《原理》一書的內容極其豐富,它的主要內容是:第一編,首先提出並定義了一係列奠定力學基礎的基本概念,例如質量、動量、慣性、力及向心力、絕對時間、絕對空間等等。然後係統地闡述了運動三大定律。接著提出天體力學的理論,論述了向心力和回轉軌道之間的數學關係,並證明了這樣一條中心定理:如果有一個同距離平方成反比的力起作用,一個物理就呈圓錐曲線(橢圓、拋物線、雙曲線)運動,引力的中心就在圓錐曲線的一個焦點上。第二編,論述了物體在有阻力的介質中的運動,阻力和速度或速度的平方成比例。第三編,是運用第一編和第二編中推導出來的普遍規律來解釋自然界中的一些實際問題。例如,根據當時測得的天文數據,研究了行星的運動、月球的運動、潮汐、歲差和彗星的運動等等。

由於牛頓的《原理》標誌著經典力學體係的完成,而經典力學體係的核心是著名的牛頓運動三定律,它的基礎是一係列物理概念,這些基本概念也是由牛頓給出了定義。所以我們在這裏著重介紹一下在《原理》一書中所論述牛頓運動三定律和構成經典力學體係的六個基本概念。

這六個基本概念是:

(1)質量。是物質多寡之量度。牛頓定義為:“物質的量,是用它的密度和體積一起來量度的。”所以,空氣的密度加倍,體積加倍,它的量就增加4倍;體積加3倍,它的量就增加6倍。因壓緊或液化而凝聚起來的雪,細小的塵埃或粉末,以及由於其他原因而凝結起來的物體都是如此。用現代的語言來說就是,任何給定物體的質量,等於其密度和體積的乘積。

(2)動量。運動多寡之量度。牛頓定義為:“運動的量是用它的速度和物質的量一起來度量的。”這裏所說的“運動的量”,指的是機械運動的量,用現代的科學語言來說,就是“動量”或稱為“機械動量”,它等於運動物體的質量與速度之乘積。

牛頓解釋說,整個物體的運動是其所有部分的運動的總和;所以,對於一個其量為2倍(質量為2倍)的物體,具有相同的速度時,運動(機械動量)是2倍,具有2倍的速度時,運動(機械動量)為4倍。

(3)慣性。牛頓定義為:“物質的惰性力或固有之力,是一種反抗的能力,由於這種力,任何物體,不論是靜止的或是沿筆直的線(直線)均勻向前運動的,都要盡力維持其現狀。”

牛頓解釋時指出,這種力總是與具有核力的物體(的質量)成正比,而與物質的惰性毫無區別,隻是說法不同而已。由於物質的惰性,物體要脫離其靜止狀態或運動狀態是困難的,基於這種考慮,這種表示惰性的力可以用另一個最確切的名稱,叫做慣性力或者惰性力……

(4)力。牛頓定義為:“外力是加於物體上的一種作用,以改變其運動狀態,而不論這種狀態是靜止的還是沿著筆直的(直)線勻速運動的。”

外力隻存在於作用的過程中,作用一旦過去,它就不複存在。僅僅由於惰性,一個物體才可以保持它所獲得的新的(運動)狀態。但外力的來源可以不同,例如可來自碰撞、壓力或向心力等。