《论文合集》北淅

2、关于牛顿运动定律的认识与思考

　　认识牛顿运动定律，首先要知道何为牛顿运动定律。牛顿运动定律包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律三条定律，由艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》一书中总结提出。
　　第一定律说明了力的含义：力是改变物体运动状态的原因；
　　第二定律指出了力的作用效果：力使物体获得加速度；
　　第三定律揭示出力的本质：力是物体间的相互作用。
　　牛顿运动定律中的各定律互相独立，且内在逻辑符合自洽一致性。其适用范围是经典力学范围，适用条件是质点、惯性参考系以及宏观、低速运动问题。牛顿运动定律阐释了牛顿力学的完整体系，阐述了经典力学中基本的运动规律，在各领域上应用广泛。
　　我们就从牛顿第一定律说起，这种关于力是改变物体运动状态的原因的说法，其起源可以追溯到古希腊时代的哲学思辨历史。
　　伽利略最早否定了亚里士多德力是维持物体运动状态的原因的论断，我们还原到亚里士多德时代关于力的思考，那个时代就是一个纯人力的时代，最多就是动物拉车，比如马车牛车这些东西。
　　人们去观察大自然的时候，观察运动现象的时候，比如人在走动的时候需要用到力，马拉车，牛拉车，都需要力，运动需要力的支撑，运动的物体必须要有力去持续作用他们，那个时代还没有做功的概念，不知道那个时候，对于山上滚下来的石头的运动又作何解释了？
　　伽利略天生就是为了否定亚里士多德而存在的，1589年的一天，比萨大学青年数学讲师，年方25岁的伽利略，同他的辩论对手及许多人一道来到比萨斜塔。伽利略登上塔顶，将一个重100磅和一个重一磅的铁球同时抛下。在众目睽睽之下，两个铁球出人意料地差不多是平行地一齐落到地上。面对这个无情的实验，在场观看的人个个目瞪口呆，不知所措。因为亚里士多德又一次被证明是错误的，人们对力学的认知，从实验的角度，提高了一个层面。
　　人们开始重新思考力和速度之间的关系了。
　　笛卡尔认为物体不受力时运动方向将不会改变，到了笛卡尔时代，人们对力和运动有了更深刻的认知。
　　最终牛顿提出了牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种运动状态为止。
　　（1）运动是物体的一种属性，物体的运动不需要力来维持。
　　（2）定律说明了任何物体都有惯性。
　　（3）不受力的物体是不存在的。牛顿第一定律不能用实验直接验证.但是建立在大量实验现象的基础之上，通过思维的逻辑推理而发现的。它告诉了人们研究物理问题的另一种新方法:通过观察大量的实验现象，利用人的逻辑思维，从大量现象中寻找事物的规律。
　　（4）牛顿第一定律是牛顿第二定律的基础，不能简单地认为它是牛顿第二定律不受外力时的特例，牛顿第一定律定性地给出了力与运动的关系，牛顿第二定律定量地给出力与运动的关系。
　　2.惯性:物体保持匀速直线运动状态或静止状态的性质。
　　（1）惯性是物体的固有属性，即一切物体都有惯性，与物体的受力情况及运动状态无关。因此说，人们只能“利用”惯性而不能“克服”惯性。（2）质量是物体惯性大小的量度。
　　世界上在人眼可以观察的物体的运动中，没有永恒的运动，也没有绝对的静止，比如在道路上运行的任何滑动的物体，考虑到摩擦力，空气阻力，重力，惯性等作用。
　　牛顿第一定律是成立的。但是在实验室是观察不到永恒运动的。
　　但是，当人们的观察更加宏观或者更加微观的事物的时候，发现有趣的现象出现了。
　　比如，对于宏观天体的运动，从来没有感觉到日月五星，地球自转公转，有停下来的趋势；
　　对于微观世界，一杯水里面的分子，总是在运动；
　　关于天体和分子微粒，谁给他们最初的力，然后什么样的力量才可以让他们改变运动状态，甚至人们会考虑一个问题，到底要用什么样的力量才可以使得一颗天体，使得那些运动的分子静止下来。
　　当分子静止下来之后，他们里面的原子核，电子也会停止运动吗？
　　其实，关于分子热运动，现在的人肯定都不会陌生，比如微波炉、电磁炉的工作原理。
　　我们继续看牛顿第二定律，物体的加速度跟所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，表达式F 合 =ma。
　　（1）牛顿第二定律定量揭示了力与运动的关系，即知道了力，可根据牛顿第二定律，分析出物体的运动规律;反过来，知道了运动，可根据牛顿第二定律研究其受力情况，为设计运动，控制运动提供了理论基础。
　　（2）对牛顿第二定律的数学表达式F 合 =ma，F 合是力，ma是力的作用效果，特别要注意不能把ma看作是力。
　　（3）牛顿第二定律揭示的是力的瞬间效果.即作用在物体上的力与它的效果是瞬时对应关系，力变加速度就变，力撤除加速度就为零，注意力的瞬间效果是加速度而不是速度。
　　（4）牛顿第二定律F 合 =ma，F合是矢量，ma也是矢量，且ma与F 合的方向总是一致的。F 合可以进行合成与分解，ma也可以进行合成与分解。
　　对于一个运算运动的物体，力使得这个物体加速或者减速，当人们给物体一个均匀的力，产生一个恒定的加速度值，这个方程是很简洁的，比如地球引力产生的重力加速度。
　　注意，地球引力也是有一定的适用范围的，比如在很遥远的太空的某个物体，地球的引力就对这个物体产生不了作用了。
　　很多时候，力对物体运动的产生的加速度并不是恒定的值，也就是力并不恒定，这个时候，引用了复杂的方程和微积分知识，就可以建立很好的数理运算模型。
　　微积分的意义不仅仅在于算面积，算田亩，在使用到数学工具的各个学科都有很广泛的用途。
　　关于牛顿第三定律，两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一直线上。
　　（1）牛顿第三运动定律指出了两物体之间的作用是相互的，因而力总是成对出现的，它们总是同时产生，同时消失。（2）作用力和反作用力总是同种性质的力。
　　（3）作用力和反作用力分别作用在两个不同的物体上，各产生其效果，不可叠加。
　　其实，这不仅是一个纯粹的物理问题，同样也是一个很高深的哲学问题。
　　关于力的定义：力是物体之间的相互作用。力的大小、方向、作用点是力的三要素。
　　力的国际单位：牛顿，简称牛，符号是N。这是为了纪念英国科学家艾萨克·牛顿而命名的。
　　1 N=1 kg·m/(s^2)，用单位质量的物体的运动加速度来定义。在此之前，人用匹作为力的单位，匹，马匹。
　　力的分类：根据力的性质可分为重力、万有引力、弹力、摩擦力、分子力、电磁力、核力等。
　　现代物理学把力进行统一，认为自然界有四种基本力：万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力；可以通过场进行统一。
　　力的作用效果：力可以使物体发生形变；力可以改变物体的运动状态（速度大小、运动方向，两者至少有一个会发生改变）。
　　随着人们对力学的本质现象的理解，发展起来热力学物理体系，物体的运动，作用力和物体的热量变化，以及做功多少，进行联系。
　　但是人们还是一直无法突破到天体宏观尺度，以及原子尺度微观尺度的物理研究。
　　一直到了波尔的量子化理论，爱因斯坦的质能方程和相对论，人们才真正的突破了分子水平的物理学研究，进入到原子能层面。
　　当然，在这些理论的支持下，我们现在的世界才有了核电和原子弹。世界是在不断进步的，我们人类将来会发现越来越多的新知识，而我们将要靠这些新知识，继续改变世界。