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什么是牛顿力学

编辑:在职研究生

    它以质点为对象,着眼于力的概念,在处理质点系统问题时,须分别考虑各个质点所受的力,然后来推断整个质点系统的运动。牛顿力学认为质量和能量各自独立存在,且各自守恒,它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。牛顿力学较多采用直观的几何方法,在解决简单的力学问题时,比分析力学方便简单。

    牛顿第一定律

  内容:一切物体在没有受到力的作用时,总保持静止状态或匀速直线运动状态。

   说明:物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势,因此物体的运动状态是由它的运动速度决定的,没有外力,它的运动状态是不会改变的。物体的这种性质称为惯性。所以牛顿第一定律也称为惯性定律。第一定律也阐明了力的概念。明确了力是物体间的相互作用,指出了是力改变了物体的运动状态。因为加速度是描写物体运动状态的变化,所以力是和加速度相联系的,而不是和速度相联系的。在日常生活中不注意这点,往往容易产生错觉。

    注意:牛顿第一定律并不是在所有的参照系里都成立,实际上它只在惯性参照系里才成立。因此常常把牛顿第一定律是否成立,作为一个参照系是否惯性参照系的判据。

    牛顿第二定律

  内容:物体在受到合外力的作用会产生加速度,加速度的方向和合外力的方向相同,加速度的大小与合外力的大小成正比,与物体的惯性质量成反比。

    第二定律定量描述了力作用的效果,定量地量度了物体的惯性大小。它是矢量式,并且是瞬时关系。

    要强调的是,物体受到的不为零合外力,会产生加速度,使物体的运动状态或速度发生改变,但是这种改变是和物体本身的运动状态有关的。

    公式:F=ma F为合外力

    理解:瞬时 矢量 同一与同时 相对

    局限:该定律只用于宏观物体的低速运动,而处理微观粒子的高速运动用量子力学。

    牛顿第三定律

  内容:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一条直线上,大小相等,方向相反。

    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。

    另需要注意:

   (1)作用力和反作用力是没有主次、先后之分。同时产生、同时消失。

   (2)这一对力是作用在不同物体上,不可能抵消。

   (3)作用力和反作用力必须是同一性质的力。

    (4)与参照系无关。

    动量

    定义:质点的质量m与其速度v的乘积(mv)。动量是矢量,用符号p表示。质点组的动量为组内各质点动量的矢量和。物体的机械运动都不是孤立地发生的,它与周围物体间存在着相互作用,这种相互作用表现为运动物体与周围物体间发生着机械运动的传递(或转移)过程,动量正是从机械运动传递这个角度量度机械运动的物理量,这种传递是等量地进行的,物体2把多少机械运动(动量)传递给物体1,物体2将失去等量的动量,传递的结果是两者的总动量保持不变。从动力学角度看,力反映了动量传递快慢的情况。与实物一样,电磁场也具有动量。例如光子的动量为p=h/(2π)k,其中h为普朗克常量,k为波长,其大小为k=(2π)/λ (λ 为波长),方向沿波传播方向。在国际单位制中,动量的单位为千克·米/秒(kg·m/s)。

    动量守恒定律:动量守恒定律是最早发现的一条守恒定律,它起源于16~17世纪西欧的哲学家们对宇宙运动的哲学思考。

    观察周围运动着的物体,我们看到它们中的大多数,例如跳动的皮球、飞行的子弹、走动的时钟、运转的机器,都会停下来。看来宇宙间运动的总量似乎在减少。整个宇宙是不是也像一架机器那样,总有一天会停下来呢?但是,千百年来对天体运动的观测,并没有发现宇宙运动有减少的迹象。生活在16、17世纪的许多哲学家认为,宇宙间运动的总量是不会减少的,只要能找到一个合适的物理量来量度运动,就会看到运动的总量是守恒的。这个合适的物理量到底是什么呢?

    法国哲学家兼数学家、物理学家笛卡儿提出,质量和速率的乘积是一个合适的物理量。可是后来,荷兰数学家、物理学家惠更斯(1629—1695)在研究碰撞问题时发现:按照笛卡儿的定义,两个物体运动的总量在碰撞前后不一定守恒。

    牛顿在总结这些人工作的基础上,把笛卡儿的定义作了重要的修改,即不用质量和速率的乘积,而用质量和速度的乘积,这样就找到了量度运动的合适的物理量。牛顿把它叫做“运动量”,就是我们现在说的动量。1687年,牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中指出:某一方向的运动的总和减去相反方向的运动的总和所得的运动量,不因物体间的相互作用而发生变化;还指出了两个或两个以上相互作用的物体的共同重心的运动状态,也不因这些物体间的相互作用而改变,总是保持静止或做匀速直线运动。

  2动量守恒定律的适用范围比牛顿运动定律更广近代的科学实验和理论分析都表明:在自然界中,大到天体间的相互作用,小到如质子、中子等基本粒子间的相互作用,都遵守动量守恒定律。因此,它是自然界中最重要、最普遍的客观规律之一,比牛顿运动定律的适用范围更广。下面举一个牛顿运动定律不适用而动量守恒定律适用的例子。

   在我们考察光的发射和吸收时,会看到这样一种现象:在宇宙空间中某个地方有时会突然发出非常明亮的光,这就是超新星。可是它很快就逐渐暗淡下来。光从这样一颗超新星出发到达地球需要几百万年,而相比之下超新星从发光到熄灭的时间就显得太短了。

    当光从超新星到达地球时,它给地球一个轻微的推动,而与此同时地球却无法给超新星一个轻微的推动,因为它已经消失了。因此,如果我们想像一下地球与超新星之间的相互作用,在同一瞬间就不是大小相等、方向相反了。这时,牛顿第三定律显然已不适用了。

    虽然如此,动量守恒定律还是正确的。不过,我们必须把光也考虑在内。当超新星发射光时,星体反冲,得到动量,同时光也带走了大小相等而方向相反的动量。等经过几百万年之后光到达地球时,光把它的动量传给了地球。这里要注意的是:动量不仅可以为实物所携带,而且可以随着光辐射一起传播。当我们考虑到上述这点时,动量守恒定律还是正确的。

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