§1-4  牛顿运动定律  

  一、牛顿第一定律

    牛顿(I.Newton, 1643-1727)第一定律表述如下:
任何物体都要保持其静止状态或匀速直线运动状态, 直到其他物体所作用的力迫使它改变为止。

    这个定律表明, 静止状态和匀速直线运动状态是物体在不受外界影响时必定维持的运动状态。这就是说, 保持静止状态或匀速直线运动状态, 是物体所具有的一种固有特性。这种固有特性称为惯性。所以牛顿第一定律也称为惯性定律。由于物体具有惯性, 要改变物体所处的静止状态或匀速直线运动状态, 外界必须对物体施加影响或作用, 这种影响或作用就是力。

    根据牛顿第一定律, 当一物体受到其他物体的作用力时, 该物体所处的静止状态或匀速直线运动状态必定被改变。大家已经知道, 无论是静止状态还是匀速直线运动状态,物体的加速度都等于零, 而处于除此以外的其他任何形式的运动状态, 物体都必定具有加速度。因此, 物体由静止状态或匀速直线运动状态向其他任何形式的运动状态的转变, 都必定要获得加速度。这样看来, 在牛顿第一定律中包含了一个重要结论: 物体在力的作用下所发生的运动状态的任何变化, 都要使它获得加速度。所以大家可以说, 牛顿第一定律确认力的作用是物体获得加速度的原因。

    在伽利略以前的时代, 人们把力的作用认为是维持速度的原因, 牛顿第一定律的确立, 改变了人们的这种错误认识。日常生活中的事例可以帮助大家理解牛顿第一定律的涵义。行驶在水平路面上的汽车同时受到两个力的作用, 一个是与运动方向一致的动力, 另一个是与运动方向相反的阻力。当这两个力大小相等时, 它们互相抵消,其效果与汽车不受力作用的情形相同, 汽车作匀速直线运动; 当汽车加大油门, 产生的动力大于阻力时, 其效果与汽车受到一个沿运动方向的力的作用相同, 汽车获得加速度。

    牛顿第一定律给出了关于力的科学涵义, 认为物体所受的力是外界对它的作用, 作用的效果是使该物体改变运动状态, 产生加速度。牛顿运动定律的确立, 是与对力的这种认识联系在一起的。因此, 正确理解力的概念也是学习和掌握牛顿运动定律的关键。

    在§1-1中大家曾说过, 为描述物体的运动, 参考系原则上是可以任意选择的。在这里,让大家看一下运用牛顿第一定律时参考系是否也可以任意选择。在车厢的水平桌面上放置了一些小球,观察者注视着这小球,发现当车辆静止时,这些小球也静止不动。忽然观察者看到这些小球纷纷向车尾方向滚动,连自己的身体也向车尾方向倾斜,要不是倒退了几步真会摔倒了。他打开车窗这才发现原来车辆开动了。这表明, 在由静止开始运动的车辆上,人和物体都会自动地改变其运动状态。也就是说,以由静止开始运动的车辆为参考系,牛顿第一定律不成立。可见,牛顿第一定律并非适用于一切参考系。于是大家把牛顿第一定律能成立的参考系称为惯性系, 不能成立的参考系称为非惯性系。所以, 可以把牛顿第一定律作为判断一个参考系是惯性系还是非惯性系的理论依据。

    实验表明,在以太阳中心为坐标原点、以指向任一恒星的直线为坐标轴建立的坐标系中,牛顿运动定律精确成立,所以这是一个比较精确的惯性系。但是由于太阳在随银河系旋转,所以上述参考系不是严格的惯性系。目前最好的实用惯性系,是以选定的数以千计颗恒星的平均静止位形为基准的参考系,称为FK5系。地球虽然不是严格的惯性系, 但在处理较短时间内发生的力知识题时, 可以近似地把它当为惯性系, 直接应用牛顿运动定律。

       
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