牛顿三大定律的历史

牛顿的三大运动定律

牛顿三大运动定律是牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律的统称。

牛顿第一运动定律

内容:任何情况下,所有物体在不受外力作用时,总是保持静止或匀速直线运动。

描述:物体倾向于保持静止,匀速直线运动,所以物体的运动状态是由其运动速度决定的。没有外力,它的运动状态不会改变。物体保持原来运动状态不变的性质叫做惯性。所以牛顿第一定律也叫惯性定律。第一定律也阐明了力的概念。明确力是物体之间的相互作用,指出力改变物体的运动状态。因为加速度描述的是物体运动状态的变化,力与加速度有关,与速度无关。如果在日常生活中不注意这一点,往往容易产生错觉。

注意:

1.牛顿第一定律并不适用于所有的参照系,事实上,它只适用于惯性参照系。因此,牛顿第一定律常被视为一个参考系是否为惯性参考系的判据。

2.牛顿第一定律是通过分析事实,进一步概括和推理得出的。我们周围的一切都受到这个力或那个力的作用,所以无法通过实验直接验证这个定律。但是从定律中得出的所有推论都经受住了实践的考验,所以牛顿第一定律成为了大家公认的力学基本定律之一。

牛顿第二定律

定律内容:物体的加速度与作用在物体上的合力成正比,与物体的质量成反比,加速度的方向与合力的方向相同。

公式:f =ma

一些注意事项:

(1)牛顿第二定律是力的瞬时定律。力和加速度同时产生,同时变化,同时消失。

(2)F=ma是向量方程,应用时要指定正方向。任何与正方向相同的力或加速度都应取正值,否则取负值,加速度方向通常取反方向。

(3)根据力的独立作用原理,用牛顿第二定律处理物体在平面内的运动时,作用在物体上的力可以正交分解,牛顿第二定律的分量形式可以应用在两个相互垂直的方向上:Fx=max,Fy=may。

牛顿第二定律的三个性质;

(1)矢量性:力和加速度都是矢量,物体加速度的方向由物体所受外力的方向决定。在牛顿第二定律的数学表达式∑F = ma中,等号不仅意味着左右两侧的值相等,还意味着方向相同,即物体的加速度方向与所受外力的方向相同。

(2)瞬时性:当作用在物体(具有一定质量)上的外力发生突变时,该力所决定的加速度的大小和方向也发生突变;外力为零时,加速度也同时为零,加速度和外力是一一对应的。牛顿第二定律是瞬时对应定律,表现了力的瞬时效应。

(3)相对性:自然界有一个坐标系。在这个坐标系中,物体不受力时,会保持匀速直线运动或静止状态。这个坐标系叫做惯性参考系。地面和相对于地面静止或匀速直线运动的物体都可以看作惯性参照系,牛顿定律只在惯性参照系中成立。

适用范围:

(1)只适用于低速(比光速慢)运动的物体。

(2)只适用于宏观物体,牛顿第二定律不适用于微观原子。

(3)参照系应为惯性系统。

牛顿第三定律

内容:作用在两个物体上的一对力,方向相反,大小相等,作用在同一直线上,作用在两个不同的物体上。

表达式:F1=F2,F1代表作用力,F2代表反作用力。

适用范围:

牛顿运动定律就是所谓的基于绝对时空的超距作用和相应的超距作用,也就是说分离的物体不需要任何介质或时间来传递它们的相互作用,即相互作用以无限的速度传递。

除了上述基本思想,在牛顿时代,人们理解的引力、磁铁间的磁力、相互接触的物体间的力等相互作用都是沿着相互作用物体的连线方向,相互作用物体的运动速度在恒速范围内。

在这种情况下,牛顿从实验中发现了第三定律。“每一个动作总是有一个相等的反作用力及其相对的阻力;换句话说,两个物体之间的相互作用总是相等的,它们都指向对方。”作用力和反作用力的线是相等的、相反的和* * *,它们相互作用,同时具有相同的性质。这些往往是我们在讲授这个规律时要强调的内容。而且在一定范围内,牛顿第三定律与物质系统的动量守恒密切相关。

但随着人们对物体间相互作用认识的发展,在19世纪发现了电和磁的关系,建立了电场和磁场的概念。除了沿连线方向的静电荷间的库仑力相互作用外,发现运动电荷还受到磁场力即洛伦兹力的影响。运动电荷会激发磁场,所以两个运动电荷之间存在相互作用。麦克斯韦(1831-1879)在电磁现象研究的基础上,从1855到1873完成了对电磁现象及其规律的全面研究,建立了系统的电磁理论,发现了电磁学。

随着物理学的深入发展,揭示出牛顿第三定律并不适用于所有的相互作用。如果静止电荷之间的库仑相互作用是沿着两个电荷的连线,静电相互作用可以看作是以“无限速度”传递的距离效应,那么牛顿第三定律仍然适用,那么对于运动电荷之间的相互作用,牛顿第三定律就不适用了。如图所示,运动电荷B通过激发磁场作用于运动电荷A的力为(不沿AB连线),而运动电荷A的磁场此时对电荷B没有力(图中未示出二者之间的库仑力)。因此,此时力没有反作用力,作用力与反作用力定律在此失效。

实验表明,通过电磁场传输的短距离相互作用总是存在时间延迟的。对于有延迟效应的相互作用,牛顿第三定律显然不适用。事实上,牛顿第三定律只对两个物体沿直线的相互作用(称为向心力)有效,并且这种相互作用的传递时间可以忽略(即可以视为远距离直接作用)。

但在牛顿力学体系中,与第三定律密切相关的动量守恒定律是普遍的自然定律。从物理粒子的力学动量守恒到所有粒子和场的总动量守恒,动量守恒定律成为普遍的守恒定律。