牛顿运动定律
牛顿运动定律是描述施加于物体的外力与物体所呈现出的运动彼此之间的关系,包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律,于1687年由牛顿在《自然哲学的数学原理》书中提出1。
牛顿运动定律阐释了牛顿力学的完整体系,阐述了经典力学中基本的运动规律。
基本信息
- 中文名
牛顿运动定律
- 外文名
Newton's laws of motion
- 应用学科
物理学
- 适用范围
经典力学范围
- 适用条件
质点、惯性系、宏观、低速问题
基础定义
牛顿运动定律包含以下三个定律:
牛顿第一运动定律:
孤立质点保持静止或做匀速直线运动;
用公式表达为:
,式中
为合力,
为速度,
为时间。
牛顿第二运动定律:
动量为
的质点,在外力
的作用下,其动量随时间的变化率同该质点所受的外力成正比,并与外力的方向相同;用公式表达为:
。
根据动量的定义,
。
若质点的质量不随时间变化(即
),则质点运动的加速度的大小同作用在该质点上的外力的大小成正比,加速度的方向和外力的方向相同;用公式表达为:
。
牛顿第三运动定律:
相互作用的两个质点之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上;
用公式表达为:
(式中
表示质点2受到的质点1的作用力,
表示质点1受到的质点2的反作用力)。
(艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》中,对该定律的原始表述与上述表述几乎完全一致;书中还给出了基于以上定律的六条推论。牛顿运动定律的分量形式及在如自然坐标系等其它坐标系下的形式详见各子词条。该定律在各版本教材中被引用时,其形式亦可能被改变。)
推导过程
方法概述 | 图示 |
|---|---|
牛顿第一运动定律 | |
伽利略的理想斜面实验: | |
牛顿第一运动定律存在逻辑同一之循环论证,可通过理想实验对该定律进行理论推导。现实中,当球沿斜面向下滚时速度增大,上滚时则减小。由此可知,球沿水平面滚动时,速度应不变。但事实上由于存在摩擦阻力,球速会越来越慢直至最后停下,且表面越光滑球便会滚得越远。由此可知,若没有摩擦阻力,球将永远滚下去。若球沿一个光滑斜面从静止状态开始下滚,小球将滚上另一个斜面达到与原来的高度然后再下滚;减小斜面倾角后,小球在另一个斜面上仍达到同一高度但滚得远些。由此可知,斜面平放时,球将永远滚下去。此即,力不是维持物体的运动(速度)的原因。一旦物体具有某一速度且不受外力,就将保持这一速度匀速直线地运动下去。 | 伽利略的理想斜面实验 |
牛顿第二运动定律 | |
用打点计时器验证: | |
(牛顿运动定律的验证性实验有多种,本节仅挑选几种重要或典型的实验作为示例。随着现代的实验设施的利用,原来的实验方法将有所改进或补充。)
应用举例
牛顿运动定律在物理学等学科领域上,应用广泛:
牛顿运动定律可求解动力学问题。