牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律（Newton's First law of Motion）表明：任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，直到其他物體所作用的力迫使它改變這種狀態(tài)為止。物體所呈現(xiàn)出的維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)稱(chēng)為“慣性”。艾薩克·牛頓第一定律又稱(chēng)為“慣性定律”，只成立于慣性參考系，又稱(chēng)為“牛頓參考系”。
關(guān)于慣性定律的討論，最早可以追溯到古希臘。公元前4世紀(jì)，古希臘的德謨克利特（希臘文：Δημ?κριτο?）等人提出原子運(yùn)動(dòng)理論。之后，科學(xué)家亞里士多德（Aristotle）提出運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)。1609年，意大利物理科學(xué)家伽利略·伽利萊（Galileo）提出斜面實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)維持，只有運(yùn)動(dòng)的變化才是外力作用的結(jié)果。1618年-1621年，德國(guó)天文學(xué)者約翰尼斯·開(kāi)普勒（德語(yǔ)：Johannes Kepler）最先提出術(shù)語(yǔ)“慣性”一詞。1665年，英國(guó)物理學(xué)家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）開(kāi)始研究慣性運(yùn)動(dòng)，他于1687年在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里，提出了牛頓運(yùn)動(dòng)定律，其中有三條定律，分別為牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律、牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律與牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律確定了力的含義、揭示了任何物體都有慣性，該定律在經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)核心地位，適用于描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、在慣性參考系中的物體行為，以及宏觀尺度和低速條件下的物理現(xiàn)象。牛頓第一定律不僅是物理的理論基石，而且在實(shí)際應(yīng)用中也有廣泛的影響，如在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)、過(guò)山車(chē)、汽車(chē)及航天器的運(yùn)行等中都能找到其應(yīng)用實(shí)例。這一定律為分析和預(yù)測(cè)物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供了基礎(chǔ)理論。
定義
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律表明：任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，直到其他物體所作用的力迫使它改變這種狀態(tài)為止。牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律說(shuō)明：物體具有保持原來(lái)勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)，物理學(xué)把這個(gè)性質(zhì)叫做慣性。因此牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律又叫做慣性定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為，該定律的解釋是當(dāng)質(zhì)點(diǎn)所受合力為零時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的速度保持不變。
簡(jiǎn)史
關(guān)于慣性定律的討論，最早可以追溯到古希臘。在公元前4世紀(jì)，古希臘的德謨克利特（希臘文：Δημ?κριτο?）及其繼承人伊壁鳩魯（希臘文：?π?κουρο?）、盧克萊修（Titus Lucretius Carus）等人通過(guò)思辨性的原子運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)想原子在虛空中沒(méi)有阻力的作用下，只要不受外界作用的干擾，會(huì)一直等速地運(yùn)動(dòng)下去，這實(shí)際上就是原子的慣性運(yùn)動(dòng)思想。而后，古希臘哲學(xué)家、科學(xué)家亞里士多德（Aristotle）提出的運(yùn)動(dòng)學(xué)說(shuō)認(rèn)為“除了重物的下降和輕物的上升之外的一切運(yùn)動(dòng)，都是非自然的運(yùn)動(dòng)，而一切非自然的運(yùn)動(dòng)（包括勻速直線運(yùn)動(dòng)在內(nèi))，都只能在外力強(qiáng)迫下才能進(jìn)行。當(dāng)推一個(gè)物體的力不再推它時(shí)，物體便歸于靜止。”
1609年，意大利物理科學(xué)家伽利略·伽利萊（Galileo）提出斜面實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)維持，只有運(yùn)動(dòng)的變化才是外力作用的結(jié)果。物體不受外力作用時(shí)，將永遠(yuǎn)勻速地運(yùn)動(dòng)下去。伽利略考慮到地球是圓的，因此任何水平面實(shí)際都是球面。他的結(jié)論是：運(yùn)動(dòng)物體在沒(méi)有摩擦的情況下沿水平面發(fā)射，將沿地球表面的球面勻速、無(wú)限制地運(yùn)動(dòng)下去，其實(shí)就是勻速圓周運(yùn)動(dòng)。相反，如果在一個(gè)真正的光滑平面上，從地球上看，物體沿著這種表面的運(yùn)動(dòng)實(shí)際相當(dāng)于沿斜面升高，因此速度將不斷地減小。
