牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的深層次理解

樊弈璠

摘 要：本文首先簡(jiǎn)介了英國(guó)最偉大的科學(xué)家——牛頓以及其相應(yīng)的貢獻(xiàn)。隨后對(duì)比分析了牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律的異同點(diǎn)，最后重點(diǎn)闡述牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律在我們生活中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：牛頓；第三運(yùn)動(dòng)定律；作用力；反作用力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0244-02

艾薩克·牛頓作為英國(guó)最偉大的物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家以及經(jīng)濟(jì)學(xué)家，對(duì)人類的歷史發(fā)展做出了及其重要的貢獻(xiàn)。牛頓的一生成果十分豐富，且其涉獵十分廣泛。作為數(shù)學(xué)家，牛頓與萊布尼茨同時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)應(yīng)用工具——微積分。同時(shí)，在其他數(shù)學(xué)領(lǐng)域，牛頓也建樹頗豐，成功提出了“牛頓法”并有效的證明了廣義的二項(xiàng)式定理，為隨后冪級(jí)數(shù)的發(fā)展和研究做出了重大的貢獻(xiàn)。作為經(jīng)濟(jì)學(xué)家，牛頓提出了以黃金為本位幣的貨幣制度——金本位制度。這一舉措有效的防止各國(guó)政府或著銀行濫發(fā)紙幣的權(quán)力，也有效避免了通貨膨脹的危害。同時(shí)，這一舉措也極大的促進(jìn)了各國(guó)匯率制度的穩(wěn)定，大大加強(qiáng)了國(guó)際貿(mào)易和國(guó)際投資的進(jìn)行。作為物理學(xué)家，牛頓更加是一位多產(chǎn)的科學(xué)家。在光學(xué)領(lǐng)域，牛頓發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡，并提出和發(fā)展了著名的顏色理論，同時(shí)也闡釋了冷卻定律。在力學(xué)領(lǐng)域，牛頓通過系統(tǒng)研究物體動(dòng)量與其角動(dòng)量守恒的關(guān)系，通過總結(jié)前人的基礎(chǔ)研究，系統(tǒng)的發(fā)展了著名的牛頓運(yùn)動(dòng)定律，成為其一生最為輝煌的成就。這一重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展奠定了隨后三百余年的經(jīng)典力學(xué)史觀，為物理學(xué)的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

1 牛頓運(yùn)動(dòng)定律簡(jiǎn)介

牛頓運(yùn)動(dòng)定律作為一條經(jīng)典力學(xué)領(lǐng)域最重要的定律之一，是牛頓通過總結(jié)前人的研究成果，并通過合理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并發(fā)展而來的。這一定律最先總結(jié)在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中[1]。這一定律目前在研究宏觀以及低速世界的運(yùn)動(dòng)變化中非常實(shí)用，也是我們高中物理課本中一條必學(xué)的運(yùn)動(dòng)定律。這一運(yùn)動(dòng)定律不僅是高中物理考試的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是日常生活中應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這一定律只要包括以下三個(gè)部分：分別是牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律以及牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，這三條運(yùn)動(dòng)定律所研究的側(cè)重點(diǎn)有所不同。這些異同點(diǎn)總結(jié)于表1中。

