電子課文第三章(已修改)
2025-06-28 14:51 本頁(yè)面
【正文】 電子課文●第三章 牛頓運(yùn)動(dòng)定律 前一章我們學(xué)習(xí)了怎樣描述物體的運(yùn)動(dòng)，但是沒(méi)有進(jìn)一步討論物體為什么會(huì)做這種或那種運(yùn)動(dòng)．要討論這個(gè)問(wèn)題，必須知道運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系．在力學(xué)中，只研究物體怎樣運(yùn)動(dòng)而不涉及運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的分科，叫做運(yùn)動(dòng)學(xué)；研究運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的分科，叫做動(dòng)力學(xué)．動(dòng)力學(xué)知識(shí)在生產(chǎn)和科學(xué)研究中是很重要的．設(shè)計(jì)各種機(jī)器，控制交通工具的速度，研究天體運(yùn)動(dòng)，計(jì)算人造衛(wèi)星的軌道等等，都離不開(kāi)動(dòng)力學(xué)知識(shí)．動(dòng)力學(xué)的奠基人是英國(guó)科學(xué)家牛頓．牛頓在1687年出版了他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》．在這部著作中，牛頓提出了三條運(yùn)動(dòng)定律，這三條定律總稱(chēng)為牛頓運(yùn)動(dòng)定律，是整個(gè)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)．這一章我們要學(xué)習(xí)的就是牛頓運(yùn)動(dòng)定律．圖31是牛頓和他寫(xiě)的著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)的扉頁(yè)．牛頓運(yùn)動(dòng)定律在此書(shū)中首次發(fā)表．電子課文●一 牛頓第一定律 歷史的回顧 遠(yuǎn)在兩千多年以前，人們已經(jīng)提出了運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系問(wèn)題．可是直到伽利略和牛頓時(shí)代，才對(duì)這個(gè)問(wèn)題給出了正確的答案．在17世紀(jì)前人們普遍認(rèn)為力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因．用力推車(chē)，車(chē)子才前進(jìn)，停止用力，車(chē)子就要停下來(lái)．古希臘的哲學(xué)家亞里士多德（公元前384—前322）根據(jù)這類(lèi)經(jīng)驗(yàn)事實(shí)得出結(jié)論說(shuō)：必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有力的作用，物體就要靜止下來(lái)．在亞里士多德以后的兩千年內(nèi)，動(dòng)力學(xué)一直沒(méi)有多大進(jìn)展．直到17世紀(jì)，意大利著名物理學(xué)家伽利略才根據(jù)實(shí)驗(yàn)指出，在水平面上運(yùn)動(dòng)的物體所以會(huì)停下來(lái)，是因?yàn)槭艿侥Σ磷枇Φ木壒剩O(shè)想沒(méi)有摩擦，一旦物體具有某一速度，物體將保持這個(gè)速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下去．伽利略還根據(jù)下面的理想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推論．如圖32甲所示，讓小球沿一個(gè)斜面從靜止?jié)L下來(lái)，小球?qū)L上另一個(gè)斜面．如果沒(méi)有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)的高度．他推論說(shuō)，如果減小第二個(gè)斜面的傾角（圖32乙），小球在這個(gè)斜面上達(dá)到原來(lái)的高度就要通過(guò)更長(zhǎng)的路程．繼續(xù)減小第二個(gè)斜面的傾角，使它最終成為水平面（圖32丙），小球就再也達(dá)不到原來(lái)的高度，而沿水平面以恒定速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去．理想實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究中的一種重要的方法，它把可靠事實(shí)和理論思維結(jié)合起來(lái)，可以深刻地揭示自然規(guī)律．伽利略的實(shí)驗(yàn)雖然是想像中的實(shí)驗(yàn)，但它是建立在可靠的事實(shí)基礎(chǔ)之上的．這類(lèi)理想實(shí)驗(yàn)以可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)抽象思維，抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然規(guī)律．伽利略同時(shí)代的法國(guó)科學(xué)家笛卡兒（1596—1650）進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了伽利略的論點(diǎn)，他認(rèn)為：如果沒(méi)有其他原因，運(yùn)動(dòng)的物體將繼續(xù)以同一速度沿著一條直線運(yùn)動(dòng)，既不會(huì)停下來(lái)，也不會(huì)偏離原來(lái)的方向．笛卡兒為發(fā)展動(dòng)力學(xué)又邁出了重要的一步．電子課文●實(shí)驗(yàn)我們可以用氣墊導(dǎo)軌近似地驗(yàn)證上述結(jié)論．把物體放在一個(gè)水平導(dǎo)軌上，并設(shè)法使物體和導(dǎo)軌之間形成氣層，物體沿這種氣墊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力很小，推動(dòng)一下物體，可以看到物體沿氣墊導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)很接近勻速直線運(yùn)動(dòng)．