淺析牛頓三大定律的發展與原理

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(遼寧省實驗中學)

一、牛頓運動定律的建立

1.研究背景

在高中部分的學習中，通過閱讀相關資料，我們發現牛頓定律是進行了一系列整理、分析并結合多年的實驗結果及經驗的積累總結出的。牛頓第一定律的思想就是慣性，所謂慣性就是具有保持靜止狀態或勻速直線運動狀態的性質即保持運動狀態不變的性質。經過多年的不懈研究，多位學者的不斷修正，慣性的思想最終被牛頓完整地總結出，并廣泛被人知曉。牛頓第二定律的研究重點是對力學和運動學進行系統地剖析，將加速度、質量、及合外力的關系緊密地聯系在了一起，所以這一部分的深度研究不僅需要強大的力學基礎，同時運動學的知識也是不可缺少的。由于加速度與其他物理參數相比有獨特之處，所以在牛頓第二定律考慮合外力特征時加速度是不可缺少。而牛頓第三定律相比于其他兩個定律就更加簡練，與我們的生活也更加密切，在牛頓考慮相互作用力這一問題后，便進行詳細的解釋；雖然這一定律的內容不繁瑣，不復雜，卻也是在生活中最常見、最普遍的現象，學習和研究中需要注重對相互作用力和平衡力的區分。

2.建立過程

(1)慣性思想

康德在《宇宙發展史概論》中也涉及了關于慣性思想的內容：原子偶然偏斜的原因是斥力。這本質上是原子慣性的內容。古希臘哲學家亞里士多德《物理學》中認為一切運動分為自然運動和強制運動。然而伽利略卻在自己進行了一系列理想實驗后，大膽猜測并否定了亞里士多德的思想，首次提出慣性的概念，但他仍沒有完全拋下亞里士多德的觀點，所以說亞里士多德發現牛頓第一定律是不準確的。開普勒對天體中的慣性進行了一系列研究，在《行星的原因》中認為慣性和重量十分相像，天體依靠慣性而運動。最后，牛頓在前人的基礎上在《自然哲學的數學原理》中總結出牛頓第一定律慣性是由質量決定的。

(2)力和運動結合的思想

古代人通過觀察天體，首先有了對時間和位置的概念，直到伽利略提出速度，加速度等概念，運動學才逐步走向成熟。人們分別認識了力和運動之后，便開始了對其內在關系進行了研究。古代希臘著名哲學家伊壁鳩魯，提出影響原子的運動的三種因素，將運動和作用力連接起來。亞里士多德同樣對運動和力提出了自己的觀點，特征為作用力和速度比例，然而，他并沒有意識到作用力和速度成比例。不過，后來伽利略在比薩斜塔上，做了一個有關自由落體運動的實驗對亞里士多德的觀點進行反駁，并提出了運動的路程與時間的平方成比例，一并提出了加速度的概念。不久后，法國著名哲學家笛卡爾將此關系推廣到了宇宙，認為物體碰撞不會影響物體的總動量。直到大約1665年，牛頓進行了一系列實驗，在前人的基礎上對其進行總結：當加速度一定時，合外力與質量成正比；當合外力一定時，加速度與質量成正比。

(3)作用與反作用思想

笛卡爾在之前已認識到兩剛體之間存在的相互作用，這就是作用與反作用思想的萌芽。

牛頓最早在研究第一二定律時就意識到作用與反作用的存在，并運用圖形驗證作用力與反作用力在一條直線上的猜想，發現并總結出牛頓第三定律。

二、牛頓運動三定律

1.牛頓第一定律內容及理解

牛頓第一定律的內容是:一切物體在不受外力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態后人稱之為牛頓第一定律，又稱慣性定律。但由于物體不受外力，只是理想情況下，無法實現，所以后人又給出了新的定義：一切物體總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態。

對慣性一詞的理解是，慣性只與質量有關，具有慣性的物體在不受外力的情況下，會保持與原來相同的速度，這個速度的大小不與物體質量有關，而是與物體的原速度有關。

其實，牛一定律也包含著力與運動的關系。只不過與牛二定律不同的是，牛一定律是總結出運動和力的定性分析，而牛二定律則總結出運動和力的定量分析。牛一定律是牛二定律的基礎，而不是牛二定律在合外力為零的特例。力與運動一樣，具有相對性。不是物體受到力，就一定會改變運動的狀態，而是相對于某一物體而言受到某一外力的作用，發生相對這個物體的運動狀態的改變。

這一定律是在伽利略理想實驗基礎上研究的，因其條件為在物體不受合外力的情況下，所以這條定律暫時無法用實驗證明，只能用一系列的無限接近的實驗以及合理的猜想而得出最后的結論。

