第五篇 运动和力

青莲翠竹

第五篇 运动和力

——牛顿运动定律

万物互动呈万象，

千载公认源于力。

直至牛顿降人世，

发明运动三定律。

愚昧一扫见真谛，

科学阳光照大地。

5.1 牛顿第一定律

牛顿第一定律：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。这就是著名的牛顿第一定律。（初中教材的表述）

一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态，这就是牛顿第一定律（Newton`s first law)。（高中教材的表述）

物体这种保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫做惯性（inertia)。牛顿第一定律也叫作惯性定律。

任何物体都和周围的物体有相互作用，不受力作用的物体是不存在的。所以，牛顿第一定律所描述的状态是一种理想状态。它是利用逻辑思维进行分析的产物，不可能用实验直接验证。

牛顿第一定律揭示了运动和力的关系：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。保持静止或匀速直线运动状态是物体的固有属性，这一属性称为惯性。惯性不是外界强加给它的，是物体固有的，一切物体都具有惯性。牛顿第一定律为力学的发展奠定了坚实的基础。

惯性与质量

大量事例说明，不同质量的物体，惯性的大小是不一样的。也就是说，不同物体维持其原有运动状态的“能力”不同，质量大的物体惯性大。描述物体惯性的物理量是它的质量（mass）。

质量只有大小，没有方向，是标量。在国际单位制中，质量的单位是千克，符号为kg。

5.2 牛顿第二定律

牛顿第二定律的表达式：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。这就是牛顿第二定律(Newton's second law）。

牛顿第二定律可表述为

a∝F/m

也可以写成等式

F = kma

其中k是比例系数。

牛顿第二定律不仅阐述了力、质量和加速度三者数量间的关系，还明确了加速度的方向与力的方向一致。

力的单位

F = kma中k的数值取决于F、m、a的单位的选取。

当k=1时，质量为1 kg的物体在某力的作用下获得1 m/s2的加速度，则这个力

F = ma = 1 kg·m/s2

如果我们把这个力叫作“一个单位”的力的话，力F的单位就是千克米每二次方秒。后人为了纪念牛顿，把它称作“牛顿”，用符号N表示。

在质量的单位取千克（kg），加速度的单位取米每二次方秒（m/s2），力的单位取牛顿（N）时，牛顿第二定律可以表述为

F=ma

5.3 力学单位制

基本单位

在物理学中，只要选定几个物理量的单位，就能够利用物理量之间的关系推导出其他物理量的单位。这些被选定的物理量叫作基本量，它们相应的单位叫作基本单位。

由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量叫作导出量，推导出来的相应单位叫作导出单位，例如速度、加速度的单位。

基本单位和导出单位一起就组成了一个单位制（system of units）。

国际单位制

如果采用不同的物理量作为基本量，或者虽然采用相同的基本量，但采用的基本单位不同，导出单位自然随之不同，从而产生不同的单位制。不同的地区使用不同的单位制，不方便交流。1960年第11届国际计量大会制订了一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制，叫作国际单位制（Le Système International d'Unités，法文），简称SI。

在力学范围内，规定长度、质量、时间为三个基本量，对热学、电磁学、光学等学科，除了上述三个基本量和相应的基本单位外，还要加上另外四个基本量和它们的基本单位，才能导出其他物理量的单位。

5.4 牛顿第三定律

作用力和反作用力

力是物体对物体的作用。只要谈到力，就一定存在着受力物体和施力物体。两个物体之间的作用总是相互的。当一个物体对另一个物体施加了力，后一个物体一定同时对前一个物体也施加了力。物体间相互作用的这一对力，通常叫作作用力（acting force）和反作用力（reacting force）。

作用力和反作用力总是互相依赖、同时存在的。我们可以把其中任何一个力叫作作用力，另一个力叫作反作用力。

牛顿第三定律

牛顿经过研究指出：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律（Newton's third law）。

1727年3月20日凌晨，十七世纪人类伟大的科学家牛顿于久病不医中去世。据说在生命即将停止的时候，他的心情是坦荡而平静的。英国诗人波普为他写的碑铭说：“自然和自然的规律，都藏在黑暗的夜间；上帝说‘让牛顿降生’，使一切变得灿烂光明。” 牛顿三定律揭示了自然界物体的运动规律，自然界物体运动的现象纷纭复杂，变幻无穷，却都得遵循简洁明了的牛顿三定律，运用牛顿三定律，可以精确地计算把握任何物体运动的轨迹和结局。自然属性的人遵循自然规律，社会属性的人有规律可循吗？各种主义、思想、理论、各种道德观念好像都是值得遵循的，其实真理的东西应该是简单的，应该是直指人心的，应该也像牛顿三定律那样简洁明了举世公认。

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