什么是牛顿的运动定律?

作者&投稿:召浩 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
牛顿运动定律是什么内容啊?~

牛顿运动定律(Newton's laws of motion)是由伊萨克·牛顿(Sir Isaac Newton)总结于17世纪并发表于《自然哲学的数学原理》的牛顿第一运动定律(Newton's first law of motion)即惯性定律(law of inertia)、牛顿第二运动定律(Newton's second law of motion)和牛顿第三运动定律(Newton's third law of motion)三大经典力学基本运动定律的总称
牛顿第一定律(惯性定律)
内容
  表述一:任何一个物体在不受外力或平衡力的作用时(Fnet=0),总是保持静止状态或匀速直线运动状态,直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。   表述二:当质点该距离其他质点足够远时,这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态。   即:质量是惯性大小的量度。   惯性大小只与质量有关,与速度和接触面的粗糙程度无关。   质量越大,克服惯性做功越大;质量越小,克服惯性做功越小。
第二定律内容
  物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。   公式;   F合=ma (单位:N(牛)或者千克米每二次方秒)   牛顿发表的原始公式:F=d(mv)/dt(见 自然哲学之数学原理)   动量为p的物体,在合外力为F的作用下,其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力。   用通俗一点的话来说,就是以t为自变量,p为因变量的函数的导数,就是该点所受的合外力。   即: F=dp/dt=d(mv)/dt (d不是der塔(△),而是微分的意思。但是在中学学习的一般问题中,两者可以不做区别)   而当物体低速运动,速度远低于光速时,物体的质量为不依赖于速度的常量,所以有   F=m(dv/dt)=ma   这也叫动量定理。在相对论中F=ma是不成立的,因为质量随速度改变,而F=d(mv)/dt依然使用。   由实验可得在加速度一定的情况下F∝m,在质量一定的情况下F∝a   (只有当F以N,m以kg,a以m/s^2为单位时,F合=ma 成立)   
牛顿第三运动定律
内容
  两个物体之间的作用力和反作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反。(详见牛顿第三运动定律)
表达式
  F=-F'    第三定律
(F表示作用力,F'表示反作用力,负号表示反作用力F'与作用力F的方向相反)
说明
  要改变一个物体的运动状态,必须有其它物体和它相互作用。物体之间的相互作用是通过力体现的。并且指出力的作用是相互的,有作用力必有反作用力。它们是作用在同一条直线上,大小相等,方向相反。
注意
  1.   ①力的作用是相互的。同时出现,同时消失。   ②相互作用力一定是相同性质的力   ③作用力和反作用力作用在两个物体上,产生的作用不能相互抵消。   ④作用力也可以叫做反作用力,只是选择的参照物不同   ⑤作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上,所以不能求合力   2.相互作用力和平衡力的区别   ①相互作用力是大小相等、方向相反、作用在两个物体上、且在同一直线上的力;两个力的性质是相同的。   ②平衡力是作用在同一个物体上的两个力,大小相同、方向相反,并且作用在同一直线上。两个力的性质可以是不同的。   ③相互平衡的两个力可以单独存在,但相互作用力同时存在,同时消失   例如:物体放在桌子上,对于物体所受重力与支持力,二者属于平衡力,将物体拿走后支持力消失,而重力依然存在.   而物体在桌子上,物体所受的支持力与桌面所受的压力,二者为一对作用力与反作用力.物体拿走后,二者都消失.

