一 : 牛顿第四定律是谁发明的
牛顿第四定律是谁发明的
一天高中物理课,我趴在桌上睡觉,老师把我叫了起来,指着黑板问我道：“请回答这道题是根据什么定律?”
我睡眼朦胧的答道：“牛顿第四定律”
全班哄笑
老师又接着问我：“那请你把牛顿第四定律的内容跟大家说一遍”
我立即开始翻书,老师看着我笑道：“别翻了,书上没有”
我咳嗽了一声,大声道：“牛顿第四定律的内容是：任何物体从天上掉下来,都会把地上砸一个坑.”
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牛顿运动定律是由地球人艾萨克·牛顿（Sir Isaac Newton）总结于17世纪并发表于《自然哲学的数学原理》的牛顿第一定律（惯性定律）,牛顿第二定律（F合＝ma）,牛顿第三定律（作用力与反作用力大小相等方向相反且作用在同一直线上）这三大经典力学基本定律的总称.
由这三大定律支撑了整个运动学和力学体系,
所以没有牛顿地第四定律,也不需要什么第四定律.
二 : _牛顿第零定律_与_牛顿第四定律_述评_胡扬洋陈清梅邢红军
第35卷第5期2014年10月
首都师范大学学报（自然科学版）JournalofCapitalNormalUniversity
（NaturalScienceEdition）
No．52014Oct．，
“与“牛顿第四定律”述评牛顿第零定律”
胡扬洋
1
陈清梅
2
邢红军
1
（1.首都师范大学物理系，北京100048；2.北京中医药大学基础部，北京100102）
摘要
“牛顿第零定律”“牛顿第四定律”针对近年来多种关于与的表述，基础物理教育应该在历史与教育的视角的下进行分析并合理应对．而启示意义则在于基础物理应该重视衔接教育并增强历史感．
关键词：牛顿第零定律，牛顿第四定律，物理教育，质量．
05中图分类号：G40-育问题，还关乎我们持何种物理史观，也即物理学如
何认识自己．
0引言
近年来出现了诸多关于“牛顿第零定律”与“牛顿第四定律”的各异其趣的论述．其中2005年由中科院物理所黄娆、曹则贤先生译介了《公式F=ma中的力从哪来？》一文，该文作者2004年度诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek在文中就给出了对两条“定律”的一种认识．2008年，该文译介者之一，中科院物理研究所曹则贤先生在其专栏文章《物理学咬文嚼字之十一：质量与质量的起源》中再次提到了Wilczek关于“牛顿第零定律”的观点．2009年，清华大学物理系王青先生则以《再论质量的起源》为题对此做了明确的界定与深入的讨论．
然而，虽然以上观点精彩异常、启发颇深，但是更多的问题旋踵而至．一个重要的问题就是，面对这“重要修正”（或发展），两条定律对牛顿力学的基础物理教育应该如何做出反映或应对？譬如，教材修订是否要加入这些观点？如果采用，要采取哪种界定？应引导初学者对牛顿力学持有如何的态度？诸如此类问题，必须加以澄清．更何况，关于两条“定律”一直以来还存在着其它的表述．据此，在辨明当“牛顿第零定律”前关于与“牛顿第四定律”不同界定的基础上，明确其对基础物理教育的价值与教学的正确方向，就是本文研究的内容．这不仅是一个教
1关于“牛顿第零定律”
诸多重量级物理学家都将质量守恒，或质量
．Wilczek的表述的可加性作为“牛顿第零定律”
是：“经典力学里关于运动的第零定律是质量守恒．由于它过于基本所以牛顿没有明确指出．物体的质量被认为是独立于它的速度和任何施加于它的外力的，总质量既不产生也不消灭，只 是在物体相互作用的时候重新分配．”曹则贤先生则在解释“牛顿如何描述质量”的意义时说：“物质的量是体积那样的广延量，即质量具有可加性且由体积的可加性来保证（或者说把可加性甩给了体积，这是个比广义相对论还难的问题），并由此向不同物质量相加性被誉质体系扩展．在一些物理文献中，
为牛顿第零定律（诺贝尔奖得主Wilczek就持这样
［2］
的观点），王青先其重要性可见一斑．”进一步，
［1］
生将其更加明晰地表述为：“物质的质量等于构成它的各个组分质量的叠加．”并提出了微观层次上“修正的牛顿第零定律”：物质的质量等于构成它的各个组分质量和组分之间相互作用造成的有效质量的叠加．”
［3］
的介入不仅是物理学科上述“牛顿第零定律”的逻辑结构问题，更是一个历史、甚至科学哲学问题．曹则贤先生在对中文质量一词“咬文嚼字”时说：“中文‘质量’这个词组是个语义含混的组合，
19
03-03收稿日期：2014-
首都师范大学学报（自然科学版）2014年
你才好判定它到底指的只有嵌在特定的句子中，
［2］
是质（quality）还是量（quantity）．”对此，有一种的是所有的力都是二体中心力．”并认为这是角动
量守恒，也即物理定律旋转对称性的反映．但是这个定律对于分子间作用力是完全错误的，所以它应该带着应有的荣誉退出舞台了
［5］
解释可以理清这一疑难．“质”可以理解为质量是
“量”物体的一种固有属性，而且是定量的属性，字的含义指测量、大小等．所以，质量并不是惯性，而
是量度惯性强弱的一个物理量（质量本身另有度量方法）．由此，许多问题也就明晰了．如今中学物
，理教学都将密度作为“反映物质属性的物理量”仿佛密度反映了“质”的差别，而事实上正如曹则
贤先生所说：“它指明物质量上的区别应该在致密．［2］如果度（density）这个更深、更抽象的层次上”置于哲学的视角，牛顿力学本身就是一个去“质”
