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2002 年 7 月 12 日

什麼是相對論？ (12) 牛頓第一運動定律到底在講些什麼 ?
提供者 : 陳輝樺 (AEEA 小組 , NMNS )

說明: 牛頓力學非常成功地描述出人們所見到的物體運動情況，它的理論哲學背景是什麼呢 ? 它是如何建構出如此漂亮的數學架構呢 ? 它是如何地和我們的日常生活認知結合在一起的呢 ? 我們將分別介紹其精粹所在。首先從牛頓第一運動定律說起。牛頓力學的牛頓第一運動定律 (也被稱為「慣性定律」)，簡單地常被描述成「一質點或物體不受外力作用下恆保持其原有狀態，即靜止者恆為靜止，而動者恆在一直線上作等速的運動。」這一條定律義涵著一切物體所具有的「慣性 (Inertia)」之通性，代表改變原有運動狀態的反抗 (resist)，亦即保有原有運動狀態的習性。例如：「質量 (Mass)」是這種性質的量度，質量的大小表示改變其運動狀態的難易。而改變轉動運動狀態的反抗，則以「慣性矩 (Moment of Inertia)」量度之。
在牛頓力學裡，首先呈現此慣性定律，明顯地用意在於描述探究的背景，仿如敘述舞臺上的戲曲怖景。定律中特別提及的「慣性」、「狀態 (States)」、「靜止(Rest)」、「等速運動 (Uniform motion)」等名詞均是牛頓力學中重要的量度標準。另一重點是，「慣性座標系 (Frame of Inertia)」和絕對「時間」是慣性定律的相應公式一起明確地定義的。也就是說，慣性定律蘊涵著無限多個相互之間作等速直線運動的慣性座標系，因而也就存在著無限多個物理學上特別優越的相互「等效」的運動狀態。而時間是絕對的，它與具體的慣性座標系的選擇無關。
上圖說明砂輪磨石運用著牛頓力學的第一運動定律，讓原來隨著砂輪轉動作圓周運動的粒子，在摩擦過程中脫離而仍沿原脫離瞬間的運動狀態，呈直線狀的運動軌跡。現代我們所設置的高能粒子加速器所粹取高能粒子樣本，也是採用這樣的原理和方式。

明日主題 : 什麼是相對論？ 牛頓第二運動定律到底在講些什麼 ?

作者與主編 : 陳輝樺、王夕堯
諮詢服務: 陳輝樺 (NMNS 國立自然科學博物館)
王夕堯 (NTPU 國立台北大學)
蘇明俊 (NKNU 國立高雄師範大學科教所)

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