淺析牛頓三大定律的發(fā)展與原理

孫一丹

【摘要】牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律不僅是是高中物理學(xué)習(xí)部分中十分重要的部分，同時(shí)在日常生活中的應(yīng)用也十分重要。在研究這三大定律的過程中，不應(yīng)僅限于對這些定律的理論層面的研究，而應(yīng)更深一步了解牛頓三大定律的發(fā)展歷史，理解牛頓三大定律實(shí)際意義，以及牛頓三大定律在生活中的應(yīng)用。首先介紹牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)展史以及定律的內(nèi)容，然后對牛頓三大定律的實(shí)際意義的理解和生活中應(yīng)用進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】牛頓定律 慣性 力與運(yùn)動(dòng) 作用與反作用

一、牛頓運(yùn)動(dòng)定律的建立

1.研究背景

在高中部分的學(xué)習(xí)中，通過閱讀相關(guān)資料，我們發(fā)現(xiàn)牛頓定律是進(jìn)行了一系列整理、分析并結(jié)合多年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)的積累總結(jié)出的。牛頓第一定律的思想就是慣性，所謂慣性就是具有保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)即保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)。經(jīng)過多年的不懈研究，多位學(xué)者的不斷修正，慣性的思想最終被牛頓完整地總結(jié)出，并廣泛被人知曉。牛頓第二定律的研究重點(diǎn)是對力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)地剖析，將加速度、質(zhì)量、及合外力的關(guān)系緊密地聯(lián)系在了一起，所以這一部分的深度研究不僅需要強(qiáng)大的力學(xué)基礎(chǔ)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識也是不可缺少的。由于加速度與其他物理參數(shù)相比有獨(dú)特之處，所以在牛頓第二定律考慮合外力特征時(shí)加速度是不可缺少。而牛頓第三定律相比于其他兩個(gè)定律就更加簡練，與我們的生活也更加密切，在牛頓考慮相互作用力這一問題后，便進(jìn)行詳細(xì)的解釋；雖然這一定律的內(nèi)容不繁瑣，不復(fù)雜，卻也是在生活中最常見、最普遍的現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和研究中需要注重對相互作用力和平衡力的區(qū)分。

2.建立過程

（1）慣性思想

康德在《宇宙發(fā)展史概論》中也涉及了關(guān)于慣性思想的內(nèi)容：原子偶然偏斜的原因是斥力。這本質(zhì)上是原子慣性的內(nèi)容。古希臘哲學(xué)家亞里士多德《物理學(xué)》中認(rèn)為一切運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。然而伽利略卻在自己進(jìn)行了一系列理想實(shí)驗(yàn)后，大膽猜測并否定了亞里士多德的思想，首次提出慣性的概念，但他仍沒有完全拋下亞里士多德的觀點(diǎn)，所以說亞里士多德發(fā)現(xiàn)牛頓第一定律是不準(zhǔn)確的。開普勒對天體中的慣性進(jìn)行了一系列研究，在《行星的原因》中認(rèn)為慣性和重量十分相像，天體依靠慣性而運(yùn)動(dòng)。最后，牛頓在前人的基礎(chǔ)上在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中總結(jié)出牛頓第一定律慣性是由質(zhì)量決定的。

（2）力和運(yùn)動(dòng)結(jié)合的思想

古代人通過觀察天體，首先有了對時(shí)間和位置的概念，直到伽利略提出速度，加速度等概念，運(yùn)動(dòng)學(xué)才逐步走向成熟。人們分別認(rèn)識了力和運(yùn)動(dòng)之后，便開始了對其內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了研究。古代希臘著名哲學(xué)家伊壁鳩魯，提出影響原子的運(yùn)動(dòng)的三種因素，將運(yùn)動(dòng)和作用力連接起來。亞里士多德同樣對運(yùn)動(dòng)和力提出了自己的觀點(diǎn)，特征為作用力和速度比例，然而，他并沒有意識到作用力和速度成比例。不過，后來伽利略在比薩斜塔上，做了一個(gè)有關(guān)自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)對亞里士多德的觀點(diǎn)進(jìn)行反駁，并提出了運(yùn)動(dòng)的路程與時(shí)間的平方成比例，一并提出了加速度的概念。不久后，法國著名哲學(xué)家笛卡爾將此關(guān)系推廣到了宇宙，認(rèn)為物體碰撞不會(huì)影響物體的總動(dòng)量。直到大約1665年，牛頓進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，在前人的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行總結(jié)：當(dāng)加速度一定時(shí)，合外力與質(zhì)量成正比；當(dāng)合外力一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成正比。