化的世界，人们面对的是一个机械化的世界图景．不是吗？只有在消除事物之间质的差异后才能将
，其加加减减，如果你说“一个人加一头猪等于二”那就是骂人的话．所以，密度这一物理量表达的仍
然是事物“量”的差异．另一个问题更为根本，即质量的可加性何以作为第零定律？已有的讨论多基于物理学对质量的认识这一纵向视角．Wilczek先生在呈现该“定律”后，
：“如今我们知道以上内容并不十分正旋即提出
，确”并在近代物理的视角下对其进行了批判．虽然
物理学家深入浅出的抒写引人入胜，但是一个更加“为什么是质量守恒？”根本的问题就是这个问题需要在牛顿力学横向的结构中，以及历史的剖面中找到依据，毕竟今人的认识在历史面前还是单薄了一些．有趣的是，国内发表于同年同月的另一篇译介文：“必须章中出现了关于“第零定律”的另一种说法有与所描述物体状态相对应的参考系．”对此，我们很难说质量可加性与参考系的前提性哪一个更加
．并且，重要、更加“前提”相信由“参考系”这一视角，也可以理出一条恢弘的历史脉络．如此，基础物
“牛顿第零定律”理教育对取还是不取？如果取，取哪种合适呢？
［4］
．
第三种意见多年来在基础物理，尤其是中学物
“伟大的万有引力定律”理教育界涌动，认为堪称牛顿第四定律．对此，有学者对其进行了驳论，认为：
“万有引力定律提供了一个特殊的秘诀来计算一个特殊的力万有引力．它存在于一个被限定的领域内，与电磁力并无相关，而且其存在超越了肉眼的观察．作为定律，它也有逻辑上的普遍性．这是我们不能将它看作牛顿第四定律的主要原因，也是和牛顿三定律 在自然本性上的区别．”这从牛顿定律的公理特征与万有引力定律的逻辑特征之间做了区别，是令人信服的．
最费周章的要数第四种表述，有文献中指出：
［6］
“力的独立作用原理”被称为牛顿第四定律．其
［4］
真正内涵和重要性在于对牛顿第二定律矢量性的描述，这是因为牛顿对第二定律的原有表述中得不出这个结论．牛顿的原有表述是：“运动的改变和所加的动力成正比，并且发生在所加的力的那个直线方向上．”这里，由牛顿的表述只知道加速度是个有大小和方向的量，力也是有方向的量，并且与加速度的方向一致．但是关键在于，一个既有数值又有方向的量未必就是矢量．因为矢量的基本性质是其相加服从平行四边形定则．例如电流就不是矢量，再如，我们也可以将石英钟上的信息表征为一个量，时针所指的刻度是其大小，所指的方向是其方向，然而其相加却不满足平行四边形定则，故而也不是矢量．
所以，问题就落在了力矢量性的证明上．值得一说的是，力的矢量性在静力学中很容易证明，但是严格地说，力是一个动力学量，静力学效果只是其特例，所以该问题应该在更一般的动力学效果中证明．牛顿注意到了这个问题，并很好地给以了解决．他在：“一个物体，自己运动定律的推论1中说同时受到两个力的作用，就将沿平行四边形的对角线运动，所用的时间和和它分开受到的这两个力相同．”用现
“当物体同时受到两个力作用时，在的话说，就是每一个力对物体的作用不受另一个力存在的影响，而
和它单独作用时产生的效果相同．”即所谓“力的独．鉴于其重要性，立作用原理”而且又是牛顿从实践总结出的规律，所以被有些人称为“牛顿第四定
2牛顿第四定律”关于“
“牛顿第四定律”关于目前主要有四种讲法．其
“股神”（股票）运中一种是某在其畅销书中声称：“
，动增加，回报减少”这纯属炒作家忽悠人的本事，相信稍有科学素养的人就能识破．
第二种要数Wilczek先生在上述文章中引述了“很多教科书”：“物体间的作用力沿着连中的提法
，：“第四定律表述接它们的直线的方向”并解释说20
第5期：“牛顿第零定律”“牛顿第四定律”胡扬洋等与述评
．所以，确切地说，我们只有联合牛顿“原始”的律”
第二定律和“牛顿第四定律”才能得出现代第二定律完备的表达式：
FiΣi=1
n
理由用今人的认识深度去藐视、评判甚至责备先哲，
更何况，我们并不一定比古人高明，并且也并未彻底解决他们提出的问题．
所以，我们尽管将不是那么完美的牛顿定律视为一只透镜，而将各种或深邃或巧妙的“第零定、“第四定律””视为其折射出的、照亮整个物理学律
历史的美丽光线吧．
=ma．那么，如果说“第四
定律”如此重要，是否真的要给它在物理教育中“正
？与名”呢？其他的提法是否需要来当“反面教员”“第零定律”引发的问题一样，这些都令基础物理教
育颇为挠头．
3对两条“定律”的再认识
4对基础物理教育的启示
上述关于第零定律与第四定律的讨论或许在
其实，牛顿力学体系存在着诸多备受指摘的逻辑循环与漏洞，例如奥地利物理学家马赫（Mach·Ernst，1838～1916）在1883年发表的《力学：其发展的批判的和历史的说明》中就认为牛顿对由质量定义密度，又由密度定义质量的方法陷入了逻辑循环．这样的问题还有很多，再如惯性参考系的概念．而事实上，任何一个学科的出发点（启始性的命题）是不可能通过他所导出的命题去证明的，因而，如果无法借用其他学科的内容的话，这启始性的命题就必定带有循环论证的性质．所以，某种程度上，各种关于牛顿第零定律以及牛顿第四定律的提法都可以认为
．然而，是对这种逻辑漏洞的“补台”基于不同的知识背景，甚至是物理学前沿的不断发展，都能从不同
视角、深度发现各种不同的漏洞，对每个漏洞也可以从不同的角度再提出一个公理作为第零、第四，甚至第五定律加以弥合，我们很难说哪种更加正确或更加可取．
更重要的是历史问题，也就是物理学家如何看
Wilczek先生基于特定的待学科的历史．如前所述，
视角先是提出了“第零定律”之后又对其进行了批
