譚云謙

摘 要：本文首先介紹的牛頓運(yùn)動(dòng)定律以及各自的作用。隨后，本文分別介紹了牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律、牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第三運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)定律對(duì)未來(lái)生活發(fā)展的作用。

關(guān)鍵詞：牛頓運(yùn)動(dòng)定律；發(fā)展史；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G634.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）01-0240-02

1 前言

牛頓運(yùn)動(dòng)定律是對(duì)宏觀、低速世界運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律的總結(jié)，其主要包括牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律、牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律這三條定律。這些定律是英國(guó)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(lái)的，并于1687年發(fā)表在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中[1]。牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的核心和靈魂。其第一運(yùn)動(dòng)定律明了力的含義（力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因）；而第二運(yùn)動(dòng)定律指出了力的作用效果（力使物體獲得加速度）；第三運(yùn)動(dòng)定律揭示出力的本質(zhì)（力是物體間的相互作用）。

2 牛頓運(yùn)動(dòng)定律的提出與發(fā)展

2.1 牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)展史

牛頓第一運(yùn)動(dòng)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^(guò)憑空猜想認(rèn)為，原子在虛空中沒(méi)有阻力的情況下，只要不受外界的干擾，會(huì)一直勻速地運(yùn)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(yùn)動(dòng)的根本原因。創(chuàng)造性的提出了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，并且此“推動(dòng)論”觀點(diǎn)統(tǒng)治了力與運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)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(rèn)為對(duì)物體施加的沖力越大，物體運(yùn)動(dòng)的速度就越大；而當(dāng)沖力耗盡時(shí)，物體就會(huì)停止下來(lái)。三百年后，意大利科學(xué)家伽利略提出類似慣性原理的說(shuō)法，通過(guò)理想斜面實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動(dòng)，則物體將不受斜面傾斜角的影響仍將達(dá)到和原來(lái)同樣的高度。隨后，法國(guó)數(shù)學(xué)家笛卡爾通過(guò)對(duì)伽利略這種類似慣性原理的說(shuō)法進(jìn)行補(bǔ)充，得到了慣性定律。物體不受到外因的作用，物體將永遠(yuǎn)保持其靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，笛卡爾還系統(tǒng)的指出慣性運(yùn)動(dòng)的物體永遠(yuǎn)只會(huì)保持直線運(yùn)動(dòng)。這一理論已經(jīng)非常接近牛頓的第一定律。隨后，牛頓通過(guò)受到這些思想的啟發(fā)，研究了慣性運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)定律。

2.2 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)展史

牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是關(guān)于物體慣性運(yùn)動(dòng)和如何打破慣性運(yùn)動(dòng)的定律，因而有很多類似之處。有人認(rèn)為牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律是牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的一個(gè)特例[2]。因而，對(duì)于牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律的研究也源于對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究。在這方面具有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家是伽利略，其早在1638年就提出以任何速度運(yùn)動(dòng)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(shuō)，就是物體在不受外在作用力時(shí)，將保持初始速度運(yùn)動(dòng)下去。而笛卡爾也認(rèn)為，在沒(méi)有外加作用時(shí)，粒子或者勻速運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的物體同時(shí)有兩種運(yùn)動(dòng)傾向（向徑向運(yùn)動(dòng)和向運(yùn)動(dòng)）。在此基礎(chǔ)上，牛頓通過(guò)研究慣性運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原動(dòng)力，提出了牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律。

2.3 牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)展史

牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律的研究源于對(duì)碰撞問(wèn)題的研究。笛卡爾作為研究該問(wèn)題的先驅(qū)者，他從運(yùn)動(dòng)變化的觀點(diǎn)研究了小球碰撞前后動(dòng)量與動(dòng)量守恒，但忽略了動(dòng)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(guò)程中同一方向的動(dòng)量保持不變，且碰撞前后動(dòng)量守恒。而在1673年，法國(guó)科學(xué)家馬利奧特通過(guò)單擺實(shí)驗(yàn)，巧妙地測(cè)出了碰撞前后的瞬時(shí)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(guò)對(duì)他們的實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與修正，創(chuàng)造性的揭示了兩物體碰撞時(shí)力的相互作用規(guī)律，即牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。

