對牛頓三大定律的修正與完善

(節(jié)選內(nèi)容1)

前言

1687年,牛頓在出版的著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了三條定律作為動力學(xué)的基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容為:

第一定律:任何物體都要保持勻速直線運動或靜止的狀態(tài),直到外力迫使它改變運動狀態(tài)為止。

第二定律:物體的加速度與合力成正比,與物體的質(zhì)量成反比。F=ma。

第三定律:兩個物體間的作用力和反作用力大小相等,方向相反,且作用在一條直線上。

根據(jù)這三條定律的性質(zhì),第一定律又叫為慣性定律,第二定律又叫為加速度定律,第三定律又叫做作用力與反作用力定律。

正文

1

物體的慣性與作用力的分類

物理學(xué)中,一個物體所具有的慣性是指在不受外界因素的影響下,在同一參考系中具有初速度為0的物體將一直保持初速度為0的運動狀態(tài),具有初速度不為0的物體也將一直保持初速度不為0的運動狀態(tài),該物體所具有的運動狀態(tài)不以時間的變化發(fā)生改變,也不以運動距離的變化而發(fā)生改變,若要想改變該物體的運動狀態(tài)就得施加相應(yīng)的外力作用。在同一參考系中,物體所產(chǎn)生的這種要保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)的現(xiàn)象便稱為慣性運動;物體所具有的這種要保持勻速直線運動或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)便稱之為慣性;物體所做慣性運動時所具有的速度便稱之為慣性速度。

一個在環(huán)境中做慣性運動的物體,如果我們對該物體馳加一個作用力,便可以改變物體的運動狀態(tài)。施加的作用力通常具有大小和方向的物理性質(zhì),這些具有不同大小和不同方向的作用力分別作用在物體的身上時,對物體的運動狀態(tài)所造成的改變也是不同的。根據(jù)這些作用力對物體運動狀態(tài)所造成的改變可以分為兩種類型的力:第一種類型的力是不改變物體初始運動速度的大小,只對物體增加另一個方向上的速度大小從而改變物體做直線運動的軌跡。此類作用力可以使得物體發(fā)生做勻速圓周運動、曲線運動等直線運動軌跡發(fā)生變化的運動。第二種類型的力是不改變物體做直線運動的軌跡,只改變物體的初始運動速度大小和物體運動的正反方向。此類作用力可以使得物體發(fā)生加速運動、減速運動、靜止甚至改變原有的運動方向做反方向運動的現(xiàn)象。

現(xiàn)在我們主要以第二種類型的力對物體慣性產(chǎn)生的作用進(jìn)行研究,這種類型的力根據(jù)對物體的慣性產(chǎn)生的不同效果也可以分為兩種力。一種是力作用方向與物體運動方向相同的力,可以稱之為正作用力,簡稱為正向力;另一種是力作用方向與物體運動方向相反的力,可以稱之為反作用力,簡稱為反向力。正向力使得物體的慣性速度增大,對外表現(xiàn)為物體發(fā)生加速運動的現(xiàn)象;反向力使得物體的慣性速度減少,對外表現(xiàn)為物體發(fā)生做減速運動,以至于最后靜止或者做反向運動的現(xiàn)像。發(fā)生反向運動的物體,原先的反向力變得與物體發(fā)生反向運動后的方向一致,所以原先的反向力又可以稱為物體新運動狀態(tài)的正向力。

2

物體的慣性力與運動規(guī)律

在同一參考系里,若一個做慣性運動且慣性速度不為0的物體A與一個做慣性運動且慣性速度為0的物體B發(fā)生相撞后,可以使得物體A的運動狀態(tài)會發(fā)生改變,物體B的運動狀態(tài)也發(fā)生改變。相撞后的物體A的慣性速度變?yōu)?,相撞后的物體B獲得一個新的慣性速度v發(fā)生運動。這種變化等同于物體A失去了原有的慣性,使得物體A的慣性變小了,對外表現(xiàn)為物體A的慣性速度變?yōu)?的運動狀態(tài)。根據(jù)能量守恒的原理,這部分失去的慣性并不會無故消失,而是轉(zhuǎn)移到了物體B的身上,使得物體B的慣性增加大了,對外表現(xiàn)為物體B獲得了一個不為0的慣性速度,我把這種現(xiàn)象稱之為慣性的轉(zhuǎn)移

當(dāng)物體A的慣性轉(zhuǎn)移到物體B的身上時,物體A對物體B產(chǎn)生的作用效果就如同物體A對物體B施加了一個相應(yīng)大小的正向力,使得物體B在該正向力的作用下改變了原有的運動狀態(tài),最后獲得新的速度做慣性運動的現(xiàn)象。所以物體A轉(zhuǎn)移到物體B身上的慣性大小等同于一個作用在物體B身上的正向力大小。故一個物體所具有的慣性大小可以用力的大小來進(jìn)行等同,而這個可以等同于物體慣性大小的力便稱之為物體的慣性力。

當(dāng)一個物體A把自身的慣性力轉(zhuǎn)移給另一個物體B時,物體A的慣性力將發(fā)生減少,表現(xiàn)為物體A的慣性速度發(fā)生減少,物體B的慣性力則發(fā)生增大,表現(xiàn)為物體B的慣性速度發(fā)生增大。此原理稱之為物體慣性力的轉(zhuǎn)移原理。

慣性越大的物體,所具有的慣性力越大;慣性越小的物體所具有的慣性力越小,在同一參考系里,慣性力的大小用物體的質(zhì)量與速度的乘積進(jìn)行衡量。表達(dá)公式為:

F慣=mv


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