判．虽然这种基于现代物理学的批判是深邃且重要的，然而从历史与哲学意义上的认识也不可或缺．其实，牛顿的质量定义是他机械原子论观点的产物．他认为物质都是由完全相同的不可再分的基元粒
——原子构成的．所谓密度，就是物体单位体积内子—
所包含的这种绝对原子的多少；而所谓物体质量，即物质之量就是整个物体所包含的这种绝对原子的多少．所以在牛顿看来，测量物体质量实质上就是测量这种绝对原子的数目．据此，有人认为牛顿关于质量的定义是自洽的，并没有逻辑循环．可见，除了从逻辑与现有知识的角度去认识历史上物理学家的学说之外，他们所在的历史条件，所持的哲学观都应纳入整体的考量，否则都会或多或少地犯一种类似刻舟
，求剑的错误．正 所谓“不薄今人爱古人”我们没有
物理学者看来波澜不惊、兴味盎然，而对于理智的基础物理教育者来说就或许会在兴奋的背后有些
（learnscience）与“做不安了．盖因所谓“学科学”
（doingscience）在时间、科学”空间、形式、目的等
方面都存在着巨大的差异．某种程度上这是两种完全不同层面的认知活动．所以，对上述“定律”的认识决不能被线性地变换到基础物理教育中来，而这也不妨碍物理教育能够由此得到别有价值的启示．4．1
重视基础物理教育的衔接问题
我国的基础物理教育受结构主义课程理论的影响并由于既有传统，对教学的“衔接”工作有着结构“刚需”，性的处理不好就会造成逻辑断层，对物理学的融会贯通也极为不利．事实上，物理教育中无论是学段内的衔接，甚至与临近学科的衔接都是国内外物理教育研究的热门与重点．尤其是物理学中基本概念、基本规律，作为基础物理教育的核心内容，衔接不畅不仅会影响普通物理的学习质量，还有可能导致心理学意义上的“学习困难（LearningDifficulties）”现象．这是因为大学普通物理教师面对“一张白纸”的不是的学生，他们头脑中实际上存在
、着各种来自生活经验的“前概念（Preconception）”不同深度或从不以及来自各级教科书、科普读物的，
同侧面界定的物理知识，并且相当部分还以体系化的形式存在．
例如前文提到的质量这一概念，在开始普通物理学习之前，学生们实际上已经学过了两种关于质“物体所含物质的多少”量的概念方式，分别为这一牛顿先生最原始的认识，以及“物体惯性大小的量度”这一现代概念．然而，虽然这种讲法体现了概念的科学性并兼顾了历史，但是这仍然不足以充实“衔接”的所有含义．“衔接”不等于以新代旧、简单重叠，而应该在讲授新知的时候，对上一循环中的对
21
首都师范大学学报（自然科学版）2014年
应内容做出一种立足教育目的批判．但是遗憾的是，如今的物理教育都对这一“批判”工作重视不足．诸多教材专注于自身体系与知识架构的严密性，以及与前沿物理、现代物理联系的呈现，而鲜有对“衔接”内容的关顾．仍以质量为例，后续物理教育对原
“批判”有质量概念不利的后果就是，相当多学生对万有引力教学中引力质量与惯性质量的区分颇为
“无感”．而前述的Wilczek先生的“牛顿第零定律”“质量”为我们打开了认识的物理之门，这种内容就可以被开发为一种面对基础物理教育的、专题性的衔接课程．所以我们认为，基础物理教学以及教材编
，写不仅要开关于现代物理、前沿物理的“窗口”还．这无疑需要更深的要用心开设前后衔接的“窗口”
物理学修养和更多的教育智慧．4．2
正确看待历史的价值
纵观基础物理教育实践，物理学的历史性常常被我们忽视．我们多年来仅把物理当作一门知识，甚至一种技能来教，在“非常时期”甚至用“三机一”、“工业基础知识”泵代替，唯独没有意识到物理还是一种文化历史传统．当我们把物理学当作一堆现成结论的时候，教出的学生只能是运用这些结论的人，而不是物理学的创造者．正视物理学的历史性有助于我们的物理教育水平跃上一个新的台阶．其实我们发现，当学生被置于科学史长河之中的时候，他们焕发出来的创造力往往超出我们的想象．
而增强物理教育历史感的前提是持有何种历史
参
考
观．如前所述，诸多关于牛顿第零、第四定律的观点中都体现了对物理学不同的理解，不同的视角极大“第零”．的影响了论者们将哪条定律作为或“第四”而事实上，如果我们不持有一定的观念，我们甚至无法选择哪是结论、哪是误差．并且某种程度上，企图用近代物理，甚至最前沿的物理“反哺”经典物理，“历史虚无主义”多少都会有点的味道，如果严重的
“解构”“反噬”话，这种极可能物理学自身．也有学者指出了物理教育中独断论影响问题．“独断论”所谓就是将绝对真理与相对真理的截然分开，片面夸大其绝对性而否认它的相对性．物理史家申先甲先生就曾指出：物理史上的不少物理学家由于有独断论思想，往往企图把他们在狭小的实验室里得出的点滴科学见解，看作是万古不变的金科玉律．而物理学由于大量使用系统的数学方法对全部研究成果进行了整理与总结，各门物理学理论都已形成了严密的逻辑体系，这就很容易掩盖各种具体物理知识的近似性和发展性，而把它们当成先验．而教学中如果不的、完美的和永恒的“终极真理”
注意运用历史的观点对物理知识的产生、发展和演变做必要的说明．就易使学生对物理知识的来源、理论体系的形成感到深奥莫测，不理解科学家是怎么想出来的．还会使学生以静态的眼光去看待所学的理论，把他们当成静止不变的东西，形成“独断论”的真理观．所以，物理教育必须做到逻辑的和历史的
［7］
统一．文
献
［1］WilczekF．公式F=ma中的力从哪来？［2005，34（2）：93－95．J］．黄娆译曹则贤校．物理，J］．物理，2008，37（5）：355－358．［2］曹则贤．物理学咬文嚼字之十一：质量与质量的起源［［3］王青．再论质量的起源［J］．物理，2009，38（10）：699－706．
