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2024-03-14 22:42:02
牛顿第一运动定律
牛顿第一定律:任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态,直到其他物体的作用迫使它改变这种状态。
牛顿第一定律,也叫惯性定律,告诉我们“运动不需要力来维持”。如果作用在物体上的合力为零,它之前是什么速度,之后会保持什么速度。
为什么它还有一个名字叫“惯性定律”?惰性在英语中是惰性的同义词,意为懒惰。所以,惯性定律意味着所有物体都是“懒”的,像懒猪一样,不愿意主动改变自己的运动状态。
如果我现在不动,你不使劲推我,我就不动;如果我现在有一个速度,我会一直以这个速度走下去,除非被强行阻止。
喜欢科幻电影的朋友一定很熟悉这个画面:一名宇航员在外太空意外折断了连接飞船的绳索,然后大家只能眼睁睁地看着这名宇航员以一定的速度飘向太空深处。因为太空中没有其他外力阻止他,他只能遵循惯性和“懒”的规律,以同样的速度飘走(虽然他是那么的不甘心)。
这也说明宇航员在没有力的情况下依然可以运动,力真的不是维持物体运动的理由。那么,力的作用是什么?伽利略在后半句中说: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,但是如果你想改变运动状态,比如宇航员不想飘到太空深处,想回到飞船,就需要一个外力来拉它。
好了,知道力可以改变物体的运动状态后,我给你一定的力。你能改变多少速度?要想定量算这笔账,需要牛顿第二定律。
牛顿第二定律
怎么算?
首先,既然力可以改变物体的速度,我们首先要找到一个物理量来描述物体速度的变化。比如一辆车现在的速度是2m/s,1s后变成4m/s,那么它的速度在1s(4–2)m/s = 2m/s内变化..
为什么车速会变?当然是发动机的牵引力改变了车速。如果是马车,是马的拉力改变了车速。既然速度变了,一定有某种力作用在它上面。
那么,力的大小和速度的变化有什么关系呢?是不是力越大,速度变化越大?乍一看,好像还行。用两个马车,马车能在1s内加速2m/s;如果有四辆马车,可能会在1s内将马车加速4m/s。但是,即使只有一匹马,如果给的时间足够多,比如60s,马车完全有可能提高速度。所以,改变具体的光速是不公平的,需要限制时间:在一定时间内(比如1s),物体的速度变化越大(即速度变化越快),力就越大。
因此,有理由认为,外力越大,物体的速度变化越快。单位时间内物体速度的变化就是加速度的定义。换句话说,我们用加速度这个物理量来描述一个物体的速度变化程度。如果物体的速度不变,其加速度等于0;如果物体的速度在1s内从2m/s增加到4m/s,其加速度为2m/s;如果一个物体的速度在2秒内从1米/秒增加到7米/秒,其加速度应为:
好了,现在我们知道了,作用在物体上的合力越大,物体的速度变化越快,加速度也越大。
那么,还有其他影响加速度的因素吗?同样一匹马,一个拉自行车的和一个拉卡车的,你觉得他们的加速度会一样吗?显然,物体的加速度不仅与合力有关,还与质量有关:质量越大,相同合力下获得的加速度越小,反之亦然。有了这个准备,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与合力F成正比,与物体的质量m成反比,记为F=ma。所以我们得出了牛顿力学中最重要的公式,整个高中物理可以说是在研究F=ma在各种情况下的应用。
牛顿第二定律也给了我们一个新的视角来审视“质量”这个概念。惯性定律不是说“万物皆懒”吗?没有外力,他们谁也不想改变自己的运动状态。然而,虽然每个人都“懒”,但“懒”也可以分为三六类。有些物体略显懒散,轻轻一推就改变了运动状态;有的懒到极点,八抬也抬不动大轿子。
那么,如何判断一个对象是有点懒还是很懒呢?a:根据质量而定。因为牛顿第二定律告诉我们,物体的质量越大,在同样的外力作用下产生的加速度越小,也就是运动状态变化越慢。这不是意味着更懒吗?因此,质量就成为衡量改变物体运动状态难易程度的物理量。肿块越大越胖,越不想动。想想好像真的很有道理。
从这个角度,我们来感受一下牛顿第二定律F=ma:外力(F)想改变物体(a)的运动状态,但是质量(m)越大,物体越懒,越持久,越难被外力(F)改变。所以,内心越强大,就越难被外界的诱惑所改变;质量越大,越难被外力改变。
牛顿第三定律
牛顿第三定律:两个相互作用的物体的作用力和反作用力大小相等,方向相反(牛顿的原话是“每一个作用力都有一个相等的反作用力”,没有提到“力”。但是因为我们讨论的是牛顿力学,所以在课本上直接用作用力和反作用力来表示。这个很好理解。比如我用力推墙,我会觉得墙在用力推我。这两个力大小相等,方向相反。
来源:什么是高中物理?
作者:长尾俊
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编辑:张润欣
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