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第1章
运 动 和 力
本章导读我们在生活中经常听到速度、加速度、重力和弹力等名词，那么，你知道它们在物理学中的定义吗？本章将详细介绍与运动和力相关的物理知识。学习目标
了解与运动相关的名词，如参照物、质点、时刻、时间、矢量、标量、位移、路程、速度和速率等。
理解匀变速直线运动的规律，并能进行相关运算。
掌握力的概念及重力、弹力和摩擦力的相关知识。
理解平行四边形法则，并能进行力的合成与分解。
掌握牛顿运动定律。
目录 Contents
1.1 运动的描述
1.2 匀变速直线运动
1.3 重力、弹力与摩擦力
1.4 力的合成与分解
1.5 牛顿运动定律
1.5 牛顿运动定律
1.5 牛顿运动定律
牛顿运动定律包括牛顿第一定律、牛顿第二定律和牛顿第三定律，它是由英国的物理学家艾萨克·牛顿于1687年在《自然哲学的数学原理》一书中总结提出的。
其中，牛顿第一定律说明了力的含义，牛顿第二定律指出了力的作用效果，牛顿第三定律揭示出力的本质。
1.5 牛顿运动定律
1.5.1 牛顿第一定律
演示实验1-5 伽利略斜面实验
如右图所示，让小球从静止状态滚下斜面，当小球滚到最底端后又会滚上另一个斜面。若两块斜面都非常平滑，动摩擦因数非常小，而且空气阻力忽略不计，则小球会滚到同样的高度。
1.5 牛顿运动定律
减小第二个斜面的倾角，小球也会同样地达到相同的高度。持续减小该斜面倾角，则小球达到同样的高度所运动的距离就会越来越长。
如果将斜面改成水平面，小球就会沿着水平面保持匀速直线运动。于是伽利略总结：力不是维持物体运动的原因。
1.5 牛顿运动定律
牛顿在伽利略等人研究的基础上，提出了牛顿第一定律。
一切物体总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态，这就是牛顿第一定律。物体这种保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质叫作惯性。因此，牛顿第一定律也称为惯性定律。
利用牛顿第一定律可以解释很多日常生活中的现象。例如，当汽车突然向前开动，汽车里的乘客会不自觉地向后面倾倒，这是由于汽车突然开动，乘客的下半身随着汽车开始向前运动，而上半身由于惯性依然保持静止状态的缘故。
1.5 牛顿运动定律
1.5.2 牛顿第二定律
通过牛顿第一定律我们可以知道，物体在没有外力作用的情况下，将保持原来的运动状态。由此可知，如果物体受到外力的作用，其运动状态可能会改变。
力是物体运动状态改变的原因，运动状态改变就意味着物体速度发生了改变，即产生了加速度。由此可见，力是物体产生加速度的原因。那么，在匀变速直线运动中，加速度的大小与哪些因素有关呢？
演示实验1-6 加速度与物体受力及物体质量的关系
1.5 牛顿运动定律
（1）加速度与物体受力的关系
取质量相同的两辆小车A、B，分别放在互相平行的两条光滑水平滑道上。小车的前端各系上一根细绳，绳的另一端跨过定滑轮挂上不同质量的钩码，钩码的质量要远小于小车的质量。小车受到的水平拉力大小可以近似认为等于各自所挂钩码重力的大小。小车的后端也分别系上较长的细绳，用来控制小车的运动。
让两小车同时从静止开始运动，当小车运动一段距离后，使小车同时停下。
1.5 牛顿运动定律
观察两辆小车的位移，发现所受拉力较大的小车，发生的位移也较大。由于小车运动时间相同，根据位移公式可知，位移与加速度成正比，因此，比较小车的位移就可以比较它们加速度的大小关系。通过分析实验可以发现，小车的加速度与其所受拉力成正比。
（2）加速度与物体质量的关系
重复上述实验，只是将质量相同的两辆小车换成质量不同的两辆小车，这次在绳的另一端分别挂上质量相同的钩码。同样，让两小车同时从静止开始做匀加速直线运动，运动一段距离后，让小车同时停下。通过观察位移的大小来比较加速度的大小。
观察两辆小车的位移，发现质量小的小车发生的位移较大。通过分析实验可以发现，在相同拉力的作用下，小车的加速度与其质量成反比。
1.5 牛顿运动定律
上述实验表明，物体加速度的大小与它所受到的作用力成正比，与它的质量成反比，且加速度的方向与合力的方向相同，这就是牛顿第二定律。
通过选择合适的单位，牛顿第二定律用公式可表示为
