牛顿第一定理
内容:一切物体在任何情况下,在不受外力的作用时,总保持静止或匀速直线运动状态.
说明:物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势,因而物体的运动状态是由它的运动速率决定的,没有外力,它的运动状态是不会改变的.物体的保持原有运动状态不变的性质称为惯性().所以牛顿第一定理统称为惯性定理(lawof).第一定理也揭示了力的概念.明晰了力是物体间的互相作用,强调了是力改变了物体的运动状态.由于加速度是描写物体运动状态的变化,所以力是和加速度相联系的,而不是和速率相联系的.在日常生活中不注意这点,常常容易形成错觉.
注意:
1.牛顿第一定理并不是在所有的参照系里都创立,实际上它只在惯性参照系里才创立.因而经常把牛顿第一定理是否创立,作为一个参照系是否惯性参照系的判据.
2.牛顿第一定理是通过剖析事实,再进一步概括、推理得出的.我们周围的物体,都要遭到这个力或那种力的作用,因而不可能用实验来直接验证这一定理.并且,从定理得出的一切推测,都经受住了实践的检验,因而,牛顿第一定律己成为你们公认的热学基本定理之一.
牛顿第二定理
定理内容:物体的加速度跟物体所受的合外力成反比,跟物体的质量成正比,加速度的方向跟合外力的方向相同.
公式:F合=ma
几点说明:
(1)牛顿第二定理是力的瞬时作用规律.力和加速度同时形成、同时变化、同时消逝.
(2)F=ma是一个矢量多项式,应用时应规定正方向,凡与正方向相同的力或加速度均取正值,反之取负值,通常常取加速度的方向总之方向.
(3)按照力的独立作用原理,用牛顿第二定理处理物体在一个平面内运动的问题时,可将物本所受各力正交分解,在两个相互垂直的方向上分别应用牛顿第二定理的份量方式:Fx=max,Fy=max列多项式.
牛顿第二定理的三个性质:
(1)矢量性:力和加速度都是矢量,物体加速度方向由物体所受合外力的方向决定.牛顿第二定理物理表达式∑F=ma中,等号除了表示左右两侧数值相等,也表示方向一致,即物体加速度方向与所受合外力方向相同.
(2)瞬时性:当物体(质量一定)所受外力发生忽然变化时,作为由力决定的加速度的大小和方向也要同时发生突变;当合外力为零时牛顿定律的定义,加速度同时为零,加速度与合外力保持一一对应关系.牛顿第二定理是一个瞬时对应的规律,表明了力的顿时效应.
(3)相对性:自然界中存在着一种座标系,在这些座标系中,当物体不受力时将保持匀速直线运动或静止状态,这样的座标系叫惯性参照系.地面和相对于地面静止或作匀速直线运动的物体可以看作是惯性参照系,牛顿定理只在惯性参照系中才创立.
适用范围:
(1)只适用于低速运动的物体(与光速比速率较低).
(2)只适用于宏观物体,牛顿第二定理不适用于微观原子.
(3)参照系应为惯性系.
牛顿第三定理
内容:两个物体之间的斥力和反斥力,在同一条直线上,大小相等,方向相反.
表达式:F1=F2,F1表示斥力,F2表示反斥力.
说明:要改变一个物体的运动状态,必须有其它物体和它互相作用.物体之间的互相作用是通过力彰显的.而且强调力的作用是互相的牛顿定律的定义,有作用必有反斥力.它们是作用在同一条直线上,大小相等,方向相反.
适用范围:
牛顿运动定理是构建在绝对时空以及与此相适应的超距作用基础上的所谓超距作用,是指分离的物体间不须要任何介质,也不须要时间来传递它们之间的互相作用.也就是说互相作用以无穷大的速率传递.
不仅上述基本观点以外,在牛顿的时代,人们了解的互相作用.如万有引力、磁石之间的磁力以及互相接触物体之间的斥力,都是顺着互相作用的物体的连线方向,并且互相作用的物体的运动速率都在常速范围内.
在这些情况下,牛顿从实验中发觉了第三定理.“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗;或则说,两物体彼此之间的互相作用永远相等,而且各自指向其对方.”作用力和反斥力等大、反向、共线,彼此作用于对方,而且同时形成,性质相同,这种往往是我们讲授这个定理要指出的内容.但是,在一定范围内,牛顿第三定理与物体系的动量守恒是密切相联系的.
并且随着人们对物体间的互相作用的认识的发展,19世纪发觉了电与磁之间的联系,完善了电场、磁场的概念;不仅静止电荷之间有顺着连线方向互相作用的库仑力外,发觉运动电荷还要遭到磁场力即洛伦兹力的作用;运动电荷又将迸发磁场,因而两个运动电荷之间存在互相作用.在对电磁现象研究的基础上,麦克斯韦(1831-1879)在1855~1873年间完成了对电磁现象及其规律的大综合、建立了系统的电磁理论,发觉电磁作用是通过电磁场以有限的速率(光速c)来传递的,后来为电磁波的发觉所否认.
化学学的深入发展,曝露出牛顿第三定理并不是对一切互相作用都是适用的.假若说静止电荷之间的库仑互相作用是顺着二电荷的连线方向,静电作用可当做以“无穷大速率”传递的超距作用,因此牛顿第三定理仍适用的话,这么,对于运动电荷之间的互相作用,牛顿第三定理就不适用了.如图所示.运动电荷B通过迸发的磁场作用于运动电荷A的力为(并不沿AB的连线),而运动电荷A的磁场在此刻对B电荷却无斥力(图中未表示它们之间的库仑力).由此可见,斥力在此刻不存在反斥力,作用与反作用定理在这儿失效了.
实验证明:对于以电磁场为媒介传递的近程作用,总存在着时间的延后.对于存在延后效应的互相作用,牛顿第三定理其实是不适用的.实际上,只有对于顺着二物连线方向的作用(称为有心力),并可以不计这些作用传递时间(即可看做直接的超距作用)的场合中,牛顿第三定理才有效.
然而在牛顿热学体系中,与第三定理密切相关的动量守恒定理,却是一个普遍的自然规律.在有电磁互相作用参与的情况下,动量的概念应从实物的动量扩大到包含场的动量;从实物粒子的机械动量守恒扩大为全部粒子和场的总动量守恒,进而使动量守恒定理成为普适的守恒定理.