（3）作用與反作用思想

笛卡爾在之前已認(rèn)識到兩剛體之間存在的相互作用，這就是作用與反作用思想的萌芽。

牛頓最早在研究第一二定律時(shí)就意識到作用與反作用的存在，并運(yùn)用圖形驗(yàn)證作用力與反作用力在一條直線上的猜想，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)出牛頓第三定律。

二、牛頓運(yùn)動(dòng)三定律

1.牛頓第一定律內(nèi)容及理解

牛頓第一定律的內(nèi)容是：一切物體在不受外力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后人稱之為牛頓第一定律，又稱慣性定律。但由于物體不受外力，只是理想情況下，無法實(shí)現(xiàn)，所以后人又給出了新的定義：一切物體總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。

對慣性一詞的理解是，慣性只與質(zhì)量有關(guān)，具有慣性的物體在不受外力的情況下，會(huì)保持與原來相同的速度，這個(gè)速度的大小不與物體質(zhì)量有關(guān)，而是與物體的原速度有關(guān)。

其實(shí)，牛一定律也包含著力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。只不過與牛二定律不同的是，牛一定律是總結(jié)出運(yùn)動(dòng)和力的定性分析，而牛二定律則總結(jié)出運(yùn)動(dòng)和力的定量分析。牛一定律是牛二定律的基礎(chǔ)，而不是牛二定律在合外力為零的特例。力與運(yùn)動(dòng)一樣，具有相對性。不是物體受到力，就一定會(huì)改變運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，而是相對于某一物體而言受到某一外力的作用，發(fā)生相對這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。

這一定律是在伽利略理想實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上研究的，因其條件為在物體不受合外力的情況下，所以這條定律暫時(shí)無法用實(shí)驗(yàn)證明，只能用一系列的無限接近的實(shí)驗(yàn)以及合理的猜想而得出最后的結(jié)論。

2.牛頓第二定律內(nèi)容及理解

這里的a和F均為矢量，所以一個(gè)方向合力就可以通過正交分解分解成多個(gè)方向的力，一個(gè)方向的加速度就可以同樣能夠用正交分解的方法，被分解成多個(gè)不同方向的加速度。這樣分解對于分析物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很大幫助，可以有利于逐步分析物體在不同方向上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而更加準(zhǔn)確地分析物體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

如果一個(gè)系統(tǒng)中的幾個(gè)物體中內(nèi)力可相互抵消，則可以將這個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)整體進(jìn)行分析，即系統(tǒng)所受合力等于系統(tǒng)加速度與系統(tǒng)總質(zhì)量的乘積。

若忽略一個(gè)系統(tǒng)中的內(nèi)力，牛頓第二定律也可理解為，系統(tǒng)所受合力等于系統(tǒng)中所有物體質(zhì)量與加速度的乘積之和。根據(jù)實(shí)際情況，對上述內(nèi)容進(jìn)行選取和應(yīng)用。

3.牛頓第三定律內(nèi)容及理解

牛頓第三定律的內(nèi)容：兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，總是同時(shí)作用在同一直線上，且大小相等，方向相反，即F1=（N=N'）

當(dāng)物體A對物體B施力時(shí)，那么同時(shí)物體A一定受到物體B的相同大小的力的作用，而當(dāng)物體A停止對物體B施力的瞬間，物體B對物體A的力也在這一瞬間隨之消失，這就是力的同時(shí)性和相互性。一對相互作用力一定大小相等，方向相反，作用在同一直線上，一定具有這完全相同的性質(zhì)。除此之外，實(shí)際存在的力，即使是一對相互作用力，其產(chǎn)生的效果也不能抵消。在相互作用中，作用力和反作用力的受力物體不同，所以無法求兩個(gè)力合力進(jìn)行分析。