2005，26（2）：9－11．［4］NewburghＲ．为何不将万有引力定律称为牛顿第四定律？［J］．陈勇卢飞麟编译．物理教师，200-http://www.61k.com-5，34（11）：784－786．［5］WilczekF．公式F=ma中的力从哪来？（之二）［J］．黄娆译曹则贤校．物理，［6］常利．普通物理专题研究［M］．北京：北京教育出版社，1987：43－46．
［7］申先甲．关于物理教学中独断论的影响问题［A］．中学物理教学研究（第2集）［1981：1C］．北京：原子能出版社，
－10．
（下转第27页）
22
第5期张园园等：植物生长调节剂的太赫兹光谱检测与分析
TerahertzSpectroscopicInvestigationofPlantGrowthＲegulators
ZhangYuanyuan1JinLiang2WangGuo3WangXinke1*
（1．DepartmentofPhysics，CapitalNormalUniversity，KeyLaboratoryofTerahertzOptoelectronics，MinistryofEducation，Beijing100048；
2．ZhongguancunNo．1PrimarySchool，Beijing100190；3．DepartmentofChemistry，Beijing100048）
Abstract
Inthispaper，theterahertz（THz）spectraoffiveplantgrowthregulatorsaremeasuredbyusingtheTHztimedomainspectroscopy（——网络日记——THz-TDS）．TheirrefractiveindexesandabsorptioncoefficientsintheTHzfrequencyrangeareextracted．UtilizingtheGuassian03software，thesinglemoleculestructuresofthefivesamplesaresimulatedandtheirresonancefrequenciesintheTHzfrequencyrangearecalculated．Theexperimentalandsimulatedresultsareinagreementwitheachother．ThisworkdemonstratestheapplicationpossibilityoftheTHz-TDSinanalysisofagriculturalchemicalsresidue．
Keywords：terahertz，plantgrowthregulators，refractiveindex，absorptioncoefficient．
作者简介张园园（1988－），主要研究方向为太赫兹水污染检测工作．女，硕士研究生，（上接第22页）
Ｒeviewof“Newton'sZerothLaw”＆“Newton'sFourthLaw”
HuYangyang1ChenQingmei2XingHongjun1
（1．DepartmentofPhysics，CapitalNormalUniversity，Beijing100048；
2．Departmentofbasic，BeijingUniversityofChineseMedicine，Beijing100102）
Abstract
Todealwiththechallenge”Newton'sZerothLaw”＆”Newton'sFourthLaw”broughttobasicphysicaleducation，historicalandeducationalpointofviewmustbehold．Andenlightenmentsignificanceofthe“laws”ispromotingconnectionandenhancingthesenseofhistoryshouldbedonebybasicphysicaleducators．
Keywords：Newton'szerothlaw，Newton'sfourthlaw，Physicaleducation，Mass．
27
三 : 牛顿第四定律
大物理学家牛顿怎么也不会想到还会有‘牛顿第四定律’吧？
不变是相对的，变才是绝对的。
众所周知著名物理学家牛顿早期发明了三大牛顿定律就不一一细说了。如今依第三定律衍生出‘牛顿第四定律’，估计在这个世界上没有人知道这个‘定律’。嘿嘿，小的不才在俺的小博上透露一下。牛顿第三定律是这样说的：作用在物体上的作用力和反作用力大小相等方向相反。这个定律真的已成为了‘定律’没人会问为什么作用力与反作用力大小相等方向相反？依俺不成熟的看法是：只有当作用力作用在刚性物体上才能符合牛顿第三定律成立的条件。就是说作用力必须作用在刚性物体上有才这样的效果。如果说作用力是作用在非刚性物体上，那么牛顿第三定律就不成立了。这是因为，当作用力施于非刚性物体上时所施之力被非刚性物体吸收了一部分。所以，这时作用力与反作用力决不会相等，当然有一点是相同的，这两种作用力的方向还是相反的，从此‘牛顿第四定律’之说就诞生了。第三第四定律的适用性的主要区别是在于作用力是作用在刚性物体上还是非刚性物体上，这一战火一定要弄清。刚性物体都是具有很强的弹性和抵抗力的物理特性的物体，一般不易发生变形，刚直不阿，铁骨铮铮，宁折不弯的‘大丈夫’。正如：‘那里有压迫，那里就有反抗’这个比喻似乎不太适合，但所说的意思差不多。而对非刚性物体来说，一般都比较‘软蛋’，弹性差、抵抗力弱，多半在受外力的作用下易变形、顺势而下、随遇而安。所以说非刚物体的成形条件好，可塑性强，就象案板上的面团一样，‘作用力’想怎么揉就怎么揉，想怎么捏就怎么捏。这种非刚性物质的特性和特点用牛顿第四定律作为描述对象是在适合不过的了。所以，要记住牛顿第四定律适用的条件，如果是刚性物体只能用牛顿第三定律解释，千万不要搞错了。否则牛顿第三、第四定律都会用错了。有一句话是这样说的：站在巨人肓膀上。。。。如果没有牛顿第三定律的引导也就不会衍生出‘牛顿第四定律’了。
