牛顿之一定律
牛顿之一定律:任何物体都保持静止或匀速直线运动状态,直到其他物体的作用迫使它改变这种状态为止 。
牛顿之一定律也叫惯性定律,它告诉我们“运动并不需要力来维持” 。如果物体受到的合外力为 0,那它之前是什么速度,之后就依然是什么速度 。
为什么它还有一个名字叫“惯性定律”呢?惯性在英文里跟惰性是同义词(Inertia),就是懒的意思 。所以,惯性定律就是说所有的物体都很“懒”,像懒猪一样,都不愿意主动改变自己的运动状态 。
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如果我现在没动,那就一直不动,除非你用力推我;如果我现在有一个速度,那就一直以这个速度前进,除非有力拦着我 。
喜欢科幻电影的朋友肯定对这个画面不陌生:一个宇航员在外太空不小心弄断了连接飞船的绳子,然后大家就只能眼睁睁地看着这个宇航员以一定速度飘向太空深处 。因为太空中没有其他外力拦住他,所以他就只能遵守惯性定律“懒”下去,一直以同一速度飘走(虽然他是如此地不愿意) 。
![长尾定律和二八定律 长尾定律](http://img.zhejianglong.com/230227/004153E21-1.jpg)
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这也说明:没有力,宇航员照样可以运动,力的确不是维持物体运动的原因 。那么,力的作用到底是什么呢?伽利略在后半句里说了:力是改变物体运动状态的原因 。也就是说,虽然运动本身不需要力来维持,但是,如果想改变运动状态,比如宇航员不想飘向太空深处,想回到飞船,这就需要一个外力来拉一把 。
好,知道力可以改变物体的运动状态之后,我给你一定的力,你的速度能改变多少呢?想要把这个账定量地算清楚,我们就需要牛顿第二定律 。
牛顿第二定律
怎么算呢?
首先,既然力可以改变物体的速度,那首先就得找一个物理量来描述物体速度的变化 。比如,汽车现在的速度是 2m/s,1s 后变成了 4m/s,那它的速度就在 1s 之内变化了(4–2)m/s=2m/s 。
为什么汽车的速度会变化呢?当然是发动机的牵引力让汽车的速度发生了改变,换成马车就是马的拉力让车的速度改变了 。既然速度发生了改变,那肯定就有什么力作用在它身上 。
那么,力的大小跟速度的变化有什么关系呢?是力越大,速度的变化就越大吗?乍一看好像没问题 。用两匹马拉车,1s 内可以让马车加速 2m/s ;如果有四匹马拉车,或许 1s 内就能让马车加速4m/s 。但是,就算只有一匹马,如果时间给够,比如 60s,那马车完全有可能增加更多的速度 。所以,光比速度的变化量是不公平的,还要限定时间:在一定的时间内(比如 1s)让物体的速度变化越大(也就是速度变化得越快),才能说明受到的力越大 。
因此,有理由相信:合外力越大,物体的速度变化得越快 。而单位时间内物体速度的变化量,正是加速度的定义 。也就是说,我们用加速度这个物理量来描述物体速度变化快慢的程度 。如果物体的速度不变,那它的加速度等于 0 ;如果物体的速度在 1s 内从2m/s 增加到了 4m/s,那它的加速度就是 2m/s;如果物体的速度在2s 内从 1m/s 增加到了 7m/s,那么它的加速度就应该是:
![长尾定律和二八定律 长尾定律](http://img.zhejianglong.com/230227/004153E21-2.jpg)
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好,现在我们知道了:物体受到的合外力越大,那它的速度就变化得越快,加速度越大 。
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那么,还有其他影响加速度的因素吗?同样是一匹马,一个拉自行车,一个拉大卡车,你觉得它们的加速度会一样吗?很显然,物体的加速度不仅跟合外力有关,还跟质量有关:质量越大,同等合外力下获得的加速度越小,反之越大 。有了这样的铺垫,牛顿第二定律就呼之欲出了 。牛顿第二定律:物体的加速度 a 跟物体受到的合外力 F 成正比,跟物体的质量 m 成反比,写成公式就是 F=ma 。于是,我们就引出了牛顿力学里最重要的一个公式,整个高中物理都可以说是在学习F=ma 在各种情况下的应用 。
牛顿第二定律也让我们有了一个全新的视角来审视“质量”这个概念 。惯性定律不是说“万物都很懒”吗?没有外力推动,一个个都不愿改变自己的运动状态 。但是,虽然大家都很“懒”,可“懒”也分三六九等 。有的物体是轻微的懒,轻轻一推就改变了运动状态;有的是极度的懒,用八抬大轿都抬不动 。
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