理论教育 趣味力学:正确理解牛顿第三定律,超越惯性定律误解

趣味力学:正确理解牛顿第三定律,超越惯性定律误解

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:牛顿第三定律是经典力学研究领域的理论基础,它从牛顿第二定律的基础上推导而来。在牛顿三定律中,惯性定律是第一定律,作用力和反作用力相等定律则是第三定律。但是,惯性定律说的是物体静止和运动两种状态,针对的并不是物体的所有状态。例如,“趋向于”这三个字多次出现,对惯性的很多误解即源于此,这种说法对正确理解牛顿第三定律是不利的。

趣味力学:正确理解牛顿第三定律,超越惯性定律误解

我们在前面几节详细研究了运动的相对性,对它有了一定的了解,接着分析运动的由来,即力的作用。先来看看力的独立作用的定律,即一个力作用于物体的效果,与物体自身的运动状态,以及其他的力所产生的作用都没有任何关系。

牛顿第三定律是经典力学研究领域的理论基础,它从牛顿第二定律的基础上推导而来。在牛顿三定律中,惯性定律是第一定律,作用力和反作用力相等定律则是第三定律。

至于牛顿第二定律,我们会在后面仔细讨论。此处先简单介绍一下牛顿第二定律,这样讨论起来更方便、更简单。

牛顿第二定律的主要内容是:用加速度来衡量速度的变化,它的大小和作用力成正比,方向则和作用力的方向一样。在一般情况下,我们会用下面的公式来表示:

F=ma

其中,F代表作用在于物体上的力;m代表物体的质量;a代表物体的加速度。很明显,公式中总共有三个量,其中物体的质量m最难理解。很多人会把质量和重力弄混,其实这是两个截然不同的概念。对于不同的物体,我们可以通过在同一个力的作用下得到的加速度来比较它们的质量。据上式可得,在同一个力的作用下,物体得到的加速度越小,它的质量就越大。

如果你未曾学过物理学,得出的结论往往会与惯性定律相反。在牛顿三定律中,最好理解的就是惯性定律。但即使如此,产生误解的人仍然不在少数。

例如,很多人认为惯性即“物体在受到外力作用之前所保持的状态”。这种说法当然是错误的,它要表达的是,假如没有原因,任何事情都不会发生,即物体会一直保持最初的状态。但是,惯性定律说的是物体静止和运动两种状态,针对的并不是物体的所有状态。

其实,惯性定律的含义应该这样解释:在有外力作用于物体之前,它会一直保持着静止或匀速直线运动的状态,此处所说的物体是指所有的物体。

换句话来讲,假如一个物体

·突然变成运动状态的时候;(www.daowen.com)

·由直线运动变成非直线运动,或由直线运动变成曲线运动的时候;

·运动变慢、变快或停止的时候,

我们得到的结论都是一样的:有外力作用于这个物体。

然而,在这个运动的物体身上,假如以上三种情况中的任意一种都没有发生,那么无论该物体的运动速度有多快,都无法说明它受到外力的作用。需要格外注意的是,只要物体保持匀速直线运动,就意味着没有任何外力作用于它。也可以说,所有作用于该物体的力是相互均衡的。

该观点和古代的思想家,尤其是在伽利略之前的思想家很不一样,这便是现代力学。据此还可以看出,很多时候,“惯常思维”和“科学思维”有天壤之别。

针对刚才的讨论,我们需要对其中一点作出说明,固定不动的物体受到的摩擦力又叫外力,它会阻止物体的运动。

还有一点需要特别强调,物体只是保持静止状态,永远不可能出现趋于保持静止状态的情况。它们之间的区别,好比一个从不出门的人和一个几乎不在家、有事就往外跑的人的区别。物体不是“一个从不出门的人”,而具有高度的活动性,只需一个非常微小的力量,它就会运动起来。

现在,你明白我们不能说物体趋于保持静止状态的原因了吧?物体一旦脱离原本的静止状态,就无法自动回到原本的静止状态,而是在之前微小力量的作用下一直不停地运动。

另有一种普遍的观点,有人觉得“物体会对作用在它身上的力产生抗拒”。很明显,这个观点是错误的。举个简单的例子,当我们往茶杯里的茶中放糖时,茶会产生阻碍作用吗?

在物理学和力学的课本中,有很多不严谨的说法。例如,“趋向于”这三个字多次出现,对惯性的很多误解即源于此,这种说法对正确理解牛顿第三定律是不利的。

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