更新时间：2024-09-20 12:12
牛顿第一运动定律（Newton's First law of Motion）表明：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。物体所呈现出的维持运动状态不变的性质称为“惯性”。艾萨克·牛顿第一定律又称为“惯性定律”，只成立于惯性参考系，又称为“牛顿参考系”。
关于惯性定律的讨论，最早可以追溯到古希腊。公元前4世纪，古希腊的德谟克利特（希腊文：Δημόκριτος）等人提出原子运动理论。之后，科学家亚里士多德（Aristotle）提出运动学说。1609年，意大利物理科学家伽利略·伽利莱（Galileo）提出斜面实验，他认为物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。1618年-1621年，德国天文学者约翰尼斯·开普勒（德语：Johannes Kepler）最先提出术语“惯性”一词。1665年，英国物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）开始研究惯性运动，他于1687年在《自然哲学的数学原理》里，提出了牛顿运动定律，其中有三条定律，分别为牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律与牛顿第三运动定律。
牛顿第一运动定律确定了力的含义、揭示了任何物体都有惯性，该定律在经典力学领域内占据核心地位，适用于描述质点运动、在惯性参考系中的物体行为，以及宏观尺度和低速条件下的物理现象。牛顿第一定律不仅是物理的理论基石，而且在实际应用中也有广泛的影响，如在惯性制导系统、过山车、汽车及航天器的运行等中都能找到其应用实例。这一定律为分析和预测物体在力的作用下的运动状态提供了基础理论。
牛顿第一运动定律表明：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。牛顿第一运动定律说明：物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，物理学把这个性质叫做惯性。因此牛顿第一运动定律又叫做惯性定律。其数学表达式为，该定律的解释是当质点所受合力为零时，质点的速度保持不变。
关于惯性定律的讨论，最早可以追溯到古希腊。在公元前4世纪，古希腊的德谟克利特（希腊文：Δημόκριτος）及其继承人伊壁鸠鲁（希腊文：Έπίκουρος）、卢克莱修（Titus Lucretius Carus）等人通过思辨性的原子运动分析，设想原子在虚空中没有阻力的作用下，只要不受外界作用的干扰，会一直等速地运动下去，这实际上就是原子的惯性运动思想。而后，古希腊哲学家、科学家亚里士多德（Aristotle）提出的运动学说认为“除了重物的下降和轻物的上升之外的一切运动，都是非自然的运动，而一切非自然的运动（包括匀速直线运动在内)，都只能在外力强迫下才能进行。但这种强迫作用，只有在推动者直接接触下才能实施。当推一个物体的力不再推它时，物体便归于静止。”
1609年，意大利物理科学家伽利略·伽利莱（Galileo）提出斜面实验，他认为物体的运动并不需要外力来维持，只有运动的变化才是外力作用的结果。物体不受外力作用时，将永远匀速地运动下去。伽利略考虑到地球是圆的，因此任何水平面实际都是球面。他的结论是：运动物体在不受摩擦力的情况下，将沿地球表面的球面匀速、无限制地运动下去，其实就是匀速圆周运动。相反，如果在一个真正的光滑平面上，从地球上看，物体沿着这种表面的运动实际相当于沿斜面升高，因此速度将不断地减小。
1618年-1621年，德国天文学者约翰尼斯·开普勒（德语：Johannes Kepler）分三阶段发表的著作《哥白尼天文学概要》里，最先提出术语“惯性”一词，是根据拉丁文“闲置”或“懒惰”翻译而来，与其现代解释并不完全相同。他仅是根据运动阻力来定义惯性，再次基于静止是一种不需要解释的自然状态的假设。
1629年，法国科学家勒内·笛卡尔（法语：René Descartes）在给友人的信件中写道：“一旦运动加在一个物体上，它总是会保持下去，除非有什么别的原因使其停止，也就是说，在真空中一旦运动起来，它将以相同的速度一直运动下去。”一般认为笛卡尔的上述文字是近代惯性定律的最早正确表述。此外，笛卡尔早在他的《论世界》中就指出了惯性运动的直线性特征，并把运动明确地定义为一种状态。
1640年，法国科学家皮埃尔·伽桑狄(Pierre Gassendi)对伽利略·伽利莱的惯性原理进行验证，实验是由骑马人和坐在马车中的人向空中抛石，并且互相投掷石块。人们可以看到抛出的石块跟随着马运动，从飞奔的马上掉下来的石块也是相对马直线下落。此外，他还安排了一次在三层战舰上的实验，在战舰匀速前进时，不论从行船的桅杆顶部垂直丢下一块石头，还是从桅杆垂直向上抛出的石头都是掉在桅杆脚跟，而不是掉在船尾。在他的实验报告中给出了船的速度，验证了伽利略“物体的运动并不需要外力来维持”的观念。之后他于1642年提出“物体没有受到任何相互作用的条件下将自由运动”，而且这一结论的取得不依赖于“自然运动”，也不仰仗上帝的旨意等言论。
