牛頓運動定律在生活中的應(yīng)用

譚云謙

摘 要：本文首先介紹的牛頓運動定律以及各自的作用。隨后，本文分別介紹了牛頓第一運動定律、牛頓第二運動定律和牛頓第三運動定律的發(fā)展史以及其在日常生活中的應(yīng)用。最后，本文還展望了牛頓運動定律對未來生活發(fā)展的作用。

關(guān)鍵詞：牛頓運動定律；發(fā)展史；應(yīng)用

中圖分類號：G634.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0240-02

1 前言

牛頓運動定律是對宏觀、低速世界運動變化的規(guī)律的總結(jié)，其主要包括牛頓第一運動定律、牛頓第二運動定律和牛頓第三運動定律這三條定律。這些定律是英國科學(xué)家牛頓依據(jù)前人研究以及結(jié)合自己的研究成果，創(chuàng)造性的提出來的，并于1687年發(fā)表在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中[1]。牛頓運動定律是經(jīng)典力學(xué)的核心和靈魂。其第一運動定律明了力的含義（力是改變物體運動狀態(tài)的原因）；而第二運動定律指出了力的作用效果（力使物體獲得加速度）；第三運動定律揭示出力的本質(zhì)（力是物體間的相互作用）。

2 牛頓運動定律的提出與發(fā)展

2.1 牛頓第一運動定律的發(fā)展史

牛頓第一運動定律發(fā)展的萌芽可以追溯的公元前5世紀(jì)，希臘哲學(xué)家伊壁鳩魯?shù)热送ㄟ^憑空猜想認為，原子在虛空中沒有阻力的情況下，只要不受外界的干擾，會一直勻速地運行下去。而在公元前4世紀(jì)，希臘哲學(xué)家亞里士多德指出力是維持物體運動的根本原因。創(chuàng)造性的提出了力與運動的關(guān)系，并且此“推動論”觀點統(tǒng)治了力與運動的觀點近兩千年。隨后在14世紀(jì)，“沖力理論”得到了空前的發(fā)展，“沖力理論”認為對物體施加的沖力越大，物體運動的速度就越大；而當(dāng)沖力耗盡時，物體就會停止下來。三百年后，意大利科學(xué)家伽利略提出類似慣性原理的說法，通過理想斜面實驗，得出當(dāng)物體沿某一光滑斜面落下，并沿著另一光滑斜面向上運動，則物體將不受斜面傾斜角的影響仍將達到和原來同樣的高度。隨后，法國數(shù)學(xué)家笛卡爾通過對伽利略這種類似慣性原理的說法進行補充，得到了慣性定律。物體不受到外因的作用，物體將永遠保持其靜止或運動狀態(tài)。同時，笛卡爾還系統(tǒng)的指出慣性運動的物體永遠只會保持直線運動。這一理論已經(jīng)非常接近牛頓的第一定律。隨后，牛頓通過受到這些思想的啟發(fā)，研究了慣性運動及其本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了慣性力是物體內(nèi)在的屬性，從而提出了牛頓第一運動定律。

2.2 牛頓第二運動定律的發(fā)展史

牛頓第一運動定律和牛頓第二運動定律是關(guān)于物體慣性運動和如何打破慣性運動的定律，因而有很多類似之處。有人認為牛頓第一運動定律是牛頓第二運動定律的一個特例[2]。因而，對于牛頓第二運動定律的研究也源于對運動的研究。在這方面具有突出貢獻的科學(xué)家是伽利略，其早在1638年就提出以任何速度運動著的物體，只要除去加速或減速的外因，此速度就可以保持不變。換句話說，就是物體在不受外在作用力時，將保持初始速度運動下去。而笛卡爾也認為，在沒有外加作用時，粒子或者勻速運動，或者靜止。此外，笛卡爾也研究了力與加速度關(guān)系，指出圓周運動的物體同時有兩種運動傾向（向徑向運動和向運動）。在此基礎(chǔ)上，牛頓通過研究慣性運動的變化與作用力的關(guān)系，將力作為保持或者打破物體的慣性運動狀態(tài)的原動力，提出了牛頓第二運動定律。

2.3 牛頓第三運動定律的發(fā)展史

牛頓第三運動定律的研究源于對碰撞問題的研究。笛卡爾作為研究該問題的先驅(qū)者，他從運動變化的觀點研究了小球碰撞前后動量與動量守恒，但忽略了動量具有方向性。隨后在1668～1669年期間，荷蘭物理學(xué)家惠更斯等人指出兩硬體在碰撞過程中同一方向的動量保持不變，且碰撞前后動量守恒。而在1673年，法國科學(xué)家馬利奧特通過單擺實驗，巧妙地測出了碰撞前后的瞬時速度。但是他們這些工作都忽略了作用于物體上的作用力和反作用力。而牛頓通過對他們的實驗的改進與修正，創(chuàng)造性的揭示了兩物體碰撞時力的相互作用規(guī)律，即牛頓第三運動定律。

