1、牛頓第一定律:
牛頓第一定律奠定了整個牛頓力學的基礎(chǔ),它定義了兩個概念——慣性和力,指出了慣性和力怎樣影響著物體的運動:
慣性是一切物體都具有的一種本性——抵抗速度改變的性質(zhì);力是改變物體速度的原因——即產(chǎn)生加速度的原因;
物體不受力時,由于慣性,物體的自然運動是速度不變的運動——勻速直線運動(或者保持靜止);物體受力時,物體的速度就要變化,不過,此時慣性仍然有表現(xiàn)——它抵抗速度的改變,使得物體的速度只能漸變,不能突變。
注意:不受力,不包括所受合力為零的情況,具體解釋見牛頓第二定律。
2、牛頓第二定律
牛頓第一定律定義了慣性和力的概念,定性指出了慣性和力對物體速度的影響;牛頓第二定律在此基礎(chǔ)上進一步定量的定義了慣性的大小和力的大小,定量的指出了慣性大小和力的大小對物體運動(具體化為加速度)的影響。
慣性大小——慣性質(zhì)量的定義,是牛頓第二定律給出的,這是大多數(shù)中學老師所不知道的;大學教材中慣性質(zhì)量的操作定義是這樣的——兩個孤立物體相互作用,經(jīng)過一段時間,兩個物體的速度該變量分別為Δv1和Δv2,則兩個物體的慣性質(zhì)量大小之比就是m1/m2=Δv2/Δv1,即m1/m2=(Δv2/Δt)/(Δv1/Δt),即m1/m2=a1/a2。具體請參見大學教材“動量守恒”一章。
力的大小,是在慣性質(zhì)量大小定義的基礎(chǔ)上,由F=ma來定義的,即力是由加速度來定義的。從力的定義可以看出來,牛頓第二定律首先是一個定義式;但是牛頓第二定律之所以稱之為定律,是因為實驗發(fā)現(xiàn),不僅僅對標準物體,a∝F,而且對任何物體,也有a∝F——此處的F的大小是用標準物體來定義的。
牛頓第二定律a=F/m。這個表達式是和牛頓第一定律協(xié)調(diào)的,當F=0時,a=0,即物體由于慣性做勻速直線運動,當F≠0時,由于任何物體的質(zhì)量都不為零,因此物體加速度并不是無窮大,有運動學知識可知,物體的速度就只能隨著時間逐漸變化,而不能突變。中學階段的題目常常涉及到輕質(zhì)物體,其質(zhì)量忽略不計,因此它們的速度是可以突變的。
當物體收到了力卻做勻速直線運動或保持靜止時,即受了力加速度卻為0,由牛頓第二定律,可知物體所受合力為0。顯然物體所受合力大小為0,實際上是由加速度為0定義出來的,因此,物體所受合力為零,是牛頓第二定律的結(jié)果,而非牛頓第一定律的內(nèi)容。牛頓第一定律中的自然運動,是嚴格不受力時的情況。
三、牛頓第三定律
牛頓第一定律和第二定律定義了力的概念和計算測量方法,但是并沒有指出力的來源和性質(zhì)。力可以由引力質(zhì)量產(chǎn)生,可以由物體形變產(chǎn)生,可以由接觸物體之間的相對運動產(chǎn)生…這些力具有些什么特性?這是牛頓第一、二定律所不能完全解決的問題。
力的特性,是矢量性、獨立性和相互性,其中矢量性和獨立性(力的獨立作用原理)已經(jīng)由牛頓第二定律解決;力的相互性,則用牛頓第三定律確定了下來——當然,牛頓第三定律不僅僅指出了力是相互的,而且指出了作用力與反作用力的大小關(guān)系和方向關(guān)系,這就確保了動量守恒、能量守恒、角動量守恒等守恒定律的成立。
牛頓第三定律是確定力的性質(zhì)的定律,是獨立于第一、第二定律之外的,又是對第一、第二定律的重要補充——它使動力學的研究對象不限于單個質(zhì)點,而且還能夠用于多個質(zhì)點或者不能視為質(zhì)點的物體……它指出了自然界物體運動是相互聯(lián)系在一起的,而不是彼此孤立的……
四、牛頓定律在牛頓力學中的地位
牛頓力學是一套完備的動力學理論體系,其最初建立,是參考了歐幾里得幾何學的;歐氏幾何是一個完備的公理體系,基于幾條基本假設(shè)——公理,借助一些定義和邏輯演繹的力量,即可導出一系列定理、推論……牛頓力學的三條公理就是牛頓三大定律。如果有興趣,去讀一讀《自然哲學的數(shù)學原理》,你會看到明顯的歐氏幾何的寫作風格。
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