物理
牛顿数学上三大定律

2019-05-07

牛顿数学上三大定律
优质解答
【牛顿第一定律(惯性定律)】
内容
  表述一:任何一个物体在不受任何外力或受到的力平衡时(Fnet=0),总保持匀速直线运动或静止状态,直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止.
  表述二:当质点该距离其他质点足够远时,这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态.
  即:质量是惯性大小的量度.
  惯性大小只与质量有关,与速度和接触面的粗糙程度无关.
  质量越大,克服惯性做功越大;质量越小,克服惯性做功越小.
【牛顿第二运动定律】
内容
  物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同.
  公式;
  F合=ma (单位:N(牛)或者千克米每二次方秒)
  牛顿发表的原始公式:F=d(mv)/dt
  动量为p的物体,在合外力为F的作用下,其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力.
  用通俗一点的话来说,就是以t为自变量,p为因变量的函数的导数,就是该点所受的合外力.
  即: F=dp/dt=d(mv)/dt (d即不是德尔塔,△,而是微分的意思.但是在中学学习的一般问题中,两者可以不做区别)
  而当物体低速运动,速度远低于光速时,物体的质量为不依赖于速度的常量,所以有
  F=m(dv/dt)=ma
  这也叫动量定理.在相对论中F=ma是不成立的,因为质量随速度改变,而F=d(mv)/dt依然使用.
  由实验可得在加速度一定的情况下F∝m,在质量一定的情况下F∝a
  (只有当F以N,m以kg,a以m/s^2为单位时,F合=ma 成立)
▶ 几点说明:
  (1)牛顿第二定律 是力的瞬时作用规律.力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝.
  (2)F=ma是一个矢量方程,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,一般常取加速度的方向为正方向.
  (3)根据力的独立作用原理,用牛顿第二定律处理物体在一个平面内运动的问题时,可将物体所受各力正交分解,在两个互相垂直的方向上分别应用牛顿第二定律的分量形式:    Fx=max,Fy=may列方程.
▶ 牛顿第二定律的六个性质:
  (1)因果性:力是产生加速度的原因.
  (2)同体性:F合、m、a对应于同一物体.
  (3)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.牛顿第二定律数学表达式∑F = ma中,等号不仅表示左右两边数值相等,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.
  (4)瞬时性:当物体(质量一定)所受外力发生突然变化时,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,加速度同时为零,加速度与合外力保持一一对应关系.牛顿第二定律是一个瞬时对应的规律,表明了力的瞬间效应.
  (5)相对性:自然界中存在着一种坐标系,在这种坐标系中,当物体不受力时将保持匀速直线运动或静止状态,这样的坐标系叫惯性参照系.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,牛顿定律只在惯性参照系中才成立.
  (6)独立性:作用在物体上的各个力,都能各自独立产生一个加速度,各个力产生的加速度的失量和等于合外力产生的加速度.
▶ 适用范围
  (1)只适用于低速运动的物体(与光速比速度较低).
  (2)只适用于宏观物体,牛顿第二定律不适用于微观粒子.
  (3)参照系应为惯性系.
【牛顿第三运动定律】
内容
  两个物体之间的作用力和饭作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反.
表达式
  F=-F'
说明
  要改变一个物体的运动状态,必须有其它物体和它相互作用.物体之间的相互作用是通过力体现的.并且指出力的作用是相互的,有作用力必有反作用力.它们是作用在同一条直线上,大小相等,方向相反.
▶ 注意
  1.
  ①力的作用是相互的.同时出现,同时消失.
  ②相互作用力一定是相同性质的力
  ③作用力和反作用力作用在两个物体上,产生的作用不能相互抵消.
  ④作用力也可以叫做反作用力,只是选择的参照物不同
  ⑤作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上,所以不能求合力
  2.相互作用力和平衡力的区别
  ①相互作用力是大小相等、方向相反、作用在两个物体上、且在同一直线上的力;两个力的性质是相同的.
  ②平衡力是作用在同一个物体上的两个力,大小相同、方向相反,并且作用在同一直线上.两个力的性质可以是不同的.
  ③相互平衡的两个力可以单独存在,但相互作用力同时存在,同时消失
  例如:物体放在桌子上,对于物体所受重力与支持力,二者属于平衡力,将物体拿走后支持力消失,而重力依然存在.
  而物体在桌子上,物体所受的支持力与桌面所受的压力,二者为一对作用力与反作用力.物体拿走后,二者都消失.
