只有我一个人一直没搞明白牛顿第一定律说了什么吗?

看到这个帖子也来问个一直没搞明白的物理问题,非物理专业 :rofl:

如果让我说牛顿第一定律说了什么,我会回答“在惯性参考系下,受外力为零的物体运动速度保持不变”。
但是仔细想想我发现我并不明白自己在说什么 :rofl:
我现在能想到3种可能的解释:

  1. 牛顿第一定律仅仅定义了惯性参考系,也就是说满足“受外力为零的物体运动速度保持不变”的参考系定义为惯性参考系,是一个纯定义,没说任何现实世界的事情。
  2. 牛顿第一定律不仅定义了惯性参考系,并且声称现实世界中存在这样的参考系。
  3. 牛顿第一定律给出了惯性参考系的性质(受外力为零的物体运动速度保持不变),而惯性参考系另有定义(但是我不知道是怎样定义的)。

或者上面的解释都不对…求物理高手解惑 :rofl:

坐等物理粉(吴丽芬) @physixfan

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牛一不就是惯性定律吗?你用惯性参照系去定义惯性定律岂不是乱了辈分 :yaoming:

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所以说是解释1还是2呢?

我不知道怎么确切解释,但我知道哪里有答案,推荐看朗道第一本。我印象里好像牛顿第一定律是一个可以从欧拉-拉格朗日推导出来的special case。

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现实中一般说的静止就是惯性系啊,总不能以行驶中的车做参考系吧

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静止也是相对于某个参考系而言的吧,相对于怎样的参考系静止才是惯性系呢?

Newton’s first law 是一个 hypothesis:

Law 1. A body continues in its state of rest, or in uniform motion in a straight line, unless acted upon by a force.
Newton's laws of motion - Wikipedia

Newton 提出这个定律时并没有引入 inertial frame of reference 这个概念。只是在现实世界中,Newton’s first law 只在 inertial frame of reference 中才有效。

Newton’s laws hold only with respect to a certain set of frames of reference called Newtonian or inertial reference frames. Some authors interpret the first law as defining what an inertial reference frame is; from this point of view, the second law holds only when the observation is made from an inertial reference frame, and therefore the first law cannot be proved as a special case of the second. Other authors do treat the first law as a corollary of the second.[21][22] The explicit concept of an inertial frame of reference was not developed until long after Newton’s death.
Newton's laws of motion - Wikipedia

所以意思是解释1?
可不可以这么理解:牛顿只是说在Law 1成立的情况下,有Law 2等等其他规律。但是并没有说现实中有没有满足Law 1的参考系。

既然非物理专业又何必要搞懂这个。。。还用这样一个标题。。。

标题只是玩梗 :rofl:

我的肤浅理解是在非加速的参考系下(比如近似匀速运动的地球上、汽车上、飞机上)都成立

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加速也是相对于某个参考系而言的吧,汽车可以相对于地球几乎匀速,但是相对于太阳又明显不是匀速。

我的意思是 Newton 提出这些定律时并没有处理 reference frame。
他提出这些 laws 时当然也提出这些 laws 对应现实情况。可以说 Newton 提出这些定律时隐含了这些定律成立,用现代物理语言来说等价于说现实存在 inertial frame of reference。这是 Newton 的意图,成立与否取决于实验和观察。

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那牛顿有没有说明这些laws对应什么现实情况呢?还是说牛顿认为这些laws在所有现实情况都成立,但是后人发现只有某些参考系下成立?

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Newton 确实的想法我不知道 :joy:

你去看看 centrifugal force 的历史或许会有些想法

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你的解释 2 是对的。

牛顿第一定律说明的事情是:在所有的参考系里面,冥冥之中存在一些参考系比较特殊,特殊的地方是“在这个参考系看来,受合外力为零的物体会处于静止状态或做匀速直线运动”。这些参考系被称作惯性参考系。
物理学新引入一个概念的时候,一般会说 “xxxx 是 yyyy”,既是定义也是性质。

