然而，人們關(guān)于力的認(rèn)識(shí)還是含糊的和定性的。就斜坡實(shí)驗(yàn)而言，小球受到的力大概有重力和斜坡的支撐力，斜坡有傾角時(shí)，這兩個(gè)力不在同一直線上因此不能抵消，小球受到的合外力不為零。當(dāng)斜坡處于水平狀態(tài)時(shí)，這兩個(gè)力大小相等，方向相反，支撐力可以和重力相互抵消，從而使小球所受合外力為零。就對(duì)物體整體運(yùn)動(dòng)的影響而言，不受力跟受到合外力為零時(shí)的效果應(yīng)該是一樣的。這樣可以根據(jù)斜坡實(shí)驗(yàn)初步得出結(jié)論:不受力的物體將保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，即慣性定律，后來(lái)成為了牛頓運(yùn)動(dòng)定律中的第一定律。這里所說(shuō)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)體現(xiàn)在兩個(gè)方面:方向和快慢，現(xiàn)在稱(chēng)統(tǒng)稱(chēng)為速度。
既然不受力時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，那么力就不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因，而是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。要定量研究物體受力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變之間的關(guān)系，那就需要能夠?qū)\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即速度進(jìn)行定量描述和測(cè)定。當(dāng)時(shí)認(rèn)為時(shí)間和空間獨(dú)立于物體的運(yùn)動(dòng)，因此，假設(shè)有一個(gè)不隨環(huán)境改變的尺子和時(shí)鐘可以用來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定距離和時(shí)間，便可以計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)速度，以及后面涉及到的加速度。
物體在受力過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變顯然是與間有關(guān)的。比如，在斜坡上運(yùn)動(dòng)的物體在不同時(shí)刻的速度是不一樣的，為了排除時(shí)間對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，那就取單位時(shí)間速度的改變量，即速度關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)來(lái)描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，并稱(chēng)之為加速度。同時(shí)，不妨將物體受力的方向定義為加速度的方向。對(duì)于同一個(gè)物體，假設(shè)這個(gè)物體內(nèi)在的性質(zhì)不會(huì)隨環(huán)境發(fā)生變化，那么便可以用它的加速度來(lái)衡量它受到的力。
物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化率，即加速度，除了跟力有關(guān)還跟什么有關(guān)呢？與物體自身的性質(zhì)有關(guān)嗎？由于目前還沒(méi)有對(duì)力給出一個(gè)明確的定義，更不能定量描述，因此還不能回答。
但我們還知道另外一種現(xiàn)象——力是相互的，即只要有受力的物體就存在其他對(duì)它施加力的物體，兩者相互受到對(duì)方的力，而且在不受其他力時(shí)兩者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)同時(shí)改變。要是找一個(gè)物體讓它和其他物體發(fā)生相互作用(這里假設(shè)發(fā)生相互作用時(shí)兩者都不再受其他物體的力)，比如碰撞，或者磁鐵間的吸引、排斥等，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于確定的兩個(gè)物體，其中任意一個(gè)物體的加速度總會(huì)隨著另一個(gè)物體的加速度的改變而改變，而且兩者加速度的方向相反。因此可以認(rèn)為力是物體間的相互作用，相互作用的物體各自受力的大小有一定的定量關(guān)系，方向相反。對(duì)于相互作用的兩個(gè)物體，我們沒(méi)有理由認(rèn)為哪個(gè)物體更特殊，因此姑且約定相互作用的兩個(gè)物體受到的力大小相等，當(dāng)然方向相反，這就是牛頓第三定律。
要是進(jìn)行精確的測(cè)定還會(huì)發(fā)現(xiàn)相互作用的兩個(gè)物體加速度大小之比始終是一個(gè)常數(shù)，當(dāng)更換成其他物體時(shí)，這個(gè)比例常數(shù)通常也會(huì)改變。而且，對(duì)于任意三個(gè)物體，讓它們兩兩之間相互作用，假設(shè)物體a與b、c分別作用時(shí)前者與后兩者的加速度之比分別為a:b、a:c，而b與c相互作用時(shí)加速度之比為b:c，那么一定會(huì)有下面的關(guān)系成立，即(a:b)/(a:c)=c:b。因此可以得出結(jié)論:物體的加速度取決于力和另外一個(gè)與外界無(wú)關(guān)的物體的內(nèi)在屬性，并且大小跟力的大小成正比，跟這個(gè)內(nèi)在的屬性成反比?，F(xiàn)在把這個(gè)內(nèi)在屬性叫做慣性，或質(zhì)量，并將比例系數(shù)規(guī)定為1，那么就有力等于質(zhì)量乘以加速度，即F=ma,這就是牛頓第二定律。
接下來(lái)，只需要找一個(gè)物體作為標(biāo)準(zhǔn)樣品，并把它的質(zhì)量定義為1(千克)，然后讓這個(gè)物體跟其他待測(cè)物體相互作用，根據(jù)牛頓第三定律，標(biāo)準(zhǔn)樣品與待測(cè)樣品加速度大小的比值就是待測(cè)物體的質(zhì)量。這樣便可以測(cè)出任何物體的質(zhì)量，當(dāng)然這個(gè)質(zhì)量不會(huì)隨外界環(huán)境變化。知道物體的質(zhì)量，再用尺子和時(shí)鐘測(cè)定并計(jì)算出物體的加速度，就可以計(jì)算它受到的力，大小也等于跟他相互作用的其他物體受到的力。反之，知道物體受到的力和質(zhì)量那么也可以計(jì)算出加速度。
可以看出，牛頓運(yùn)動(dòng)三定律必須一同存在才有意義。質(zhì)量、力、加速度也必須一起定義，它們的值是根據(jù)牛頓第二定律和第三定律列出的方程組一起解出來(lái)的。
聯(lián)系客服
