基礎力學/牛頓運動定律

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牛頓第一運動定律[編輯]

物體到底為什麼運動[編輯]

直覺上,很容易認為,物體受到力的作用才會運動,但實際上到底是不是這樣呢?我們可以看一些生活中的實例。

從何說起呢,譬如說,你的桌面上有一把尺子,輕輕推動它,尺子會跟着你的手走,手停止用力,尺子呢,也停了下來,如此看來,這個看法還是有一定道理的。

不過,情況也可能不太一樣,比方說,一種幼稚的遊戲——彈尺子......不知道大家玩沒玩過,如果沒玩過......不妨在你的桌子上做一下這個實驗——用手指尖,用力一彈,結果,尺子,被彈了出去——就是這樣。

不過不知道你有沒有注意到一點,即,尺子被彈出後不再受到手的力的作用,但還能滑行一段距離——在這一段距離里,尺子的速度會逐漸減慢,最後,停下來。當然如果你的運氣好的話,可能可以碰掉別人的尺子;運氣不好,在你的尺子停止之前,你的尺子先掉到了地上。

說了這麼多,無非想說明一點:直覺上看,有些物體似乎在力撤去之後能持續運動一會兒。


所以呢?很遺憾,我提前告訴你,以上兩種結論,都是錯的,只靠樸素的觀察,還不能成為科學家,我們必須從實踐中抽象出事物的本質。

我們再來看,第二個實驗至少提醒了我們,也許速度並不需要依靠力去維持,桌面是粗糙的,如果換成冰面呢?

同樣的尺子,同樣的力度,在平滑的冰面上被彈出,常識告訴我們,它可以滑動很遠,很遠,才停下。

那我們能不能發揮一下思維的力量呢,看來平面的光滑與粗糙是一種性質,我現在就假想有一張特別,特別,特別光滑的桌子,在那上面,我玩彈尺子,那尺子——也許就不會停下來了吧?

所以,下面這一句違反直覺的話,請務必記住——事實上,他並不違反你的直覺,只是你已經習慣了不求甚解地感知這個世界。

力不是維持物體運動的原因,而是使物體運動狀態(即速度)發生改變的原因。

你一定會問,那麼,尺子為什麼會停下來?其實很顯然,是因為桌子不夠光滑——因此桌子對尺子也存在着力的作用。我們之前很容易誤認為只有人才能給與物體「力的作用,實際上並不是這樣」。

牛頓第一定律[編輯]

牛頓第一運動定律:在不受力或合外力為零的情況下,物體總保持靜止或勻速直線運動。

我們可以看出,說到底,物體之所以運動,並不是因為力的作用,而是因為它之前就在以這個速度運動,或者說,物體有保持自身速度不變的性質,我們稱之為慣性慣性只與物體的質量有關,質量越大,慣性也越大,與其他因素,例如物體的運動狀態,沒有任何關係。

對於靜止的物體,牛頓第一運動定律幾乎每天都在上演,桌上的任何東西都不可能長了腿,自己跑掉。可是,對於運動的物體,長久地不受到力的作用,或是和外力為零,卻是不可能的,因此,牛頓第一定律並不能嚴格通過實驗驗證,它是通過實驗現象加上合理推理的產物。

牛頓第二運動定律[編輯]

力的作用是什麼[編輯]

可以料想,如果只有牛頓第一運動定律的話,世界上的一切物體都將不停地作勻速直線運動——你不覺得無聊嗎?所以,物體的速度為什麼會改變呢?我們就要將神奇的「力」拿出來說事了。雖然說力並不能維持物體的速度,但力可以改變物體速度。怎麼改變呢?這種改變遵循什麼規律呢?

實驗表明,力能夠使物體產生加速度。並且呢,產生的加速度和力的大小成正比,和物體的質量成反比,因此,我們不妨設 ,由於在定律被提出的時代,沒有其他的公式可以算出k(或者說,力的度量還沒有被規定),因此,人們就規定k=1,這樣一來,公式被簡化為,力的單位就變成了,我們把它的單位簡化成一個字母N,中文叫牛頓,一個新的物理量就誕生了。

名稱:力。

類型:向量。

符號:

定義式:

國際單位:N(牛頓)。

牛頓第二運動定律[編輯]


牛頓第二運動定律:物體的加速度與物體所受的合外力成正比,並和物體的質量成反比。公式:

「合外力」這個詞之前似乎沒有解釋過,現在你可以將其簡單理解成為物體所受外力的和,不過這個「和」,也是需要按照向量的法則相加的——不就是注意正負號嗎?......現在的確是,過一會兒就不是了......這個稍後就會遇到。

一些簡單的例題[編輯]

所以呢,來看幾道簡單的例題吧。

例1:(都是一些直接套公式就可以解決的問題)

(1)質量的物體靜止在光滑水平面(至於為什麼是「光滑」,下一章會解釋)上,受到的力開始運動,請問後物體的速度是多少? 解:

又∵

∴3s後物體的速度為

牛頓第三運動定律[編輯]

作用力與反作用力