牛頓運動定律的建立及其意義

1、學院畢業(yè)論文牛頓運動定律的建立及其意義姓 名 學 號200851326專業(yè) 物理學年級 2008級指導教師 金玉副教授Suihua Un iversity Graduatio n PaperEstablishme ntand itssig nifica neeofNewt onian sports lawStude nt n ameStude nt nu mberMajorSupervis ing teacher200851326Applied chemistryCuiji nyuSuihua Uni versity本文概括的介紹了牛頓運動定律的建立過程及其重要物理意義。文章首先通過對 十七世

2、紀的科學發(fā)現(xiàn)進行回顧，分別對牛頓三大定律的建立過程進行闡述。之后總結 了十七世紀以來的物理研究及發(fā)現(xiàn)，對牛頓運動定律的意義進行了歸納。最后對牛頓 運動定律的本質進行了概括。本文不僅對牛頓牛頓運動定律進行了文字闡述，還附加了一些例題及圖片說明， 使讀者更容易理解牛頓運動定律的意義。在文章的最后部分，本文還舉例說明了牛頓 運動定律在現(xiàn)實中的應用，充分說了牛頓運動定律的意義。關鍵詞：牛頓運動定律；建立過程；物理意義AbstractThe paper introduces the establishing process of Newtonian sports law and its physical

3、 meaning. Firstly, through to the seventeenth Century scientific findings were retrospectively reviewed, respectively, to the Newtonian three law establishment process are expounded. After summing up since seventeenth Century on the physics research and discovery, of Newton's laws of motion sens

4、e are summarized. At the end of Newtonian sports law essence summarized.This paper not only for the Newtonian laws of motion for text elaboration, has also added some examples and explanation, making it easy for readers to understand the significance of Newtonian sports law. In the last part of the

5、thesis, this paper also illustrates the Newtons laws of motion in the real application, fully said the significance of Newtonian sports law.Key word: Newtons laws of motion; Building process; The meaning of physical目錄摘要IAbstract U目錄-in前言1第 1 章牛頓運動定律的建立過程i i ii2第 1 節(jié)慣性概念的建立 i iiii2第2 節(jié)力與運動關系的思想發(fā)展 i i

6、ii3第3 節(jié)牛頓第三運動定律的發(fā)現(xiàn)過程i i ii4第4 節(jié)小結i ii4第 2 章牛頓運動定律i iii6第 1 節(jié)牛頓第一定律iiii6第2 節(jié)牛頓第二定律 i iiii7第3 節(jié)牛頓第三定律iiii8第 3 章牛頓運動定律的意義i i ii9結論 ii11參考文獻iiii i ii12致i13牛頓在自然哲學的數(shù)學原理里提出的萬有引力定律以及他的牛頓運動定律 是經典力學的基石，他還和萊布尼茨各自獨立地發(fā)明了微積分，被譽為人類歷史上最 偉大的科學家之一。 因為牛頓，經典力學又名為 “牛頓力學 ”，而力的單位也叫做 “牛頓”， 另外，以牛頓命名的數(shù)學和科學術語還有 “牛頓方程 ”、“牛頓-萊

7、布尼茨公式 ”、“牛頓法”、 高斯-牛頓最小二乘法”、牛頓環(huán)”、非牛頓流體”等。艾薩克 牛頓爵士是人類歷史 上出現(xiàn)過的最偉大、最有影響的科學家，同時也是物理學家、數(shù)學家和哲學家。他在 1687年 7月 5日發(fā)表的不朽著作自然哲學的數(shù)學原理里用數(shù)學方法闡明了宇宙中 最基本的法則 萬有引力定律和三大運動定律。 這四條定律構成了一個統(tǒng)一的體系， 被認為是 “人類智慧史上最偉大的一個成就 ”，由此奠定了之后三個世紀中物理界的科 學觀點，并成為現(xiàn)代工程學的基礎。牛頓為人類建立起 “理性主義 ”的旗幟，開啟工業(yè) 革命的大門。牛頓逝世后被安葬于威斯敏斯特大教堂，成為在此長眠的第一個科學家。 作為經典物理學的

