绥化学院 毕 业 论 文

牛顿运动定律的建立及其意义

姓 名 学 号 200851326 专 业 物理学 年 级 2008级 指导教师 崔金玉 副教授

Suihua University Graduation Paper

Establishment and its significance Newtonian sports law

Student name Student number Major Supervising teacher

Suihua University of

摘 要

本文概括的介绍了牛顿运动定律的建立过程及其重要物理意义。文章首先通过对十七世纪的科学发现进行回顾，分别对牛顿三大定律的建立过程进行阐述。之后总结了十七世纪以来的物理研究及发现，对牛顿运动定律的意义进行了归纳。最后对牛顿运动定律的本质进行了概括。

本文不仅对牛顿牛顿运动定律进行了文字阐述，还附加了一些例题及图片说明，使读者更容易理解牛顿运动定律的意义。在文章的最后部分，本文还举例说明了牛顿运动定律在现实中的应用，充分说了牛顿运动定律的意义。

关键词：牛顿运动定律；建立过程；物理意义

I

Abstract

The paper introduces the establishing process of Newtonian sports law and its physical meaning. Firstly, through to the seventeenth Century scientific findings were retrospectively reviewed, respectively, to the Newtonian three law establishment process are expounded. After summing up since seventeenth Century on the physics research and discovery, of Newton's laws of motion sense are summarized. At the end of Newtonian sports law essence summarized.

This paper not only for the Newtonian laws of motion for text elaboration, has also added some examples and explanation, making it easy for readers to understand the significance of Newtonian sports law. In the last part of the thesis, this paper also illustrates the Newtons laws of motion in the real application, fully said the significance of Newtonian sports law.

Key word: Newtons laws of motion; Building process; The meaning of physical

II

目 录

摘要·································································································Ⅰ Abstract····························································································Ⅱ 目录·································································································Ⅲ 前言·································································································1

第1章牛顿运动定律的建立过程·····························································2

第1节惯性概念的建立······································································2

第2节力与运动关系的思想发展··························································3

第3节牛顿第三运动定律的发现过程····················································4

第4节小结·····················································································4

第2章牛顿运动定律············································································6

第1节牛顿第一定律·········································································6

第2节牛顿第二定律·········································································7

第3节牛顿第三定律·········································································8

第3章牛顿运动定律的意义···································································9 结论································································································11 参考文献··························································································12 致谢································································································13

III

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前 言

牛顿在《自然哲学的数学原理》里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学的基石，他还和莱布尼茨各自独立地发明了微积分，被誉为人类历史上最伟大的科学家之一。因为牛顿，经典力学又名为“牛顿力学”，而力的单位也叫做“牛顿”，另外，以牛顿命名的数学和科学术语还有“牛顿方程”、“牛顿-莱布尼茨公式”、“牛顿法”、“高斯－牛顿最小二乘法”、“牛顿环”、“非牛顿流体”等。艾萨克·牛顿爵士是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家，同时也是物理学家、数学家和哲学家。他在1687年7月5日发表的不朽著作《自然哲学的数学原理》里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则——万有引力定律和三大运动定律。这四条定律构成了一个统一的体系，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为现代工程学的基础。牛顿为人类建立起“理性主义”的旗帜，开启工业革命的大门。牛顿逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂，成为在此长眠的第一个科学家。作为经典物理学的奠基人，牛顿为物理学做出了巨大的贡献，没有他，就没有其他人的成就。牛顿运动定律不仅为他以后的成就奠定了基础也为别人铺平了道路。牛顿运动定律的建立是物理学的一个重要的里程碑，我们应该熟练的掌握并运用。

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第1章 牛顿运动定律的建立过程

经典物理学以牛顿力学为基础，牛顿力学以牛顿三大运动定律为核心。牛顿是怎么发现的牛顿三大运动定律，本文将对此作出解释。

第1节 惯性概念的建立

物理学发展史上，关于运动的研究起始于探讨必然的运动规律，然后转变为探索自然的运动，在这样的追求和探索过程中，通过实验和观察，逐渐归纳出物质运动的规律。

从公元前开始许多的科学家就着手研究并提出自己的物质观和运动观。泰勒斯学派代表人物阿纳克萨哥拉提出提出宇宙万物起源于“单子”的必然的漩涡运动。古原子理论奠基人留基伯和德谟克利特认为宇宙万物起源于原子在虚空中的必然的漩涡运动，但是在他们之后的伊壁鸠鲁提出了比他们的研究成果更深刻的理论，他认为除了原子的必然的漩涡运动之外，还存在一种偶然的偏斜运动。[1]