【牛顿运动定律创立的伟大意义】  
  牛顿的三大运动定律构成了物理学和工程学的基础.正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样,牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了基本定理.三大定律的推出、地球引力的发现和微积分的创立使得牛顿成为过去过去一千年中最杰出的科学巨人.  
  牛顿算不上是实验者,他喜欢思考问题,像爱因斯坦那样在脑海里做实验.他会长时间专注地想事情,直到得出他需要的答案.用他自己的话说,他会“把问题摆在面前,然后开始等待,一直等到出现第一缕曙光,接着渐渐变得清晰,最后豁然开朗”.
  不久,一个问题开始困扰着牛顿:是什么力量导致了运动呢?他集中精力研究伽利略的自由落体定律和开普勒的行星运动规律.他痴迷到了废寝忘食的地步,身体几乎处于崩溃的边缘.
  1666年初,牛顿创立了三大运动定律,这些定律为他发明微积分和发现地球引力创造了必不可少的条件.但直到20年后哈雷鼓励牛顿写《自然哲学的数学原理》时,牛顿才公布了他创立的三大定律.
  1684年,让·皮卡尔第一次精确地求出了地球的大小和质量.有了这些必要的数字,牛顿就能证明:利用三大运动定律和他的重力方程式可以正确地计算出行星运动的真实轨道.即使有了确凿的数学证据,牛顿也只是在哈雷的请求和说服下于1687年发表了《自然哲学的数学原理》,发表这本书最主要的原因是罗伯特·胡克声称(错误地声称),他自己已经发现了运动的普遍规律.《自然哲学的数学原理》成为科学史上备受推崇和人们经常使用的出版物.
【牛顿运动定律与守恒定律的关系】
  在现代物理学中,动量守恒定律、能量守恒定律与角动量守恒定律相比牛顿定律更为普遍适用,它们既应用于光,也应用于物质,既应用于经典物理学,也应用于非经典物理学.
  它们的陈述都非常简单:“动量、能量、角动量既不可能凭空创造也不可能凭空消失”.
  因为力是动量的时间衍生物,因此力这个概念显得有些多余,是从属于守恒定律的.力的概念也不能应用于基础理论,如量子力学、量子动力学、广义相对论中.标准模型解释了三种基本力(强力、弱力和电磁力)是如何从规范场中起源并通过虚粒子转换的.其他的力例如重力与费米简并压力也可以从动量守恒中引出.
【牛顿第一定律(惯性定律)】
内容
  表述一:任何一个物体在不受任何外力或受到的力平衡时(Fnet=0),总保持匀速直线运动或静止状态,直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止.
  表述二:当质点该距离其他质点足够远时,这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态.
  即:质量是惯性大小的量度.
  惯性大小只与质量有关,与速度和接触面的粗糙程度无关.
  质量越大,克服惯性做功越大;质量越小,克服惯性做功越小.
【牛顿第二运动定律】
内容
  物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同.
  公式;
  F合=ma (单位:N(牛)或者千克米每二次方秒)
  牛顿发表的原始公式:F=d(mv)/dt
  动量为p的物体,在合外力为F的作用下,其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力.
  用通俗一点的话来说,就是以t为自变量,p为因变量的函数的导数,就是该点所受的合外力.
  即: F=dp/dt=d(mv)/dt (d即不是德尔塔,△,而是微分的意思.但是在中学学习的一般问题中,两者可以不做区别)
  而当物体低速运动,速度远低于光速时,物体的质量为不依赖于速度的常量,所以有
  F=m(dv/dt)=ma
  这也叫动量定理.在相对论中F=ma是不成立的,因为质量随速度改变,而F=d(mv)/dt依然使用.
  由实验可得在加速度一定的情况下F∝m,在质量一定的情况下F∝a
  (只有当F以N,m以kg,a以m/s^2为单位时,F合=ma 成立)
▶ 几点说明:
  (1)牛顿第二定律 是力的瞬时作用规律.力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝.
  (2)F=ma是一个矢量方程,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,一般常取加速度的方向为正方向.
  (3)根据力的独立作用原理,用牛顿第二定律处理物体在一个平面内运动的问题时,可将物体所受各力正交分解,在两个互相垂直的方向上分别应用牛顿第二定律的分量形式:    Fx=max,Fy=may列方程.
▶ 牛顿第二定律的六个性质:
  (1)因果性:力是产生加速度的原因.
  (2)同体性:F合、m、a对应于同一物体.
  (3)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.牛顿第二定律数学表达式∑F = ma中,等号不仅表示左右两边数值相等,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.