8、奠基人，牛頓為物理學做出了巨大的貢獻，沒有他，就沒有其他人 的成就。牛頓運動定律不僅為他以后的成就奠定了基礎也為別人鋪平了道路。牛頓運 動定律的建立是物理學的一個重要的里程碑，我們應該熟練的掌握并運用。第 1章 牛頓運動定律的建立過程經典物理學以牛頓力學為基礎，牛頓力學以牛頓三大運動定律為核心。牛頓是怎 么發(fā)現(xiàn)的牛頓三大運動定律，本文將對此作出解釋。第 1 節(jié) 慣性概念的建立物理學發(fā)展史上，關于運動的研究起始于探討必然的運動規(guī)律，然后轉變?yōu)樘剿?自然的運動，在這樣的追求和探索過程中，通過實驗和觀察，逐漸歸納出物質運動的 規(guī)律。從公元前開始許多的科學家就著手研究并提出自己的物質觀和運動觀。泰勒斯

9、學 派代表人物阿納克薩哥拉提出提出宇宙萬物起源于“單子”的必然的漩渦運動。古原 子理論奠基人留基伯和德謨克利特認為宇宙萬物起源于原子在虛空中的必然的漩渦運 動，但是在他們之后的伊壁鳩魯提出了比他們的研究成果更深刻的理論，他認為除了 原子的必然的漩渦運動之外，還存在一種偶然的偏斜運動。 1康德在宇宙發(fā)展史概論中提出原子的偶然偏斜運動的原因是斥力。伊壁鳩魯 認為：“當原子在虛空里被帶向前進而沒有東西與他們沖撞時， ，它們一定以相等的速 度運動” 這句話說明原子在虛空中沒有受到阻礙（即不受阻力）的情況下，只要沒有 外界干擾，那么它們會一直等速勻速下去，這實際上就是原子的慣性思想。這說明了 慣性概念開

10、始萌芽了。亞里士多德在物理學一書中把一切運動分為兩種：第一種是自然運動，第二 種是強制運動。亞里士多德還對自然運動進行了定義，稱被自身推動的運動者是自然 地運動的。物理學史上第一個用嚴格的科學論證提出慣性律的科學家伽利略在運動 論手稿中反駁亞里士多德的這種定義，他認為水平面上的物體運動就不具有這種性 質，并初步提出慣性概念的想法。他在關于兩種種新科學的對話中，通過一個理 想實驗確實論證了水平面上的直線運動是慣性運動。 他用理想實驗進行論證的原因是， 現(xiàn)實中的水平直線運動都是有阻力的，只能近似地而不可能無阻力地進行這種實驗。之后的開普勒在研究天體運動規(guī)律的時候發(fā)現(xiàn)了慣性在天體運動中的作用，他在行

11、星的原因認為慣性是一種與重量類似的東西，天體沒有它就不會有有一種力量 使它們從所在的地方運動。他還認為所有的物質必須有慣性，只有慣性才能說明運動 的差異。他是從物質慣性質量去理解物質的慣性，但從慣性是物質在屬性的觀點所做的發(fā) 展，卻遭到笛卡爾和伽桑狄的反對。笛卡爾在哲學原理中不承認物質之存在什么 屬性，而認為客觀存在的只有廣延，物質或物體不過是一種廣延罷了，物質的本質就 是廣延的。伽利略、開普勒等人的這些慣性運動概念對牛頓后來的思想都產生了不同程度的 影響，而伽利略和笛卡爾的起的影響最大。但是發(fā)現(xiàn)了慣性定律并不代表發(fā)現(xiàn)了第一 運動定律，牛頓在總結研究前人的研究成果的基礎上研究慣性運動及其本質，

12、提出慣 性是由物體在的屬性慣性力或質量決定的，在自然哲學的數(shù)學原理中提出了 著名的牛頓運動第一定律。第2節(jié) 力與運動關系的思想發(fā)展力與運動的關系一直是物理學研究的基礎，而力與機械運動變化的關系是近代物 理學學前期發(fā)展的基本課題。從古希臘到牛頓時代，能夠沿思辨定性定量的 順序進行發(fā)展并可用系統(tǒng)的科學實驗研究的，只力與機械運動的關系。 2古代原子論者伊壁鳩魯提出思辨的運動觀：他說原子運動和變化的原因有三種， 一種是由重量引起的向下運動，另一種是由沖撞引起的向上或側向運動，再一種是原 子下落過程中因某種原因出現(xiàn)餓偶然偏斜運動。他把作用力與速度的變化聯(lián)系起來。 亞里士多德的的運動觀是以作用力和速度比例

