牛頓第一定理
內容:一切物體在任何情況下,在不受外力的作用時,總保持靜止或勻速直線運動狀態.
說明:物體都有維持靜止和作勻速直線運動的趨勢,因而物體的運動狀態是由它的運動速率決定的,沒有外力,它的運動狀態是不會改變的.物體的保持原有運動狀態不變的性質稱為慣性().所以牛頓第一定理統稱為慣性定理(lawof).第一定理也揭示了力的概念.明晰了力是物體間的互相作用,強調了是力改變了物體的運動狀態.由于加速度是描寫物體運動狀態的變化,所以力是和加速度相聯系的,而不是和速率相聯系的.在日常生活中不注意這點,常常容易形成錯覺.
注意:
1.牛頓第一定理并不是在所有的參照系里都創立,實際上它只在慣性參照系里才創立.因而經常把牛頓第一定理是否創立,作為一個參照系是否慣性參照系的判據.
2.牛頓第一定理是通過剖析事實,再進一步概括、推理得出的.我們周圍的物體,都要遭到這個力或那種力的作用,因而不可能用實驗來直接驗證這一定理.并且,從定理得出的一切推測,都經受住了實踐的檢驗,因而,牛頓第一定律己成為你們公認的熱學基本定理之一.
牛頓第二定理
定理內容:物體的加速度跟物體所受的合外力成反比,跟物體的質量成正比,加速度的方向跟合外力的方向相同.
公式:F合=ma
幾點說明:
(1)牛頓第二定理是力的瞬時作用規律.力和加速度同時形成、同時變化、同時消逝.
(2)F=ma是一個矢量多項式,應用時應規定正方向,凡與正方向相同的力或加速度均取正值,反之取負值,通常常取加速度的方向總之方向.
(3)按照力的獨立作用原理,用牛頓第二定理處理物體在一個平面內運動的問題時,可將物本所受各力正交分解,在兩個相互垂直的方向上分別應用牛頓第二定理的份量方式:Fx=max,Fy=max列多項式.
牛頓第二定理的三個性質:
(1)矢量性:力和加速度都是矢量,物體加速度方向由物體所受合外力的方向決定.牛頓第二定理物理表達式∑F=ma中,等號除了表示左右兩側數值相等,也表示方向一致,即物體加速度方向與所受合外力方向相同.
(2)瞬時性:當物體(質量一定)所受外力發生忽然變化時,作為由力決定的加速度的大小和方向也要同時發生突變;當合外力為零時牛頓定律的定義,加速度同時為零,加速度與合外力保持一一對應關系.牛頓第二定理是一個瞬時對應的規律,表明了力的頓時效應.
(3)相對性:自然界中存在著一種座標系,在這些座標系中,當物體不受力時將保持勻速直線運動或靜止狀態,這樣的座標系叫慣性參照系.地面和相對于地面靜止或作勻速直線運動的物體可以看作是慣性參照系,牛頓定理只在慣性參照系中才創立.
適用范圍:
(1)只適用于低速運動的物體(與光速比速率較低).
(2)只適用于宏觀物體,牛頓第二定理不適用于微觀原子.
(3)參照系應為慣性系.
牛頓第三定理
內容:兩個物體之間的斥力和反斥力,在同一條直線上,大小相等,方向相反.
表達式:F1=F2,F1表示斥力,F2表示反斥力.
說明:要改變一個物體的運動狀態,必須有其它物體和它互相作用.物體之間的互相作用是通過力彰顯的.而且強調力的作用是互相的牛頓定律的定義,有作用必有反斥力.它們是作用在同一條直線上,大小相等,方向相反.
適用范圍:
牛頓運動定理是構建在絕對時空以及與此相適應的超距作用基礎上的所謂超距作用,是指分離的物體間不須要任何介質,也不須要時間來傳遞它們之間的互相作用.也就是說互相作用以無窮大的速率傳遞.
不僅上述基本觀點以外,在牛頓的時代,人們了解的互相作用.如萬有引力、磁石之間的磁力以及互相接觸物體之間的斥力,都是順著互相作用的物體的連線方向,并且互相作用的物體的運動速率都在常速范圍內.
在這些情況下,牛頓從實驗中發覺了第三定理.“每一個作用總是有一個相等的反作用和它相對抗;或則說,兩物體彼此之間的互相作用永遠相等,而且各自指向其對方.”作用力和反斥力等大、反向、共線,彼此作用于對方,而且同時形成,性質相同,這種往往是我們講授這個定理要指出的內容.但是,在一定范圍內,牛頓第三定理與物體系的動量守恒是密切相聯系的.
并且隨著人們對物體間的互相作用的認識的發展,19世紀發覺了電與磁之間的聯系,完善了電場、磁場的概念;不僅靜止電荷之間有順著連線方向互相作用的庫侖力外,發覺運動電荷還要遭到磁場力即洛倫茲力的作用;運動電荷又將迸發磁場,因而兩個運動電荷之間存在互相作用.在對電磁現象研究的基礎上,麥克斯韋(1831-1879)在1855~1873年間完成了對電磁現象及其規律的大綜合、建立了系統的電磁理論,發覺電磁作用是通過電磁場以有限的速率(光速c)來傳遞的,后來為電磁波的發覺所否認.
化學學的深入發展,曝露出牛頓第三定理并不是對一切互相作用都是適用的.假若說靜止電荷之間的庫侖互相作用是順著二電荷的連線方向,靜電作用可當做以“無窮大速率”傳遞的超距作用,因此牛頓第三定理仍適用的話,這么,對于運動電荷之間的互相作用,牛頓第三定理就不適用了.如圖所示.運動電荷B通過迸發的磁場作用于運動電荷A的力為(并不沿AB的連線),而運動電荷A的磁場在此刻對B電荷卻無斥力(圖中未表示它們之間的庫侖力).由此可見,斥力在此刻不存在反斥力,作用與反作用定理在這兒失效了.
實驗證明:對于以電磁場為媒介傳遞的近程作用,總存在著時間的延后.對于存在延后效應的互相作用,牛頓第三定理其實是不適用的.實際上,只有對于順著二物連線方向的作用(稱為有心力),并可以不計這些作用傳遞時間(即可看做直接的超距作用)的場合中,牛頓第三定理才有效.
然而在牛頓熱學體系中,與第三定理密切相關的動量守恒定理,卻是一個普遍的自然規律.在有電磁互相作用參與的情況下,動量的概念應從實物的動量擴大到包含場的動量;從實物粒子的機械動量守恒擴大為全部粒子和場的總動量守恒,進而使動量守恒定理成為普適的守恒定理.