相互作用的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。牛顿第三运动定律和第一、第二定律共同组成了牛顿运动定律,阐述了经典力学中基本的运动规律。

一、一切物体在不受任何外力作用的情况下总保持静止或匀速直线运动的状态。

该定律的意思是,在没有外力对物体进行作用时,任何物体的运动速度和方向都不会发生变化。就像放在木板上的球,如果没有人碰它的话,球会一直待在木板上,静止不动。而被人推了一下之后,球会运动起来直到有什么东西(比如与木板间的摩擦或是空气阻力等)让它停下来。引力也是一种力,所以只是使一块平放着的木板发生倾斜,并不直接碰触木板上的球,那么球也会在引力的作用下滚落在地。

二、物体的质量(m)、物体的加速度(a)以及对其所施加的力(F)三者之间的关系是F=ma。

该定律的意思是说,物体上的作用力越大,物体运动的速度就越快。而同样的力作用于质量较重的物体时,其运动速度会小于质量较轻的物体。所以在荡秋千时,如果父母推秋千的话,孩子会荡得很远,而如果孩子推秋千则并不会让父母荡得很高。

三、每一个作用总是有一个相等的反作用力与它相对抗。

我们再思考一下推秋千的动作。如果哥哥推一下弟弟的话,弟弟会向哥哥的作用力方向运动。而假如弟弟站在冰面上推哥哥一下的话,那么哥哥向一个方向移动的同时弟弟也会向后滑一下,这就是牛顿所说的力与反作用力。

再看一下喷气式飞机和火箭上天的例子。如果火箭的尾气从火箭向地面排出的话,火箭会向反方向,也就是天空运动。这就好比一个人从滑板上摔下来时,人往前摔而滑板往后走一样。只不过因为太空中的情况比较特别(没有大气层),所以火箭的运行是和喷气式飞机不一样的。现在我们用牛顿的运动定律来阐明一下行星的运行。

根据第一条定律,行星应该做匀速直线运动,除非有外力作用于它。但既然行星的实际运行方式是沿轨道做绕行,并且速度时快时慢,这显然是有外力对其施加影响。那么这个让行星沿椭圆轨道运行的力到底是什么呢?

根据第二条定律,作用于行星的力的大小取决于行星在太阳系中的位置。也就是说行星运动的快慢及轨道形状等都是在这个力的作用下产生的。比如运行距离短的行星的轨道弯度会大于运行距离长的行星的轨道。这就说明内太阳系的力大于外太阳系的力。但是为什么会这样?这个力又大多少呢?

根据第三条定律,如果有外力使行星改变了运行路线,那么这个行星也必然会施力产生反作用力。谁对该行星产生了引力作用,该行星也会对它产生同样的引力作用。那么这对于运行着的整个太阳系又意味着什么呢?

对于上述这些问题,有的科学家已经给出了答案。人们已经知道作用于行星的力是引力,引力使行星的运行轨道从直线变成了椭圆。我们在地球上也看见过这样的情形。人在把球向前方抛出时,球最初走的是直线,之后画出曲线,最后落在地上。曲线的形成就是引力作用的结果。所有抛向空中的物体都会沿着抛物线运动。而太阳给行星施加引力,会使其运行方式从直线变为曲线。

牛顿的大炮实验说明只要速度够快,那么物体就会落入地球轨道,如果速度更快的话,物体还会脱离地球引力控制。

然而,为什么球会快速落地,而行星、卫星或是人造卫星却周而复始地绕行呢?这其中当然还有别的秘密,但这也不是什么大秘密。当我们投球的速度越来越快时,球出去的距离也就越来越远。假如球能飞得更远的话,它就会发现地面在它下面已经变成了一条弧线。假如一个人有威力无比的怪力,他用力抛出的球就会绕地球飞上好几圈之后再落下来。球飞行的速度越快,它越会绕着地球转,高度不断下降直至落在地上。

在地球引力的作用下,球从最初的直线飞行变成了曲线飞行,这就是球的飞行轨道。同样的道理使月球绕着地球旋转,地球绕着太阳旋转。卫星可以围绕任何形状的物体运行,其运行轨道由物体的形状来决定。因为地球不是纯粹的圆球体,所以围绕其运行的卫星等物的轨道也不是正圆形。它们在飞掠地球不同地区时,轨迹会产生弯曲或发生高度变化。