PS：至于是谁搞出的‘牛顿第四定律’就不要问了。有些事知道就行了，不必问那么多。如果是研究科学，这样做是可取的，而且必须这样做了。
四 : _牛顿第零定律_与_牛顿第四定律_述评_胡扬洋陈清梅邢红军
第35卷第5期2014年10月
首都师范大学学报（自然科学版）JournalofCapitalNormalUniversity
（NaturalScienceEdition）
No．52014Oct．，
“与“牛顿第四定律”述评牛顿第零定律”
胡扬洋
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陈清梅
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邢红军
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（1.首都师范大学物理系，北京100048；2.北京中医药大学基础部，北京100102）
摘要
“牛顿第零定律”“牛顿第四定律”针对近年来多种关于与的表述，基础物理教育应该在历史与教育的视角的下进行分析并合理应对．而启示意义则在于基础物理应该重视衔接教育并增强历史感．
关键词：牛顿第零定律，牛顿第四定律，物理教育，质量．
05中图分类号：G40-育问题，还关乎我们持何种物理史观，也即物理学如
何认识自己．
0引言
近年来出现了诸多关于“牛顿第零定律”与“牛顿第四定律”的各异其趣的论述．其中2005年由中科院物理所黄娆、曹则贤先生译介了《公式F=ma中的力从哪来？》一文，该文作者2004年度诺贝尔物理学奖得主FrankWilczek在文中就给出了对两条“定律”的一种认识．2008年，该文译介者之一，中科院物理研究所曹则贤先生在其专栏文章《物理学咬文嚼字之十一：质量与质量的起源》中再次提到了Wilczek关于“牛顿第零定律”的观点．2009年，清华大学物理系王青先生则以《再论质量的起源》为题对此做了明确的界定与深入的讨论．
然而，虽然以上观点精彩异常、启发颇深，但是更多的问题旋踵而至．一个重要的问题就是，面对这“重要修正”（或发展），两条定律对牛顿力学的基础物理教育应该如何做出反映或应对？譬如，教材修订是否要加入这些观点？如果采用，要采取哪种界定？应引导初学者对牛顿力学持有如何的态度？诸如此类问题，必须加以澄清．更何况，关于两条“定律”一直以来还存在着其它的表述．据此，在辨明当“牛顿第零定律”前关于与“牛顿第四定律”不同界定的基础上，明确其对基础物理教育的价值与教学的正确方向，就是本文研究的内容．这不仅是一个教
1关于“牛顿第零定律”
诸多重量级物理学家都将质量守恒，或质量
．Wilczek的表述的可加性作为“牛顿第零定律”
是：“经典力学里关于运动的第零定律是质量守恒．由于它过于基本所以牛顿没有明确指出．物体的质量被认为是独立于它的速度和任何施加于它的外力的，总质量既不产生也不消灭，只是在物体相互作用的时候重新分配．”曹则贤先生则在解释“牛顿如何描述质量”的意义时说：“物质的量是体积那样的广延量，即质量具有可加性且由体积的可加性来保证（或者说把可加性甩给了体积，这是个比广义相对论还难的问题），并由此向不同物质量相加性被誉质体系扩展．在一些物理文献中，
为牛顿第零定律（诺贝尔奖得主Wilczek就持这样
［2］
的观点），王青先其重要性可见一斑．”进一步，
［1］
生将其更加明晰地表述为：“物质的质量等于构成它的各个组分质量的叠加．”并提出了微观层次上“修正的牛顿第零定律”：物质的质量等于构成它的各个组分质量和组分之间相互作用造成的有效质量的叠加．”
［3］
的介入不仅是物理学科上述“牛顿第零定律”的逻辑结构问题，更是一个历史、甚至科学哲学问题．曹则贤先生在对中文质量一词“咬文嚼字”时说：“中文‘质量’这个词组是个语义含混的组合，
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03-03收稿日期：2014-
牛顿第四定律 _牛顿第零定律_与_牛顿第四定律_述评_胡扬洋陈清梅邢红军
首都师范大学学报（自然科学版）2014年
你才好判定它到底指的只有嵌在特定的句子中，
［2］
是质（quality）还是量（quantity）．”对此，有一种的是所有的力都是二体中心力．”并认为这是角动
量守恒，也即物理定律旋转对称性的反映．但是这个定律对于分子间作用力是完全错误的，所以它应该带着应有的荣誉退出舞台了
［5］
解释可以理清这一疑难．“质”可以理解为质量是
“量”物体的一种固有属性，而且是定量的属性，字的含义指测量、大小等．所以，质量并不是惯性，而
