正确地联系起来，主要是伽利略和牛顿的功绩。伽利略通过对斜面上物体的运动的研究，得出了不受加速或减速因素作用的物体将作匀速直线运动的结论，牛顿则将这种加速(或减速)因素明确地称为力，从而确立了力不是维持物体运动的原因。牛顿第一定律阐明了这一思想，提出力是迫使物体改变静止或匀速直线运动状态的一种作用，这样就给出了力的定性定义。力的这一定义大大拓宽了力的范围，使力的范畴从原来仅限于弹性力、肌肉力、压力开拓到包括引力、磁力等。

每个物体在不受外力时都有"保持其静止或作匀速直线运动的状态"的属性，这就是惯性。惯性是"每个物体按其一定的量(以后我们将其定义为质量)而存在于其中的一种抵抗能力"，使"物体保持其原来的运动状态"。故牛顿第一定律通常又称为惯性定律。

(3)牛顿第一定律是大量观察与实验事实的抽象和概括。

牛顿第一定律不能直接用实验来证明，因为世界上没有不受其他物体作用的"孤立"物体，而"所受合力为零"这一点本身并不自明。但值得庆幸的是，迄今为止力的定律表明物体间的作用力都随物体间距离的增加而迅速递减，因而远离其他所有物体的物体可近似看成孤立物体。而远离其他所有物体的物体的运动状态的确十分接近于匀速直线运动状态(如远离星体的彗星的运动)。这一事实使我们相信牛顿第一定律是正确的，是客观事实的合理概括。但由此也可以看到，牛顿第一定律必须与力的定律联系起来才有意义。

(4)牛顿第一定律定义了一类重要的参考系一惯性系。

上文提到，惯性定律是不能直接用实验严格验证的。设想有一位很严格的科学家，他相信惯性定律是可以用实验来证明或推翻的。他在水平的桌面上推动一个小球，并设法尽量消除摩擦(现代可以用气桌相当好地来实现这一点)，他观察到，小球确实相当精确地作匀速直线运动。正当他要宣布验证惯性定律成功时，忽然发现一切突然变得反常了。原来沿直线运动的小球偏到了一边，向房子的墙壁滚去。他自己也感到有一种奇怪的力把他推向墙去。究竟发生了什么事?原来有人和他开玩笑。这位科学家的实验室没有窗户，与外界完全隔绝。开玩笑的人安装了一种机械，可以使整个房子旋转起来。旋转一开始，就出现上述各种反常现象，于是惯性定律被推翻了。

人们谈论运动时，是离不开参考系的。上述故事表明，惯性定律在有的参考系(譬如那间旋转着的房子)中是不成立的。因此我们定义:惯性定律成立的参考系为惯性参考系，简称惯性系。

从运动学中我们知道，一旦找到了-个惯性系K，则在相对于K系作匀速直线运动的所有参考系中惯性定律都满足，因而都是惯性系。由此可知，惯性系是一类重要的参考系，在惯性系中,牛顿第一定律严格正确。

牛顿第一定律的意义是:一定存在这样的参考系，在该参考系中，所有不受力的物体都保持自己的速度不变。这类参考系称为惯性参考系，或称惯性系。即:惯性定律断言，惯性系一定存在。

(5)惯性不是个别物体的性质，而是参考系的性质，或者说是时空的性质。

在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则其他物体都服从惯性定律。由此可见，惯性不是个别物体的性质，而是参考系的性质，或者说，是时空的性质。"惯性"的起源是一个很深刻的物理问题。

综上所述，牛顿第一定律具有丰富的内容，它既提出了力和惯性的概念，又定义了惯性系;而且，它的成立并不依赖于力和惯性的定量量度。它比牛顿第二定律具有更大的兼容性。