运动定律解释了行星为什么绕着太阳运行,但它没解释为什么轨道是椭圆形的。其实在牛顿之前就有人对这类问题进行思考,其中一个人就是牛顿的老对手罗伯特·胡克。他甚至在1679年写信向牛顿征求过这方面的意见。胡克认为,如果太阳的引力在行星远离它时变弱的话,那么就可以解释为什么轨道会是椭圆形的。可惜牛顿对胡克的这一重要问题并没有给出回答,其中的原委至今无人知晓。

1672年,法国科学家让·里歇尔发现钟摆在赤道地区的运动速度要比在两极地区慢。地球并不是纯粹的圆球体,牛顿认为这是因为地球在赤道地区凸出,使得赤道比两极离地心更远。根据胡克的反比定律,距离越远,引力越小,所以钟摆也就运动得越慢。但是这只是地球上的情况,整个太阳系又是什么样呢?距离越远引力越小是正确的结论,但究竟是小一点儿还是小很多呢?

根据胡克定律的观点来看,太阳对行星的引力大小与行星和太阳之间的距离成反比。假设行星A与太阳间距离是行星B与太阳间距离的2倍的话,那么太阳对A的引力作用就只有B的一半。如果距离是3倍的话,那么A受到的太阳引力就等于B的1/3。对火星来说,它与太阳间的距离是地球与太阳间距离的1.52倍,因此太阳对它的引力作用是地球的2/3。

因为牛顿一直没有正面回答胡克的问题,所以胡克开始向周围人传播自己的观点,并宣称自己已经解决了行星运动的难题。这让一向不喜欢胡克的牛顿非常生气,他觉得非要亲自验证一下胡克的说法才行。

最后,1680年,牛顿发现了胡克理论中的一处致命错误——那就是引力虽然随着距离的增加而减少,但减少的程度不是和其距离成反比,而是与其距离的平方成反比,这一发现被称为平方反比定律。它对除引力以外的其他现象也作出了解释。换句话说,平方反比定律认为,行星距离太阳2倍远时,引力并不是减少为1/2,而是1/4。若是按照胡克的说法,木星与太阳的距离是5.2个天文单位,那么它所受到的引力大约是地球的1/5,可牛顿却正确地计算出其受到的引力是地球的1/25。此外,牛顿的平方反比定律也解决了为什么行星轨道是椭圆形这一问题。

平方反比定律是个杰出的发现,而牛顿也应该迫不及待地宣布自己的结果正确才是,但不知出于何种目的,牛顿选择了沉默。他在研究出相关公式后只是将其束之高阁。看来他只是关心自己是否解决了这道难题而已,没兴趣去关注别人是否知道他的理论。一直到1684年他才偶然向别人说起此事,而且又过了2年才将自己的计算结果公之于众,并出版了《论物体运动》一书。今天,这本书的扩充版《自然哲学的数学原理》已经成为科学史上最卓越的作品之一,它与达尔文的进化论作品以及牛顿自己的光学和数学作品直到现在还散发着光辉。

牛顿的另外一个发现是引力与物体的质量相关。质量大的行星比质量小的行星有更大的引力。他的引力定律的完整公式是F=GMm/r2。

公式中的F代表引力,M代表物体的质量(如地球),m则代表其他物体的质量(如月球),r代表二者间的距离。G代表万有引力常数,它是科学家用来研究宇宙的众多物理常数之一。所以,只要知道了两个物体的质量、距离和G值,大家就能通过公式计算出物体间的引力。牛顿的万有引力定律使人们计算出了地球与月球之间的引力大小,行星对飞船的引力作用有多少,从而也了解了黑洞吞噬一颗星星的速度究竟有多快。利用300年前的万有引力定律,今天的科学家为“卡西尼号”飞船制定飞行计划,并测算出各个行星的引力对飞船的影响。这一切都令人感到科学的神奇。