是量度惯性强弱的一个物理量（质量本身另有度量方法）．由此，许多问题也就明晰了．如今中学物
，理教学都将密度作为“反映物质属性的物理量”仿佛密度反映了“质”的差别，而事实上正如曹则
贤先生所说：“它指明物质量上的区别应该在致密．［2］如果度（density）这个更深、更抽象的层次上”置于哲学的视角，牛顿力学本身就是一个去“质”
化的世界，人们面对的是一个机械化的世界图景．不是吗？只有在消除事物之间质的差异后才能将
，其加加减减，如果你说“一个人加一头猪等于二”那就是骂人的话．所以，密度这一物理量表达的仍
然是事物“量”的差异．另一个问题更为根本，即质量的可加性何以作为第零定律？已有的讨论多基于物理学对质量的认识这一纵向视角．Wilczek先生在呈现该“定律”后，
：“如今我们知道以上内容并不十分正旋即提出
，确”并在近代物理的视角下对其进行了批判．虽然
物理学家深入浅出的抒写引人入胜，但是一个更加“为什么是质量守恒？”根本的问题就是这个问题需要在牛顿力学横向的结构中，以及历史的剖面中找到依据，毕竟今人的认识在历史面前还是单薄了一些．有趣的是，国内发表于同年同月的另一篇译介文：“必须章中出现了关于“第零定律”的另一种说法有与所描述物体状态相对应的参考系．”对此，我们很难说质量可加性与参考系的前提性哪一个更加
．并且，重要、更加“前提”相信由“参考系”这一视角，也可以理出一条恢弘的历史脉络．如此，基础物
“牛顿第零定律”理教育对取还是不取？如果取，取哪种合适呢？
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．
第三种意见多年来在基础物理，尤其是中学物
“伟大的万有引力定律”理教育界涌动，认为堪称牛顿第四定律．对此，有学者对其进行了驳论，认为：
“万有引力定律提供了一个特殊的秘诀来计算一个特殊的力万有引力．它存在于一个被限定的领域内，与电磁力并无相关，而且其存在超越了肉眼的观察．作为定律，它也有逻辑上的普遍性．这是我们不能将它看作牛顿第四定律的主要原因，也是和牛顿三定律在自然本性上的区别．”这从牛顿定律的公理特征与万有引力定律的逻辑特征之间做了区别，是令人信服的．
扩展：胡扬洋 / 陈清梅 / 邢红军
最费周章的要数第四种表述，有文献中指出：
［6］
“力的独立作用原理”被称为牛顿第四定律．其
［4］
真正内涵和重要性在于对牛顿第二定律矢量性的描述，这是因为牛顿对第二定律的原有表述中得不出这个结论．牛顿的原有表述是：“运动的改变和所加的动力成正比，并且发生在所加的力的那个直线方向上．”这里，由牛顿的表述只知道加速度是个有大小和方向的量，力也是有方向的量，并且与加速度的方向一致．但是关键在于，一个既有数值又有方向的量未必就是矢量．因为矢量的基本性质是其相加服从平行四边形定则．例如电流就不是矢量，再如，我们也可以将石英钟上的信息表征为一个量，时针所指的刻度是其大小，所指的方向是其方向，然而其相加却不满足平行四边形定则，故而也不是矢量．
所以，问题就落在了力矢量性的证明上．值得一说的是，力的矢量性在静力学中很容易证明，但是严格地说，力是一个动力学量，静力学效果只是其特例，所以该问题应该在更一般的动力学效果中证明．牛顿注意到了这个问题，并很好地给以了解决．他在：“一个物体，自己运动定律的推论1中说同时受到两个力的作用，就将沿平行四边形的对角线运动，所用的时间和和它分开受到的这两个力相同．”用现
“当物体同时受到两个力作用时，在的话说，就是每一个力对物体的作用不受另一个力存在的影响，而
和它单独作用时产生的效果相同．”即所谓“力的独．鉴于其重要性，立作用原理”而且又是牛顿从实践总结出的规律，所以被有些人称为“牛顿第四定
2牛顿第四定律”关于“
“牛顿第四定律”关于目前主要有四种讲法．其
“股神”（股票）运中一种是某在其畅销书中声称：“
，动增加，回报减少”这纯属炒作家忽悠人的本事，相信稍有科学素养的人就能识破．
第二种要数Wilczek先生在上述文章中引述了“很多教科书”：“物体间的作用力沿着连中的提法
，：“第四定律表述接它们的直线的方向”并解释说20
牛顿第四定律 _牛顿第零定律_与_牛顿第四定律_述评_胡扬洋陈清梅邢红军
第5期：“牛顿第零定律”“牛顿第四定律”胡扬洋等与述评
．所以，确切地说，我们只有联合牛顿“原始”的律”
第二定律和“牛顿第四定律”才能得出现代第二定律完备的表达式：
FiΣi=1
n
理由用今人的认识深度去藐视、评判甚至责备先哲，
更何况，我们并不一定比古人高明，并且也并未彻底解决他们提出的问题．
所以，我们尽管将不是那么完美的牛顿定律视为一只透镜，而将各种或深邃或巧妙的“第零定、“第四定律””视为其折射出的、照亮整个物理学律
历史的美丽光线吧．
=ma．那么，如果说“第四
定律”如此重要，是否真的要给它在物理教育中“正
？与名”呢？其他的提法是否需要来当“反面教员”“第零定律”引发的问题一样，这些都令基础物理教
育颇为挠头．
3对两条“定律”的再认识
4对基础物理教育的启示
上述关于第零定律与第四定律的讨论或许在
其实，牛顿力学体系存在着诸多备受指摘的逻辑循环与漏洞，例如奥地利物理学家马赫（Mach·Ernst，1838～1916）在1883年发表的《力学：其发展的批判的和历史的说明》中就认为牛顿对由质量定义密度，又由密度定义质量的方法陷入了逻辑循环．这样的问题还有很多，再如惯性参考系的概念．而事实上，任何一个学科的出发点（启始性的命题）是不可能通过他所导出的命题去证明的，因而，如果无法借用其他学科的内容的话，这启始性的命题就必定带有循环论证的性质．所以，某种程度上，各种关于牛顿第零定律以及牛顿第四定律的提法都可以认为