13、為特征的，他沒有也不可能認識到作用 力與速度成比例。近代物理學起源于批判亞里士多德的運動觀，特別是從批判重量與速度成比例關 系開始， 1590 年伽利略做了著名的比薩斜塔實驗以雄辯的事實批判了亞里士多德的運 動觀。通過實驗數(shù)據(jù)推出自由落下的路程與時間的平方成比例。從而提出了加速度的 概念，發(fā)現(xiàn)力與加速度的比例關系，導致落體定律和拋射體運動規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。即徑向的和切向的笛卡爾在力與加速度關系方面對牛頓有著不可低估的影響。其一在分析圓周運動 和離心力概念上笛卡爾認為圓周運動的物體同時有兩種運動傾向， 其二在關于物體碰撞及其規(guī)律上，笛卡爾認為，一動體和一定體碰撞，后者的阻力能超過前者的動力，如果二者是

14、軟的，動體會變成靜止的，如果他們都是硬的，會無運動損失地被反射回去。此外如果動體的動力大于定體的阻力，二者會一起向前運動，其變化是前后的運動是守恒的。他由此推廣到宇宙圍，認為宇宙中的總動量是不受物 體碰撞影響的。這其實就是彈性碰撞和非彈性碰撞規(guī)律及動量守恒定律的雛形。牛頓在 1665 年左右，過研究慣性運動的變化與作用力的關系開始注意運動第二定律。牛頓將保持和打破物體的慣性運動狀態(tài)的力看作本原的觀點，定義力并將力分成 外力和在固有的慣性力兩種，這對科學的發(fā)展產生了深遠的影響。為例得出適合水平 運動和落體運動兩種情況的普遍的運動第二定律，牛頓通過磁力作用證明了慣性質量 和引力質量等效，從而得出普

15、遍的運動第二定律及其表達式。第 3 節(jié) 牛頓第三運動定律的發(fā)現(xiàn)過程牛頓運動第一定律和運動第二定律是關于物體慣性運動和打破慣性運動的定律， 但對于一個物體系來說，必然存在作用和反作用或運動傳遞的問題。笛卡爾從運動變化的觀點和萊布尼茨從活力的觀點，分別研究過物體碰撞前后運 動量的傳遞和守恒關系。 而牛頓卻從力的觀點研究了物體碰撞過程中相互作用的關系。 他早在 665 1666 年間就認識到二剛體相互碰撞的瞬間，彼此以相等的最大壓力或 作用力與反作用力相互作用，這標志著運動第三定律已經萌芽。牛頓后來用圖形研究 作用力和反作用力是否相等并在同一直線上，終發(fā)現(xiàn)了運動第三定律。牛頓從研究慣性運動時起至最后

16、提出運動三定律，并把這三定律看作一個整體并 作為動力學的主要基礎對人類科學的發(fā)展產生了劃時代的影響。 3第 4 節(jié) 小結 原初版本的牛頓運動定律只適用于描述質點的動力學，不具有足夠功能來描述剛 體與可變形體的運動。 1750 年, 歐拉在牛頓定律的基礎上，推導出能夠應用于剛體的 歐拉運動定律。后來，這定律又被應用于假定為連續(xù)介質的可變形體。假若用一群離 散質點的組合來代表物體，其中每一個質點都遵守牛頓定律，則可以牛頓運動定律推 到出歐拉運動定律。不論如何，歐拉運動定律可以直接視為專門描述宏觀物體運動的公理，與物體部結構無關。在這里，宏觀物體指的是尺度遠遠大于粒子尺度的物體。牛頓運動定律只成立于

17、慣性參考系，又稱為牛頓參考系。有些學者喜歡將第一定 律作為，而將慣性參考系視為牛頓參考系。有些學者喜歡將第一定律作為根本，而是 將慣性系視作第一定律的延伸，也就是說在他們看來，第一定律可以用來定義慣性參 考系。假若采用這觀點，則由于只有從慣性參考系觀察，第二定律才成立，所以，不 能從第二定律以特例的方式來推導出第一定律。另外又有一些學者將第一定律視為第 二定律的推論。運動三定律雖以英國著名物理學家、天文學家、數(shù)學家牛頓的名字命名，但它是 歷史上許多科學家長期探索的結晶。第 2章 牛頓運動定律牛頓三大運動定律是經典力學的基礎，三大定律之間有著深刻的關聯(lián)。牛頓第一 運動定律是牛頓運動定律的基礎定律