举个例子,我靠墙站好别动,然后有四个人观测我的运动状态:
S_1 也靠墙站我旁边,他会认为我处于静止状态;
S_2 匀速往右走,他会认为我匀速往左走;
S_3 加速向右跑,他会认为我加速向左跑;
S_4 一会向左跑一会向右跑,他会认为我一会向右跑一会向左跑。
他们虽然对我的运动状态各有看法,但是都认为我受合外力为零(向下重力=向上支持力)。
所以根据牛顿第一定律, S_1S_2 知道自己是所谓的“惯性参考系”, S_3S_4 知道自己不是所谓的“惯性参考系”。如果现在还有另一个人也受合外力为零,那么 S_1S_2 会认为那个人也处于静止状态或者做匀速直线运动,并且这实际上也是正确的。

牛顿第一定律的意义就在于告诉大家 somehow 能找到一些参考系是所谓的惯性参考系,然后在惯性参考系里面建立后续的一堆力学定律,这些力学定律在所有的惯性参考系里也都是适用的。要是给每个乱七八糟的参考系都各自建立一套力学定律,那就不是物理学大厦,而是物理学工地了。

比如地面就是一个常见的“近似惯性参考系”。在普通日常生活的空间和时间尺度里面,我们都不太能感受到公转自转等等带来的影响,假如我们是地面的话,我们也会发现受合外力为零的物体是静止的,比如床和桌子。一个相对地面静止的树,会认为地面是静止的,那这个树也是个惯性参考系。匀速行驶的车,会认为树是匀速向后跑的,那这个车也是惯性参考系。

当然牛顿力学也不是彻底不管非惯性参考系了(比如 S_3,S_4 ),有个叫“惯性力”的东西被创造出来就是 fix 这个的。其他回复里提到的离心力 centrifugal force,地转偏向力 Coriolis force 都是在一些具体例子里面的惯性力。

上面提到的“力学定律在所有的惯性参考系里也都是适用的”叫做伽利略相对性原理。后来爱因斯坦扩展到了“所有物理定律都适用”的相对性原理假设,配合著名的光速不变假设,就搞出来了狭义相对论,解决了惯性系中宏观高速运动物体的规律。

爱因斯坦后来又把相对性原理假设扩展到了所有参考系,包括非惯性参考系,不过把匀加速运动和引力场做了等效,就弄出来了广义相对论的又一大摊东西。解决了所有参考系里面的宏观高速物体的运动问题。

题外话一下,理论力学里面的欧拉-拉格朗日方程是可以推导出来牛顿第一定律,不过这算是另一个路子了,不像牛顿是从各种实验和经验总结出来的。

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“没有绝对 只有相对” 这么想就好多了 别去深究了

原来我AP物理C只学了个入门…(竟然当时还这么吃力 :cry:

静止也是相对于某个参考系而言的吧

我个人(在物理方面上的)低学历的理解是,在此句里的“静止”就是在KE=0的时候,物体为静止。这样的话就避免了你说的这种相对于的这种情况。

换句话说,我对牛顿第一定律的理解就是,如果一个物体不受到任何一个外力的影响(或其总和为0),物体的动力势能不变。


而我对惯性参考系的理解(瞎猜)就是你永远没有办法去测出来一个物体真实的KE是多少,只能测出来相对的。假设一个娃娃放在一个盒子里又放在一个箱子里又放在车上。然而你坐在这个车上,想知道这个娃娃的KE是多少,但是你没有办法去考虑这辆车其实在一个船上,而这个船在海上行走,在一个自转的地球,正在围绕着太阳做周转运动。就像我们不知道到底是什么让其他星系渐渐远离我们,也永远不知道那个最大的客观的俯视图到底是什么,所以提出了惯性参考系这个概念…(基于我刚刚百度百科之后的理解hhhh)


那么这样来说的话,既然我们无法把一个理想状态下的定律应用到现实,那么引入惯性参考系的这个概念就可以更简单直白的去理解和应用牛顿第一定律。


当然,这些都是在我自己脑袋里make sense的一个理解。欢迎指错 :see_no_evil:

比如无限光滑的小球在生活里存在吗?把物理应用到现实里都是近似的。
相对太阳的运动显然属于可以忽略的2阶以上的小量了。