引入
公交车急刹车时,人为什么往前倾?
如果没有任何力,物体会不会自己停下来?
为什么说牛顿第一定律定义了什么是“惯性参考系”?
亚里士多德认为“运动需要力维持”。牛顿第一定律推翻了这个直觉:不受力的物体保持原有运动状态。这条定律看起来简单,实际上它定义了整个力学的适用舞台。
正文
定义
牛顿第一定律:若施加于物体的合外力为零,则该物体的速度保持不变(静止的继续静止,运动的做匀速直线运动)。
惯性
物体保持原有运动状态的性质称为惯性。质量是惯性大小的量度:质量越大,运动状态越难改变。
惯性与速度无关,不能说“速度越快惯性越大”。高速运动的物体更难停下,是因为需要更大的冲量,不是惯性更大。
惯性参考系
牛顿第一定律只在 惯性参考系中成立。
惯性参考系是使第一定律成立的参考系。这个定义有循环之嫌,实际处理中通常取地面或相对地面匀速直线运动的参考系作为近似惯性系。
| 参考系 | 是否惯性系 |
|---|---|
| 地面(近似) | 是(忽略自转和公转) |
| 匀速直线行驶的火车 | 是 |
| 加速的电梯 | 否 |
| 旋转的转盘 | 否 |
在非惯性系中,物体会表现出“没有受力却加速”的现象。为了让牛顿定律继续使用,需要引入惯性力。
力与运动的关系
第一定律的深层含义是:力不是维持运动的原因,而是改变运动状态的原因。
| 观点 | 力的作用 |
|---|---|
| 亚里士多德 | 维持运动 |
| 牛顿 | 改变运动状态(产生加速度) |
这条结论为第二定律铺路:力对应加速度,而不是速度。
常见误解
| 错误理解 | 正确理解 |
|---|---|
| “物体运动一定有力作用” | 匀速直线运动不需要力 |
| “惯性是一种力” | 惯性是性质,不是力 |
| “速度越大惯性越大” | 惯性只与质量有关 |
| “第一定律是第二定律的特例” | 第一定律定义惯性系,不能由第二定律推出 |
最后一条尤其重要。 时 看似是 的特例,但第一定律真正的贡献是断言“存在这样的参考系”,这是第二定律的前提。
引出
在非惯性系中如何引入惯性力,使第一定律形式上继续成立?
为什么第一定律不能简单地看作第二定律在 时的特例?