康德在《宇宙发展史概论》中提出原子的偶然偏斜运动的原因是斥力。伊壁鸠鲁认为：“当原子在虚空里被带向前进而没有东西与他们冲撞时，，它们一定以相等的速度运动” 这句话说明原子在虚空中没有受到阻碍（即不受阻力）的情况下，只要没有外界干扰，那么它们会一直等速匀速下去，这实际上就是原子的惯性思想。这说明了惯性概念开始萌芽了。

亚里士多德在《物理学》一书中把一切运动分为两种：第一种是自然运动，第二种是强制运动。亚里士多德还对自然运动进行了定义，称被自身推动的运动者是自然地运动的。物理学史上第一个用严格的科学论证提出惯性律的科学家伽利略在《运动论》手稿中反驳亚里士多德的这种定义，他认为水平面上的物体运动就不具有这种性质，并初步提出惯性概念的想法。他在《关于两种种新科学的对话》中，通过一个理想实验确实论证了水平面上的直线运动是惯性运动。他用理想实验进行论证的原因是，现实中的水平直线运动都是有阻力的，只能近似地而不可能无阻力地进行这种实验。

之后的开普勒在研究天体运动规律的时候发现了惯性在天体运动中的作用，他在 2

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《行星的原因》认为惯性是一种与重量类似的东西，天体没有它就不会有有一种力量使它们从所在的地方运动。他还认为所有的物质必须有惯性，只有惯性才能说明运动的差异。

他是从物质惯性质量去理解物质的惯性，但从惯性是物质内在属性的观点所做的发展，却遭到笛卡尔和伽桑狄的反对。笛卡尔在《哲学原理》中不承认物质之内存在什么属性，而认为客观存在的只有广延，物质或物体不过是一种广延罢了，物质的本质就是广延的。

伽利略、开普勒等人的这些惯性运动概念对牛顿后来的思想都产生了不同程度的影响，而伽利略和笛卡尔的起的影响最大。但是发现了惯性定律并不代表发现了第一运动定律，牛顿在总结研究前人的研究成果的基础上研究惯性运动及其本质，提出惯性是由物体内在的属性——惯性力或质量决定的，在《自然哲学的数学原理》中提出了著名的牛顿运动第一定律。

第2节 力与运动关系的思想发展

力与运动的关系一直是物理学研究的基础，而力与机械运动变化的关系是近代物理学学前期发展的基本课题。从古希腊到牛顿时代，能够沿思辨——定性——定量的顺序进行发展并可用系统的科学实验研究的，只力与机械运动的关系。[2]

古代原子论者伊壁鸠鲁提出思辨的运动观：他说原子运动和变化的原因有三种，一种是由重量引起的向下运动，另一种是由冲撞引起的向上或侧向运动，再一种是原子下落过程中因某种原因出现饿偶然偏斜运动。他把作用力与速度的变化联系起来。亚里士多德的的运动观是以作用力和速度比例为特征的，他没有也不可能认识到作用力与速度成比例。

近代物理学起源于批判亚里士多德的运动观，特别是从批判重量与速度成比例关系开始，1590年伽利略做了著名的比萨斜塔实验以雄辩的事实批判了亚里士多德的运动观。通过实验数据推出自由落下的路程与时间的平方成比例。从而提出了加速度的概念，发现力与加速度的比例关系，导致落体定律和抛射体运动规律的发现。

笛卡尔在力与加速度关系方面对牛顿有着不可低估的影响。其一在分析圆周运动和离心力概念上笛卡尔认为圆周运动的物体同时有两种运动倾向，即径向的和切向的。 3

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其二在关于物体碰撞及其规律上，笛卡尔认为，一动体和一定体碰撞，后者的阻力能超过前者的动力，如果二者是软的，动体会变成静止的，如果他们都是硬的，会无运动损失地被反射回去。此外如果动体的动力大于定体的阻力，二者会一起向前运动，其变化是前后的运动是守恒的。他由此推广到宇宙范围，认为宇宙中的总动量是不受物体碰撞影响的。这其实就是弹性碰撞和非弹性碰撞规律及动量守恒定律的雏形。

