【牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律】
一切物體在任何情況下,在不受外力的作用時(shí),總保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這就是牛頓第一定律。
牛頓第一定律還可縮寫成:動(dòng)者恒動(dòng),靜者恒靜。
A particle will stay at rest or continue at a constant velocity, unless acted upon by an external unbalanced force。
〖說明〗 物體都有維持靜止和作勻速直線運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),因此物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由它的運(yùn)動(dòng)速度決定的,沒有外力,它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不會(huì)改變的。物體的保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)稱為慣性(inertia)慣性的大小由質(zhì)量量度。所以牛頓第一定律也稱為慣性定律(law of inertia)。牛頓第一定律也闡明了力的概念。明確了力是物體間的相互作用,指出了是力改變了物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)?a style="LINE-HEIGHT: 22px; COLOR: rgb(118,25,0); TEXT-DECORATION: none" >加速度是描寫物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化,所以力是和加速度相聯(lián)系的,而不是和速度相聯(lián)系的。在日常生活中不注意這點(diǎn),往往容易產(chǎn)生錯(cuò)覺。
〖注意〗
(1)牛頓第一定律并不是在所有的參照系里都成立,實(shí)際上它只在慣性參照系里才成立。因此常常把牛頓第一定律是否成立,作為一個(gè)參照系是否慣性參照系的判據(jù)。
?。?)牛頓第一定律是通過分析事實(shí),再進(jìn)一步概括、推理得出的。我們周圍的物體,都要受到這個(gè)力或那個(gè)力的作用,因此不可能用實(shí)驗(yàn)來直接驗(yàn)證這一定律。但是,從定律得出的一切推論,都經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn),因此,牛頓第一定律已成為大家公認(rèn)的力學(xué)基本定律之一。
〖牛頓第一定律的發(fā)現(xiàn)及總結(jié)〗
300多年前,伽利略對(duì)類似的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析,認(rèn)識(shí)到:運(yùn)動(dòng)物體受到的阻力越小,他的運(yùn)動(dòng)速度減小得就越慢,他運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越長(zhǎng)。他還進(jìn)一步通過進(jìn)一步推理得出,在理想情況下,如果水平表面絕對(duì)光滑,物體受到的阻力為零,它的速度講不會(huì)減慢,這是將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。
伽利略曾經(jīng)專研過這個(gè)問題,牛頓曾經(jīng)說過:“我是站在巨人的肩膀上才成功的。”這句話就是針對(duì)伽利略的。所以牛頓概括了前人的研究結(jié)果,總結(jié)出了著名的牛頓第一定律。
【牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律】
〖內(nèi)容〗 物體的加速度跟物體所受的合外力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。
〖表達(dá)式〗 ΣF=ma或F合=ma
〖說明〗
(1)牛頓第二定律是力的瞬時(shí)作用規(guī)律。力和加速度同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)變化、同時(shí)消逝。
?。?)F=ma是一個(gè)矢量方程,應(yīng)用時(shí)應(yīng)規(guī)定正方向,凡與正方向相同的力或加速度均取正值,反之取負(fù)值,一般常取加速度的方向?yàn)檎较颉?/p>
?。?)根據(jù)力的獨(dú)立作用原理,用牛頓第二定律處理物體在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的問題時(shí),可將物體所受各力正交分解,在兩個(gè)互相垂直的方向上分別應(yīng)用牛頓第二定律的分量形式:Fx=max,F(xiàn)y=may列方程。
〖牛頓第二定律的五個(gè)性質(zhì)〗
?。?)同體性:F合、m、a對(duì)應(yīng)于同一物體。
?。?)矢量性:力和加速度都是矢量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定。牛頓第二定律數(shù)學(xué)表達(dá)式∑F = ma中,等號(hào)不僅表示左右兩邊數(shù)值相等,也表示方向一致,即物體加速度方向與所受合外力方向相同。