從表1中可以看出，這三大牛頓運(yùn)動(dòng)定律對(duì)力的作用機(jī)制完全不同。例如，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律指出，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本原因，也就是說，只有對(duì)物體施加作用力才能使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，否則物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將不會(huì)改變，即物體將維持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而對(duì)于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律而言，力是使物體獲得加速度的基本原因。只要通過施加一定的作用力才能使物體獲得加速度，明確了力的作用效果是使物體產(chǎn)生加速度。而對(duì)于牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律而言，指出力是物體間的相互作用的基本原因，也就是說力是物體間的相互作用，而不是僅僅是指單一物體。這一觀點(diǎn)在表1中也可以看出，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是作用在同一物體上而進(jìn)行研究的，而牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律與牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律有著本質(zhì)的區(qū)別，它是作用在不同物體上的，有了作用力就會(huì)有反作用力。而這三種牛頓運(yùn)動(dòng)定律的共同點(diǎn)在于都適用于宏觀且低速運(yùn)動(dòng)的物體，也就是說對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)下的微觀物體將不再適用，如電子，光子等運(yùn)動(dòng)就不符合經(jīng)典的牛頓運(yùn)動(dòng)定律，而需要相關(guān)的相對(duì)論方面的知識(shí)來解析?；谶@一些列原因，這三大牛頓運(yùn)動(dòng)定律便共同構(gòu)成了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)框架。在我們高中物理的學(xué)習(xí)中，我們只要側(cè)重于把牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律作為學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而往往忽略對(duì)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的學(xué)習(xí)，老師在課堂上對(duì)這一定律的講解也只是一筆帶過。但是在我們生活中，牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律應(yīng)用對(duì)于其他兩大牛頓運(yùn)動(dòng)定律一樣，都十分廣泛，因?yàn)樵诂F(xiàn)有的體系中不存在作用力只僅僅作用在單一物體上?；谶@一概念的解析，深層次理解牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的作用機(jī)制以及作用效果非常關(guān)鍵，也非常重要。

