高中物理学习系列之四:学习掌握牛顿力学的三大运动定律

牛顿,英国著名物理学家,被誉为“近代物理学之父”。1687年,牛顿在发表的论文《自然定律》中对万有引力和三大运动定律进行了描述,从此奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为现代工程学的基础。

前文中讲到伽利略创立了现代科学,牛顿则在伽利略自然科学的基础上,建立了一整套描述物体运动的理论,即:牛顿力学三大运动定律,也是高中物理的核心内容。

定律是科学家通过各种实验,从实验现象里总结出来的规律,它的正确性由实验保证,无法通过数学公式“推导”或者“证明”出来。

而那些能够被“推导”或者“证明”出来的东西叫定理。是数学家通过预设的一些最基本的公理,比如:欧式几何的五条几何公理;然后从这些公理出发,通过逻辑演绎证明出各种定理,构建起一座坚固的数学大厦。

因为数学不用对现实世界负责,所以公理的选择具有很大的任意性。可以选这几条作为公理,推出一套数学体系;也可以选那几条作为公理,推出另一套数学体系。只要体系内部不自相矛盾,两者都可以。

但物理学是要对现实世界负责,所以根基不能随便选。它一定要符合实验,符合从自然界观测的结果,而定律就是从各种实验现象里总结出来的规律。

还有一些物理学家以原理为根基建立了理论体系,比如:爱因斯坦的相对论。原理并不是从某个具体实验总结出来的,而是从大量物理规律中总结出来的一些普遍成立的东西。这些原理对物理定律的形式有非常严格的限制,成了“管定律的定律”。

有了上面的认知,可以了解牛顿的三大运动定律是牛顿力学的根基,决定了牛顿力学的基本骨架。

牛顿第一定律讲的是:物体在不受力,或者受到的合外力为零时,它将保持静止或者匀速直线运动,即:物体速度的大小和方向都不变。也就是说“运动并不需要力来维持”。如果物体受到的合外力为零,那它之前是什么速度,后面就依然是什么速度。

这一条也叫惯性定律,惯性在英文里跟惰性是同义词,就是懒的意思。惯性定律就是说所有的物体都很“懒”,都不愿意主动改变自己的运动状态。

那么力的作用到底是什么?虽然运动本身不需要力来维持,但如果想改变运动状态,就需要一个外力来推动它。到此明了:力可以改变物体运动状态。

怎么算呢?既然力可以改变物体的速度,首先就得找一个物理量来描述物体速度的变化。比如:汽车现在的速度是2m/s,1秒后变成了4m/s,那它的速度就在1秒钟之内变化了4-2=2m/s。

为什么汽车的速度会变化?因为发动机的牵引力让汽车的速度发生了改变。既然速度发生了改变,那一定是有某些力作用在它身上。力的大小跟速度的变化有什么关系呢?是力越大,速度的变化就越大么?

假设用两匹马拉车,1秒内可以让马车加速2m/s;如果有四匹马,或许1秒内就能让马车加速4m/s。但是,就算只有一匹马,如果时间给的足够,比如:60秒,那马车完全有可能增加更多的速度。

所以,只比速度的变化量是不合理的,还要限定时间,即:在一定的时间内让物体的速度变化越大,才能说明受到的力越大。也就是:合外力越大,物体的速度变化得越快。

而单位时间内物体速度的变化量,正是加速度的定义。也就是说,加速度这个物理量是描述物体速度变化快慢的程度。如果物体的速度不变,那它的加速度等于0;如果物体的速度在1秒内从2m/s增加到了4m/s,那它的加速度就是2m/s;如果物体的速度在2秒内从1m/s增加到了7m/s,那么它的加速度就应该是(7-1)/2=3m/s。

还有其它影响加速度的因素没?比如:同样是一匹马,一个拉自行车,一个拉大卡车,它们的加速度显然不一样,这说明:物体的加速度不仅跟合外力有关,还跟质量有关。质量越大,同等拉力下获得的加速度越小,反之越大。

至此,牛顿第二定律:物体的加速度a跟物体受到的合外力F成正比,跟物体的质量m成反比,公式F=ma。这也是牛顿力学里最重要的一个公式,整个高中物理可以说都是在学习该公式在各种情况下的应用。

同时,牛顿第二定律也给出了一个全新的视角来审视“质量”这个概念。惯性定律说“万物都很懒”,没有外力推,一个个都打死不改变自己的运动状态。虽然大家都很“懒”,但是“懒”也分三六九等。有的物体是轻微的懒,轻轻一碰就改变了运动状态;有的是极品的懒,用八抬大轿都抬不动。

如何判断一个物体到底有多懒呢?牛顿第二定律告诉我们,一个物体的质量越大,同等外力下产生的加速度就越小,即:运动状态变化得越慢,这就是更懒的意思。所以,质量是一个衡量物体运动状态改变难易程度的物理量。

从这个角度来看:外力(F)想改变物体的运动状态(a),但质量(m)越大,物体越懒,越坚持自我,越难被外力(F)所改变。

牛顿第三定律相对简单,其原话是“每一个作用都有一个相等的反作用”,描述中并没有提到“力”,所以教材里更为作用力和反作用力来表述,方便理解。即:相互作用的两个物体作用力和反作用力大小相等,方向相反。

如:用力推下墙,就会感觉墙也用力推了一下自己,这两个力大小相等,方向相反。

理解了牛顿的三大运动定律,就理解了牛顿力学的根基。下文将分析万物的运动情况。

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