標籤:牛頓力學

以質點為對象,著眼於力的概念,在處理質點系統問題時,須分別考慮各個質點所受的力,然後來推斷整個質點系統的運動。牛頓力學認為質量和能量各自獨立存在,且各自守恆,它只適用於物體運動速度遠小於光速的範圍。牛頓力學較多採用直觀的幾何方法,在解決簡單的力學問題時,比分析力學方便簡單。

1定義

牛頓力學由來
牛頓力學( Newton's Mechanics )是以牛頓運動定律為基礎,在17世紀以後發展起來的。直接以牛頓運動定律為出發點來研究質點系統的運動,這就是牛頓力學。
牛頓力學
艾薩克牛頓爵士試圖使用慣性與力的概念描述所有物體的運動,所以他找尋出它們服從確定的守恆定律。在1687年,牛頓接著出版了他的自然哲學的數學原理論文。在這裡牛頓開創了三個運動定律,到了今日還是描述力的方式。
牛頓第一定律
內容:一切物體在沒有受到力的作用時,總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。
說明:物體都有維持靜止和作勻速直線運動的趨勢,因此物體的運動狀態是由它的運動速度決定的,沒有外力,它的運動狀態是不會改變的。物體的這種性質稱為慣性。所以牛頓第一定律也稱為慣性定律。第一定律也闡明了力的概念。明確了力是物體間的相互作用,指出了是力改變了物體的運動狀態。因為加速度是描寫物體運動狀態的變化,所以力是和加速度相聯繫的,而不是和速度相聯繫的。在日常生活中不注意這點,往往容易產生錯覺。
注意:牛頓第一定律並不是在所有的參照系裡都成立,實際上它只在慣性參照系裡才成立。因此常常把牛頓第一定律是否成立,作為一個參照系是否慣性參照系的判據。
牛頓第三定律
內容:兩個物體之間的作用力和反作用力,在同一條直線上,大小相等,方向相反。
說明:要改變一個物體的運動狀態,必須有其它物體和它相互作用。物體之間的相互作用是通過力體現的。並且指出力的作用是相互的,有作用必有反作用力。它們是作用在同一條直線上,大小相等,方向相反。
另需要注意:
(1)作用力和反作用力是沒有主次、先後之分。同時產生、同時消失。
(2)這一對力是作用在不同物體上,不可能抵消。
(3)作用力和反作用力必須是同一性質的力。
(4)與參照系無關。

2動量

動量守恆定律
動量守恆定律是最早發現的一條守恆定律,它起源於16~17世紀西歐的哲學家們對宇宙運動的哲學思考。
觀察周圍運動著的物體,我們看到它們中的大多數,例如跳動的皮球、飛行的子彈、走動的時鐘、運轉的機器,都會停下來。看來宇宙間運動的總量似乎在減少。整個宇宙是不是也像一架機器那樣,總有一天會停下來呢?但是,千百年來對天體運動的觀測,並沒有發現宇宙運動有減少的跡象。生活在16、17世紀的許多哲學家認為,宇宙間運動的總量是不會減少的,只要能找到一個合適的物理量來量度運動,就會看到運動的總量是守恆的。這個合適的物理量到底是什麼呢?
法國哲學家兼數學家、物理學家笛卡兒提出,質量和速率的乘積是一個合適的物理量。可是後來,荷蘭數學家、物理學家惠更斯(1629—1695)在研究碰撞問題時發現:按照笛卡兒的定義,兩個物體運動的總量在碰撞前後不一定守恆。
牛頓在總結這些人工作的基礎上,把笛卡兒的定義作了重要的修改,即不用質量和速率的乘積,而用質量和速度的乘積,這樣就找到了量度運動的合適的物理量。牛頓把它叫做「運動量」,就是我們現在說的動量。1687年,牛頓在他的《自然哲學的數學原理》一書中指出:某一方向的運動的總和減去相反方向的運動的總和所得的運動量,不因物體間的相互作用而發生變化;還指出了兩個或兩個以上相互作用的物體的共同重心的運動狀態,也不因這些物體間的相互作用而改變,總是保持靜止或做勻速直線運動。
動量守恆定律的適用範圍比牛頓運動定律更廣
近代的科學實驗和理論分析都表明:在自然界中,大到天體間的相互作用,小到如質子、中子等基本粒子間的相互作用,都遵守動量守恆定律。因此,它是自然界中最重要、最普遍的客觀規律之一,比牛頓運動定律的適用範圍更廣。下面舉一個牛頓運動定律不適用而動量守恆定律適用的例子。
在我們考察光的發射和吸收時,會看到這樣一種現象:在宇宙空間中某個地方有時會突然發出非常明亮的光,這就是超新星。可是它很快就逐漸暗淡下來。光從這樣一顆超新星出發到達地球需要幾百萬年,而相比之下超新星從發光到熄滅的時間就顯得太短了。
當光從超新星到達地球時,它給地球一個輕微的推動,而與此同時地球卻無法給超新星一個輕微的推動,因為它已經消失了。因此,如果我們想像一下地球與超新星之間的相互作用,在同一瞬間就不是大小相等、方向相反了。這時,牛頓第三定律顯然已不適用了。
雖然如此,動量守恆定律還是正確的。不過,我們必須把光也考慮在內。當超新星發射光時,星體反衝,得到動量,同時光也帶走了大小相等而方向相反的動量。等經過幾百萬年之後光到達地球時,光把它的動量傳給了地球。這裡要注意的是:動量不僅可以為實物所攜帶,而且可以隨著光輻射一起傳播。當我們考慮到上述這點時,動量守恆定律還是正確的。