三、牛頓運(yùn)動(dòng)定律的意義及應(yīng)用

1.牛頓運(yùn)動(dòng)定律的意義

牛頓運(yùn)動(dòng)定律的理論和研究過程，極大程度地影響人們對于問題的解決態(tài)度。使唯物論在宗教神學(xué)中得到了發(fā)言權(quán)，在其后形成了歷史上唯物主義和唯心主義的最激烈的斗爭時(shí)期。在康德和黑格爾對于辯證法和機(jī)械唯物主義的研究及其發(fā)展之后，包括馬克思和恩格斯吸收哲學(xué)的研究成果。終于唯物主義辯證法建立起來，這與牛頓定律的建立密不可分。

牛頓三大定律就像歐幾里得的基本定理給現(xiàn)代幾何學(xué)打下基礎(chǔ)一樣，三大定律為物理科學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，建立了牛頓經(jīng)典力學(xué)體系，創(chuàng)造了科學(xué)的又一個(gè)奇跡，極大程度地促進(jìn)了人們的生產(chǎn)生活的進(jìn)步。在牛頓的成功的背景之下，越來越多的科學(xué)家們?nèi)ヌ剿髯匀恢械膴W秘，也使得科學(xué)家們用實(shí)驗(yàn)與分析的方法解決問題，獲得了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)了物理界乃至科學(xué)界的進(jìn)步。

2.牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用

（1）牛頓第一定律的應(yīng)用

機(jī)動(dòng)車安全帶的產(chǎn)生就來源于牛頓第一定律，避免了許多悲慘事故的發(fā)生，包括氣囊的產(chǎn)生，用以減小慣性帶來的危害，減小沖擊受到的影響。比如，拍去衣服上的灰塵，當(dāng)我們拍打衣物時(shí)，衣物受到力的作用，發(fā)生了形變，而灰塵具有慣性，仍保持原有的位置，接著收到重力的作用，掉落下來，從而達(dá)到拍打灰塵的作用。我們還可以將松動(dòng)的錘棒變得牢固，球在離開腳后仍可繼續(xù)飛行?？茖W(xué)領(lǐng)域方面，科學(xué)家們可以利用慣性定律設(shè)計(jì)出衛(wèi)星變軌的方法。

（2）牛頓第二定律的應(yīng)用

運(yùn)用牛頓第二定律，我們可以估算出使物體達(dá)到某一速度時(shí)，所需外力的多少，如保證在冰面上滑不倒，穿的鞋子的粗糙程度決定了最大靜摩擦力，當(dāng)我們走動(dòng)的時(shí)候，鞋子的粗糙面使得有足夠的摩擦力，提供給我們加速度，是我們能正常在冰面上行走。航空專家可以運(yùn)用這個(gè)公式算出，使火箭升空固定高度需要燃料多少，這樣不僅可以節(jié)約燃料，還減輕火箭質(zhì)量，提升火箭的技術(shù)。

（3）牛頓第三定律的應(yīng)用

牛頓第三定律在生活中十分常見，游泳時(shí)，雙腳向后蹬水，使人受到水的反作用力，拍手時(shí)兩手受到的作用力是一樣大的。也包括天體中的引力，比如太陽吸引地球，地球吸引太陽，這兩個(gè)力同樣是等大的。發(fā)射火箭時(shí)，通過燃燒燃料使火箭給空氣一個(gè)推力，同時(shí)空氣就會(huì)給對火箭一個(gè)等大方向相反的反作用力，從而推動(dòng)火箭，使火箭升空。

四、結(jié)論

本文通過闡述牛頓定律的發(fā)展過程，我們了解到要巧妙利用前人積累下來的經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合自己的研究經(jīng)驗(yàn)得出最終的研究結(jié)果，正如牛頓所說，站在巨人的肩膀上。本文還對牛頓三大定律進(jìn)行了詳細(xì)的解釋和分析，我們需要在日常的學(xué)習(xí)中注意的細(xì)節(jié)以便更好地理解牛頓定律的內(nèi)容。在本文的第三部分，對于三大定律的意義以及應(yīng)用進(jìn)行了敘述，以便我們明確牛頓定律在生活中的體現(xiàn)和對人類的生活產(chǎn)生的巨大影響，定律還解釋了生活中常見的問題。

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