18、， 牛頓第二運動定律是牛頓運動定律的核心定律， 牛頓第三運動定律是牛頓運動定律的聯(lián)系定律。 4第 1 節(jié) 牛頓第一定律11 牛頓第一定律的容表述一：任何物體在不受外力或受力平衡時（即F合=0 ），總是保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。表述二：當 質點距離其他質點做夠遠時，這個質點就作勻速直線運動或保持靜止狀態(tài)。即：質量 是慣性大小的量度。 5如火車在長直水平軌道上勻速行駛，門窗緊閉的車廂有一個人向上跳起，發(fā)現(xiàn)仍 落回到車上原處，這是因為人跳起后直到落地，在水平方向上人和車具有相同的速度。 由于慣性，火車在勻速運動中火車上的人與火車具有相同的水平速度

19、，當人向上跳起 后，仍然具有與火車相同的水平速度，人在騰空過程中，由于只受重力，水平方向速 度不變，直到落地。牛頓第一定律是力學中德基礎定律，要使學生真正理解掌握該定律并不容易，因 為該定律是在實驗基礎上，憑借想象運用推理總結概括得出的。學生在學習牛頓第一 定律的困難在于從生活經驗中得到一種被現(xiàn)象掩蓋本質的錯誤觀念，認為物體的運動 時力作用的結果，正因為如此，我們要對牛頓第一定律進行深層次的理性思考。下面談談我在初中無力教學中關于牛頓第一定律的教學經驗及認識。一、做好演示實驗，注重想想推理。二、理論聯(lián)系實際，多觀察實例。12 對牛頓第一定律的理解要點（ 1）運動是物體的一種屬性，物體的運動不需

20、要力來維持。（ 2）它定性地揭示了運動與力的關系：力是改變物體運動狀態(tài)的原因，是使物體產生加速度的原因(3) 第一定律是牛頓以伽俐略的理想斜面實驗為基礎，總結前人的研究成果加以 豐富的想象而提出來的；定律成立的條件是物體不受外力，不能用實驗直接驗證。(4) 牛頓第一定律是牛頓第二定律的基礎，不能認為它是牛頓第二定律合外力為 零時的特例，第一定律定性地給出了力與運動的關系，第二定律定量地給出力與運動 的關系。第2節(jié)牛頓第二定律2.1牛頓第二定律的容定律容 物體的加速度跟物體所受的合外力 F成正比，跟物體的質量成反比，加速 度的方向跟合外力的方向相同。而以物理學的觀點來看，牛頓運動第二定律亦可以表

21、 述為“物體隨時間變化之動量變化率和所受外力之和成正比”。即動量對時間的一階 導數(shù)等于外力之和。牛頓第二定律說明了在宏觀低速下，刀 F*a,刀F*m用數(shù)學表達式可以寫成刀F=kma其中的k是一個常數(shù)。但由于當時沒有規(guī)定1個單位的力的大 小，于是取k=1，就有刀F=ma這就是今天我們熟悉的牛頓第二定律的表達式。如圖2-1，自由下落的小球下落一段時間后，與彈簧接觸，從它接觸彈簧開始，到 彈簧壓縮到最短的過程中，小球的速度、加速度、合外力的變化情況是怎樣的？圖2-1 小球自由落體小球剛接觸彈簧時，所受合外力方向向下，速度逐漸增大方向向下，加速度減小， 方向向下。當小球所受彈簧彈力與小球重力大小相等時

22、，所受合外力為零，小球速度 達到最大值，方向向下，此時加速度為零。當彈簧壓縮到最短時，小球所受合外力方 向向上，速度為零，加速度方向向上。2.2 對牛頓第二定律的深刻理解(1) 在某一方向上，(如水平方向，而豎直方向合力為零)僅受一個力作用的F=m<a ；(2) 抽象成一個孤立物體僅受一個力作用的 F =ma ;(3) 物體受多個力的作用F合=ma ;(4) 由于矢量性，F(xiàn)合二ma，可以正交分解成F合x =max和F合y=may;(5) 區(qū)別孤立物體的平衡態(tài)和物體合外力為零的平衡態(tài)；(6) 牛頓第二定律最核心的容是F合=m<a和物體的初始條件決定物體的運動規(guī)律。6第3節(jié)牛頓第三定律