．然而，是对这种逻辑漏洞的“补台”基于不同的知识背景，甚至是物理学前沿的不断发展，都能从不同
视角、深度发现各种不同的漏洞，对每个漏洞也可以从不同的角度再提出一个公理作为第零、第四，甚至第五定律加以弥合，我们很难说哪种更加正确或更加可取．
更重要的是历史问题，也就是物理学家如何看
Wilczek先生基于特定的待学科的历史．如前所述，
视角先是提出了“第零定律”之后又对其进行了批
判．虽然这种基于现代物理学的批判是深邃且重要的，然而从历史与哲学意义上的认识也不可或缺．其实，牛顿的质量定义是他机械原子论观点的产物．他认为物质都是由完全相同的不可再分的基元粒
——原子构成的．所谓密度，就是物体单位体积内子—
所包含的这种绝对原子的多少；而所谓物体质量，即物质之量就是整个物体所包含的这种绝对原子的多少．所以在牛顿看来，测量物体质量实质上就是测量这种绝对原子的数目．据此，有人认为牛顿关于质量的定义是自洽的，并没有逻辑循环．可见，除了从逻辑与现有知识的角度去认识历史上物理学家的学说之外，他们所在的历史条件，所持的哲学观都应纳入整体的考量，否则都会或多或少地犯一种类似刻舟
，求剑的错误．正所谓“不薄今人爱古人”我们没有
物理学者看来波澜不惊、兴味盎然，而对于理智的基础物理教育者来说就或许会在兴奋的背后有些
（learnscience）与“做不安了．盖因所谓“学科学”
（doingscience）在时间、科学”空间、形式、目的等
方面都存在着巨大的差异．某种程度上这是两种完全不同层面的认知活动．所以，对上述“定律”的认识决不能被线性地变换到基础物理教育中来，而这也不妨碍物理教育能够由此得到别有价值的启示．4．1
重视基础物理教育的衔接问题
我国的基础物理教育受结构主义课程理论的影响并由于既有传统，对教学的“衔接”工作有着结构“刚需”，性的处理不好就会造成逻辑断层，对物理学的融会贯通也极为不利．事实上，物理教育中无论是学段内的衔接，甚至与临近学科的衔接都是国内外物理教育研究的热门与重点．尤其是物理学中基本概念、基本规律，作为基础物理教育的核心内容，衔接不畅不仅会影响普通物理的学习质量，还有可能导致心理学意义上的“学习困难（LearningDifficulties）”现象．这是因为大学普通物理教师面对“一张白纸”的不是的学生，他们头脑中实际上存在
扩展：胡扬洋 / 陈清梅 / 邢红军
、着各种来自生活经验的“前概念（Preconception）”不同深度或从不以及来自各级教科书、科普读物的，
同侧面界定的物理知识，并且相当部分还以体系化的形式存在．
例如前文提到的质量这一概念，在开始普通物理学习之前，学生们实际上已经学过了两种关于质“物体所含物质的多少”量的概念方式，分别为这一牛顿先生最原始的认识，以及“物体惯性大小的量度”这一现代概念．然而，虽然这种讲法体现了概念的科学性并兼顾了历史，但是这仍然不足以充实“衔接”的所有含义．“衔接”不等于以新代旧、简单重叠，而应该在讲授新知的时候，对上一循环中的对
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牛顿第四定律 _牛顿第零定律_与_牛顿第四定律_述评_胡扬洋陈清梅邢红军
首都师范大学学报（自然科学版）2014年
应内容做出一种立足教育目的批判．但是遗憾的是，如今的物理教育都对这一“批判”工作重视不足．诸多教材专注于自身体系与知识架构的严密性，以及与前沿物理、现代物理联系的呈现，而鲜有对“衔接”内容的关顾．仍以质量为例，后续物理教育对原
“批判”有质量概念不利的后果就是，相当多学生对万有引力教学中引力质量与惯性质量的区分颇为
“无感”．而前述的Wilczek先生的“牛顿第零定律”“质量”为我们打开了认识的物理之门，这种内容就可以被开发为一种面对基础物理教育的、专题性的衔接课程．所以我们认为，基础物理教学以及教材编
，写不仅要开关于现代物理、前沿物理的“窗口”还．这无疑需要更深的要用心开设前后衔接的“窗口”
物理学修养和更多的教育智慧．4．2
正确看待历史的价值
纵观基础物理教育实践，物理学的历史性常常被我们忽视．我们多年来仅把物理当作一门知识，甚至一种技能来教，在“非常时期”甚至用“三机一”、“工业基础知识”泵代替，唯独没有意识到物理还是一种文化历史传统．当我们把物理学当作一堆现成结论的时候，教出的学生只能是运用这些结论的人，而不是物理学的创造者．正视物理学的历史性有助于我们的物理教育水平跃上一个新的台阶．其实我们发现，当学生被置于科学史长河之中的时候，他们焕发出来的创造力往往超出我们的想象．
而增强物理教育历史感的前提是持有何种历史
参
考
观．如前所述，诸多关于牛顿第零、第四定律的观点中都体现了对物理学不同的理解，不同的视角极大“第零”．的影响了论者们将哪条定律作为或“第四”而事实上，如果我们不持有一定的观念，我们甚至无法选择哪是结论、哪是误差．并且某种程度上，企图用近代物理，甚至最前沿的物理“反哺”经典物理，“历史虚无主义”多少都会有点的味道，如果严重的
“解构”“反噬”话，这种极可能物理学自身．也有学者指出了物理教育中独断论影响问题．“独断论”所谓就是将绝对真理与相对真理的截然分开，片面夸大其绝对性而否认它的相对性．物理史家申先甲先生就曾指出：物理史上的不少物理学家由于有独断论思想，往往企图把他们在狭小的实验室里得出的点滴科学见解，看作是万古不变的金科玉律．而物理学由于大量使用系统的数学方法对全部研究成果进行了整理与总结，各门物理学理论都已形成了严密的逻辑体系，这就很容易掩盖各种具体物理知识的近似性和发展性，而把它们当成先验．而教学中如果不的、完美的和永恒的“终极真理”