2.牛頓第二定律內容及理解

這里的a和F均為矢量，所以一個方向合力就可以通過正交分解分解成多個方向的力，一個方向的加速度就可以同樣能夠用正交分解的方法，被分解成多個不同方向的加速度。這樣分解對于分析物體運動狀態有很大幫助，可以有利于逐步分析物體在不同方向上的運動狀態，從而更加準確地分析物體運動的狀態。

如果一個系統中的幾個物體中內力可相互抵消，則可以將這個系統看作一個整體進行分析，即系統所受合力等于系統加速度與系統總質量的乘積。

若忽略一個系統中的內力，牛頓第二定律也可理解為，系統所受合力等于系統中所有物體質量與加速度的乘積之和。根據實際情況，對上述內容進行選取和應用。

3.牛頓第三定律內容及理解

牛頓第三定律的內容：兩個物體之間的作用力和反作用力，總是同時作用在同一直線上，且大小相等，方向相反，即F1=(N=N')

當物體A對物體B施力時，那么同時物體A一定受到物體B的相同大小的力的作用，而當物體A停止對物體B施力的瞬間，物體B對物體A的力也在這一瞬間隨之消失，這就是力的同時性和相互性。一對相互作用力一定大小相等，方向相反，作用在同一直線上，一定具有這完全相同的性質。除此之外，實際存在的力，即使是一對相互作用力，其產生的效果也不能抵消。在相互作用中，作用力和反作用力的受力物體不同，所以無法求兩個力合力進行分析。

三、牛頓運動定律的意義及應用

1.牛頓運動定律的意義

牛頓運動定律的理論和研究過程，極大程度地影響人們對于問題的解決態度。使唯物論在宗教神學中得到了發言權，在其后形成了歷史上唯物主義和唯心主義的最激烈的斗爭時期。在康德和黑格爾對于辯證法和機械唯物主義的研究及其發展之后，包括馬克思和恩格斯吸收哲學的研究成果。終于唯物主義辯證法建立起來，這與牛頓定律的建立密不可分。

牛頓三大定律就像歐幾里得的基本定理給現代幾何學打下基礎一樣，三大定律為物理科學奠定了堅實的基礎，建立了牛頓經典力學體系，創造了科學的又一個奇跡，極大程度地促進了人們的生產生活的進步。在牛頓的成功的背景之下，越來越多的科學家們去探索自然中的奧秘，也使得科學家們用實驗與分析的方法解決問題，獲得了大量寶貴的經驗，推動了物理界乃至科學界的進步。

2.牛頓運動定律的應用

(1)牛頓第一定律的應用

機動車安全帶的產生就來源于牛頓第一定律，避免了許多悲慘事故的發生，包括氣囊的產生，用以減小慣性帶來的危害，減小沖擊受到的影響。比如，拍去衣服上的灰塵，當我們拍打衣物時，衣物受到力的作用，發生了形變，而灰塵具有慣性，仍保持原有的位置，接著收到重力的作用，掉落下來，從而達到拍打灰塵的作用。我們還可以將松動的錘棒變得牢固，球在離開腳后仍可繼續飛行。科學領域方面，科學家們可以利用慣性定律設計出衛星變軌的方法。

(2)牛頓第二定律的應用

運用牛頓第二定律，我們可以估算出使物體達到某一速度時，所需外力的多少，如保證在冰面上滑不倒，穿的鞋子的粗糙程度決定了最大靜摩擦力，當我們走動的時候，鞋子的粗糙面使得有足夠的摩擦力，提供給我們加速度，是我們能正常在冰面上行走。航空專家可以運用這個公式算出，使火箭升空固定高度需要燃料多少，這樣不僅可以節約燃料，還減輕火箭質量，提升火箭的技術。

(3)牛頓第三定律的應用

牛頓第三定律在生活中十分常見，游泳時，雙腳向后蹬水，使人受到水的反作用力，拍手時兩手受到的作用力是一樣大的。也包括天體中的引力，比如太陽吸引地球，地球吸引太陽，這兩個力同樣是等大的。發射火箭時，通過燃燒燃料使火箭給空氣一個推力，同時空氣就會給對火箭一個等大方向相反的反作用力，從而推動火箭，使火箭升空。

四、結論

本文通過闡述牛頓定律的發展過程，我們了解到要巧妙利用前人積累下來的經驗，聯合自己的研究經驗得出最終的研究結果，正如牛頓所說，站在巨人的肩膀上。本文還對牛頓三大定律進行了詳細的解釋和分析，我們需要在日常的學習中注意的細節以便更好地理解牛頓定律的內容。在本文的第三部分，對于三大定律的意義以及應用進行了敘述，以便我們明確牛頓定律在生活中的體現和對人類的生活產生的巨大影響，定律還解釋了生活中常見的問題。

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