消除反應

[拼音]:niudun yundong dinglü

[英文]:Newtonˊs laws of motion

英國I.牛頓在《自然哲學的數學原理》中提出的關於物體運動的三個基本規律,又稱牛頓三定律。它們是在觀察和實驗的基礎上發現的,已被公認為巨集觀自然規律,併成為數學演繹的基礎。第一和第二定律是關於一個質點的,因此也是進一步研究質點系運動的基礎;第三定律是質點系力學的基礎。定律的部分內容在牛頓出生前雖已被伽利略在實驗中發現,但以定律的形式準確表述則是牛頓的功績。第三定律是牛頓發現的。牛頓三定律只適用於慣性座標系,對非慣性座標系則必須加以修正(見參考系)。

牛頓在闡述這些定律時指出,它們只適用於“絕對運動”。按照牛頓的解釋,絕對運動是在“絕對空間”中的運動,而“絕對空間”則同任何外界事物無關,是永遠不變和靜止不動的。他還認為時間的流逝不能改變,不管運動得快、慢或無運動,事物持續的時間總是相同的,這就是“絕對時間”。近代物理學的成就證明,空間、時間甚至質量都同物體運動的速度有關,而且物體運動速度愈接近光速(3×105千米/秒),它們受速度的影響就愈加明顯。當物體運動的速度可與光速相比擬時,牛頓的動力學基本定律就不適用了。此外,牛頓定律是從那些由大量原子和分子組成的巨集觀物體的運動中總結出來的,而構成原子的電子、質子和中子等微觀粒子則有與巨集觀物體不同的屬性和運動規律,因此牛頓定律對這些微觀粒子的相互作用也不適用。微觀粒子的研究要用反映微觀世界客觀規律的量子力學。然而在一般工程技術中,巨集觀物體的運動速度,即使是比較高的速度──第一宇宙速度和第二宇宙速度(見宇宙速度),也只是每秒7.9千米和11.2千米,都遠小於光速。所以巨集觀物體的運動對於空間、時間和質量的影響都微不足道,應用牛頓三定律所得到的結果都很精確。因此,以三個基本定律為基礎的經典力學或牛頓力學在現代工程技術中有十分重要的價值。

牛頓第一定律

又稱慣性定律,其內容是:任何一個物體將保持它的靜止狀態或作勻速直線運動,除非有施加於它的力迫使它改變此狀態。

這裡的物體是指質點。質點所具有的保持運動速度和方向不變或在特殊情況下保持靜止狀態的性質稱為慣性。 第一定律確立了質點慣性運動的性質。設

F

為施加於質點的力,v為質點的速度,則第一定律可寫作:如

F

0

,則v=常向量。在特殊情況下,v=

0

古希臘學者特別是亞里士多德及其後繼者試圖解釋物體運動的慣性規律而未成功。他們失敗的原因有二:一是沒有準確度量距離和時間的工具,因而不能用實驗檢驗理論;二是他們錯誤地假設物體的“完全靜止”是物體的自然狀態,而物體的運動必須有力才能保持。

慣性的概念是伽利略首先在《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》一書中明確地提出的。牛頓把這個概念總結為慣性定律則是四十多年以後的事。

牛頓第二定律

又稱運動定律,其內容是:物體運動量的改變與所施加的力成正比,併發生於該力的作用線方向上。牛頓所說的“運動量的改變”就是質點動量的變化率。動量定義為mv,其中m為質量,v為速度向量,因此,第二定律可用下式表示:

設m為一常量,上式可寫作:

F

=km

a

式中

a

為加速度。如m以克為單位,a以釐米/秒2為單位,如果k=1,F就以達因為單位。1達因就是使1克質量的物體具有1釐米/秒2加速度的力。在國際單位制(SI)和中國法定計量單位中,m以千克為單位,a以米/秒2為單位,F以牛頓為單位。1牛頓就是使1千克質量的物體具有1米/秒2加速度的力。1牛頓=103克×100釐米/秒2=105達因。

採用以上單位制,牛頓第二定律可寫成:

如果m=常量或

=0,則

F

=m

a

上式是解決動力學問題的基本依據,故稱為動力學基本方程。

對此定律,人們認為是伽利略首先認識到,既不是物體的速度,也不是物體的位置,而是物體的加速度決定於其他物體對它所施加的力。但質量的定義,則是牛頓首先提出的。

牛頓的第一和第二定律是密切相關的。第一定律表明一個不受干擾力的質點保持它的原有的運動狀態;第二定律則表明,力只能引起原有運動狀態的改變。故這兩個定律否定了伽利略-牛頓時代以前關於必須有力才能保持運動的錯誤觀點。

牛頓第三定律

又稱作用和反作用定律,其內容是:對於任何一個作用必有一個大小相等而方向相反的反作用。即兩物體之間的相互作用一定是大小相等、方向相反,且沿同一直線。由於作用力和反作用力是作用在不同物體上的,所以,作用和反作用不形成等於零的力系,即平衡力系。例如,一塊石頭受到地心引力作用,同時石頭也給地心一反作用力。地球質量太大,其位移無法測定,但石塊的位移則可用肉眼看到。