注意运用历史的观点对物理知识的产生、发展和演变做必要的说明．就易使学生对物理知识的来源、理论体系的形成感到深奥莫测，不理解科学家是怎么想出来的．还会使学生以静态的眼光去看待所学的理论，把他们当成静止不变的东西，形成“独断论”的真理观．所以，物理教育必须做到逻辑的和历史的
［7］
统一．文
献
［1］WilczekF．公式F=ma中的力从哪来？［2005，34（2）：93－95．J］．黄娆译曹则贤校．物理，J］．物理，2008，37（5）：355－358．［2］曹则贤．物理学咬文嚼字之十一：质量与质量的起源［［3］王青．再论质量的起源［J］．物理，2009，38（10）：699－706．
2005，26（2）：9－11．［4］NewburghＲ．为何不将万有引力定律称为牛顿第四定律？［J］．陈勇卢飞麟编译．物理教师，2005，34（11）：784－786．［5］WilczekF．公式F=ma中的力从哪来？（之二）［J］．黄娆译曹则贤校．物理，［6］常利．普通物理专题研究［M］．北京：北京教育出版社，1987：43－46．
［7］申先甲．关于物理教学中独断论的影响问题［A］．中学物理教学研究（第2集）［1981：1C］．北京：原子能出版社，
－10．
（下转第27页）
22
牛顿第四定律 _牛顿第零定律_与_牛顿第四定律_述评_胡扬洋陈清梅邢红军
第5期张园园等：植物生长调节剂的太赫兹光谱检测与分析
TerahertzSpectroscopicInvestigationofPlantGrowthＲegulators
ZhangYuanyuan1JinLiang2WangGuo3WangXinke1*
（1．DepartmentofPhysics，CapitalNormalUniversity，KeyLaboratoryofTerahertzOptoelectronics，MinistryofEducation，Beijing100048；
2．ZhongguancunNo．1PrimarySchool，Beijing100190；3．DepartmentofChemistry，Beijing100048）
Abstract
Inthispaper，theterahertz（THz）spectraoffiveplantgrowthregulatorsaremeasuredbyusingtheTHztimedomainspectroscopy（THz-TDS）．TheirrefractiveindexesandabsorptioncoefficientsintheTHzfrequencyrangeareextracted．UtilizingtheGuassian03software，thesinglemoleculestructuresofthefivesamplesaresimulatedandtheirresonancefrequenciesintheTHzfrequencyrangearecalculated．Theexperimentalandsimulatedresultsareinagreementwitheachother．ThisworkdemonstratestheapplicationpossibilityoftheTHz-TDSinanalysisofagriculturalchemicalsresidue．
Keywords：terahertz，plantgrowthregulators，refractiveindex，absorptioncoefficient．
作者简介张园园（1988－），主要研究方向为太赫兹水污染检测工作．女，硕士研究生，（上接第22页）
Ｒeviewof“Newton'sZerothLaw”＆“Newton'sFourthLaw”
扩展：胡扬洋 / 陈清梅 / 邢红军
HuYangyang1ChenQingmei2XingHongjun1
（1．DepartmentofPhysics，CapitalNormalUniversity，Beijing100048；
2．Departmentofbasic，BeijingUniversityofChineseMedicine，Beijing100102）
Abstract
Todealwiththechallenge”Newton'sZerothLaw”＆”Newton'sFourthLaw”broughttobasicphysicaleducation，historicalandeducationalpointofviewmustbehold．Andenlightenmentsignificanceofthe“laws”ispromotingconnectionandenhancingthesenseofhistoryshouldbedonebybasicphysicaleducators．
Keywords：Newton'szerothlaw，Newton'sfourthlaw，Physicaleducation，Mass．
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