牛顿第一定律
牛顿第一定律:任何物体都会保持静止或匀速直线运动,直到其他物体迫使它改变这种状态。
牛顿第一定律,又称惯性定律,告诉我们“运动不需要力来维持”。如果物体上的合力为零,那么它之前是什么速度,之后会保持什么速度。
为什么又叫“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,我是不会动的。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肯定很熟悉这个画面:一个宇航员在外太空不小心弄断了连接飞船的绳子,然后大家只能看着这个宇航员以一定的速度飘向深空。因为太空中没有其他外力阻止他,他只能遵守惯性定律“偷懒”,以同样的速度不断飘走(虽然他是那么的不甘心)。
这也说明,没有力,宇航员还是可以运动的,力真的不是保持物体运动的理由。那么,力的作用到底是什么?伽利略后半句说: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的状态,比如宇航员不想飘到深空,想回到飞船,就需要一个外力来拉。
好,知道力可以改变物体的运动状态,我给你一定的力。你的速度能改变多少?要定量算这笔账,我们需要牛顿第二定律。
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。比如一辆车当前速度是2m/s,1s后变成4m/s,那么它的速度会在1s(42)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。相反,是马的拉力改变了车速。既然速度变了,肯定有某种力在作用。
那么,力和速度的变化有什么关系呢?力越大,速度变化越大是真的吗?乍一看,好像没什么问题。用两辆马拉车,马车可以在1s内加速2m/s;如果有四辆马车,也许马车可以在一秒钟内加速4m/s。但是,即使只有一匹马,如果给足够的时间,比如60s,马车完全有可能提高更多的速度。所以改变具体的光速是不公平的,还要限制时间:在一定的时间内(比如1s),物体的速度变化越大(也就是速度变化越快),受到的力就越大。
所以有理由相信,合力越大,物体的速度变化越快。而单位时间内物体速度的变化就是加速度的定义。也就是说,我们用加速度这个物理量来描述物体的速度变化有多快。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2s内从1m/s增加到7m/s,那么它的加速度应该是:
好了,现在我们知道了:物体受到的合力越大,它的速度变化越快,加速度也越大。
那么,还有其他影响加速度的因素吗?也是一匹马,一辆自行车,一辆卡车。你认为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,在同样的合力下获得的加速度越小,反之亦然。有了这样的铺垫,牛顿第二定律就可以呼之欲出了。牛顿第二定律:物体的加速度a等于物体的合力f。
正比,跟物体的质量m成反比,写成公式就是F=ma。于是,我们就引出了牛顿力学里最重要的一个公式,整个高中物理都可以说是在学习F=ma在各种情况下的应用。
牛顿第二定律也让我们有了一个全新的视角来审视“质量”这个概念。惯性定律不是说“万物都很懒”吗?没有外力推动,一个个都不愿改变自己的运动状态。但是,虽然大家都很“懒”,可“懒”也分三六九等。有的物体是轻微的懒,轻轻一推就改变了运动状态;有的是极度的懒,用八抬大轿都抬不动。
那么,如何判断一个物体是一点点懒,还是非常懒呢?答:根据质量。因为牛顿第二定律告诉我们,一个物体的质量越大,同等外力下产生的加速度就越小,即运动状态变化得越慢,这不就是更懒的意思吗?所以,质量就成了一个衡量物体运动状态改变难易程度的物理量。质量越大,越胖,就越不想动,想想好像真的很有道理。
从这个角度,大家再来感受一下牛顿第二定律F=ma:外力(F)想改变物体的运动状态(a),但质量(m)越大,物体越懒,越坚持自我,越难被外力(F)所改变。所以,内心越强大,就越难被外界的诱惑所改变;质量越巨大,就越难被外力的驱动所改变。
牛顿第三定律
牛顿第三定律:相互作用的两个物体作用力和反作用力大小相等,方向相反(牛顿的原话是“每一个作用都有一个相等的反作用”,并没有提到“力”。但因为我们在讨论牛顿力学,所以教材里就直接用作用力和反作用力来表述,方便理解)。这很好理解,比如我用力推一下墙,就会感觉墙也用力推了一下我,这两个力大小相等,方向相反。
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