一口气带你搞懂牛顿三大定律!

2024-09-30 13:17:07

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。

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: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。

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