高中物理/力与运动/牛顿运动定律

牛顿第一运动定律

物体到底为什么运动

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${\vec {0}}$（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

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

力的作用到底是什么

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${\vec {a}}=k{\frac {\vec {F}}{m}}$ ,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${\vec {a}}={\frac {\vec {F}}{m}}$，力的单位就变成了$\mathrm {kg} \cdot \mathrm {m} /\mathrm {s} ^{2}$，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：${\vec {F}}$。

定义式：${\overrightarrow {F}}=m{\overrightarrow {a}}$。

国际单位：N（牛顿）。

牛顿第二运动定律

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：${\vec {a}}={\frac {\vec {F}}{m}}$

“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

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：

$a={\frac {F}{m}}={\frac {5\mathrm {N} }{5\mathrm {kg} }}=1\mathrm {m/s} ^{2}$

又∵$v_{0}=0$

∴$v_{t}=at=3\mathrm {m/s}$

∴3s后物体的速度为$3\mathrm {m/s}$

牛顿第三运动定律

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。