其中，质量的单位为kg，加速度的单位为 ，力的单位为N。
在国际单位制中，规定使质量为1 kg的物体产生1 的加速度所需的力是1 N，即
。
1.5 牛顿运动定律
由牛顿第二定律可以看出，质量不同的物体，运动状态改变的难易程度不同，或者说它们的惯性大小不同。在外力相同的情况下，质量大的物体获得的加速度小，它的运动状态难以改变，即惯性大；质量小的物体获得的加速度大，它的运动状态容易改变，即惯性小。因此，描述物体惯性的物理量是质量。
牛顿第二定律对社会生产实践具有积极的指导作用。例如，战斗机要追击敌机，总是把副油箱甩掉，它之所以这么做，就是根据牛顿第二定律，通过减小自身质量来获得更大的加速度。而锻造器件所用的铁砧、机床的后座，则要求在撞击力的作用下产生尽可能小的加速度，因此就要尽量增大它们的质量，以保持其稳定性。
1.5 牛顿运动定律
1.5.3 牛顿第三定律
我们在划船时，为了让船离开岸边，可以用船桨去推河岸。细想之后会发现，虽然我们将力施加在河岸上，但是我们所坐的船会逐渐后退而离开岸边。这个现象说明，我们在向河岸施力的同时，河岸也在向我们施力。
力是物体与物体间的相互作用，只要有力发生，就一定有施力物体和受力物体。当一个物体对另一个物体施加了力，另一个物体必定同时对这个物体也施加了力。物体间相互作用的这一对力，通常称为作用力和反作用力。
演示实验1-7 探究作用力与反作用力大小的关系
1.5 牛顿运动定律
如图1-24所示，把两只弹簧测力计A和B的挂钩连在一起，两手分别握住弹簧测力计的拉环并向相反方向拉两只测力计。其中，测力计A的示数表示测力计B对A的作用力大小，而测力计B的示数表示测力计A对B的作用力大小。改变测力计弹簧拉伸的程度，观察测力计A和B的示数如何变化。
1.5 牛顿运动定律
实验结果表明，两个测力计的读数总是相等，说明作用力与反作用力的大小总是相等的。
牛顿经过研究发现，两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，且作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律，用公式可表示为
其中，F和 分别表示作用力和反作用力，负号表示它们的方向相反。
1.5 牛顿运动定律
在应用牛顿第三定律时，我们应当注意以下几点：
1.5 牛顿运动定律
在载人航天器的发射加速上升阶段，宇航员要经受约5倍于地球引力的超重，以及高强噪声和振动的刺激；载人航天器返回地球在近地的减速阶段，宇航员要经受开伞减速和着陆冲击的考验，这些统称为超重或者过载。当载人航天器进入轨道后，宇航员又会处于完全失重状态，此时他们对其下方的物体完全没有压力，并在载人航天器中处于漂浮状态。
知识角
1.5 牛顿运动定律
1.5.4 国际单位制中力学物理量的单位
物理量一般有很多单位，例如，长度的单位有千米、米、分米、厘米、毫米、微米和纳米等；时间的单位有小时、分钟、秒和毫秒等；质量的单位有吨、千克、克和毫克等。
在物理学中，只要选定几个物理量的单位，就能够利用物理量之间的关系推导出其他物理量的单位。这些被选定的物理量叫作基本量，它们相应的单位叫作基本单位。由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量叫作导出量，推导出来的相应单位叫作导出单位。基本单位和导出单位组成了单位制。选取不同的基本单位，组成的单位制也就不同，本书采用国际单位制（SI）。
演示实验1-7 探究作用力与反作用力大小的关系
1.5 牛顿运动定律
如图1-24所示，把两只弹簧测力计A和B的挂钩连在一起，两手分别握住弹簧测力计的拉环并向相反方向拉两只测力计。其中，测力计A的示数表示测力计B对A的作用力大小，而测力计B的示数表示测力计A对B的作用力大小。改变测力计弹簧拉伸的程度，观察测力计A和B的示数如何变化。
1.5 牛顿运动定律
课后实践
艾萨克·牛顿（1643年1月4日—1727年3月31日），英国皇家学会会长，英国著名的物理学家，百科全书式的“全才”，著有《自然哲学的数学原理》《光学》等著作。
请在课后查阅资料，了解牛顿在科学上的贡献和生平事迹，并与同学分享调查结果。

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