?。?)瞬時(shí)性:當(dāng)物體(質(zhì)量一定)所受外力發(fā)生突然變化時(shí),作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時(shí)發(fā)生突變;當(dāng)合外力為零時(shí),加速度同時(shí)為零,加速度與合外力保持一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。牛頓第二定律是一個(gè)瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的規(guī)律,表明了力的瞬間效應(yīng)。
?。?)相對(duì)性:自然界中存在著一種坐標(biāo)系,在這種坐標(biāo)系中,當(dāng)物體不受力時(shí)將保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài),這樣的坐標(biāo)系叫慣性參照系。地面和相對(duì)于地面靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體可以看作是慣性參照系,牛頓定律只在慣性參照系中才成立。
(5)獨(dú)立性:作用在物體上的各個(gè)力,都能各自獨(dú)立產(chǎn)生一個(gè)加速度,各個(gè)力產(chǎn)生的加速度的失量和等于合外力產(chǎn)生的加速度。
〖適用范圍〗
(1)只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體(與光速比速度較低)。
(3)參照系應(yīng)為慣性系。
【牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律】
〖內(nèi)容〗 兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力,在同一條直線上,大小相等,方向相反。
〖表達(dá)式〗 F=-F'
?。‵表示反作用力, 〖說明〗 要改變一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),必須有其它物體和它相互作用。物體之間的相互作用是通過力體現(xiàn)的。并且指出力的作用是相互的,有作用必有反作用力。它們是作用在同一條直線上,大小相等,方向相反。 〖注意〗 1. ?、倭Φ淖饔檬窍嗷サ摹M瑫r(shí)出現(xiàn),同時(shí)消失。 ?、谙嗷プ饔昧σ欢ㄊ窍嗤再|(zhì)的力 ③作用力和反作用力作用在兩個(gè)物體上,產(chǎn)生的作用不能相互抵消。 ?、茏饔昧σ部梢越凶龇醋饔昧Γ皇沁x擇的參照物不同 ?、葑饔昧头醋饔昧σ?yàn)樽饔命c(diǎn)不在同一個(gè)物體上,所以不能求合力 2.相互作用力和平衡力的區(qū)別 ?、傧嗷プ饔昧κ谴笮∠嗟取⒎较蛳喾?、作用在兩個(gè)物體上、且在同一直線上的力;兩個(gè)力的性質(zhì)是相同的。 ?、谄胶饬κ亲饔迷谕粋€(gè)物體上的兩個(gè)力,大小相同、方向相反,并且作用在同一直線上。兩上力的性質(zhì)可以是不同的。 ③相互平衡的兩個(gè)力可以單獨(dú)存在,但相互作用力同時(shí)存在,同時(shí)消失 例如:物體放在桌子上,對(duì)于物體所受重力與支持力,二者屬于平衡力,將物體拿走后支持力消失,而重力依然存在. 而物體在桌子上,物體所受的支持力與桌面所受的壓力,二者為一對(duì)作用力與反作用力.物體拿走后,二者都消失. [編輯本段] 萬有引力、磁石之間的磁力以及相互接觸物體之間的作用力,都是沿著相互作用的物體的連線方向,而且相互作用的物體的運(yùn)動(dòng)速度都在常速范圍內(nèi)。 在這種情況下,牛頓從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了第三定律。“每一個(gè)作用總是有一個(gè)相等的反作用和它相對(duì)抗;或者說,兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等,并且各自指向其對(duì)方。”作用力和反作用力等大、反向、共線,彼此作用于對(duì)方,并且同時(shí)產(chǎn)生,性質(zhì)相同,這些常常是我們講授這個(gè)定律要強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容。而且,在一定范圍內(nèi),牛頓第三定律與物體系的動(dòng)量守恒是密切相聯(lián)系的。 但是隨著人們對(duì)物體間的相互作用的認(rèn)識(shí)的發(fā)展,19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了電與磁之間的聯(lián)系,建立了電場(chǎng)、磁場(chǎng)的概念;除了靜止電荷之間有沿著連線方向相互作用的庫(kù)侖力外,發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)電荷還要受到磁場(chǎng)力即洛倫茲力的作用;運(yùn)動(dòng)電荷又將激發(fā)磁場(chǎng),因此兩個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷之間存在相互作用。在對(duì)電磁現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)上,麥克斯韋(1831-1879)在1855~1873年間完成了對(duì)電磁現(xiàn)象及其規(guī)律的大綜合、建立了系統(tǒng)的電磁理論,發(fā)現(xiàn)電磁作用是通過電磁場(chǎng)以有限的速度(光速c)來傳遞的,后來為電磁波的發(fā)現(xiàn)所證實(shí)。 物理學(xué)的深入發(fā)展,暴露出牛頓第三定律并不是對(duì)一切相互作用都是適用的。如果說靜止電荷之間的庫(kù)侖相互作用是沿著二電荷的連線方向,靜電作用可當(dāng)作以“無窮大速度”傳遞的超距作用,因而牛頓第三定律仍適用的話,那么,對(duì)于運(yùn)動(dòng)電荷之間的相互作用,牛頓第三定律就不適用了。