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改变从惯性开始——牛顿第二定律



我们通过牛顿第一定律知道了世界原本的模样,通过牛顿第三定律深刻理解了力即相互作用。接下来我们探讨如何将牛顿第一、第三定律连接起来的自然机理,这就是牛顿三定律的重中之重——牛顿第二定律。牛顿第二定律是牛顿三定律的核心,其重要性在于它对自然规律的深刻揭示,让我们搞懂了世界运行的背后机制。
 
我们知道了世界原本的样子,也看到了我们的世界绝大程度上不是世界原本的样子,这是为什么呢?因为力的存在,改变了世界的模样。我们上篇文章也深刻讲解了力到底是什么东西,这次我们就是要弄清楚力到底是如何改变世界的。
 
力对事物的作用效果是改变其运动状态。改变是从一种状态到另一种状态,我们好奇的就是这种改变。力作用于物体,然后物体的运动状态就改变了,这是为什么?力到底对物体做了什么?物体的这种改变有什么规律?牛顿第二定律给你答案。
 
牛顿第二定律是这样说的:物体的加速度跟物体所受的合外力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同。
 
在牛顿这个定律中对于大家陌生的概念是加速度和质量,我们先来了解这两个概念。理解的基础是了解,而对概念的掌握可以占到对其知识的掌握的80%。牛顿第二定律也叫做加速度定律,说明加速度的概念与这个定律有很大关系,其实力是产生加速度的原因,这就不仅仅是有关系了,而且是因果关系。但是我们还是先了解质量的概念,才能更好地了解加速度的概念。
 
那么什么又是质量呢?我们要回到牛顿第一定律。牛顿第一定律也叫做惯性定律,这是为什么呢?惯性又是什么?牛顿第一定律说世界原来的样子就是——所有的物体只有两种状态——静止或者匀速直线运动——我们把这种状态叫做惯性。物体的惯性也叫做物体的惰性,是物体的固有属性。牛顿能发现牛顿第二定律就是从深刻理解惯性开始的。牛顿在《自然哲学的数学原理》是这样定义惯性的:
 
惯性,是物质固有的属性,是一种抵抗的现象,它存在于每一物体当中,大小与该物体的质量成正比,并尽量使其保持现有的状态,不论是静止状态,或是匀速直线运动状态。
 

我们从牛顿的定义中清楚地得到这样的三条信息:(1)惯性是物体固有的一种属性;(2)惯性表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度;(3)质量是对物体惯性大小的量度。(1)表明惯性就是物体的一种运动状态。(2)说明惯性会反抗其运动状态的改变。(3)质量是惯性产生的唯一原因,质量可以量度物体的惯性,质量越大惯性越大。

我们现在明白了惯性是物体保持其原来运动状态的性质。惯性只与物体的质量有关,可以用质量测量,所以这里的质量也叫做惯性质量。需要特别强调的是,在物理上还有一种引力质量,这是两种完全不同的质量,我们以后会讲。虽然我们很多时候只称呼质量,但是这是不完整的,不过并不影响我们的日常使用。

 
惯性是一个很重要的概念,在我们的生活中特别普遍,希望大家能掌握它。我们乘坐公交车时会遇到这样的情况,当汽车猛然停下时,我们的上半身会不由自主地前倾。这就是因为惯性,我们原来的状态是和车处在同一个运动状态,随后车停了下来了,但是我们反应滞后,需要一点时间来改变我们的运动状态——从运动变为静止。惯性反映的就是事物状态改变的滞后性,或者抗拒性,抗拒对其原来状态的改变。
 

(小丸子什么时候才能改变偷懒的毛病哈?)

惯性、惰性、滞后性、抗拒性本质上都是一个东西,只是不同角度说法而已。拿人来说,我们每个人都有自己的惯性,保持自己原来的状态;也可以说是惰性,我们懒得改变;或者说是滞后性,我们的改变需要慢慢来;甚至可以说抗拒性,我们会抗拒自己的改变。希望惯性能给大家的日常生活有所启迪。假如一个人想改掉一个坏毛病或者培养一个新的习惯,上面的说法依然适用。改变需要时间,不可能一下子完成。改变需要强大的意志力,它需要与自己的懒惰做对抗。改变最重要的是需要动力,否则根本不会有改变发生。

 
我们现在就能完全搞明白事物改变的全过程了。事物在一直做着各种状态之间的改变,它的动力就是外力。外力克服了物体的惯性,物体的运动状态就改变了。这种改变是需要时间的,可以说事物运动状态的改变具有滞后性,在科学上就用加速度来描述。加速度是描述物体运动状态改变快慢的物理量,加速度越大,物体的运动状态改变地就越快。一个物体如果质量越大,导致其惯性越大,外力想改变其惯性就越困难,物体的运动状态改变就越慢,因而加速度越小。这就是牛顿第二定律揭示的内容。
牛顿第二定律的数学形式是:F=ma,F是合外力,m代表质量,a是加速度。这是我们接触到的第一个数学公式,我还是希望大家对数学公式不要那么排斥。因为牛顿第二定律很重要,是整个经典物理的核心;其次,这个公式也是很简单的。有时候在科学上会依据其数学公式简单与否去判断一个理论的正确性和深刻性。往往越是正确的理论或者深刻的理论,其数学公式是越简洁的,牛顿第二定律就是这样的。


牛顿世界观第1篇:科学导论
牛顿世界观第2篇:思维方法和行动准则
牛顿世界观第3篇:世界原本的样子——牛顿第一定律

牛顿世界观第4篇:力即相互作用——牛顿第三定律

牛顿世界观第5篇:科学思维和科学精神

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