牛顿在1665年左右，过研究惯性运动的变化与作用力的关系开始注意运动第二定律。牛顿将保持和打破物体的惯性运动状态的力看作本原的观点，定义力并将力分成外力和内在固有的惯性力两种，这对科学的发展产生了深远的影响。为例得出适合水平运动和落体运动两种情况的普遍的运动第二定律，牛顿通过磁力作用证明了惯性质量和引力质量等效，从而得出普遍的运动第二定律及其表达式。

第3节 牛顿第三运动定律的发现过程

牛顿运动第一定律和运动第二定律是关于物体惯性运动和打破惯性运动的定律，但对于一个物体系来说，必然存在作用和反作用或运动传递的问题。

笛卡尔从运动变化的观点和莱布尼茨从活力的观点，分别研究过物体碰撞前后运动量的传递和守恒关系。而牛顿却从力的观点研究了物体碰撞过程中相互作用的关系。他早在665——1666年间就认识到二刚体相互碰撞的瞬间，彼此以相等的最大压力或作用力与反作用力相互作用，这标志着运动第三定律已经萌芽。牛顿后来用图形研究作用力和反作用力是否相等并在同一直线上，终发现了运动第三定律。

牛顿从研究惯性运动时起至最后提出运动三定律，并把这三定律看作一个整体并作为动力学的主要基础对人类科学的发展产生了划时代的影响。[3]

第4节 小结

原初版本的牛顿运动定律只适用于描述质点的动力学，不具有足够功能来描述刚体与可变形体的运动。1750年, 欧拉在牛顿定律的基础上，推导出能够应用于刚体的欧拉运动定律。后来，这定律又被应用于假定为连续介质的可变形体。假若用一群离散质点的组合来代表物体，其中每一个质点都遵守牛顿定律，则可以牛顿运动定律推到出欧拉运动定律。不论如何，欧拉运动定律可以直接视为专门描述宏观物体运动的 4

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公理，与物体内部结构无关。在这里，宏观物体指的是尺度远远大于粒子尺度的物体。

牛顿运动定律只成立于惯性参考系，又称为牛顿参考系。有些学者喜欢将第一定律作为，而将惯性参考系视为牛顿参考系。有些学者喜欢将第一定律作为根本，而是将惯性系视作第一定律的延伸，也就是说在他们看来，第一定律可以用来定义惯性参考系。假若采用这观点，则由于只有从惯性参考系观察，第二定律才成立，所以，不能从第二定律以特例的方式来推导出第一定律。另外又有一些学者将第一定律视为第二定律的推论。

运动三定律虽以英国著名物理学家、天文学家、数学家牛顿的名字命名，但它是历史上许多科学家长期探索的结晶。

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第2章 牛顿运动定律

牛顿三大运动定律是经典力学的基础，三大定律之间有着深刻的关联。牛顿第一运动定律是牛顿运动定律的基础定律，牛顿第二运动定律是牛顿运动定律的核心定律，牛顿第三运动定律是牛顿运动定律的联系定律。[4]

第1节 牛顿第一定律

1．1 牛顿第一定律的内容

表述一：任何物体在不受外力或受力平衡时（即F合=0），总是保持静止状态或匀

速直线运动状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。表述二：当质点距离其他质点做够远时，这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态。即：质量是惯性大小的量度。[5]

如火车在长直水平轨道上匀速行驶，门窗紧闭的车厢内有一个人向上跳起，发现仍落回到车上原处，这是因为人跳起后直到落地，在水平方向上人和车具有相同的速度。由于惯性，火车在匀速运动中火车上的人与火车具有相同的水平速度，当人向上跳起后，仍然具有与火车相同的水平速度，人在腾空过程中，由于只受重力，水平方向速度不变，直到落地。

牛顿第一定律是力学中德基础定律，要使学生真正理解掌握该定律并不容易，因为该定律是在实验基础上，凭借想象运用推理总结概括得出的。学生在学习牛顿第一定律的困难在于从生活经验中得到一种被现象掩盖本质的错误观念，认为物体的运动时力作用的结果，正因为如此，我们要对牛顿第一定律进行深层次的理性思考。

下面谈谈我在初中无力教学中关于牛顿第一定律的教学经验及认识。

一、做好演示实验，注重想想推理。

二、理论联系实际，多观察实例。

1．2 对牛顿第一定律的理解要点

（1）运动是物体的一种属性，物体的运动不需要力来维持 。

（2）它定性地揭示了运动与力的关系：力是改变物体运动状态的原因，是使物体 6

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产生加速度的原因。

(3）第一定律是牛顿以伽俐略的理想斜面实验为基础，总结前人的研究成果加以丰富的想象而提出来的；定律成立的条件是物体不受外力，不能用实验直接验证。

（4）牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础，不能认为它是牛顿第二定律合外力为零时的特例，第一定律定性地给出了力与运动的关系，第二定律定量地给出力与运动的关系。

