澎湃热榜2024年10月13日发布:解读牛顿第一运动定律——火车上垂直起跳会落回原位吗?
⭐发布日期:2024年10月13日 | 来源:澎湃热榜
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为了把倾斜传送带的摩擦力问题阐述得更加清晰,我们需要做一些准备工作,今天,我们首先来先看一下牛顿第一运动定律,简称牛顿第一定律,又称惯性定律:任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态,直到外力迫使它改变运动状态为止。
关于这个定律,想必大家很早就有了一个接触或者一个比较简单的了解,那么你又是否对这个定律有一个比较清晰的理解呢?有的小伙伴估计也觉得这个定律好像太简单了,没有告诉我们一个什么实际意义的东西,但是我觉得要从以下几个方面有一个清醒的认识:
一是这个定律告诉我们,匀速直线运动是自然界当中所有物体天生的一种本质,或者说也可以认为是一种类似于人类的本能,也可以认为,匀速直线运动是所有物体存在的一种状态。所以说,亚力士多德的有力物体才能运动,没有力物体就不能运动,这个观点是错误的。虽然这个观点是错误的,但是不可否认,这是人类历史上第一个讲力和运动结合起来,提出思考或者提出观点的第一个人。
二是这个定律告诉我们,力只能使物体的运动状态发生改变,所谓的运动状态改变,就是指运动物体的速度的大小或者方向发生了变化,当然,这也就是加速度发生了变化。从这个方面我们又就知道了力的真正作用到底是什么?
三是这个定律也告诉我们,物理学当中不光是实验和数学的结合,也要注意逻辑推理。比如最经典的伽利略斜面实验,让小球沿一个光滑斜面从静止状态开始下滚,小球将滚上另一个斜面,达到与原来差不多的高度然后再下滚。他推论,只是因为摩擦力,球才没能达到原来的高度。然后,他减小后一斜面的倾角,小球在这个斜面上仍达到同一高度,但这时它要滚得远些。继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度就会滚得更远。于是他对斜面平放时的情况进行研究,结论显然是球将永远滚下去。这就是说,力不是维持物体的运动即维持物体的速度的原因,而恰恰是改变物体运动状态即改变物体速度的原因。因此,一旦物体具有某一速度,如果它不受力,就将以这一速度匀速直线地运动下去。伽利略对光滑斜面的推论是通过实验观察,并推论得到的。但是这个完全光滑的斜面在现实中不存在,因为无法将摩擦力完全消除,因此理想斜面实验属于伽利略的逻辑推理部分。课件物理学是一门实验与逻辑推理,结合非常紧密的学科,在这个方面做实验做的很好的法拉第就是一个很悲哀的例子。
四是这个定律也是有一定的适用范围:牛顿第一定律只适用于惯性参考系。在质点不受外力作用时,能够判断出质点静止或作匀速直线运动的参考系一定是惯性参考系,因此只有在惯性参考系中牛顿第一运动定律才适用。为什么我们要专门强调这个事情啊?这就是告诉我们,不管什么规律,什么定律,什么定律都是在一定的条件之下才能成立的,这就是说,没有万能的方法,只有在一定规律之下的方法才叫技巧,如果是没有原则的使用技巧,那么你的能力是不会有大幅度的提高的。
五是牛顿第一定律给出了惯性系的概念,牛顿第一定律是物理学中诸多定律定理不可缺少的,是完全独立的一条重要的力学定律。又是什么意思呢?这首先告诉了我们,惯性就是物体保持匀速直线运动或者静止的性质,这就叫惯性。而它的独立性表现在:指出了任何物体都具有惯性,建立了惯性概念,力是物体之间的相互作用,力使物体的运动状态发生变化,是牛顿第二定律的基础。
六是牛顿第一定律主要说明物体不受外力作用时的运动状态。不受外力作用和物体所受外力矢量和为零不是一码事,因此不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F=0时的特殊情况。但是在中学阶段,也可以认为牛一是牛二的特殊情况,这在解题当中没有任何的区别。
由以上分析,我们可以知道许多头脑中的幻想都是美丽的肥皂泡。比如直升机起飞悬停在空中24小时,他绝对不会环绕地球一周,惯性会让直升机不会相对于地面发生移动。事实上,不止是直升机,就连空气都被地球的引力带着快速转动,水平速度与直升机一样快。但因为相对速度一样,彼此之间不会有相对运动,不然我们每时每刻都要面对呼啸而来的狂风。只有当地球突然停止自转时,我们才会切身感受到巨大的惯性。在那时,所有物体都会朝着东面飞出去,因为惯性,物体仍然具有很大的速度。这就好比车子突然刹停,车子上的东西会向前动,我们也会感受到继续向前进的趋势。所以火车上起跳还会落在起跳的位置。
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Flanigan
8秒前:不受外力作用和物体所受外力矢量和为零不是一码事,因此不能把牛顿第一定律当成牛顿第二定律在F=0时的特殊情况。
IP:18.68.5.*
朱晓婉
2秒前:继续减小第二个斜面的倾角,球达到同一高度就会滚得更远。
IP:24.93.8.*
库梅尔·南贾尼
5秒前:而它的独立性表现在:指出了任何物体都具有惯性,建立了惯性概念,力是物体之间的相互作用,力使物体的运动状态发生变化,是牛顿第二定律的基础。
IP:72.89.6.*