1618年-1621年，德國(guó)天文學(xué)者約翰尼斯·開(kāi)普勒（德語(yǔ)：Johannes Kepler）分三階段發(fā)表的著作《哥白尼天文學(xué)概要》里，最先提出術(shù)語(yǔ)“慣性”一詞，是根據(jù)拉丁文“閑置”或“懶惰”翻譯而來(lái)，與其現(xiàn)代解釋并不完全相同。他僅是根據(jù)運(yùn)動(dòng)阻力來(lái)定義慣性，再次基于靜止是一種不需要解釋的自然狀態(tài)的假設(shè)。
1629年，法國(guó)科學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾（法語(yǔ)：René Descartes）在給友人的信件中寫(xiě)道：“一旦運(yùn)動(dòng)加在一個(gè)物體上，它總是會(huì)保持下去，除非有什么別的原因使其停止，也就是說(shuō)，在真空中一旦運(yùn)動(dòng)起來(lái)，它將以相同的速度一直運(yùn)動(dòng)下去。”一般認(rèn)為笛卡爾的上述文字是近代慣性定律的最早正確表述。此外，笛卡爾早在他的《論世界》中就指出了慣性運(yùn)動(dòng)的直線性特征，并把運(yùn)動(dòng)明確地定義為一種狀態(tài)。
1640年，法國(guó)科學(xué)家皮埃爾·伽桑狄(Pierre Gassendi)對(duì)伽利略·伽利萊的慣性原理進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)是由騎馬人和坐在馬車(chē)中的人向空中拋石，并且互相投擲石塊。人們可以看到拋出的石塊跟隨著馬運(yùn)動(dòng)，從飛奔的馬上掉下來(lái)的石塊也是相對(duì)馬直線下落。此外，他還安排了一次在三層戰(zhàn)艦上的實(shí)驗(yàn)，在戰(zhàn)艦勻速前進(jìn)時(shí)，不論從行船的桅桿頂部垂直丟下一塊石頭，還是從桅桿垂直向上拋出的石頭都是掉在桅桿腳跟，而不是掉在船尾。在他的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中給出了船的速度，驗(yàn)證了伽利略“物體的運(yùn)動(dòng)并不需要外力來(lái)維持”的觀念。之后他于1642年提出“物體沒(méi)有受到任何相互作用的條件下將自由運(yùn)動(dòng)”，而且這一結(jié)論的取得不依賴(lài)于“自然運(yùn)動(dòng)”，也不仰仗上帝的旨意等言論。
1665年，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）開(kāi)始研究慣性運(yùn)動(dòng)，約1668年，他開(kāi)始從慣性運(yùn)動(dòng)的闡述轉(zhuǎn)向研究慣性運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，提出慣性是由物體內(nèi)在的屬性，由質(zhì)量決定的。質(zhì)量概念的建立，讓人們開(kāi)始科學(xué)地理解和認(rèn)識(shí)慣性的含義，然后找出它與其他運(yùn)動(dòng)定律的內(nèi)在有機(jī)聯(lián)系。1687年，他撰寫(xiě)《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》時(shí)提出了牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律：“任何物體都保持靜止的或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，直到其他物體的作用迫使它改變這種狀態(tài)為止。”這條定律也被稱(chēng)為“慣性定律”。
適用條件
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律說(shuō)明了力的含義：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。其適用范圍是經(jīng)典力學(xué)范圍，適用條件是質(zhì)點(diǎn)、慣性參考系以及宏觀、低速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。此外，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律定義了慣性參考系，在慣性系中，一個(gè)不受力作用的物體或處于受力平衡狀態(tài)下的物體，將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)不變。并非任何參考系都是慣性系，如航天任務(wù)，選定太陽(yáng)為參考系，所觀測(cè)到的大量天文現(xiàn)象和軌道情況才能和牛頓運(yùn)動(dòng)定律推算的結(jié)果相符。
慣性參考系
慣性定律只能在某些特殊參考系中成立，比如對(duì)加速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)參考系并不成立。問(wèn)題的關(guān)鍵在于：對(duì)于一個(gè)自由的孤立物體，雖然在一些參考系中其加速度不為0，但一定存在一個(gè)參考系，在其中該物體的加速度為0，而且其他的孤立物體也保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種特殊的參考系稱(chēng)為慣性參考系，簡(jiǎn)稱(chēng)慣性系。此外，相對(duì)于一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的平動(dòng)參考系也是慣性系。因此，確定了一個(gè)慣性系，就確定了一組慣性系。
在慣性系中，慣性定律以及整個(gè)牛頓力學(xué)體系得以成立。慣性系的選擇主要依據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)。通常討論地表物體的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí)，可以認(rèn)為地球是一個(gè)近似程度很好的慣性系。在研究人造衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球的自轉(zhuǎn)就不能忽略了，此時(shí)較好的慣性系是地心系，由地心引出三根相互垂直的射線指向遠(yuǎn)處確定的恒星，就構(gòu)成了地心系。在研究太陽(yáng)系行星的運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性系最好的選擇是太陽(yáng)系，即以太陽(yáng)為原點(diǎn)、以太陽(yáng)與遠(yuǎn)處恒星的連線為坐標(biāo)軸的參考系。在研究恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)，常用的實(shí)用慣性系是FK4系，它以選定的1535顆恒星的平均靜止位形作為基礎(chǔ)，比之前的參考系更加精準(zhǔn)。