3 牛頓運(yùn)動(dòng)定律在生活中的應(yīng)用

3.1 牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律在生活中的應(yīng)用

牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律認(rèn)為任何物體都要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到外力迫使它改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為止。這一點(diǎn)非常好理解，但是在經(jīng)典力學(xué)的范圍內(nèi)我們無(wú)法找到一個(gè)不受任何力的物體。例如：一個(gè)物體放置在地面上，那么這個(gè)物體就受到了物體本身的重力以及地面對(duì)它的支撐力；同樣，一個(gè)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(duì)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(shí)，物體也要保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止。一個(gè)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(duì)平衡力，即受到本身向下的重力和桌面對(duì)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(gè)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(duì)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(yùn)動(dòng)，這一點(diǎn)也非常好理解。但是為了采用更加直觀的方法來(lái)證明這個(gè)論點(diǎn)。我們?cè)O(shè)置兩個(gè)水平面（一個(gè)粗糙面和一個(gè)光滑面），使同樣形狀、同樣大小的小球在這兩個(gè)不同粗超度的水平面運(yùn)動(dòng)。當(dāng)給小球相同的一個(gè)力后，我們發(fā)現(xiàn)小球在粗糙的水平面上運(yùn)動(dòng)很小一段距離就停止了；然而小球在光滑的水平面可以運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)的距離。當(dāng)然最終小球也是會(huì)停止的，這是因?yàn)楣饣矫嬷皇且粋€(gè)相對(duì)光滑的平面，存在一定的摩擦系數(shù)。當(dāng)我們?cè)O(shè)置幾個(gè)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(yùn)動(dòng)的距離越短。這是因?yàn)槟Σ料禂?shù)越大，小球受到的運(yùn)動(dòng)阻力就越大。因而我們可以想象，在一個(gè)理想的絕對(duì)光滑的水平面上小球可以一直保持這個(gè)速度一直運(yùn)動(dòng)下去的，永不停止。

3.2 牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律在生活中的應(yīng)用

牛頓第二運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。當(dāng)我們?cè)谛泵嫔戏胖靡粋€(gè)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(duì)小球的摩擦力的大小不相等，那么小球就永遠(yuǎn)受到一個(gè)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(yùn)動(dòng)。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(dá)目的地所花費(fèi)的時(shí)間也就越長(zhǎng)，也會(huì)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(guò)采用更大的力來(lái)拖更重的物體，顯然可以與較小的力拖較輕的物體同時(shí)到達(dá)目的地。

3.3 牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律在生活中的應(yīng)用

牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律是相互作用的兩個(gè)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(shí)候，我們的手并沒(méi)有多大的感覺(jué)；而當(dāng)我們用力拍打桌面的時(shí)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(shí)候，手對(duì)桌面的作用力比較小，因而桌面對(duì)手的反作用力也比較小；但是當(dāng)我們用力拍打桌面的時(shí)候，手對(duì)桌面的作用力比較大，這也就導(dǎo)致桌面對(duì)手的反作用力也越大。同樣的原理，雙手拉開(kāi)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(kāi)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(shí)候，越用力往下拍，籃球在相反方向上反彈的就越高。通過(guò)這些簡(jiǎn)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(shí)候我們也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們與大力士掰手腕的時(shí)候，在剛開(kāi)始用力的一剎那，我們的手會(huì)感到劇烈的疼痛，但是大力士卻沒(méi)有明顯的感覺(jué)。依據(jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，物體間力的作用是相互的，也就是說(shuō)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(méi)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(duì)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(huì)感到劇烈的疼痛。

4 結(jié)語(yǔ)

牛頓運(yùn)動(dòng)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?duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)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(lái)越大。

參考文獻(xiàn)

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[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