2 牛頓第三定律的作用機(jī)制

在深層次理解和運(yùn)用牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律之前，我們首先要明確牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的基本概念和相應(yīng)的作用機(jī)制。從上面第二部分在對(duì)比這三大牛頓運(yùn)動(dòng)定律的時(shí)候，我們已經(jīng)明確，力是物體間的相互作用的基本原因，而目前教科書上的經(jīng)典定義為：兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，總是在同一直線上，且這兩個(gè)作用力的大小相等，方向相反。從這一基本的概念出發(fā)，我們可以把這一概念細(xì)分為以下五個(gè)部分：（1）力的作用是相互的，不是單獨(dú)存在的，這意味著這樣的作用力是同時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)消失，不存在先后順序。（2）相互作用力一定是相同性質(zhì)的力，否則物體間的相互作用力將不再相等。（3）作用力和反作用力是作用在兩個(gè)物體上，產(chǎn)生的作用力不能相互抵消。這一點(diǎn)說明力總是成對(duì)出現(xiàn)的。（4）作用力也可以叫做反作用力，只是選擇的參照體系的不同。這意味著作用力和反作用力可以在一定的條件下互相轉(zhuǎn)換。（5）作用力和反作用力是作用在不同物體上的，因而無法獲得相應(yīng)的合力，也就是說在談?wù)摰谌ｎD運(yùn)動(dòng)定律的時(shí)候是沒有平衡力這一概念的。這一點(diǎn)也是牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律和其他兩大牛頓運(yùn)動(dòng)定律的本質(zhì)區(qū)別。在理解這些的基礎(chǔ)上，我們可以通過牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律來解釋日常的生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。例如：對(duì)于鼓掌這一現(xiàn)象，我們?nèi)粘Ｉ钪谐３?huì)碰到，這一現(xiàn)象遵循牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。當(dāng)我們輕輕鼓掌的時(shí)候，手掌并不會(huì)感到疼痛；但是當(dāng)我們非常用力來鼓掌的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)我們的左右手掌都會(huì)感到劇烈的疼痛，但是一段時(shí)間過后，手掌就沒有感覺了。這是因?yàn)?，我們施加的作用力增加，其反作用力也相?yīng)的增加。這就好比我們的左手對(duì)右手施加作用力增加，那么我們的右手對(duì)左手施加的反作用力也相應(yīng)的增加。同時(shí)，如果我們也更換參照體系，也可以這樣理解，當(dāng)我們的右手對(duì)左手施加作用力增加，那么我們的左手對(duì)右手施加的反作用力也相應(yīng)的增加。左右手相應(yīng)的體系發(fā)生了變化，但最終的參照效果是不變的。這一實(shí)例非常典型的說明，物體間力的作用力總是相互的，且同時(shí)出現(xiàn)以及同時(shí)消失。在一定條件下，作用力和反作用力可以相互轉(zhuǎn)換。這樣的例子比比皆是，當(dāng)我們用手掌拍打墻壁的時(shí)候，越是用力拍打墻壁，手掌就會(huì)越感到疼痛。這同樣是由于手掌對(duì)墻壁施加的一定的作用力。雖然我們的肉眼看不到墻壁發(fā)生的任何變化，但是由于作用力與反作用力的關(guān)系，墻壁也對(duì)手掌施加了同等大小的作用力，只是在完全相反的方向。正是如此，我們的手掌才會(huì)感到疼痛，特別是拍墻壁的作用力越大，手掌就越感到疼痛[2]。從這一實(shí)施例來看，牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律在生活中非常實(shí)用。但是，我們通過細(xì)心觀察發(fā)現(xiàn)，很多現(xiàn)象似乎有違第三牛頓運(yùn)動(dòng)定律。當(dāng)我們把一個(gè)雞蛋防置在地面上，顯然雞蛋沒有發(fā)生任何變化。但是，當(dāng)我們把這個(gè)雞蛋拿到一定的高度然后掉下來，發(fā)現(xiàn)雞蛋落到地面后碎了。這一問題，我們覺得難以用牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律來解決，好像不符合牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。因?yàn)?，?duì)于同一個(gè)雞蛋而言，其重力是恒定的。這也就意味著雞蛋對(duì)地面的作用力是恒定的。如果遵循牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，那么地面對(duì)雞蛋的反作用力也是恒定的。那又為何雞蛋呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)形式呢？放置在地面上的雞蛋沒有破裂，而高處落下的雞蛋破裂了。同樣的情況，也發(fā)生在我們與大力士進(jìn)行掰手腕的時(shí)候，雖然我們與大力士的作用力大小有所不同，但是依據(jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律可知，物體間力的作用是相互的，且總是大小相等，方向相反的。也就是說，當(dāng)以我們的手作為參考體系，無論大力士對(duì)我們的手施加多大的力，我們的手將反作用于大力士多大的力。同樣，以大力士的手作為研究對(duì)象，其情況也是類似的。無論我們的手對(duì)大力士施加多大的作用力，大力士的手將反作用于相同的作用力于我們的手。但是，在實(shí)際的作用效果卻截然不同。往往我們的手感到劇烈的疼痛，而大力士的手卻沒有任何感覺。至于這其中的原因在于，我們的手承受力的能力較小，因而在相同的作用下容易感到劇烈的疼痛。同樣，對(duì)于從高處落下的雞蛋，因?yàn)殡u蛋在落到地面的瞬間已經(jīng)產(chǎn)生一個(gè)非常大的速度，因而產(chǎn)生了非常大的沖量，而放在地面上的雞蛋對(duì)地面的沖量幾乎為零。因此，正式基于這一原因，雖然地面對(duì)雞蛋的反作用力相同，但高處落下的雞蛋還是碎了。這些所有的實(shí)施例表明，只有認(rèn)真仔細(xì)的觀察生活，才能準(zhǔn)確生動(dòng)的反映生活。相信，只要我們熟練掌握牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的基本點(diǎn)，那么我們就可以運(yùn)用這一定律來解決日常生活中的問題。

3 結(jié)語(yǔ)

牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律作為基本的牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律之一，在我們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷娑加猩婕?。通過深層次理解牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律將使我們更好的去觀察生活和反映生活，體驗(yàn)生活中的美。

參考文獻(xiàn)

[1]張維善.牛頓運(yùn)動(dòng)定律的歷史追問與現(xiàn)實(shí)教學(xué)[J].物理教學(xué)探討，2011，29（5）：1-6.

[2]盛一恒.牛頓運(yùn)動(dòng)定律在生活中的存在與應(yīng)用[J].文理導(dǎo)航，2018，2（293）：43.