我真是受够了牛顿运动定律

zzjeff @ 2016.03.22 , 01:30 下午

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译者注：原作者Rhett Allain是美国东南路易斯安那大学物理系副教授，其文章经常出现知识性错误。(Universal History Archive)

又是这个东西。我好不容易找到一个蛮有趣的物理知识视频，兴冲冲地点开来看，结果第一篇开头他们就在讨论牛顿三定律。真是有完没完。我们人类真的有那么差劲吗？我们的学生在学习物理的时候，就一定得遵循旧时代的法则吗？

首先让我们来看看什么是牛顿三定律(Newton's Laws of Motion)。在几乎所有入门级的物理课本上(除了极个别的炫酷教材)，我们都能找到这样的定义：

牛顿第一定律：不受外力的任何物体都保持静止或匀速直线运动状态。

牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比。

牛顿第三定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

某些地方的表述略有不同，但大体上意思一样。

还记得亚里士多德吗？在伽利略和牛顿之前，人们都依赖于他的物理学理论。的确，亚里士多德没有做过真正的实验，他不是一个科学家。但这并未阻碍他对西方世界那个时代物理学的统治。

你可以慢慢阅读他的著作，但我不是研究他的专家，我在这里只讨论他对力学的解释。一些人将其总结为亚里士多德运动定律(Aristotle's Law of Motion)，很简单的只有一条。

亚里士多德运动定律：不受外力的任何物体都保持静止状态，只有当它受到力的作用才会运动。

许多刚刚接触物理的同学会感到困惑：牛顿第一定律和第二定律难道不应该被结合在一起？但了解了亚里士多德的定律后再回头看看，会发现牛顿把这两个定律分开，其实是在直接回应亚里士多德。亚里士多德说物体的自然状态是“静止”的，牛顿就表示物体的自然状态是“速度不变”。明白了就好。

在英文中，"定律"和"法律"都是"Law"，会引起混淆。我就这写了另一篇文章进行详述。牛顿的定律已经成为"Laws"，就意味着它们是正确的吗？错了——科学中只有模型，没有真理。而模型只分好用或不好用，不分对错。现在让我们写下牛顿第二定律的数学表达式：

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这个模型很有用，但并在一些情况下并不通用。如果你找到一个以光速的二分之一速度移动的质子，向其施力，你就不能使用牛顿第二定律来求出质子的新速度。因此，或许我们不应该把它叫做"Law"。

另外，我也觉得用人名来命名科学定律怪怪的。随便翻开一本初等化学书，估计你就可以看到这样的一堆东西：

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有没有发现什么问题？这不全都是理想气体定律(Ideal Gas Law)么？还是说只是我自己一个人吃醋，嫉妒没有科学定律以我的名字命名？

如果说科学中有什么是一定要坚持的——那就是对建模的执着。所以怎么用模型来表示力的作用效果？我们可以拿出动量定理(Momentum Principle)。当合力不变，其表达式可写作：

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此处的矢量p为动量(质量与速度的乘积)。该公式的效果跟牛顿第二定律时一样的。这时，你只需要强调对于任何作用力，存在大小相等、方向相反的反作用力，就可以代替牛顿第三定律。

那我们应该把牛顿三定律都从课本中删掉？倒不至于。我们要铭记探究力和物体运动关系的那段科学史，以及牛顿对其做出的贡献。但一个名为“牛顿第二定律”的章节对学生没帮助，完全没必要保留。

我一直觉得，有种至今仍反复出现的考试题目应该消失：

下列物体规律中的哪一个表达了物体不受力时会保持匀速直线运动？

A. 牛顿第一定律
B. 牛顿第二定律
C. 牛顿第三定律

此题的问题在于：

1. 是第一第二还是第三有毛关系？
2. 严格来说，A和B都对。
3. 只考察了阅读记忆，不考察对力与运动的理解。

我相信我们能做得更好。仅是因为绝大部分物理教科书(并非全部)都对牛顿运动定律有着详细的解析，并不意味这种表述方式最有利于学生的理解。

完。

本文译自 Wired，由 zzjeff 编辑发布。

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