南浔越麓书院老师分享

牛顿定律是科学家思想进化的结晶，绝不仅仅是“经验”或“实验”的产物。



所以，大家在学习的过程中，需要认识到思想史中的科学思维和方法，包括思想实验、实验观察、推理论证等等。



但有一个比较大的问题是：牛顿定律的知识史缺位，没有获得足够的重视。对此，本文将澄清这段历史，以便大家更好的学习这一章节。





亚里士多德

亚里士多德没有提出过“力”和“惯性”的概念，而是提出了物体基于“本性”的“自然运动”和在“外在作用（推、拉、提、举）”下违逆“本性”的“受迫运动”。



亚里士多德将物体分为三类：



类是地面上的物体，其“本性”是“打一鞭子动一下”，所以它们的“自然运动”是“静止”；



第二类是空中的物体，其“本性”是“落叶归根”，所以它们的“自然运动”是“重落轻升”——重的物体落向大地，轻的物体飘向天空；



第三类是天体，其“本性”是“膜拜地球”，所以它们的“自然运动”是绕着地球做和谐的“匀速圆周运动”。



亚里士多德认为，物体要违逆“本性”做“受迫运动”，必须要“外在作用”来维持，他所说的“外在作用”其实就是今日之科学概念“力”。





伽利略

伽利略率先提出了“惯性”的概念，但与牛顿和笛卡尔对“惯性”的理解是不同的。伽利略没有提出过“力”的概念，而是使用“摩擦”。



伽利略通过“双斜面理想实验”指出，如果没有“摩擦”，地面上的物体会一直运动下去。为了解释物体一直运动下去的原因，他提出了“惯性”的概念，并指出，地面上物体的“自然运动”是“匀速运动”，并非“静止”。



伽利略在近代科学中实属里程碑式的人物，是因为他开创了实验研究和逻辑推理相结合探索自然规律的科学方法，比如上文提到的“双斜面理想实验”就用到了这种方法。



当时，他是这样思考的：

①把两个比较光滑的斜面拼在一起，底端相连；

②铜球从一个斜面上的某个位置自由释放，然后它会到达另一个斜面上的某个位置，且两个位置差不多是同一高度；

③不论他怎么调节两个斜面的倾角，情况都是如此；

④伽利略通过合理的外推指出，如果第二个斜面的倾角为零，即一个斜面拼接一个平面，那么，铜球将永远也无法达到释放位置的高度，所以它将永远运动下去。

笛卡尔



笛卡尔开创了新物理学的理论基础，即提出：自然界一切物体都具有相同的“本性”——“惯性”。即自然界一切物体基于“惯性”的“自然运动”都是“匀速直线运动”。



可以说，笛卡尔对“惯性”的理解是对伽利略运动理论的重大突破。



为什么这么说呢？



此前，伽利略认为的“地面”是“地球表面”，所以他提出的“惯性”是指，地面上的物体有绕地球表面做“匀速圆周运动”的性质。因此，伽利略提出的“惯性”实质上是“圆惯性”。



相比之下，笛卡尔所秉持的“不受力的物体不仅会保持匀速运动，还会做直线运动”，才算是正式揭开了“惯性”的面纱。



然而，笛卡尔也没有建立“力”的概念，而是为物理学构建了“动量”这一概念。



牛顿

牛顿站在巨人的肩膀上，用欧氏几何建立起了牛顿运动理论体系。



牛顿定律实质上巩固了笛卡尔关于自然界一切物体“本性”和“自然运动”的认知，更为重要的是，牛

牛顿第二定律在此基础上定量地指出了“惯性”和“力”的大小对物体运顿创造了“力”的概念。



他指出，使物体违逆“本性”做变速运动（受迫运动）的原因，叫做力，即力是改变物体运动状态的原因。



牛顿定律构建了“惯性”和“力”的概念，并定性地指出了“惯性”和“力”对物体运动状态的影响；