如圖所示,運(yùn)動(dòng)電荷B通過激發(fā)的磁場(chǎng)作用于運(yùn)動(dòng)電荷A的力為 (并不沿AB的連線),而運(yùn)動(dòng)電荷A的磁場(chǎng)在此刻對(duì)B電荷卻無作用力(圖中未表示它們之間的庫(kù)侖力)。由此可見,作用力在此刻不存在反作用力,作用與反作用定律在這里失效了。 實(shí)驗(yàn)證明:對(duì)于以電磁場(chǎng)為媒介傳遞的近距作用,總存在著時(shí)間的推遲。對(duì)于存在推遲效應(yīng)的相互作用,牛頓第三定律顯然是不適用的。實(shí)際上,只有對(duì)于沿著二物連線方向的作用(稱為有心力),并可以不計(jì)這種作用傳遞時(shí)間(即可看做直接的超距作用)的場(chǎng)合中,牛頓第三定律才有效。 但是在牛頓力學(xué)體系中,與第三定律密切相關(guān)的動(dòng)量守恒定律,卻是一個(gè)普遍的自然規(guī)律。在有電磁相互作用參與的情況下,動(dòng)量的概念應(yīng)從實(shí)物的動(dòng)量擴(kuò)大到包含場(chǎng)的動(dòng)量;從實(shí)物粒子的機(jī)械動(dòng)量守恒擴(kuò)大為全部粒子和場(chǎng)的總動(dòng)量守恒,從而使動(dòng)量守恒定律成為普適的守恒定律。 【牛頓運(yùn)動(dòng)定律的創(chuàng)立過程】 約翰尼斯·開普勒在1609年發(fā)現(xiàn)行星沿橢圓形(而不是圓形)軌道圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。此后,科學(xué)家們便紛紛狂熱地試圖用數(shù)學(xué)方法解釋這些軌道。羅伯特·胡克和約翰·哈雷都曾做過嘗試,但他們兩個(gè)人用的數(shù)學(xué)方法都沒能奏效。 1642年艾薩克·牛頓出生于英國(guó)距離劍橋60英里的林肯郡。艾薩克是個(gè)難對(duì)付的孩子。在他出生前三個(gè)月父親就去世了,他不喜歡繼父,于是被送給外祖父母由他們撫養(yǎng)長(zhǎng)大。然而牛頓不喜歡任何人——他不喜歡母親,也不喜歡外祖父母,甚至連同母異父的弟弟和妹妹也不喜歡。他經(jīng)常威脅說要打這些親人,要把房子燒掉。在學(xué)校里,他經(jīng)常違反紀(jì)律,讓老師頭疼。 只有一個(gè)人——威廉·艾斯庫(kù)注意到牛頓的聰慧和潛能,他安排牛頓去三一學(xué)院(隸屬于劍橋大學(xué))學(xué)習(xí)。因?yàn)樘F支付不起昂貴的學(xué)費(fèi),牛頓就給其他學(xué)生當(dāng)傭人來掙錢支付食宿的費(fèi)用。他總是獨(dú)來獨(dú)往,神神秘秘,別人都說他經(jīng)常板著面孔,喜歡與人爭(zhēng)論。 1665年倫敦瘟疫爆發(fā),劍橋大學(xué)被迫關(guān)閉,于是牛頓回到妹妹在鄉(xiāng)下的莊園。莊園很閉塞,同時(shí)又缺少必要的數(shù)學(xué)工具描述不斷變化的力量和運(yùn)動(dòng)——而這些又是他感興趣的,因此他覺得十分沮喪。他決心弄清楚使物體運(yùn)動(dòng)(或靜止)的力量。 除了閱讀當(dāng)時(shí)比較新的開普勒和哈雷的專著之外,牛頓還研讀了伽利略和亞里士多德的著作。他搜集了早期希臘學(xué)者以來的研究結(jié)果和理論,這些理論都很零散,而且經(jīng)常相互矛盾。他仔細(xì)篩選這些材料并把它們重新提煉,找出其中的普遍真理和謬誤。牛頓非常善于從大量觀點(diǎn)中篩選出包含真理的少數(shù),他的這一才能讓人稱奇。 牛頓算不上是實(shí)驗(yàn)者,他喜歡思考問題,像愛因斯坦那樣在腦海里做實(shí)驗(yàn)。他會(huì)長(zhǎng)時(shí)間專注地想事情,直到得出他需要的答案。用他自己的話說,他會(huì)“把問題擺在面前,然后開始等待,一直等到出現(xiàn)第一縷曙光,接著漸漸變得清晰,最后豁然開朗”。 不久,一個(gè)問題開始困擾著牛頓:是什么力量導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)呢?他集中精力研究伽利略的自由落體定律和開普勒的行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律。他癡迷到了廢寢忘食的地步,身體幾乎處于崩潰的邊緣。 1666年初,牛頓創(chuàng)立了三大運(yùn)動(dòng)定律,這些定律為他發(fā)明微積分和發(fā)現(xiàn)地球引力創(chuàng)造了必不可少的條件。但直到20年后哈雷鼓勵(lì)牛頓寫《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》時(shí),牛頓才公布了他創(chuàng)立的三大定律。 1684年,讓·皮卡爾第一次精確地求出了地球的大小和質(zhì)量。有了這些必要的數(shù)字,牛頓就能證明:利用三大運(yùn)動(dòng)定律和他的重力方程式可以正確地計(jì)算出行星運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌道。即使有了確鑿的數(shù)學(xué)證據(jù),牛頓也只是在哈雷的請(qǐng)求和說服下于1687年發(fā)表了《自然哲學(xué)和數(shù)學(xué)原理》,發(fā)表這本書最主要的原因是羅伯特·胡克聲稱(錯(cuò)誤地聲稱),他自己已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律?!蹲匀徽軐W(xué)和數(shù)學(xué)原理》成為科學(xué)史上備受推崇和人們經(jīng)常使用的出版物。
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