二、力的科学概念的建立

英国物理学家牛顿继承和发展了伽利略对力的科学概念的认识，他首次给出了力的严格和科学的定义．牛顿在他的巨著《自然哲学之数学原理》中写道“力：外加力是加于物体上的一种作用，以改变其运动状态，而不论这种状态是静止的还是匀速直线运动状态．”牛顿又指出，外力只存在于作用的过程中，一旦作用过去，它就不复存在．仅仅由于惰性一个物体才可以保持它所获得的新的运动状态．牛顿有关力的定义几乎是力学中力的现代定义，只是现在我们通常不说力使物体改变了它的运动状态，而是说力使物体获得了加速度．

牛顿进而总结出有关力的三定律，牛顿第一定律揭示出，任何物体都具有保持其原来运动状态的特性，即惯性．当物体不受力时，它将保持原来的静止或匀速直线运动状态不变．这纠正了亚里士多德的必须有外力的作用于物体，运动才得以维持的观点．牛顿第一定律又表明了必须施加一个力在物体上，才能使物体改变它的运动状态，力只与运动状态的改变直接联系着．牛顿第二定律表明：“运动的变化与外加推动力成正比，并发生在该力的方向上”这样以定律的形式把力与运动的改变联系起来，进一步说明了力不是维持运动的原因，而是改变运动，产生加速度的原因．牛顿第三定律又解决了自然界中作用力的性质问题，即自然界存在的作用力总是成对出现的，并且具有对称性．通过牛顿三定律力的科学概念被确立

下来．牛顿进一步研究了力的一种，即万有引力，并总结出万有引力定律，这样可以通过该定律定量计算出万有引力的大小，万有引力定律的发现使人们进一步加深了对力的概念的认识．三、力的概念的进一步发展

在牛顿时代，人们对力的认识仅局限于万有引力和相互接触的物体之间的各种常见的力，例如摩擦力、弹性力、绳的张力、压力、粘滞力等．另外，还应该看到，一方面物体间的相互作用并不一定是“力”的作用．还有其他类型的相互作用，这种作用的结果一般说来并不导致物体运动状态的改变，而可能使这些物体内部发生某种变化．如物体间的热相互作用，两个温度不同的物体相互接触时将达到热平衡的现象．所以当力仅仅使物体的速度发生变化时，力才是量度物体间的相互作用的量．另一方面，当我们用力来描述物体间的相互作用时，我们并不注意这个作用本身的物理特性．因为对于一个研究机械运动的观察者来说，他并不关心物体是如何获得加速度的，如是接触相互作用还是电相互作用、磁相互作用等的结果．对于观察者来说，这些作用结果都是一样的，即使物体产生了加速度．只要物体获得的加速度相同，那么不管相互作用的性质如何，从力学的角度看，力是完全等同的．牛顿本人也强调了这一情况，他说，力的起因可以是多种多样的，他所讨论的不是物理的力，而是数学的力，也就是说，他没有涉及到力的来源与性质的问题．

随着物理学的发展，人们对力的概念的认识也不断加深与扩展．在人们对电与磁认识的发展进程中，人们发现了电荷之间的静电力，磁场对运动电荷的洛仑兹力．按照力对任何一闭合路径作功是否恒等于零，力又可分为保守力和非保守力两种．力还可按接触力和非接触力来划分．随着人们对电磁现象研究的深入，人们认识到非接触力的传递不仅需要时间，而需要通过“场”来进行．除电磁力、万有引力外，今天人们又在研究原子核的结构中发现中子、质子等之间的相互作用力——强力、以及存在于基本粒子之间的弱力．这些都极大丰富了人类对力的概念的认识．四、力的合成与分解法则的发现

人们在实践中发现，力是一个矢量，有大小和方向，而力对物体的效应还与其作用点的位置有关，因此确定一个力的三要素是力的大小、方向和作用点．在实际问题中，人们常遇到一个物体同时受到几个力共同作用的问题，为了便于分析和解决问题，常常需要把几个力用一个和它们等效的力来表示．这个等效的力叫做那几个力的合力，求几个力的合力叫做力的合成．另一方面，作用在物体上的一个力往往同时产生几个方面的效果，如果几个力产生的效果跟原来一个力产生的效果相同，这几个力就叫做原来那个力的分力．求一个已知力的分力叫做力的分解．因为力是一个矢量，其合成与分解遵从矢量合成与分解法则．

对力的合成与分解的认识是人们在实践经验中逐步积累起来的．1587年，荷兰力学家斯台文（1548—1620）在出版的《静力学原理》一书中首次阐述了力的合成法则．在他的这本书里有一张被称为“斯台文链”的图，十四个重量相同的光滑小球等距地连成一链条．挂在光滑的直角三棱柱ABC 上，如图所示：棱柱的二直角边与水平放置的斜边 AB 间的夹角分别为 r、l．初看起来，会以为两边由于重量不等，链条会持续的由右向左滑移，形成永恒的运动．斯台文从永动机不可能实现的思想出发，断定这

种运动是不可能的，链条必定处于静止不动的平衡状态．这意味着每个球所产生的沿斜面的下滑力随着斜面与水平面间夹角的减小而减少．如果以Fr、Fl 表示作用在每边单个小球上的下滑力，则有平衡条件

Fr ×AC＝Fl ×BC

所以 Fr

= sin r

sin l

这样斯台文发现了斜面定律：处于高为 h 长为 d 的斜面上重量为 G

的物体，为一个大小为

F = d G

而方向与斜面平行的力相平衡．于是，

斯台文在两力互成直角的情况下，引进了力的三角形（或平行四边形）法则，形成了力的分解与合成原理的初步思想，但是斯台文没有把这个法则推广到更一般的情况．

1687 年牛顿在《原理》明确提出了力的分解与合成原理，清楚表述了力的三角形（或平行四边形）法则．