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主题一
运 动和力
物理
在生活中，我们随处可以看到物体在运动：人在行走，车辆在行驶，河水在奔流，鸟儿在飞翔……就连我们脚下的地球也在不停地自转、公转。物体空间位置随时间的变化是自然界中最简单、最基本的运动形态，在物理学中称为机械运动，而研究物体做机械运动规律的分支被称为力学。力学是一门古老的学科，它所研究的内容——运动与力及其相互关系和规律，既是物理学的基础，也是科学和工程技术的基础。
在本主题中，我们要学习运动和力及其规律，了解描述运动的基本概念，重点研究物体做匀变速直线运动的规律以及运动状态变化和力的重要关系，掌握牛顿运动定律在生产和生活中的应用。
第五节　
牛顿运动定律
及其应用
前面我们学习了怎样描述物体的运动，但是没有讨论物体为什么会运动。要讨论这个问题，就必须知道运动和力的关系。搞清楚运动和力的关系问题，不仅能够揭示物体的运动原因，而且可以设法控制物体的受力情况，从而使物体的运动符合人们的要求。
一、牛顿第一定律
远在 2 000 多年前，人们就已经提出了运动和力的关系问题，那时，人们普遍认为力是维持物体运动的原因。用力推车，车才能前进；停止用力，车就会停下来。
根据这类经验事实，古希腊哲学家亚里士多德得出一个结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就会静止，即力是维持物体运动的原因。
亚里士多德的观点一直延续了近 2 000 年。直到 17 世纪，意大利著名物理学家伽利略才根据实验揭示了现象的本质，指出了亚里士多德观点的错误。伽利略发现运动的物体之所以会停下来，是因为受到了摩擦阻力。
伽利略是怎样得到这个结论的呢 他设想的一个摩擦力为零的理想实验是这样的：小球沿着一个斜面从某一确定的位置滚下来后，将滚上另一面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度［图 1-53（a）］；如果减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上达到原来的高度就要通过更长的距离［图 1-53（b）］；继续减小第二个斜面的倾角，假如它最终成为水平面，小球要达到原有高度将永远运动下去［图 1-53（c）］，在这种情况下，没有力也可以维持物体的运动。显然，伽利略的理想实验驳斥了亚里士多德的观点。
牛顿在伽利略等人研究的基础上，根据自己进一步的研究，得出下述结论：一切物体总保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。这就是牛顿第一定律。
牛顿第一定律指出了物体都有保持匀速直线运动或静止状态的性质，称为惯性。因此，牛顿第一定律又称为惯性定律。比较两辆同样静止的卡车，载重的卡车比空载的卡车难以启动；当它们以同样的速度行驶时，载重的卡车又比空载的卡车难以停下来。这些都说明质量大的物体的运动状态更难改变，我们就说它的惯性大；质量小的物体的运动状态容易改变，我们就说它的惯性小。质量是物体惯性大小的量度，而且是唯一量度。
牛顿第一定律还告诉我们，如果物体不受外力的作用，物体将保持原来的匀速直线运动状态或静止状态，运动状态不会改变。这说明力是改变物体运动状态的原因，是使物体产生加速度的原因。
二、牛顿第二定律
我们又用什么方法来探究物体的加速度与物体所受外力及物体的质量之间存在着的具体关系呢？
由 可知，在时间相同的情况下，加速度 a 跟位移 s 成正比。实验分以
下两步进行：
第一步：取两个质量相同的小车，在两个砝码盘中放上不同数量的砝码，同时打
开夹子，我们会看到受力大的小车发生的位移大，受力小的小车发生的位移小。测量表明，小车的位移跟它受到的外力成正比。
如图 1-54 所示，将两个质量相同的小车放在光滑的水平板上，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个盘，盘里分别放着数量不等的砝码，两个小车在拉力的作用下做加速运动，拉力的大小可以认为等于砝码（包括砝码盘）的重力。小车的质量和拉力的大小可以通过增、减砝码来改变，车的后端也分别系上绳。用一只夹子夹住两根细绳，以同时控制两辆小车，使它们同时运动和停止运动。
实验探究
也就是说，质量相同的物体，其加速度跟
它受到的外力成正比，即 或a ∝ F
第二步：在两个砝码盘中放上相同数量的砝码，使两辆小车受到相同的拉力，往一辆小车上加放砝码，增大质量。我们会看到，在相同的时间里，质量小的小车发生的位移大，质量大的小车发生的位移小。测量表明，小车通过的位移跟它们的质量成反比。也就是说，在相同力的作用下，物体的加速度跟它的质量成反比，即