1665年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）开始研究惯性运动，约1668年，他开始从惯性运动的阐述转向研究惯性运动的本质，提出惯性是由物体内在的属性，由质量决定的。质量概念的建立，让人们开始科学地理解和认识惯性的含义，然后找出它与其他运动定律的内在有机联系。1687年，他撰写《自然哲学的数学原理》时提出了牛顿第一运动定律：“任何物体都保持静止的或匀速直线运动的状态，直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止。”这条定律也被称为“惯性定律”。
牛顿第一运动定律说明了力的含义：力是改变物体运动状态的原因。其适用范围是经典力学范围，适用条件是质点、惯性参考系以及宏观、低速运动问题。此外，牛顿第一运动定律定义了惯性参考系，在惯性系中，一个不受力作用的物体或处于受力平衡状态下的物体，将保持静止或匀速直线运动的状态不变。并非任何参考系都是惯性系，如航天任务，选定太阳为参考系，所观测到的大量天文现象和轨道情况才能和牛顿运动定律推算的结果相符。
惯性定律只能在某些特殊参考系中成立，比如对加速运动的汽车参考系并不成立。问题的关键在于：对于一个自由的孤立物体，虽然在一些参考系中其加速度不为0，但一定存在一个参考系，在其中该物体的加速度为0，而且其他的孤立物体也保持静止或匀速直线运动状态，这种特殊的参考系称为惯性参考系，简称惯性系。此外，相对于一个惯性系做匀速直线运动的平动参考系也是惯性系。因此，确定了一个惯性系，就确定了一组惯性系。
在惯性系中，惯性定律以及整个牛顿力学体系得以成立。惯性系的选择主要依据观察和实验。通常讨论地表物体的动力学问题时，可以认为地球是一个近似程度很好的惯性系。在研究人造卫星的运动时，地球的自转就不能忽略了，此时较好的惯性系是地心系，由地心引出三根相互垂直的射线指向远处确定的恒星，就构成了地心系。在研究太阳系行星的运动时，惯性系最好的选择是太阳系，即以太阳为原点、以太阳与远处恒星的连线为坐标轴的参考系。在研究恒星运动时，常用的实用惯性系是FK4系，它以选定的1535颗恒星的平均静止位形作为基础，比之前的参考系更加精准。
牛顿第一运动定律的意义一是确定了力的含义，力是由物体间的相互作用而产生的，是一个物体对另一物体的作用。力对物体作用的效果使物体的运动状态（速度）发生变化，即使物体获得加速度。因此力是改变速度的原因，是产生加速度的原因，而不是产生速度或维持速度的原因。当物体不受力（或合外力为零）时，将保持其原有的运动状态（静止或匀速直线运动）。
二是揭示了任何物体都具有保持其原有运动状态不变的特性，这一特性称为惯性。惯性是任何物体都具有的固有属性。惯性取决于物体的本身，它与物体作何种运动以及物体是否受力都无关。
质点动量的时间变化率与质点受到的合力成正比，质点的动量为，其中为质点的质量，为质点的瞬时速度，在适当的单位制中，牛顿第二运动定律的数学表达式为：
，其中表示质点受到的合力。当是常数时，写成，其中为质点的瞬时加速度。此外，其中、均为矢量，且方向相同。
每个作用力必有一个与其对应的等值反向、共线且作用点相同的反作用力，这个定律又称为作用与反作用定律。
抽桌布实验
将桌布铺在一张小台子上，然后在桌布上放置一些餐具，当人拉住桌布的一边快速抽出时会发现，桌布上的餐具虽然有轻微的晃动，但仍然留在小台子上。这是因为：桌布与餐具间的摩擦力作用在短时间内可以忽略不计，所以即便桌布被抽出，餐具仍然会在惯性的作用下继续保持静止状态，从而留在小台子上。
过山车和行车
过山车通常被拖车拖到高处，然后向下俯冲，利用惯性高速通过各种圆形轨道。可以想象，如果没有重力的限制，过山车甚至可以在惯性作用下径直冲向太空。
行车安全也与惯性有关，当汽车在路上高速行驶时，如果遇到紧急情况而急刹车，汽车由于惯性作用会继续向前运动，速度快、质量大的卡车会滑行更远的距离，从而很容易造成车辆碰撞、驾驶员被甩出的情形。因此，为了行车安全，驾驶员应尽量系好安全带，并避免超速行驶。
惯性制导系统中的惯性仪表是根据惯性原理工作的，它可以在惯性制导系统中测量弹道式导弹的飞行加速度，从而控制导弹射程。如果不考虑引力的作用和地球自转的影响，导弹在推力的作用下，在作加速运动时，同时也存在着“惯性力”。由于弹道式导弹在飞行过程中质量是变化的，所以，它的惯性力大小也不是恒定的，并且反映了导弹飞行加速度的变化。因此，只要设法通过对加速度的测量和进行积分运算，就可以得出导弹的飞行速度，随之再对加速度进行第二次积分运算，就可以得出导弹的飞行距离（即射程）。如能依此去控制发动机的关闭，便可以实现对导弹射程远近的控制。
太空探测器在太空中以恒定速度移动。一旦克服了行星的引力影响，太空中就不存在摩擦力或任何其他力。因此，太空探测器在太空中以恒定速度移动，因为没有力作用在它上面。
Newton’s Laws of Motion.nasa.2024-01-25
牛顿第一定律(惯性定律).physigeek.2024-03-14