牛頓第一定律 牛頓在伽利略等人的研究基礎(chǔ)上，并根據(jù)他自己的研究，系統(tǒng)地總結(jié)了力學(xué)的知識(shí)，提出了三條運(yùn)動(dòng)定律，其中第一條定律的內(nèi)容是：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止．這就是牛頓第一定律．物體的這種保持原來(lái)的勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫做慣性．牛頓第一定律又叫做慣性定律．當(dāng)汽車(chē)突然開(kāi)動(dòng)的時(shí)候，汽車(chē)?yán)锏某丝蜁?huì)向后面傾倒（圖33甲）．這是因?yàn)槠?chē)已經(jīng)開(kāi)始前進(jìn)，乘客的下半身隨車(chē)前進(jìn)，而上半身由于慣性還要保持靜止?fàn)顟B(tài)的緣故．當(dāng)汽車(chē)突然停止的時(shí)候，汽車(chē)?yán)锏某丝蜁?huì)向前面傾倒（圖33乙）．這是因?yàn)槠?chē)已經(jīng)停止，乘客的下半身隨車(chē)停止，而上半身由于慣性還要以原來(lái)速度前進(jìn)的緣故．一切物體都具有慣性，物體的運(yùn)動(dòng)并不需要力來(lái)維持．慣性是物體的固有性質(zhì)，不論物體處于什么狀態(tài)，都具有慣性．任何物體都和周?chē)奈矬w有相互作用，不受外力作用的物體是不存在的，所以牛頓第一定律所描述的物體不受外力的狀態(tài)是一種理想化的狀態(tài)．這種狀態(tài)雖然不可能實(shí)現(xiàn)，但牛頓第一定律卻正確揭示了運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系：力不是維持物體速度的原因，而是改變物體速度的原因．這就使人們的認(rèn)識(shí)走上了正確的道路，為力學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．電子課文●二 物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變 力是物體產(chǎn)生加速度的原因 一個(gè)物體，如果它的速度的大小和方向都保持不變，我們就說(shuō)，這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變．如果這個(gè)物體的速度發(fā)生了改變，即速度的大小和（或）方向發(fā)生了改變，我們就說(shuō)，這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變．牛頓第一定律告訴我們，物體如果沒(méi)有受到力的作用，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不發(fā)生改變．由此可以知道，如果物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了改變，必定要有力作用在物體上．列車(chē)出站時(shí)，在機(jī)車(chē)牽引力的作用下，由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并且速度不斷增大；列車(chē)進(jìn)站時(shí)，由于受到阻力的作用，速度不斷減小，最后停下來(lái)．拋出的手榴彈，射出的炮彈，由于受到重力的作用，速度的大小和方向都不斷發(fā)生改變，做曲線運(yùn)動(dòng)．可見(jiàn)，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，是由于受到了力的作用，力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因．物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，物體具有加速度，所以，力是使物體產(chǎn)生加速度的原因．質(zhì)量是物體慣性大小的量度 物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，還跟物體的質(zhì)量有關(guān)系．一輛空車(chē)和一輛裝滿貨物的車(chē)，在相同的牽引力的作用下由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的情況并不相同．空車(chē)的質(zhì)量小，在較短的時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到某一速度，產(chǎn)生的加速度大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變．裝滿貨物的車(chē)，質(zhì)量大，要在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到相同的速度，產(chǎn)生的加速度小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變．質(zhì)量小的物體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變，我們說(shuō)它的慣性?。|(zhì)量大的物體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變，我們說(shuō)它的慣性大．可見(jiàn)，質(zhì)量是物體慣性大小的量度．慣性的大小在實(shí)際中是經(jīng)常要加以考慮的．當(dāng)我們要求物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變時(shí)，應(yīng)該盡可能減小物體的質(zhì)量．殲擊機(jī)的質(zhì)量比運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)小得多，在戰(zhàn)斗前還要拋掉副油箱（圖34），以進(jìn)一步減小質(zhì)量，就是為了
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