牛顿与他的三定律

       牛顿在《自然哲学的数学原理》里发表了他的三定律:惯性定律、加速度定律、作用与反作用力定律,并对这些定律能支配普通物体和天体的运动做了示范,这在科学史上是一个激动人心的时刻。因为在此之前,像行星之类的物体运动是个谜,但在牛顿之后,一切都了如指掌了。

        1、牛顿第一定律

        长期以来,人类研究物体运动规律都依据生活经验:要使一个物体运动,必须推它或者拉它。因此,亚里士多德得出结论:必须有力作用在物体上,物体才能运动;没有力作用,物体就要静止在一个地方。这个错误的结论维持了近两千年,直到三百多年前,大神伽利略设计了斜面小球实验,并用想象力告诉世人:具有某一速度的物体若不受外力,将以这一速度匀速直线运动下去。同一时代的法国科学家笛卡尔对伽利略的这一观点进行了加持。

        伽利略和笛卡尔的正确结论在隔了一代人以后,由牛顿总结成为动力学的一条基本定律:一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态,除外作用在它上面的力迫使它改变这种状态。这也就是我们熟知的惯性定律。

        质量是惯性的唯一度量。我们推一个轻的物体,它很容易运动;同样的力气推另一个很重的物体,它的运动就会慢得多。这里的轻、重,我们应当理解为质量较小、质量较大。

        2、牛顿第二定律(简称牛二)

        物体不受力将保持原状态。牛顿提供了一种具体方法,告诉我们受力后物体运动状态如何变化。牛顿先定义了动量:动量是运动的度量,可由速度与质量的乘积求出。动量对时间的变化率正比于力,数学上的陈述:F=\frac{d(mv)}{dt} =m\frac{dv}{dt} 。隐含的假设是质量不随时间变化,即质量是常数。

        ①这条定律包含的内容不仅有速度在数值上的变化,还有在方向上的变化。也就是说速度的变化率,即加速度,有着比我们日常用语更广泛的含义:运动物体的速度既可以通过加快或减慢(减慢是以负的加速度运动)来变化,也可以通过改变它的运动方向来变化。

        ②牛二在动力学中如何起作用呢?因为有力,会产生加速度,速度改变,从而位置改变。在新的位置有新的力产生加新的加速度,如此往复。取时间间隔无限小,速度、位置将连续变化。

        ③牛二通过质量与加速度定义了力。但什么是力?牛顿没有探索,仅给出一个示例:万有引力。

        3、牛顿第三定律

        第三定律在某种程度上描述了力,它指出:作用等于反作用。比如两个粒子,第一个粒子对第二个施加一个力,那么第二粒子会以等大反向的力推第一个粒子;而且这些力在一条直线上。

       牛顿将纷繁复杂的世界浓缩为三定律,后人在三定律的基础上逐步发展并形成经典力学体系。经典力学正确地反映了弱引力情况下、低速宏观物体运动的客观规律,使人类对物质运动的认识大大地向前跨进了一步。

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