牛顿三大定律
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牛顿三大定律
牛顿三大定律是力学中重要的定律，它是研究经典力学的基础。
1
．牛顿第一定律
< br>(
也叫惯性定律
)
内容：
任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，
直到受到其它物体的作用力
迫使它改变这种状态为止。
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。
2
．牛顿第二定律
(
也叫加速度定律
)
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，加速度的大小正比于合外力的大小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：
物体受到的合外力，
会产生加速度，
< br>可能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。
真空中，
< br>由于没有空气阻力，
各种物体因为只受到重力，
则无论它
们的质量如何，
都具有的相同的加速度。
因此在作自由落体时，
在相同的时间间隔中，
它们的速
度改变
是相同的。
3
．牛顿第三定律
(
也叫作用力和反作用力定律
)
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。
（
< br>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。
牛顿运动定律是建立在绝对时空以及与此相适应的
超距作用基础上的所谓超距
作用，
是指分离的物体间不需要任何
介质，
也不需要时间来传递它们之间的相互
作用。也就是说相互
作用以无穷大的速度传递。
除了上述基本观点以外，在
牛顿的时代，
人
们了解的相互作用。
如万有引力、
磁石之间的磁力以及相互接触
物体之间的作用力，
都是沿着相互作用的物体的连线方向，
而且相互作用的物体
的运动速度都在常速范围内。
< br>
在这种情况下，
牛顿从实验中发现了第三定律。
“
每一个作用总
是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的
相互作用永远相等，并且
各自指向其对方。
”
作用力和反作用力等大、反向、共
线，彼此作用于对方，并且同时产生，性质相同，这些常常是我们讲授这个定律
< br>要强调的内容。
而且，
在一定范围内，
< br>牛顿第三定律与物体系的动量守恒是密切
相联系的。
但是随着人们对物体间的相互作用
的认识的发展，
19
世纪发现了
电与磁
之间的联系，
建立了电场、
磁场的概念；
除了静止电荷之间有沿着连线方
向相互作用的库仑力外，
发现
运动电荷还要受到磁场力即洛伦兹力的作用；
运动
电荷又将激发
磁场，
因此两个运动电荷之间存在相互作用。
在对电磁现象研究
的
基础上，麦克斯韦（
1831
－
1879
）在
1855
～
1873
年间完成了对电磁现象及其
规律的大综合、
建立了系统的电磁理论，
发现电磁作用是通
过电磁场以有限的速
度（光速
c
）来传
递的，后来为电磁波的发现所证实。
物理学的深入发展，
暴露出牛顿第三
定律并不是对一切相互作用都是适用的。
如果说静止电荷之间的
库仑相互作用是沿着二电荷的连线方向，静电作用可当作以
“
无
穷大速度
”
传递的
超距作用，
因而牛顿第三定律仍适用的话，
那么，
对于运动
电荷之间的相互作用，
牛顿第三定律就不适用了。如图所示，运动电荷
< br>B
通过激发的磁场作用于运动
电荷
A
的力为
（并不沿
AB
的连线），而运动电荷
A
的磁场在此刻对
B
电荷却
无作用力（图
中未表示它们之间的库仑力）。由此可见，作用力在此刻不存在反
作用力，作用与反作用
定律在这里失效了。
实验证明：对于以电磁场为媒介
传递的近距作用，
总存在着时间的推迟。
对于存在推迟效应的相互作用，
牛顿第<
/p>
三定律显然是不适用的。
实际上，
只有对
于沿着二物连线方向的作用
（称为有心
力），并可以不计这种作
用传递时间（即可看做直接的超距作用）的场合中，牛
顿第三定律才有效。
但是在牛顿力学体系
中，与第三定律密切相关的动量守
恒定律，
却是一个普遍的自然
规律。
在有电磁相互作用参与的情况下，
动量的概
念应从实物的动量扩大到包含场的动量；
从实物粒子的机械动量守恒扩大为全
部
粒子和场的总动量守恒，从而使动量守恒定律成为普适的守恒定律。
< br>
在现代物理学中，
动量守恒定律、
能量守恒定律与角动量守恒定律相比牛顿定律
更为普遍适用，它们既应用于光，也应
用于物质；既应用于经典物理学，也应用
于非经典物理学。
它们的陈述都非常简单：
“
动量、能量、角动量既不可能凭
空创造也不可
能凭空消失
”
。
因为力是动量的时间衍生物，因此
力这个概念显
得有些多余，
是从属于守恒定律的。
