发布时间 : 星期五 文章牛顿运动定律与经典力学的时空观更新完毕开始阅读7000d4e8856a561252d36f2d
XXXXXX本科毕业论文（设计）
引言：
牛顿运动三定律是整个经典力学的理论基础，本文通过牛顿运动三定律论证了经典力学的时空观，说明了经典力学的时空观的适用范围。爱因斯坦对牛顿经典时空观的否定，仅是在广义相对论中才能得以实现。
1 牛顿第一定律产生的“逻辑循环”
1.1研究背景
牛顿运动定律与经典力学的时空观是力学中一个重要内容。到目前为止，已有许多教材及论文对牛顿运动定律与经典力学的时空观进行了讨论。但他们大多讨论一些狭义的情况，即完全肯定经典力学时空观或全盘否定。本文从运动，发展，联系的角度，针对经典力学的时空观进行较深入的分析与论证。
1.2 研究的意义
爱因斯坦相对论的产生动摇了牛顿理论及其经典力学时空观在力学中的主导地位。本文就上述情况做出了分析并论证牛顿运动定律与经典力学的时空观的合理性及适用范围。 1.3 研究的目的
本文主要探讨以下三个重要问题：
（1）牛顿第一定律 的“逻辑循环”不影响它的科学性。 （2）牛顿三定律各自的本质意义。
（3）经典力学的时间观与空间观的联系。
1.4 牛顿第一定律存在的逻辑循环的原因
牛顿第一定律作为力学的第一条命题，必定带有“逻辑循环”的性质，但这并不影响它的科学性。
牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，对第一运动定律是这样陈述的： “每个物体继续保持其静止或匀速直线运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。”
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这个陈述揭示了物质的一项基本属性——惯性，明确了力是改变物体运动状态的原因。下面阐述物体运动所选择的“参考系”。对此，牛顿声言他所研究的运动是在“绝对空间”和“绝对时间”中进行的“绝对运动”。他写道“绝对的、真正的数学时间自身地流逝着，而且由于其本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着。”“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同的和不动的。”然而，自爱因斯坦创立狭义相对论以来，人们已经彻底否定了“绝对时空”的概念，脱离物质存在的所谓“绝对时间”、“绝对空间”及“绝对运动”只不过是一些形而上学的概念。然而，定律所述的运动是对惯性参照系而言的。现行教材对惯性参考系是这样定义的：“牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性参照系或惯性系。”显然这个定义依赖于第一运动定律，即由第一运动定律来确定惯性参照系。
综上所述，牛顿第一运动定律是说一个物体不受外力，它相对于惯性系就做匀速直线运动；但是又只能根据一个物体相对于惯性系做匀速直线运动，才能肯定这个物体不受力；同时又只能根据一个物体不受力时做匀速直线运动，才能断定所用的参照系是惯性系。这样，就完全陷人了逻辑循环。
然而，必须认识到，牛顿第一运动定律的“逻辑循环”性质，并不影响它的科学性。实际上，惯性系是近似地存在着的，如地面以及相对地面静止或匀速直线运动的物体都是近似程度相当好的惯性系。正是在这些近似程度相当好的惯性参照系上的无数次科学实验活动，证实了牛顿力学的相对正确性，从而间接地验证了牛顿力学出发点的第一定律的正确性。
其实，物理学的所有定律都是在一定精确程度上而不可能是绝对精密地接受检验的。既然近似地存在着第一定律所描写的情况，这种近似性就不应当成为检验定律正确与否的障碍。第一定律之所以不能直接受实验检验的原因，除了找不到“绝对不受力”的运动之外，还在于它本身含有“逻辑循环”的性质。
关于牛顿第一定律存在的逻辑循环的原因，阐述如下：一门学科的出发点，即它的第一条（或第一批）命题，当然不能够通过从它（或它们）所导出的其他命题去证明，（否则，它就不再是第一条命题了）。因而，这第一条命题，如果不能借用其他科学内容的话，就往往含有逻辑循环的性质。因为，这样的一条命题只要不是空洞的、抽象的同一，它就必定要同时举出两个或两个以上未曾事先定义的概念（否则，就只能是毫无意义的A=A型的抽象同一）。换句话说，这第一条命题所包含的两个或更多的概念，都是在逻辑上无法严格定义的。因此，这条命题的正确性就不可能由这门学科的一般方法得到证明，而是要通过它的大量推论是否同实践经验相