或a ∝ m
归纳上面的结果可知，物体的加速度与作用力成正比，与物体的质量成反比，即
在一般情况下，物体总是同时受到几个力的作用，这时上面所说的作用力应当
是物体所受外力的合力，那么加速度与力和质量的关系可进一步表述为：物体的加速度与合力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与合力的方向相同，这就是牛顿第二定律，即
F=ma
这个关系不仅适用于直线运动，而且适用于曲线运动。其中，F 表示合力，单位是 N ；m 表示质量，单位是 kg ；a 表示加速度，单位是 m/s2。
三、牛顿第三定律
我们知道，力是物体与物体之间的相互作用。当一个物体对另一个物体施加力的作用时，这个物体也会受到另一个物体的作用，即力总是“成对”出现的。如果把其中一个力叫作作用力，那么另一个力就叫作反作用力。作用力和反作用力存在怎样的关系呢？
为了探究作用力和反作用力的关系，我们来做下面两个实验。
如图 1-55 所示，用弹簧秤 B“主动”去拉弹簧秤 A，A 所受到的拉力的大小可由 A 的示数读出。我们发现弹簧秤 B 也显示同样的示数，说明 A 对 B 也施加了同样大小的拉力。改变 B 对 A 的拉力，发现 A 对 B 的拉力也随之改变。这说明两弹簧受到的拉力总是大小相等、方向相反。
实验探究
再如图 1-56 所示，在水中漂浮的两个相同木块上分别放上质量相等的磁铁和铁块，然后同时放开，发现它们同时运动起来，而且以后的运动情况也相同。这说明在磁铁“主动”吸引铁块的同时，铁块也“回敬”了相同大小的力来吸引磁铁。
实验探究
牛顿在总结这类实验结果的基础上，归纳出以下结论：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反、作用在一条直线上，这就是牛顿第三定律。
牛顿第三定律在生活和生产中的应用很广泛。人走路时用脚蹬地，脚对地面施加一个向后的作用力，地面同时给脚一个向前的反作用力，使人前进。气垫船的螺旋桨在旋转时，用力向后推水，水同时给螺旋桨一个反作用力，推动船体前进，如图 1-57 所示。
艾萨克·牛顿
艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643—1727）（图 1-58），英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。
牛顿 1661 年进入英国剑桥大学圣三一学院，1665 年获文学学士学位。随后两年在家乡躲避瘟疫。在这两年里，他描绘了一生大多数重要科学创造的蓝图。
1667 年回剑桥后当选为圣三一学院院委，次年获硕士学位。1669—1701 年任卢卡斯教授。1696 年任皇家造币厂监督，并移居伦敦。1703 年任英国皇家学会会长。
拓展阅读
1706 年受女王安娜封爵。他晚年潜心于自然哲学与神学。牛顿是人类历史上最伟大的科学家之一，他的主要成就是发明了微积分，发现了万有引力定律，创立了经典力学。
拓展阅读
1. 下列关于运动和力的说法中正确的是（　　）。
A. 物体在恒力作用下不可能做变速运动
B. 作用在物体上的力越大，物体运动得越快
C. 物体只在一个力的作用下，一定做加速运动
D. 物体在几个力的共同作用下，加速度可能为零
2. 一个物体在几个力的作用下处于静止状态，如果突然撤去其中一个力，（　　）。
A. 物体一定做匀减速直线运动　 B. 物体一定做匀加速直线运动
C. 物体一定做匀速直线运动　　 D. 物体仍然保持静止
课后练习
3. 一个物体静止在光滑水平面上，现同时给它施加两个水平拉力 F1、F2，且 F1=5 N，F2=3 N，如图 1-59 所示，此后物体将（　　）。
A．向左运动 B．向右运动
C．保持静止 D．无法判断
课后练习
4. 用 30 N 的水平外力 F 拉一个静止在光滑水平面上质量为 20 kg 的物体，力 F作用 3 s 后撤去，则第 5 s 末物体的速度和加速度分别为（　　）。
A．v=4.5 m/s，a=1.5 m/s2
B．v=1.5 m/s，a=7.5 m/s2
C．v=4.5 m/s，a=0
D．v=7.5 m/s，a=0
5. 一个物体受到 F1=4 N 的力，产生 a1=2 m/s2 的加速度，要使它产生 a2=6 m/s2的加速度需要施加多大的力？
课后练习
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