意義
牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的意義一是確定了力的含義，力是由物體間的相互作用而產(chǎn)生的，是一個(gè)物體對(duì)另一物體的作用。力對(duì)物體作用的效果使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度）發(fā)生變化，即使物體獲得加速度。因此力是改變速度的原因，是產(chǎn)生加速度的原因，而不是產(chǎn)生速度或維持速度的原因。當(dāng)物體不受力（或合外力為零）時(shí)，將保持其原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)）。
二是揭示了任何物體都具有保持其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的特性，這一特性稱(chēng)為慣性。慣性是任何物體都具有的固有屬性。慣性取決于物體的本身，它與物體作何種運(yùn)動(dòng)以及物體是否受力都無(wú)關(guān)。
相關(guān)理論
牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律
質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的時(shí)間變化率與質(zhì)點(diǎn)受到的合力成正比，質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量為，其中為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，為質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，在適當(dāng)?shù)膯挝恢浦校ｎD第二運(yùn)動(dòng)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
，其中表示質(zhì)點(diǎn)受到的合力。當(dāng)是常數(shù)時(shí)，寫(xiě)成，其中為質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)加速度。此外，其中、均為矢量，且方向相同。
牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律
每個(gè)作用力必有一個(gè)與其對(duì)應(yīng)的等值反向、共線且作用點(diǎn)相同的反作用力，這個(gè)定律又稱(chēng)為作用與反作用定律。
應(yīng)用
生活
抽桌布實(shí)驗(yàn)
將桌布鋪在一張小臺(tái)子上，然后在桌布上放置一些餐具，當(dāng)人拉住桌布的一邊快速抽出時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，桌布上的餐具雖然有輕微的晃動(dòng)，但仍然留在小臺(tái)子上。這是因?yàn)椋鹤啦寂c餐具間的摩擦力作用在短時(shí)間內(nèi)可以忽略不計(jì)，所以即便桌布被抽出，餐具仍然會(huì)在慣性的作用下繼續(xù)保持靜止?fàn)顟B(tài)，從而留在小臺(tái)子上。
過(guò)山車(chē)和行車(chē)
過(guò)山車(chē)通常被拖車(chē)拖到高處，然后向下俯沖，利用慣性高速通過(guò)各種圓形軌道。可以想象，如果沒(méi)有重力的限制，過(guò)山車(chē)甚至可以在慣性作用下徑直沖向太空。
行車(chē)安全也與慣性有關(guān)，當(dāng)汽車(chē)在路上高速行駛時(shí)，如果遇到緊急情況而急剎車(chē)，汽車(chē)由于慣性作用會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，速度快、質(zhì)量大的卡車(chē)會(huì)滑行更遠(yuǎn)的距離，從而很容易造成車(chē)輛碰撞、駕駛員被甩出的情形。因此，為了行車(chē)安全，駕駛員應(yīng)盡量系好安全帶，并避免超速行駛。
軍事
慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中的慣性?xún)x表是根據(jù)慣性原理工作的，它可以在慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中測(cè)量彈道式導(dǎo)彈的飛行加速度，從而控制導(dǎo)彈射程。如果不考慮引力的作用和地球自轉(zhuǎn)的影響，導(dǎo)彈在推力的作用下，在作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，同時(shí)也存在著“慣性力”。由于彈道式導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中質(zhì)量是變化的，所以，它的慣性力大小也不是恒定的，并且反映了導(dǎo)彈飛行加速度的變化。因此，只要設(shè)法通過(guò)對(duì)加速度的測(cè)量和進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以得出導(dǎo)彈的飛行速度，隨之再對(duì)加速度進(jìn)行第二次積分運(yùn)算，就可以得出導(dǎo)彈的飛行距離（即射程）。如能依此去控制發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)閉，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈射程遠(yuǎn)近的控制。
航空航天
太空探測(cè)器在太空中以恒定速度移動(dòng)。一旦克服了行星的引力影響，太空中就不存在摩擦力或任何其他力。因此，太空探測(cè)器在太空中以恒定速度移動(dòng)，因?yàn)闆](méi)有力作用在它上面。
參考資料 >
Newton’s Laws of Motion.nasa.2024-01-25
牛頓第一定律(慣性定律).physigeek.2024-03-14