牛顿力学三定律,牛顿三定律都有什么
admin
2023-06-10 22:42:41

很有意思,因为它反映了不少人对基础科学的重要性理解得多么不够。

牛顿三定律的应用其实是太多了,多到了如果不特意提科学工作者都不会想到在应用它们的程度。就好像空气,每时每刻都离不了,但你会特意去想空气有多重要吗?

包括牛顿定律在内,任何基础科学定律的应用都可以分为两类,一类是这些定律本身的应用,另一类是从这些定律发展出别的科学知识。

举些例子。

牛顿力学三定律,牛顿三定律都有什么图1

牛顿

先来看牛顿定律本身的应用。

牛顿第一定律即惯性定律说的是,任何物体在不受力或者受力之和为零时,总是保持静止或匀速直线运动。这说明,如果把摩擦减到很小,就可以让物体保持高速运动,因此气垫船、磁悬浮火车可以看作牛顿第一定律的应用。

牛顿第三定律即作用力与反作用力定律说的是,如果A对B施加一个作用力,那么B对A必然同时施加一个大小相等、方向相反的反作用力。这说明,如果把一个物体的一些部分高速向后喷射,就可以让这个物体的其他部分高速向前运动,这就是火箭的原理。

为什么先说第一定律和第三定律,把第二定律放在了最后?因为牛顿第二定律F = ma(力等于质量乘以加速度)的应用实在太广泛,无法计数。所有的机械学、工程学、建筑学、天文学都是它的直接应用。你想想看,如果不知道F = ma,这些学科还能干些什么!

在这方面举个具体的例子。计时是文明的基础,古人用日晷、沙漏之类方法来计时,误差都比较大。直到伽利略发现了单摆的周期性,计时技术才得到了飞跃。

当摆动的幅度不太大时,单摆的周期是由什么决定的?答案是,只跟摆绳的长度l有关,跟你释放摆锤时的高度无关,跟摆球的重量m也无关。这是一个真正惊人而反直觉的结论,如果不是亲眼看到,你很容易以为初始高度越高,摆的周期越长,但事实偏偏不是如此。

学过牛顿力学的人知道,单摆的周期T = 2 pi * sqrt(l/g),其中pi是圆周率,g是重力加速度。如何证明这个公式?当然要从F = ma开始了。请大声告诉我,你会证明这个公式,好不好?【左边的朋友,请举起你们的双手……】

在天文学方面,海王星的发现是一个经典的例子。19世纪时,人们发现天王星的轨道总是和预测的不符。勒维耶推测是因为存在一颗未知行星的引力作用,使天王星的轨道运动受到干扰,也就是天文学上所谓的“摄动”影响。他计算出这颗行星的轨道、位置、大小,然后请柏林天文台的伽勒寻找这颗未知的行星。1846年9月23 日,伽勒根据勒维耶预言,只花了一个小时,就在离勒维耶预言的位置不到1 度的地方,发现了一颗新的行星。后来这个新的行星被命名为海王星。请问,勒维耶是用什么理论计算的?当然是牛顿第二定律了!

以上是牛顿定律本身的应用。至于说牛顿定律在推导其他科学知识时的应用,那就更多了。实际上,在牛顿之后的所有的物理学发展,都用到了牛顿定律,包括电磁学、相对论、量子力学,而这些学科各自又有不计其数的日常应用。

可以说,牛顿力学是整个物理学的ABC,没有牛顿你就几乎什么都没得玩。因此,在威斯敏斯特大教堂伟人公墓的牛顿墓碑上,刻写的是如下的文字:

   伊萨克·牛顿爵士

   静静地躺在这里。

   他以超人的智慧,

   第一个证明了,

   行星的运动和形状,

  彗星的轨道和海洋的潮汐。

   他孜孜不倦地研究

   光线的各种不同的折射角,

   颜色产生的种种性质。

   对于自然,历史和圣经

   他是一位勤勉,敏锐而忠实的诠释者。

   他以自己的哲学证明了上帝的庄严,

   并在他的举止中表现了福音的淳朴

   让人类欢呼吧,

   曾经存在过这样一位

   伟大的人类之光。

回头来想想,为什么现在还会有人问“牛顿三定律有什么应用”呢?

下面我大概讲讲牛顿三定律的应用。

1。牛顿第一定律

牛顿第一定律说的是:物体在不受外力作用的时候,总保持静止或者匀速直线运动状态。这个定律可以从伽利略的斜面思想实验中推出来。但是,因为世界上除了那些无静止质量的光子以外是没有一个物体是不受到外力的(至少还受到万有引力的作用),所以这个定律描述的是一种理想情况。我们一般把在物体受到的合外力等于零的时候来应用这个牛顿第一定律,比如说有一种离子的速度选择器,我们让离子在电场与磁场中运动,当离子受到的电场力与磁场力(洛仑兹力)相互平衡的时候,离子就做匀速直线运动。

2。牛顿第二定律

牛顿第二定律说的是:在惯性参考系中,物体受到的力正比于物体的加速度。这个定律用公式表示是F=Ma。这个定律的应用非常广泛。一个典型的应用就是我们的汽车,当我们要加速一辆汽车的时候,通过发动机提供的动力,我们来获得加速度。

3。牛顿第三定律

牛顿第三定律说的是:力的作用是相互的,作用力与反作用力大小相等,方向相反。这个牛顿第三定律的应用场景也是非常多的,比如打架的时候,张三打李四,其实李四也在打张三,因为每次击打,李的作用都是相互的;再比如,在花样滑冰比赛的时候,男选手推女选手一把,两人会彼此朝后滑开,这就是牛顿第三定律的生动体现。

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