3意義

條件和原因
牛頓經典力學體系的建立得益於已有的科學成就。哥白尼、伽利略、開普勒、笛卡爾等人在天文學、力學、光學、數學等方面的貢獻,為經典力學奠定了堅實的基礎,特別是伽利略與開普勒對牛頓經典力學體系的建立更是有著極其重要的影響。
伽利略通過對自由落體的研究,已經發現了慣性運動和在重力作用下的勻加速運動,奠定了牛頓第一定律和第二定律的基本思想。伽利略關於拋物體運動定律的發現,對牛頓萬有引力的學說也有深刻的啟示作用。開普勒所發現的行星運動定律則是牛頓萬有引力學說產生的最重要前提。牛頓非常善於廣泛汲取前人的科學成果並綜合運用多方面的知識進行跨學科的研究,通過吸收前人的科學研究成果,牛頓為經典力學體系的建立充實了知識準備。
雖然經典力學建立在豐富的科學經驗之上,但經典力學的建立和牛頓的個人原因有不可分割的關係。牛頓從青少年時代就對科學抱有濃厚的興趣、極強的求知慾和探索慾望,學習非常勤奮。但他從不死讀書,喜歡通過實驗來取得真知,並親自動手設計和製作了許多機械裝置和用品,這使他打下了廣博而紮實的知識基礎,同時也具有創新意識和動手能力。雖然牛頓是天才,智力水平很高,但他的天才還來源於他的勤奮。他在研究中十分投入,而且常常夜以繼日地學習、工作。這些都培養和鍛煉了牛頓的科學精神,為日後的研究打下了堅實的基礎。
牛頓經典力學的建立,還與他所處的時代和社會有關。歐洲經過16世紀百餘年的宗教和政治改革的大變動之後,到17世紀下半葉進入了一個政治上轉為安寧,經濟上趨於繁榮的時期。生產實踐為力學研究提出了許多問題,這就給科學的發展以推動力。經過16世紀的宗教改革運動和17世紀中後期的資產階級革命運動,英國科學家擁有了當時世界上最為寬鬆自由的學術環境。學術環境的改變,使得對力學的研究擺脫了不必要的束縛,催生了經典力學體系。
個人因素,前人經驗,寬鬆的學術環境和生產實踐的發展,構成了經典力學體系建立的條件和基礎。
對社會科學的影響
經典力學不但對自然科學產生了很大影響,在社會科學方面,特別是對哲學和人類思想發展,也產生了重大影響。
在經典力學的直接影響下,英國的霍布斯和洛克建立和發展了機械唯物主義哲學,並由於其強大的影響力,使得唯物論從宗教神學那裡爭得了發言權,並在隨後形成了人類歷史上唯物主義和唯心主義鬥爭最為激烈的一段時期。經過康德和黑格爾對辯證法和機械唯物主義的研究和發展,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,在很大程度上得益於牛頓經典力學體系的建立。
近現代科學和哲學是發軔於經典力學的,正是從牛頓建立經典力學開始,人類在思想觀念上才開始真正走向科學化和現代化,而它對人類思想領域的影響也是極其廣泛而深刻的。

4得失

偉大成就
經典力學把人類對整個自然界的認識推進到一個新水平,牛頓把天上運動和地上運動統一起來,實現了天上力學和地上力學的綜合,從力學上證明了自然界的統一性,這是人類認識自然歷史的第一次大飛躍和理論大綜合,它開闢了一個新時代,並對學科發展的進程以及後代科學家們產生了極其深刻的影響。
經典力學的建立首次明確了一切自然科學理論應有的基本特徵,這標誌著近代理論自然科學的誕生,也成為其他各門自然科學的典範。牛頓運用歸納與演繹、綜合與分析的方法極其明晰地得出了完善的力學體系,被後人稱為科學美的典範,顯示出物理學家在研究物理時,都傾向於選擇和諧與自洽的體系,追求最簡潔、最理想的形式。
經典力學的建立對自然科學和科技的發展、社會進步具有深遠影響。一是科學的研究方法推廣應用到物理學的各個分支學科上,對經典物理學的建立意義重大;二是經典力學與其他基礎科學相結合產生了許多交叉學科,促進了自然科學的進一步發展。三是經典力學在科學技術上有廣泛的應用,促進了社會文明的發展。

適用範圍及其局限性

經典力學的應用受到物體運動速率的限制,當物體運動的速率接近真空中的光速時,經典力學的許多觀念將發生重大變化。如經典力學中認為物體的質量不僅不變,並且與物體的速度或能量無關,但相對論研究則表明,物體的質量將隨著運動速率的增加而增大,物體的質量和能量之間存在著密切的聯繫。但當物體運動的速度遠小於真空中的光速時,經典力學仍然適用。
牛頓運動定律不適用於微觀領域中物質結構和能量不連續現象。19世紀和20世紀之交,物理學的三大發現,即X射線的發現、電子的發現和放射性的發現,使物理學的研究由宏觀領域進入微觀領域,特別是20世紀初量子力學的建立,出現了與經典觀念不同的新觀念。例如:量子力學的研究表明,微觀粒子既表現為粒子性又表現為波動性,粒子的能量等物理量只能取分立的數值,粒子的速度和位置具有不確定性,粒子的狀態只能用粒子在空間出現的概率來描述等。但量子力學的建立並不是對經典力學的否定,對於宏觀物體的運動,量子現象並不顯著,經典力學依然適用。
現代物理學的發展,並沒有使經典力學失去存在的價值,只是拓寬了人們的視野,經典力學仍將在它適用的範圍內大放異彩。
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