牛顿运动定律及其在自然科学基础中的重要性

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：牛顿第一定律还指出，由于任何物体都具有惯性，要使物体的运动状态发生变化就必须有外力作用。牛顿第一定律是大量观察与实验事实的抽象与概括。这一事实使我们相信牛顿第一定律是正确的，是客观事实的概括和总结。牛顿第一定律定义了惯性系。而牛顿第一定律不成立的参照系称为非惯性系。这就是牛顿第三定律，又叫作用力和反作用力定律。牛顿第三定律实际上是关于力的性质的定律。

1687年，牛顿在开普勒、伽利略等人研究的基础上，总结了力学的研究成果，发表了他的代表作《自然哲学的数学原理》，这部伟大著作的出版标志着经典力学（也叫牛顿力学）体系的建立。在书中，他提出了力学的三大定律和万有引力定律，对宏观物体的运动规律做出了正确的描述。该书把地球上物体的运动和太阳系内行星的运动统一在相同的物理定律之中，这是物理学史上第一次大综合，也是牛顿创造性研究的结晶，是整个经典力学的基础。下面我们就对这三个定律逐一介绍。

（一）牛顿第一定律

牛顿继承并发展了伽利略关于物体在无加速或减速因素作用时将保持其运动速度的观点，并给出了如下的描述：任何物体都将保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止，这就是牛顿第一定律（Newton first law）。下面我们对牛顿第一定律作以下几点说明：

（1）牛顿第一定律表明，任何物体都具有保持其运动状态不变的性质，我们把这个性质叫作惯性（Inertia）。因此，牛顿第一定律常常被称为惯性定律（Law of inertia）。惯性是物体本身的固有属性，在经典物理范围内，惯性的大小与物体是否运动无关。

（2）牛顿第一定律还指出，由于任何物体都具有惯性，要使物体的运动状态发生变化就必须有外力作用。因此，该定律给出了力的概念，力就是物体与物体之间的相互作用。

（3）牛顿第一定律是大量观察与实验事实的抽象与概括。它无法用实验来证明，因为完全不受其他物体作用的孤立物体是不存在的。力的作用规律表明，物体间相互作用力的大小都随着物体间距离的增加而减小，那么远离其他所有物体的该物体就可以看作是孤立物体，那么该物体的运动状态的确就非常接近匀速直线运动状态，如远离星体的彗星的运动。这一事实使我们相信牛顿第一定律是正确的，是客观事实的概括和总结。

（4）牛顿第一定律定义了惯性系。我们把牛顿第一定律在其中严格成立的参照系称为惯性系（Inertial system）。而牛顿第一定律不成立的参照系称为非惯性系。在一般精度范围内，地球可看作是惯性系。

我们把物体保持原来静止或匀速直线运动状态的性质叫作惯性。这是物体本身的一种固有性质，任何物体都具有惯性，它的大小跟质量有关。惯性的大小在实际生活和工作中是经常要考虑的。当我们要求物体的运动状态容易改变时，应尽可能地减小物体的质量。例如，歼击机的动作要十分灵敏，它的质量应可能地小。为了减小它的惯性，战斗前还要抛掉副油箱。当我们要求物体的运动状态不易改变时，应该尽可能地增大物体的质量。例如，工厂的机床都固定在很大的机座上，就是为了增大它的惯性，以防止因受力而发生移动或明显的振动。

（二）牛顿第二定律

从牛顿第一定律知道，力不是物体运动的原因，要改变物体的运动状态就必须对它施加力的作用。例如，要使汽车从静止开始运动，必须启动发动机提供牵引力，牵引力越大，汽车速度变化越大。而要使汽车从运动到静止，必须脚踩车闸并依靠路面阻力使它停下来。由此可见，力可以使物体的速度发生变化。即力是使物体产生加速度的原因。

用同样大小的力推两辆质量不同的车，比如一辆空车和一辆装着货物的重车，空车得到的加速度较大，重车得到的加速度较小，这说明物体的加速度与物体的质量有关。如果用大小不相等的力，分别推同一辆车，车运动的速度变化程度也不同。作用力大，车的速度增加得快，则产生的加速度大；作用力小，车的速度增加得慢，则产生的加速度就小。可见，物体的加速度与作用在它上面的力的大小有关。那么，物体产生的加速度a与物体的质量m及物体受外力F三个物理量之间存在着什么样的关系呢？

牛顿通过精确的实验测量得知：物体加速度a的大小跟所受的外力F成正比，跟物体的质量m成反比，加速度的方向跟所受外力的方向相同。这就是牛顿第二定律，其数学表达式为：

F=ma

当物体受到几个力的同时作用时，上式中的F应是物体所受外力的合力。如果合外力等于零，则物体的加速度也等于零，这时物体将保持静止或匀速直线运动状态。

如果用相同的外力作用在质量不同的物体上，质量大的物体得到的加速度小，它的运动状态改变得小，它保持原来运动状态的能力强，说明它的惯性大；质量小的物体，得到的加速度大，它的运动状态容易改变，即它的惯性小，所以，质量是物体惯性大小的度量。

加速度和力都是矢量，它们既有大小又有方向。牛顿第二定律不但确定了加速度与力大小之间的关系，而且也确定了它们的方向关系，即加速度的方向与合外力的方向相同。

如果用G表示物体的重量，用m表示物体的质量，用g表示重力加速度，根据牛顿第二定律，我们可以得到质量与重量的关系式：

G=mg

可见，质量和重量是密切相关的，但它们是完全不同的两个物理量。质量是表示物体所含物质的多少，是物体惯性大小的量度，质量是标量。重量是地球对物体的吸引而使物体受到的力，是矢量。

在地球上相同地区，物体的重力加速度都相同。设有两个质量分别是m1和m2的物体，它们的重量分别为G1=m1g和G2=m2g，由上式可得

G1/G2=m1/m2

上式说明，在地球上的同一个地方，物体的重量和它们的质量成正比。如果两个物体重量相等，它们的质量也相等，等臂天平就是利用这个原理称出物体的质量。

（三）牛顿第三定律