万有引力定律的最神奇之处还不止这些,事实上“万有”一词简直是绝妙无比。牛顿认为,该定律不仅仅只适用于月球或是太阳系,而且适用于宇宙的一切物体。当天文家探索银河系时,他们用万有引力定律计算行星的运行;当天体物理学家发现围绕其他恒星运行的新行星时,他们借助万有引力定律计算这个行星的质量(m)。已经有上百亿年历史的宇宙一直按照万有引力定律运动着,无论是牛顿当年无法看到的星星,还是已超过其想象的那部分宇宙,它们的存在都被万有引力定律忠实地描述着。

牛顿无疑是历史上最杰出的科学巨匠之一。虽然他还无法清楚解释引力究竟是什么,也遗留了一些悬而未决的问题,但他获得的科学成就已经配得上所有人类的赞誉和敬仰。直到200多年后,又有人对牛顿的理论进行补充,他就是爱因斯坦。

爱因斯坦

牛顿的定律对某些问题无法作出解答。虽然人们已经知道了引力的作用方式,但对究竟什么是引力还不清楚。此外,作为距离太阳最近的行星,水星的轨道时不时地会发生改变,人们不能运用牛顿定律对其作出合理的解释。

阿尔伯特·爱因斯坦(1879—1955)犹太裔物理学家。他于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭(父母均为犹太人),1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,获苏黎世大学哲学博士学位,爱因斯坦提出光子假设,成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖,同年,创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。

如果牛顿是近代的最伟大的科学家,那么现代最伟大的科学家非爱因斯坦莫属,他的成就与牛顿不相上下。爱因斯坦一生的科学成就十分丰富,但本书只涉及其中的一小部分,那就是他对引力的研究。

牛顿认为,引力是一种作用于两个物体之间的力,它好比橡皮筋一样将两个物体联系在一起,彼此拉扯。爱因斯坦对橡皮筋这种说法很不认同,在他的大脑中,宇宙完全是另一种模样。打个比方,宇宙就像一个酒店里的橡胶床垫,每颗行星都好比摆放在这张床垫上的石头。质量大的行星在垫子上压出深一些的凹痕,而小一些的行星则会留下浅一些的痕迹。每接近一颗行星都像是走到陡峭的山谷,而且坡度越陡引力越大。在这里,陡坡的倾斜度代表着引力场的大小,就好像我们推着小车爬坡时肯定要比走在平道上吃力。

爱因斯坦认为引力是行星或其他恒星对宇宙空间的影响。

水星的情况也许值得仔细研究一下。天文学家经过观测得到水星进步的速率为每百年,而根据牛顿引力理论的公式计算,水星进步的速率为每百年。两者之差为每百年43弧秒,这已经是观测精度不容忽视的因素了。牛顿无法说明这种变化,但爱因斯坦做到了。

当太阳也在旋转时,它影响着周围的物体与其一起旋转,而水星肯定会参与这个运动。这就像我们做煎饼或是其他点心时的情形一样。当我们把勺子放入黄油中搅拌时,靠近勺子的黄油会比远离勺子的黄油的搅动速度快。尽管不可能与勺子同步,但如果黄油中有气泡的话,我们会发现气泡也会跟着勺子旋转。水星的情况与此类似。太阳的运动影响着它周围的物体,水星也在旋转过程中被引力拉了进来,所以使其近日点发生了微小变化。这就是在物理学上被称为进步的运动。

这种变化在围绕地球运转的物体上也会发生。科学家将重力探测卫星B送入了地球轨道,卫星上载有3颗有史以来最光滑无瑕的金属球。科学家们在几年后发现,这些金属球在轨道上运行后表面发生了轻微的改变。显然有力量影响着这些金属球,这和人们所猜测的情况完全一样。不过,上述事例并不是在证明牛顿出错了,只是在200多年的时间里,人类知识又有了许许多多的进步,而爱因斯坦正式得益于这种进步,贡献了许多惊人的科学成就。




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