  (4)瞬时性:当物体(质量一定)所受外力发生突然变化时,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,加速度同时为零,加速度与合外力保持一一对应关系.牛顿第二定律是一个瞬时对应的规律,表明了力的瞬间效应.
  (5)相对性:自然界中存在着一种坐标系,在这种坐标系中,当物体不受力时将保持匀速直线运动或静止状态,这样的坐标系叫惯性参照系.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,牛顿定律只在惯性参照系中才成立.
  (6)独立性:作用在物体上的各个力,都能各自独立产生一个加速度,各个力产生的加速度的失量和等于合外力产生的加速度.
▶ 适用范围
  (1)只适用于低速运动的物体(与光速比速度较低).
  (2)只适用于宏观物体,牛顿第二定律不适用于微观粒子.
  (3)参照系应为惯性系.
【牛顿第三运动定律】
内容
  两个物体之间的作用力和饭作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反.
表达式
  F=-F'
说明
  要改变一个物体的运动状态,必须有其它物体和它相互作用.物体之间的相互作用是通过力体现的.并且指出力的作用是相互的,有作用力必有反作用力.它们是作用在同一条直线上,大小相等,方向相反.
▶ 注意
  1.
  ①力的作用是相互的.同时出现,同时消失.
  ②相互作用力一定是相同性质的力
  ③作用力和反作用力作用在两个物体上,产生的作用不能相互抵消.
  ④作用力也可以叫做反作用力,只是选择的参照物不同
  ⑤作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上,所以不能求合力
  2.相互作用力和平衡力的区别
  ①相互作用力是大小相等、方向相反、作用在两个物体上、且在同一直线上的力;两个力的性质是相同的.
  ②平衡力是作用在同一个物体上的两个力,大小相同、方向相反,并且作用在同一直线上.两个力的性质可以是不同的.
  ③相互平衡的两个力可以单独存在,但相互作用力同时存在,同时消失
  例如:物体放在桌子上,对于物体所受重力与支持力,二者属于平衡力,将物体拿走后支持力消失,而重力依然存在.
  而物体在桌子上,物体所受的支持力与桌面所受的压力,二者为一对作用力与反作用力.物体拿走后,二者都消失.
【牛顿运动定律创立的伟大意义】  
  牛顿的三大运动定律构成了物理学和工程学的基础.正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样,牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了基本定理.三大定律的推出、地球引力的发现和微积分的创立使得牛顿成为过去过去一千年中最杰出的科学巨人.  
  牛顿算不上是实验者,他喜欢思考问题,像爱因斯坦那样在脑海里做实验.他会长时间专注地想事情,直到得出他需要的答案.用他自己的话说,他会“把问题摆在面前,然后开始等待,一直等到出现第一缕曙光,接着渐渐变得清晰,最后豁然开朗”.
  不久,一个问题开始困扰着牛顿:是什么力量导致了运动呢?他集中精力研究伽利略的自由落体定律和开普勒的行星运动规律.他痴迷到了废寝忘食的地步,身体几乎处于崩溃的边缘.
  1666年初,牛顿创立了三大运动定律,这些定律为他发明微积分和发现地球引力创造了必不可少的条件.但直到20年后哈雷鼓励牛顿写《自然哲学的数学原理》时,牛顿才公布了他创立的三大定律.
  1684年,让·皮卡尔第一次精确地求出了地球的大小和质量.有了这些必要的数字,牛顿就能证明:利用三大运动定律和他的重力方程式可以正确地计算出行星运动的真实轨道.即使有了确凿的数学证据,牛顿也只是在哈雷的请求和说服下于1687年发表了《自然哲学的数学原理》,发表这本书最主要的原因是罗伯特·胡克声称(错误地声称),他自己已经发现了运动的普遍规律.《自然哲学的数学原理》成为科学史上备受推崇和人们经常使用的出版物.
【牛顿运动定律与守恒定律的关系】
  在现代物理学中,动量守恒定律、能量守恒定律与角动量守恒定律相比牛顿定律更为普遍适用,它们既应用于光,也应用于物质,既应用于经典物理学,也应用于非经典物理学.
  它们的陈述都非常简单:“动量、能量、角动量既不可能凭空创造也不可能凭空消失”.
  因为力是动量的时间衍生物,因此力这个概念显得有些多余,是从属于守恒定律的.力的概念也不能应用于基础理论,如量子力学、量子动力学、广义相对论中.标准模型解释了三种基本力(强力、弱力和电磁力)是如何从规范场中起源并通过虚粒子转换的.其他的力例如重力与费米简并压力也可以从动量守恒中引出.
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