力的概念也不能应用于基础理论，
如量子力
学、量子
电动力学、广义相对论中。标准模型解释了三种基本力（强力、弱力和
电磁力）
是如何从规范场中起源并通过虚粒子转换的。
其他的力例如重力与费米<
/p>
简并压力也可以冲动量守恒中引出。
万有引力定律
简
介：
万有引力定律
(Law of
universal gravitation)
是艾萨克
·<
/p>
牛顿在
1687
年于《自
然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适万有引力定律表示如下：
任意两
个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质
量乘积成正比，
与它们距离的平方成反比，
与两物体的化学本质或物理状态以及
中介物质无关。
万有引力定律是解释物体之间的相互作用的引力的定律。
是物体
（质点）
间
由于它们的引力质量而引起的相互吸引力所遵循的规律。
是牛顿在前人（开普勒、胡克、雷
恩、哈雷）研究的基础上，凭借他超凡的
数学能力证明，在
16
87
年于《自然哲学的数学原理》上发表的。
在高中
阶段主要是用了简化的思想，把行星运动轨道由椭圆简化为圆下证
明。
< br>
具体证明可以参考《普通高中课程标准实验教科书》物理高一第六章
万有
引力定律
p97-107
或《普通高中课程标准实验教科书》物理高一必修
2
教材
p36-37
。
万有引力定律的发现，是
17
世纪自然科学最伟大的成
果之一。
定律内容：
自然界
中任何两个物体都是相互吸引的，
引力的大小与两物体的质量的乘积
成正比，与两物体间距离的平方成反比。
公式表示：
F=G*M1M2/
（
R*R
）
（
G=6.67×
10^-
11N•m^2/kg^2
）
F:
两个物体之间的引力
G:
万有引力常数
m1:
物体
1
的质量
m2:
物体
2
的质量
r:
两个物体之间的距离
依照国际单位制，
F
的单位为牛顿
(N)
，
m1
和
m2
的单位
为千克
(kg)
，
r
的
单位为米
(m)
，常数
G
近似地等于
6.67×
10-11
次方
N·
m2
㎏
-2
次方
（牛顿米的平方每千克的平方）。
可以看出排斥力
< br>F
一直都将不存在，
这意味着净加速度的力是绝对的。<
/p>
（这
个符号规约是为了与库仑定律相容而订立的，
在库仑定律中绝对的力表示两个电
子之间的排斥力。）
适用范围
:
两个可以视为质点的物体之间，或者是两个均匀球之间。
意义：
万有引力定律的发现，是
17
世纪自然科学最伟大的成果之一。它把地面上
物体运动的规律和天体运
动的规律统一了起来，
对以后物理学和天文学的发展具
有深远的
影响。
它第一次解释了
（自然界中四种相互作用之一）
一种基本相互作
用的规律，在人类认识自然的历史上树立了一座里程碑。
万有引力定律揭示了天体运动的规律，在天文学上和宇宙航行计算方面有
着广泛的应用。
它为实际的天文观测提供了一套计算方法，
可以只凭少数观测资
料，就能算出长周期运行的天体运动轨道，科学史上哈雷彗星、海王
星、冥王星
的发现，
都是应用万有引力定律取得重大成就的例子
。
利用万有引力公式，
开普
勒第三定律
等还可以计算太阳、
地球等无法直接测量的天体的质量。
牛顿还
解释
了月亮和太阳的万有引力引起的潮汐现象。他依据万有引力定律和其他力学定
律，
对地球两极呈扁平形状的原因和地轴复杂的运动，
也成功的做了说明。
推翻
了古人类认为的神之引力。<
/p>
重力加速度：
令
a1<
/p>
为事先已知质点的重力加速度。由牛顿第二定律知，
即。取代前面
方程中的
F
同理亦可得出
a2.
依照国际单位制，
重力加速度
（同其他一般加速度）
的单位被规定为米每
平
方秒
(m/s^2 or m s
^−2)
。
非国际单位制的单位有伽利略、
单位
g
（见后）
以及
英
尺每秒的平方。
请注意
上述方程中的
a1
，质量
m1
的加速度，在实际上并不取决于
m1
的
取值。
因此可推论出对于任何物体，
无论它们的
质量为多少，
它们都将按照同样
的比率向地面坠落（忽略空气阻
力）。
如果物体运动过程中
r
只有极微小的改
变
——
譬如地面附近的自由落体运
动<
/p>
——
重力加速度将几乎保持不变
（参看条
目地心引力）
。
而对于一个庞大物体，
由于
r
的变化导致的不同位点所受重力的变化，
将会引起巨大而可观的潮汐力作
用。
具有空间广度的物体：
如果被讨论的物体具有空间广度<
/p>
（远大于理论上的质点）
，
它们之间的万
有
引力可以以物体的各个等效质点所受万有引力之和来计算。
在
极限上，
当组成质
点趋近于
“
无限小
”
时，将需要求出两物体间的力（矢量式
见下文）在空间范围上
的积分。
从这里可以得出：如果物体的质量
分布呈现均匀球状时，其对外界物体施
加的万有引力吸引作用将同所有的质量集中在该物
体的几何中心原理时的情况
相同。（这不适用于非球状对称物体）。
矢量式：
地球附近空间内的重力示意图：在此数量级上地球表面的弯曲可被忽略不