牛頓第一定理
牛頓第一定理:任何物體都保持靜止或勻速直線運動狀態(tài),直至其他物體的作用促使它改變這些狀態(tài)為止。
牛頓第一定理也叫慣性定理,它告訴我們“運動并不須要力來維持”。假若物體遭到的合外力為 0,那它之前是哪些速率,然后就仍然是哪些速率。
為何它還有一個名子叫“慣性定理”呢?慣性在中文里跟惰性是同義詞(),就是懶的意思。所以,慣性定理就是說所有的物體都很“懶”,像懶豬一樣,都不樂意主動改變自己的運動狀態(tài)。
假如我如今沒動,那就仍然不動,除非你使勁推我;假如我如今有一個速率,那就始終以這個速率前進,除非有力攔著我。
喜歡懸疑連續(xù)劇的同學肯定對這個畫面不陌生:一個宇航員在外太空不留神弄斷了聯(lián)接飛船的繩子,之后你們就只能眼睜睜地看著這個宇航員以一定速率飄向太空深處。由于太空中沒有其他外力擋住他,所以他就只能遵循慣性定理“懶”下去,始終以同一速率飄走(其實他是這么地不樂意)。
這也說明:沒有力,宇航員照樣可以運動,力的確不是維持物體運動的誘因。這么,力的作用究竟是哪些呢?伽利略在后半句里說了:力是改變物體運動狀態(tài)的誘因。也就是說,即使運動本身不須要力來維持,并且,假如想改變運動狀態(tài),例如宇航員不想飄向太空深處,想回到飛船,這就須要一個外力來拉一把。
好,曉得力可以改變物體的運動狀態(tài)以后,我給你一定的力,你的速率能改變多少呢?想要把這個賬定量地算清楚,我們就須要牛頓第二定理。
牛頓第二定理
如何算呢?
首先,既然力可以改變物體的速率,那首先就得找一個數學量來描述物體速率的變化。例如,車輛現(xiàn)今的速率是2m/s,1s后弄成了4m/s,那它的速率就在1s之內變化了(4–2)m/s=2m/s。
為何車輛的速率會變化呢?其實是底盤的牽引力讓車輛的速率發(fā)生了改變,換成馬車就是馬的拉力讓車的速率改變了。既然速率發(fā)生了改變,那肯定就有哪些力作用在它頭上。
這么,力的大小跟速率的變化有哪些關系呢?是力越大,速率的變化就越大嗎?乍一看似乎沒問題。用兩匹馬拉車,1s內可以讓馬車加速2m/s;假如有四匹馬拉車,其實1s內才能讓馬車加速4m/s。并且,即使只有一匹馬,假如時間給夠牛頓第一定律是,例如60s,那馬車完全有可能降低更多的速率。所以,光比速率的變化量是不公正的,還要限定時間:在一定的時間內(例如1s)讓物體的速率變化越大(也就是速率變化得越快),能夠說明遭到的力越大。
為此,有理由相信:合外力越大,物體的速率變化得越快。而單位時間內物體速率的變化量,正是加速度的定義。也就是說,我們用加速度這個數學量來描述物體速率變化快慢的程度。假如物體的速率不變,那它的加速度等于0;假如物體的速率在1s內從2m/s降低到了4m/s,那它的加速度就是2m/s;假如物體的速率在2s內從1m/s降低到了7m/s,這么它的加速度就應當是:
好,如今我們曉得了:物體遭到的合外力越大,那它的速率就變化得越快,加速度越大。
這么,還有其他影響加速度的誘因嗎?同樣是一匹馬,一個拉單車,一個拉大貨車,你認為它們的加速度會一樣嗎?很其實,物體的加速度除了跟合外力有關,還跟質量有關:質量越大,同等合外力下獲得的加速度越小,反之越大。有了這樣的鋪墊,牛頓第二定理就呼之欲出了。牛頓第二定理:物體的加速度a跟物體遭到的合外力F成反比,跟物體的質量m成正比,寫成公式就是F=ma。于是,我們就引出了牛頓熱學里最重要的一個公式,整個中學數學都可以說是在學習F=ma在各類情況下的應用。
牛頓第二定理也讓我們有了一個全新的視角來考量“質量”這個概念。慣性定理不是說“萬物都很懶”嗎?沒有外力推進,一個個都不愿改變自己的運動狀態(tài)。而且,即使你們都很“懶”,可“懶”也分三五九等。有的物體是輕微的懶,輕輕一推就改變了運動狀態(tài);有的是極其的懶,用八抬大轎都抬不動。
這么,怎么判別一個物體是一點點懶,還是十分懶呢?答:按照質量。由于牛頓第二定理告訴我們,一個物體的質量越大,同等外力下形成的加速度就越小,即運動狀態(tài)變化得越慢,這不就是更懶的意思嗎?所以,質量就成了一個評判物體運動狀態(tài)改變難易程度的數學量。質量越大,越胖牛頓第一定律是,就越不想動,想想似乎真的很有道理。
從這個角度,你們再來體會一下牛頓第二定理F=ma:外力(F)想改變物體的運動狀態(tài)(a),但質量(m)越大,物體越懶,越堅持自我,越難被外力(F)所改變。所以,內心越強悍,就越難被外界的誘惑所改變;質量越巨大,就越難被外力的驅動所改變。
牛頓第三定理
牛頓第三定理:互相作用的兩個物體斥力和反斥力大小相等,方向相反(牛頓的原話是“每一個作用都有一個相等的反作用”,并沒有提及“力”。但由于我們在討論牛頓熱學,所以教材里就直接用斥力和反斥力來敘述,便捷理解)。這挺好理解,例如我使勁推一下墻,都會覺得墻也使勁推了一下我,這兩個力大小相等,方向相反。