第2节 牛顿第二定律

2.1 牛顿第二定律的内容

定律内容 物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。而以物理学的观点来看，牛顿运动第二定律亦可以表述为“物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比”。即动量对时间的一阶导数等于外力之和。 牛顿第二定律说明了在宏观低速下，∑F∝a，∑F∝m，用数学表达式可以写成∑F=kma，其中的k是一个常数。但由于当时没有规定1个单位的力的大小，于是取k=1，就有∑F=ma，这就是今天我们熟悉的牛顿第二定律的表达式。

如图2-1，自由下落的小球下落一段时间后，与弹簧接触，从它接触弹簧开始，到弹簧压缩到最短的过程中，小球的速度、加速度、合外力的变化情况是怎样的

?

图2-1 小球自由落体

小球刚接触弹簧时，所受合外力方向向下，速度逐渐增大方向向下，加速度减小，方向向下。当小球所受弹簧弹力与小球重力大小相等时，所受合外力为零，小球速度达到最大值，方向向下，此时加速度为零。当弹簧压缩到最短时，小球所受合外力方向向上，速度为零，加速度方向向上。

2.2 对牛顿第二定律的深刻理解

???（1）在某一方向上，（如水平方向，而竖直方向合力为零）仅受一个力作用的F=ma；

???（2）抽象成一个孤立物体仅受一个力作用的F=ma；

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???(3) 物体受多个力的作用F合=ma；

?????????（4）由于矢量性，F合=ma，可以正交分解成F合x=max和F合y=may；

（5）区别孤立物体的平衡态和物体合外力为零的平衡态；

???（6）牛顿第二定律最核心的内容是F合=ma和物体的初始条件决定物体的运动规

律。[6]

第3节 牛顿第三定律

3.1 牛顿第三定律的内容

两个物体之间的作用力与反作用力，总是同时作用在同一条直线上，且大小相等，方向相反。即F1??F2(N?N')。

① 力的作用是相互的。同时出现，同时消失。

② 相互作用力一定是相同性质的力。

③ 作用力和反作用力作用在两个物体上，产生的作用不能相互抵消。

④ 作用力和反作用因为作用点不在同一个物体上，所以不能求合力。

3.2 相互作用力和平衡力的区别

相互作用力和平衡力不是同一个，它们之间存在很大的区别，详见表2-1.

表 2-1 相互作用力和平衡力的区别

内容

受力物体

依赖关系 作用力和反作用力 作用在两个相互作用的物体上 同时产生，同时消失相互依存 二力平衡 作用在同一个物体物体上 无依赖关系，撤除一个，另一

个可依然存在，只是不再平衡

叠加性 两力作用效果不可抵消，不可叠

加，不可求合力 两力运动效果可相互抵消，可叠加，可求合力，合力为零；

形变效果不能抵消

力的性质 一定是同性质的力 可以是同性质的力也可以不是

同性质的力

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第3章 牛顿运动定律的意义

牛顿的三大运动定律构成了物理学和工程学的基础。正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样，牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了基本定理。

以牛顿三大定律为基础建立了牛顿经典力学体系。建立开辟了科学发展的一个新天地、新时代。它的广泛传播和运用对人们的生活和思想产生了重大影响，在一定程度上推动了人类社会的发展进步。它的成功对人类社会在各方面产生了不可估量的影响。牛顿经典力学的成就使得它得到广泛传播，深深地改变了人们的自然观。人们往往用力学的尺度去衡量一切，用力学的原理去解释一切自然现象，将一切运动都归结为机械运动，一切运动的原因都归结为力，自然界是一架按照力学规律运动着的机器。这种机械唯物主义自然观在当时是有进步作用的。由于它把自然界中起作用的原因都归结为为自然界本身规律的作用，有利于促使科学家去探索自然界的规律。它能刺激人们运用分析和解剖的方式，从观察和实验中取得更多的经验材料，这对科学的发展来说也是必要的。牛顿运动定律的内容和研究方法对自然科学，特别是物理学起了重大的推动作用。牛顿建立的经典力学体系以及他的力学研究纲领所获得的成功，在当时使科学家们以为牛顿经典力学就是整个物理学，甚至是全部自然科学的可靠的最终的基础。牛顿研究经典力学的科学方法论和认识论，如运用分析和综合相结合的方法与公理化方法及科学的简单性原则、寻求因果关系中相似性统一性原则、以实验为基础发现物体的普遍性原则和正确对待归纳结论的原则，对后世科学的发展也影响深远。

