牛顿第一定律
牛顿第一定律:任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止 。
牛顿第一定律也叫惯性定律,它告诉我们运动并不需要力来维持 。如果物体受到的合外力为0 , 那它之前是什么速度,之后就依然是什么速度 。
为什么它还有一个名字叫惯性定律呢?惯性在英文里跟惰性是同义词(Inertia),就是懒的意思 。所以 , 惯性定律就是说所有的物体都很懒,像懒猪一样,都不愿意主动改变自己的运动状态 。
如果我现在没动,那就一直不动,除非你用力推我;如果我现在有一个速度,那就一直以这个速度前进,除非有力拦着我 。
喜欢科幻电影的朋友肯定对这个画面不陌生:一个宇航员在外太空不小心弄断了连接飞船的绳子,然后大家就只能眼睁睁地看着这个宇航员以一定速度飘向太空深处 。因为太空中没有其他外力拦住他,所以他就只能遵守惯性定律懒下去,一直以同一速度飘走(虽然他是如此地不愿意) 。
这也说明:没有力,宇航员照样可以运动,力的确不是维持物体运动的原因 。那么 , 力的作用到底是什么呢?伽利略在后半句里说了:力是改变物体运动状态的原因 。也就是说,虽然运动本身不需要力来维持,但是,如果想改变运动状态,比如宇航员不想飘向太空深处 , 想回到飞船,这就需要一个外力来拉一把 。
好,知道力可以改变物体的运动状态之后,我给你一定的力,你的速度能改变多少呢?想要把这个账定量地算清楚 , 我们就需要牛顿第二定律 。
牛顿第二定律
怎么算呢?
首先,既然力可以改变物体的速度,那首先就得找一个物理量来描述物体速度的变化 。比如,汽车现在的速度是2m/s,1s后变成了4m/s,那它的速度就在1s之内变化了(4–2)m/s=2m/s 。
为什么汽车的速度会变化呢?当然是发动机的牵引力让汽车的速度发生了改变,换成马车就是马的拉力让车的速度改变了 。既然速度发生了改变,那肯定就有什么力作用在它身上 。
那么 , 力的大小跟速度的变化有什么关系呢?是力越大,速度的变化就越大吗?乍一看好像没问题 。用两匹马拉车 , 1s内可以让马车加速2m/s;如果有四匹马拉车,或许1s内就能让马车加速4m/s 。但是 , 就算只有一匹马,如果时间给够,比如60s,那马车完全有可能增加更多的速度 。所以,光比速度的变化量是不公平的 , 还要限定时间:在一定的时间内(比如1s)让物体的速度变化越大(也就是速度变化得越快),才能说明受到的力越大 。
因此,有理由相信:合外力越大,物体的速度变化得越快 。而单位时间内物体速度的变化量,正是加速度的定义 。也就是说,我们用加速度这个物理量来描述物体速度变化快慢的程度 。如果物体的速度不变,那它的加速度等于0;如果物体的速度在1s内从2m/s增加到了4m/s,那它的加速度就是2m/s;如果物体的速度在2s内从1m/s增加到了7m/s,那么它的加速度就应该是:
好,现在我们知道了:物体受到的合外力越大 , 那它的速度就变化得越快,加速度越大 。
那么 , 还有其他影响加速度的因素吗?同样是一匹马,一个拉自行车,一个拉大卡车 , 你觉得它们的加速度会一样吗?很显然,物体的加速度不仅跟合外力有关,还跟质量有关:质量越大 , 同等合外力下获得的加速度越小,反之越大 。有了这样的铺垫,牛顿第二定律就呼之欲出了 。牛顿第二定律:物体的加速度a跟物体受到的合外力F成正比 , 跟物体的质量m成反比,写成公式就是F=ma 。于是 , 我们就引出了牛顿力学里最重要的一个公式,整个高中物理都可以说是在学习F=ma在各种情况下的应用 。
牛顿第二定律也让我们有了一个全新的视角来审视质量这个概念 。惯性定律不是说万物都很懒吗?没有外力推动,一个个都不愿改变自己的运动状态 。但是,虽然大家都很懒,可懒也分三六九等 。有的物体是轻微的懒 , 轻轻一推就改变了运动状态;有的是极度的懒,用八抬大轿都抬不动 。
那么,如何判断一个物体是一点点懒,还是非常懒呢?答:根据质量 。因为牛顿第二定律告诉我们,一个物体的质量越大 , 同等外力下产生的加速度就越小,即运动状态变化得越慢,这不就是更懒的意思吗?所以 , 质量就成了一个衡量物体运动状态改变难易程度的物理量 。质量越大,越胖,就越不想动,想想好像真的很有道理 。
从这个角度,大家再来感受一下牛顿第二定律F=ma:外力(F)想改变物体的运动状态(a),但质量(m)越大,物体越懒,越坚持自我 , 越难被外力(F)所改变 。所以,内心越强大,就越难被外界的诱惑所改变;质量越巨大,就越难被外力的驱动所改变 。
牛顿第三定律
【牛顿第一定律实验方法视频 牛顿第一定律实验方法】牛顿第三定律:相互作用的两个物体作用力和反作用力大小相等,方向相反(牛顿的原话是每一个作用都有一个相等的反作用,并没有提到力 。但因为我们在讨论牛顿力学 , 所以教材里就直接用作用力和反作用力来表述,方便理解) 。这很好理解,比如我用力推一下墙 , 就会感觉墙也用力推了一下我,这两个力大小相等,方向相反 。