牛頓第一運動定律 -2

牛頓第一運動定律 (Newton’s first laws of motion)-2
基隆市立暖暖高級中學物理科張志康老師/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯

「牛頓第一運動定律」是牛頓在「自然哲學的數學原理(牛頓，1687)」一書中所提出的一則定律。此定律奠基於伽利略及牛頓等人的實驗與理論而建立，伽利略認為：「力並不是物體『維持運動狀態』的必要條件，而是『改變物體運動狀態』的必要條件」。對此，牛頓近一步解釋：「所謂的『運動狀態』，指的是物體的動量」。

事實上，牛頓第一運動定律只涉及「維持物體運動狀態」的條件，並未探討「改變物體運動狀態」的條件，與牛頓第一運動定律相關的概念，如下圖所示：

從左圖可知，若欲維持物體的運動狀態、讓物體等速運動，在生活經驗中的我們就必須持續施力；但是，該物體僅受到人的推力嗎？其實不然，我們似乎忘了物體在等速運動時，其反方向還受到了地面的摩擦力。因此，物體受到推力與摩擦力的共同作用後，合力為零，才使物體本身能夠維持其運動狀態、保持等速運動。另一方面，若重新思考右圖的情境可知，光滑平面上的物體，只要輕推後，該物體所受合力仍為零，亦可保持等速的運動。

因此，牛頓第一運動定律是：「物體所受合力為零時，必定維持其運動狀態」。原先靜止的物體，受到合力為零時，仍保持靜止。原先等速運動的物體，受到合力為零時，仍保持等速直線的運動。除此之外，物體維持運動狀態的特性，牛頓將它命名為「慣性」。舉例來說，搭乘公車時，人靜止站在車上，車子突然開動的瞬間，人體就會因為慣性，為了維持原先靜止的位置，而有後仰的趨勢。

接續前段所舉的例子，假若公車在水平公路上「加速」前進，對車內的觀察者而言，地板若無任何摩擦力，人體仍有向後加速滑動的趨勢；雖然人體並不受外力，但其運動狀態(加速向後)卻有改變，此結果與牛頓第一運動定律所描述的情況不符，這又是什麼原因呢？事實上，牛頓第一運動定律並不是在任何狀況下皆可解釋的；真正的解釋範疇只有在「非加速坐標系」的觀察下，物體的運動狀態才符合牛頓第一運動定律的狀況。因此，唯有在牛頓所言特定「慣性坐標系」的觀察中，如「靜止觀察者、等速觀察者」的狀況下，牛動第一運動定律才能正確地詮釋物體的運動狀態。

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參考資料

維基百科英文版、維基百科中文版、高中物質科學物理(上)-南一書局