牛顿运动定律的建立还对社会科学方面，特别是对哲学和人类思想发展，也产生了重大影响。在牛顿运动定律的直接影响下，英国的霍布斯和洛克建立和发展了机械唯物主义哲学，并由于其强大的影响力，使得唯物论从宗教神学那里争得了发言权，并在随后形成了人类历史上唯物主义和唯心主义斗争最为激烈的一段时期。经过康德和黑格尔对辩证法和机械唯物主义的研究和发展，以及马克思和恩格斯对哲学已有研究成果的吸收，结合当时科学发展成果，最终建立了唯物主义辩证法。唯物主义辩证法的建立，在很大程度上得益于牛顿运动定律的建立。因此说牛顿运动定律使人类在思想上开始走向科学化和现代化。

以上是牛顿运动定律对科学和社会发展的贡献，那么牛顿运动定律对人们的生活 9

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有什么意义呐？由牛顿第一定律即惯性定律我们知道，一切物体不受外力影响时总保持原来的运动状态，也就是说力可以改变物体的运动状态，由此科学家们设计出卫星变轨方法。牛顿第二定律是加速定律，通过加速定律我们可以算出火箭升空所需燃料的多少，不仅避免了燃料的浪费，还减轻了火箭的重量。人们的生活水平提高了，汽车越来越普及了，车祸事故发生次数也在提高，车祸事故中怎么判定事故责任方方呐，这里运用牛顿第二定律可以方便的做出判定。

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结论

本文概括的总结了古希腊时代到十七世纪的力学研究，以此让更多的读者了解牛顿运动定律的建立背景及其建立过程。本文还对牛顿运动定律进行了分析及立体解析，使读者更深刻的理解牛顿运动定律并能熟练运用。在最后部分还简略总结了一下牛顿运动定律的意义，让读者大概了解一下牛顿运动定律在科学上及生活中的应用。

在第1章分别对惯性概念的建立、力与运动关系的思想发展、牛顿第三定律的发现过程进行了详尽的阐述，并对对三大定律发现过程中应用的一些科学方法进行了简要介绍，这些方法是值得学生学习的，这些方法对学生的学习及将来的发展史有很大帮助的。

在第2章中，本文对牛顿三大定律分别、详细的进行了介绍。本文采用先介绍定律内容，再研究定律的方式对三大定律进行了详尽的介绍。其中在介绍牛顿第一定律和牛顿第二定律是好插入了例题，是读者对牛顿运动定律的理解更加深刻。在介绍牛顿第三定律是本文还插入了一个关于相互作用力和平衡力的区别的表格，使读者深刻认识牛顿第三定律和平衡力的区别。

文章最后对牛顿运动定律的意义进行了简单的介绍，并举例说明了牛顿运动定律在现实生活的应用。

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参考文献

[1] 北京大学哲学系，《古希腊罗马哲学》[M], 商务印书馆，1982:97～351

[2] 阎康年,牛顿的科学发现与科学思想[M],长沙：湖南教育出版社,1989:12～147

[3] 郑丹,牛顿运动定律与批判性思维[J],华东师范大学，华东师范大学物理科学与技术学院，2010,3

[4] 谢国庆，牛顿运动定律的整体性 [N]，师道·教研，2010（3）

[5] 张维善主编，物理（必修一） [M],人民教育出版社，（2004）：10～100

[6] 谢国庆，重视牛顿运动定律整体性教学的必要性 [N]，宜春学院报，2009(31)

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致谢

感谢培养教育我的绥化学院，绥化学院浓厚的学术氛围，舒适的学习环境将使我终生难忘！祝母校蒸蒸日上，永创辉煌！感谢绥化学院电子工程系的诸位师长对我倾囊赐教、鞭策鼓励，诸位恩师的谆谆教诲我将铭记在心。祝恩师们身体健康，家庭幸福。

本论文的选题、方案制定及其主要研究工作是在崔金玉老师的指导下完成的。崔老师多次询问写作进程及相关事宜，并为我指点迷津，精心点拨、热忱鼓励。崔老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人。对崔老师的感激之情是无法用言语表达的。

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