23、3.1 牛頓第三定律的容兩個物體之間的作用力與反作用力，總是同時作用在同一條直線上，且大小相等, 方向相反。即FF2(N N')。 力的作用是相互的。同時出現(xiàn)，同時消失。 相互作用力一定是相同性質的力。 作用力和反作用力作用在兩個物體上，產生的作用不能相互抵消。 作用力和反作用因為作用點不在同一個物體上，所以不能求合力。3.2相互作用力和平衡力的區(qū)別相互作用力和平衡力不是同一個，它們之間存在很大的區(qū)別，詳見表2-1.表2-1相互作用力和平衡力的區(qū)別容作用力和反作用力二力平衡受力物體作用在兩個相互作用的物體上作用在冋一個物體物體上依賴關系冋時產生，冋時消失相互依存無依賴關系，撤除一個，另

24、一個可依然存在，只是不再平衡疊加性兩力作用效果不可抵消，不可疊兩力運動效果可相互抵消，可力口，不可求合力疊加，可求合力，合力為零；形變效果不能抵消力的性質一定是同性質的力可以是同性質的力也可以不是同性質的力第3章牛頓運動定律的意義牛頓的三大運動定律構成了物理學和工程學的基礎。正如歐幾里德的基本定理為 現(xiàn)代幾何學奠定了基礎一樣，牛頓三大運動定律為物理科學的建立提供了基本定理。以牛頓三大定律為基礎建立了牛頓經典力學體系。建立開辟了科學發(fā)展的一個新 天地、新時代。它的廣泛傳播和運用對人們的生活和思想產生了重大影響，在一定程 度上推動了人類社會的發(fā)展進步。它的成功對人類社會在各方面產生了不可估量的影

25、響。牛頓經典力學的成就使得它得到廣泛傳播，深深地改變了人們的自然觀。人們往 往用力學的尺度去衡量一切，用力學的原理去解釋一切自然現(xiàn)象，將一切運動都歸結 為機械運動，一切運動的原因都歸結為力，自然界是一架按照力學規(guī)律運動著的機器。 這種機械唯物主義自然觀在當時是有進步作用的。由于它把自然界中起作用的原因都 歸結為為自然界本身規(guī)律的作用，有利于促使科學家去探索自然界的規(guī)律。它能刺激 人們運用分析和解剖的方式，從觀察和實驗中取得更多的經驗材料，這對科學的發(fā)展 來說也是必要的。牛頓運動定律的容和研究方法對自然科學，特別是物理學起了重大 的推動作用。牛頓建立的經典力學體系以及他的力學研究綱領所獲得的成功

26、，在當時 使科學家們以為牛頓經典力學就是整個物理學，甚至是全部自然科學的可靠的最終的 基礎。牛頓研究經典力學的科學方法論和認識論，如運用分析和綜合相結合的方法與 公理化方法及科學的簡單性原則、尋求因果關系中相似性統(tǒng)一性原則、以實驗為基礎 發(fā)現(xiàn)物體的普遍性原則和正確對待歸納結論的原則，對后世科學的發(fā)展也影響深遠。牛頓運動定律的建立還對社會科學方面，特別是對哲學和人類思想發(fā)展，也產生 了重大影響。在牛頓運動定律的直接影響下，英國的霍布斯和洛克建立和發(fā)展了機械 唯物主義哲學，并由于其強大的影響力，使得唯物論從神學那里爭得了發(fā)言權，并在 隨后形成了人類歷史上唯物主義和唯心主義斗爭最為激烈的一段時期。經

27、過康德和黑 格爾對辯證法和機械唯物主義的研究和發(fā)展，以及馬克思和恩格斯對哲學已有研究成 果的吸收，結合當時科學發(fā)展成果，最終建立了唯物主義辯證法。唯物主義辯證法的 建立，在很大程度上得益于牛頓運動定律的建立。因此說牛頓運動定律使人類在思想 上開始走向科學化和現(xiàn)代化。以上是牛頓運動定律對科學和社會發(fā)展的貢獻，那么牛頓運動定律對人們的生活 有什么意義吶？由牛頓第一定律即慣性定律我們知道，一切物體不受外力影響時總保 持原來的運動狀態(tài)，也就是說力可以改變物體的運動狀態(tài)，由此科學家們設計出衛(wèi)星 變軌方法。牛頓第二定律是加速定律，通過加速定律我們可以算出火箭升空所需燃料 的多少，不僅避免了燃料的浪費，還減輕了火箭的重量。人們的生活水平提高了，汽 車越來越普及了，車禍事故發(fā)生次數(shù)也在提高，車禍事故中怎么判定事故責任方方吶, 這里運用牛頓第二定律可以方便的做出判定。結論本文概括的總結了古希臘時代到十七世紀的力