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高中物理/力與運動/牛顿运动定律

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牛顿第一运动定律编辑

物体到底为什么运动编辑

直觉上,很容易认为,物体受到力的作用才会运动,但实际上到底是不是这样呢?我们可以看一些生活中的实例。

从何说起呢,譬如说,你的桌面上有一把尺子,轻轻推动它,尺子会跟着你的手走,手停止用力,尺子呢,也停了下来,如此看来,这个看法还是有一定道理的。

不过,情况也可能不太一样,比方说,一种幼稚的游戏——弹尺子......不知道大家玩没玩过,如果没玩过......不妨在你的桌子上做一下这个实验——用手指尖,用力一弹,结果,尺子,被弹了出去——就是这样。

不过不知道你有没有注意到一点,即,尺子被弹出后不再受到手的力的作用,但还能滑行一段距离——在这一段距离里,尺子的速度会逐渐减慢,最后,停下来。当然如果你的运气好的话,可能可以碰掉别人的尺子;运气不好,在你的尺子的速度减至 (提醒一下,别忘了速度是矢量!)之前,你的尺子先掉到了地上。

本文并不是在讨论弹尺子!说了这么多,无非想说明一点:直觉上看,有些物体似乎在力撤去之后能持续运动一会儿。

所以呢?很遗憾,我提前告诉你,以上两种结论,都是错的,只靠朴素的观察,还不能成为科学家,我们必须从实践中抽象出事物的本质。

我们再来看,第二个实验至少提醒了我们,也许速度并不需要依靠力去维持,桌面是粗糙的,如果换成冰面呢?

同样的尺子,同样的力度,在平滑的冰面上被弹出,常识告诉我们,它可以滑动很远,很远,才停下。

那我们能不能发挥一下思维的力量呢,看来平面的光滑与粗糙是一种性质,我现在就假想有一张特别,特别,特别光滑的桌子,在那上面,我玩弹尺子,那尺子——也许就不会停下来了吧?

所以,下面这一句违反直觉的话,请务必记住——事实上,他并不违反你的直觉,只是你已经习惯了不求甚解地感知这个世界。

力不是维持物体运动的原因,而是使物体运动状态(即速度)发生改变的原因。

你一定会问,那么,尺子为什么会停下来?其实很显然,是因为桌子不够光滑——因此桌子对尺子也存在着力的作用。我们之前很容易误认为只有人才能给与物体“力的作用,实际上并不是这样”。

牛顿第一定律编辑

牛顿第一运动定律:在不受力或合外力为零的情况下,物体总保持静止或匀速直线运动。

我们可以看出,说到底,物体之所以运动,并不是因为力的作用,而是因为它之前就在以这个速度运动,或者说,物体有保持自身速度不变的性质,我们称之为惯性惯性只与物体的质量有关,质量越大,惯性也越大,与其他因素,例如物体的运动状态,没有任何关系。

对于静止的物体,牛顿第一运动定律几乎每天都在上演,桌上的任何东西都不可能长了腿,自己跑掉。可是,对于运动的物体,长久地不受到力的作用,或是合外力为零,却是不可能的,因此,牛顿第一定律并不能严格通过实验验证,它是通过实验现象加上合理推理的产物。

牛顿第二运动定律编辑

力的作用到底是什么编辑

可以料想,如果只有牛顿第一运动定律的话,世界上的一切物体都将不停地作匀速直线运动——你不觉得无聊吗?所以,物体的速度为什么会改变呢?我们就要将神奇的“力”拿出来说事了。虽然说力并不能维持物体的速度,但力可以改变物体速度。怎么改变呢?这种改变遵循什么规律呢?

实验表明,力能够使物体产生加速度。并且呢,产生的加速度和力的大小成正比,和物体的质量成反比,因此,我们不妨设  ,由于在定律被提出的时代,没有其他的公式可以算出k(或者说,力的度量还没有被规定),因此,人们就规定k=1,这样一来,公式被简化为 ,力的单位就变成了 ,我们把它的单位简化成一个字母N,中文叫牛顿,一个新的物理量就诞生了。

名称:力。

类型:矢量。

符号: 

定义式: 

国际单位:N(牛顿)。

牛顿第二运动定律编辑


牛顿第二运动定律:在牛顿第一定律成立的参考系中,物体的加速度与物体所受的合外力成正比,并和物体的质量成反比。公式: 

“合外力”这个词之前似乎没有解释过,现在你可以将其简单理解成为物体所受外力的和,不过这个“和”,也是需要按照矢量的法则相加的——不就是注意正负号吗?......现在的确是,过一会儿就不是了......这个稍后就会遇到。

一些简单的例题编辑

所以呢,来看几道简单的例题吧。

例1:(都是一些直接套公式就可以解决的问题)

(1)质量m=5kg的物体静止在光滑水平面(至于为什么是“光滑”,下一章会解释)上,受到F=5N的力开始运动,请问t=3s后物体的速度是多少? 解:

 

又∵ 

 

∴3s后物体的速度为 

牛顿第三运动定律编辑

稍后我们会接触许许多多不同种类的作用力,他们产生的原因各不相同——然而,他们之间却有一个共同点。

考虑你和朋友面对面站在滑冰场上,现在你用手推他一下,很显然,你的朋友受到力的作用向后运动(当然,严格地说,力先使人产生了加速度,加速度使人产生了速度)。然而,与此同时,你应该明显地感觉到,自己也往后退了——这是因为与此同时,你自身也受到了一个大小相等、方向相反的作用力——这就是牛顿第三运动定律的一个简单实例。不过最好还是不要在滑冰的时候想着牛顿的运动定律,免得让自己摔跤......

牛顿第三运动定律:两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。

在生活中有许多的例子,比如当你推箱子的时候,你给箱子一个作用力的同时箱子也会给你一个作用力,骑自行车时当车轮给地面一个作用力时,地面同时给车一个作用力,利用这个反作用力,车就可以向前行驶了。而这两个力是同时出现,同时消失的,不可以单独存在,一定是同一种性质的力。

利用牛顿第三运动定律可以编出一些让人晕头转向的问题,譬如说下面这算是一个经典问题了:

根据牛顿第三运动定律,马拉车,车也在拉马。既然如此,车为什么会往前走呢?

解释很简单:因为车受到的马的拉力大于等于其所受到的滑动摩擦力(简单说,任何“贴着”别的物体运动的物体都会受到这种力,详细内容稍后介绍),所以车能往前走儿不会减速并停下来。因此说,明确物理问题中的研究对象很重要

另外,持有这种观点的人混淆了相互作用力与平衡力的区别。如果说同一个物体受到了大小相等,方向相反,作用在同一条直线上的作用力,根据牛顿第二运动定律,它的结局将是始终做匀速直线运动或静止——这时这两个力被称为平衡力。然而,相互作用力说的是两个物体分别受到来自对方的大小相等,方向相反,作用在同一条直线上的作用力——任何作用力都满足这种条件,但显然许多物体都不出在平衡状态。在受力分析一章中,我们还会进一步讨论这些问题。