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符而得到检验的。
1.5 牛顿第一定律的公理性
作为力学的第一条命题——牛顿第一定律，它就必定会含有“逻辑循环”的性质，它是不可能通过物理学的其他定义或定律，也不可能通过直接的物理实验得到证明的。牛顿第一定律具有公理性质，只能依靠以它为出发点所推出的大量结论与无数实验事实的符合而得到检验。
2 牛顿三定律各自的本质意义
2.1 牛顿第二定律的本质意义
牛顿第二定律是在第一定律的基础上，进一步确定了力、质量和加速度这三个物理量之间的定量关系，其数学表述为：
?????Fi?ma （1）
i第二定律揭示出力是使物体获得加速度的外因，而质量是物体在受到一定的合外力作用时，决定它获得加速度大小的内因。如果将一个量值相等的合外力，分别先后作用于两个不同质量的宏观物体上, 它们分别在沿着合外力的方向上所获得的加速度a1和a2，将与它们的质量m1和m2成反比，即
a2m1 （2） ?a1m2而此比例关系与其所受合外力的大小无关。因此，根据（2）式，可以确定物体的质量。当作用于物体上的合外力为一定量时，获得加速度较大的物体，其质量较小；获得加速度较小的物体，其质量较大。再结合第一定律来看，在同等的合外力作用下，物体获得加速度较大，表明该物体的原有运动状态较容易被改变，也即其惯性较小物体获得加速度较小, 表明其原有运动状态较难改变, 也即其惯性较大。可见, 质量是物体惯性的具体表现，是惯性大小的定量量度。
根据牛顿第二定律（1）式，当一个宏观物体不受外力或所受合外力为零时，有
??????dV0??Fi?ma?mdt i?????这时速度矢量V必为恒量。这表明了当?Fi?0时，物体的原有运动状态不变，这就
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是第一运动定律的具体表现。于是有人认为：“第二定律事实上包括了第一定律。第
???一定律只不过是在第二定律中，?Fi?0的一种特殊情况而已。”从表面上看来是有
i这样的关系，但是从定律的本质意义上来看，这种说法是不恰当的。第一定律有它的独立性的意义，它揭示了“任何物体在不受外力作用时，都要保持它原有的运动状态不变”这样一种客观自然规律，这种规律的存在是由于物质的存在本身所具有的特性所决定的，而不是由第二定律导出来的。相反，正是由于有了第一定律才确定了“惯性”这个概念，有了“惯性”这个概念，才有所谓“惯性参照系”，有了“惯性参照系”，才有第二定律的出现。换句话说，如果缺少第一定律，则无法首先刻划力、质量和惯性系这三个最基本的概念，从而使牛顿第二定律的建立失去基础。因此，第一定律与第二定律各自具有的独立性的本质意义。
2.2.牛顿运动三定律的内在联系
根据牛顿第一定律，可以定义“力是改变物体运动状态的愿因”。但是这个定义只能局限在动力学范围内。根据牛顿第二定律，也可以定义“力是使物体获得加速度的原因”，这个定义的局限性更大，它只能应用于质点动力学范围。只有牛顿第三定律才揭示了“力是物体对物体的相互作用”，物体对物体的相互作用才是力的本质， 是力的普遍性意义。但要注意，作用与反作用这两个力是分别作用在这两个相互作用的每一个物体上，结果每一个相互作用的物体都只受到一个力的作用。因此，作用力与反作用力虽然量值相等方向相反，并且作用在同一直线上，但不是同时作用于同一物体，所以作用力与反作用力不是平衡力。
综上所述，第一定律揭示了物质的一个普遍的基本的属性——惯性，定义了惯性参照系，明确了力是改变物体运动状态的原因；第二定律揭示了力、质量、加速度三者的定量关系，明确了力是使物体获得加速度的原因；但这两个有关力的定义都有一定的局限性，都不是力的本质意义，只有牛顿第三定律揭示了力的本质是物体对物体的相互作用。可见，牛顿三定律各自具有独特的本质意义。牛顿运动三定律一起构成了整个经典力学的理论基础。
3 正确理解经典力学的时空观
前面提到，牛顿的“绝对时空”观念是形而上学的概念。在牛顿力学中，对于
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