3 牛頓運動定律在生活中的應(yīng)用

3.1 牛頓第一運動定律在生活中的應(yīng)用

牛頓第一運動定律認為任何物體都要保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止。這一點非常好理解，但是在經(jīng)典力學(xué)的范圍內(nèi)我們無法找到一個不受任何力的物體。例如：一個物體放置在地面上，那么這個物體就受到了物體本身的重力以及地面對它的支撐力；同樣，一個懸浮在水面上的物體，它同樣受到物體本身的重力以及水面對它的支撐力（浮力）。所以，在這里我們主要談?wù)?，物體在受到合力為零時，物體也要保持勻速直線運動或靜止。一個籃球放置在水面的桌面上，其可以保持靜止?fàn)顟B(tài)，這是由于其受到一對平衡力，即受到本身向下的重力和桌面對籃球的支撐力，且這兩者大小相等，方向相反。同樣，如果將這個籃球放置在傾斜一定角度的桌面上，其同樣可以保持靜止?fàn)顟B(tài)。只要滿足籃球本身重力水平方向（沿著桌面方向）的分力與桌面對籃球的摩擦力的大小相等即可。至于物體受到平衡力能夠保持勻速直線運動，這一點也非常好理解。但是為了采用更加直觀的方法來證明這個論點。我們設(shè)置兩個水平面（一個粗糙面和一個光滑面），使同樣形狀、同樣大小的小球在這兩個不同粗超度的水平面運動。當(dāng)給小球相同的一個力后，我們發(fā)現(xiàn)小球在粗糙的水平面上運動很小一段距離就停止了；然而小球在光滑的水平面可以運動很長的距離。當(dāng)然最終小球也是會停止的，這是因為光滑水平面只是一個相對光滑的平面，存在一定的摩擦系數(shù)。當(dāng)我們設(shè)置幾個不同摩擦系數(shù)的水平面，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)越大的水平面，小球運動的距離越短。這是因為摩擦系數(shù)越大，小球受到的運動阻力就越大。因而我們可以想象，在一個理想的絕對光滑的水平面上小球可以一直保持這個速度一直運動下去的，永不停止。

3.2 牛頓第二運動定律在生活中的應(yīng)用

牛頓第二運動定律作為經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)和核心[3]，因而探究其在生活中的應(yīng)用非常有必要。牛頓第二運動定律的基本定義為物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，且與物體質(zhì)量的倒數(shù)成正比，加速度的方向跟合力的方向相同。我們同樣舉幾個實例來說明。當(dāng)我們在斜面上放置一個小球，如果小球本身重力水平方向（沿著斜面方向）的分力與斜面對小球的摩擦力的大小不相等，那么小球就永遠受到一個沿著斜面向下方向的合力，也就意味著小球?qū)⒀刂泵嫦蛳伦鰟蚣铀僦本€運動。此外，當(dāng)我們采用相同大小的力拖著不同質(zhì)量的物體，發(fā)現(xiàn)物體越重，到達目的地所花費的時間也就越長，也會感到越累。這是由于在相同力的情況下，物體越重，所獲得的加速度就越小。若是我們通過采用更大的力來拖更重的物體，顯然可以與較小的力拖較輕的物體同時到達目的地。

3.3 牛頓第三運動定律在生活中的應(yīng)用

牛頓第三運動定律是相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上。這一現(xiàn)象在我們的生活中非常普遍。例如：當(dāng)我們輕輕拍桌面的時候，我們的手并沒有多大的感覺；而當(dāng)我們用力拍打桌面的時候，我們的手就感到劇烈的疼痛。這是由于當(dāng)我們輕輕拍桌面的時候，手對桌面的作用力比較小，因而桌面對手的反作用力也比較小；但是當(dāng)我們用力拍打桌面的時候，手對桌面的作用力比較大，這也就導(dǎo)致桌面對手的反作用力也越大。同樣的原理，雙手拉開橡皮筋的兩端，然后一只手松掉，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡皮筋的兩端距離拉開越大，另一只手受到橡皮筋反作用力也越大，當(dāng)然也就更加疼痛了。此外，當(dāng)我們拍籃球的時候，越用力往下拍，籃球在相反方向上反彈的就越高。通過這些簡單的例子，我們很容易理解牛頓第三定律在日常生活中的應(yīng)用。但是，有時候我們也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們與大力士掰手腕的時候，在剛開始用力的一剎那，我們的手會感到劇烈的疼痛，但是大力士卻沒有明顯的感覺。依據(jù)牛頓第三運動定律，物體間力的作用是相互的，也就是說大力士與我們的手受到的力的大小是相當(dāng)?shù)?，僅僅是方向不同而已，但又為什么我們的手感到劇烈的疼痛，而大力士卻沒有呢？的確，大力士的手與我們的手受到的力大小一樣，方向相反，但是不能忽略我們對力的承受能力不一樣，我們的手承受力的能力較小，也就是為什么我們與大力士掰手腕會感到劇烈的疼痛。

4 結(jié)語

牛頓運動定律作為經(jīng)典力學(xué)的核心和靈魂，其基本作用體現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷?。相信只要我們對牛頓運動定律進行深刻的理解和分析，其在我們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮的作用必將越來越大。

參考文獻

[1]王宏偉.牛頓定律與17世紀(jì)牛頓的時空觀[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報，2010，12（5）：90-92.

[2]張立久.牛頓第一定律是牛頓第二定律的特例嗎[J].物理教學(xué)探討，2015，33（7）：60-61.

[3]潘恒星.牛頓第二定律的定義性理解[J].湖南中學(xué)物理，2013，（10）：42+46.endprint