浅析牛顿三大定律的发展与原理

孙一丹

【摘要】牛顿三大运动定律不仅是是高中物理学习部分中十分重要的部分，同时在日常生活中的应用也十分重要。在研究这三大定律的过程中，不应仅限于对这些定律的理论层面的研究，而应更深一步了解牛顿三大定律的发展历史，理解牛顿三大定律实际意义，以及牛顿三大定律在生活中的应用。首先介绍牛顿三大运动定律的发展史以及定律的内容，然后对牛顿三大定律的实际意义的理解和生活中应用进行论述。

【关键词】牛顿定律 惯性 力与运动 作用与反作用

一、牛顿运动定律的建立

1.研究背景

在高中部分的学习中，通过阅读相关资料，我们发现牛顿定律是进行了一系列整理、分析并结合多年的实验结果及经验的积累总结出的。牛顿第一定律的思想就是惯性，所谓惯性就是具有保持静止状态或匀速直线运动状态的性质即保持运动状态不变的性质。经过多年的不懈研究，多位学者的不断修正，惯性的思想最终被牛顿完整地总结出，并广泛被人知晓。牛顿第二定律的研究重点是对力学和运动学进行系统地剖析，将加速度、质量、及合外力的关系紧密地联系在了一起，所以这一部分的深度研究不仅需要强大的力学基础，同时运动学的知识也是不可缺少的。由于加速度与其他物理参数相比有独特之处，所以在牛顿第二定律考虑合外力特征时加速度是不可缺少。而牛顿第三定律相比于其他两个定律就更加简练，与我们的生活也更加密切，在牛顿考虑相互作用力这一问题后，便进行详细的解释；虽然这一定律的内容不繁琐，不复杂，却也是在生活中最常见、最普遍的现象，学习和研究中需要注重对相互作用力和平衡力的区分。

2.建立过程

（1）惯性思想

康德在《宇宙发展史概论》中也涉及了关于惯性思想的内容：原子偶然偏斜的原因是斥力。这本质上是原子惯性的内容。古希腊哲学家亚里士多德《物理学》中认为一切运动分为自然运动和强制运动。然而伽利略却在自己进行了一系列理想实验后，大胆猜测并否定了亚里士多德的思想，首次提出惯性的概念，但他仍没有完全抛下亚里士多德的观点，所以说亚里士多德发现牛顿第一定律是不准确的。开普勒对天体中的惯性进行了一系列研究，在《行星的原因》中认为惯性和重量十分相像，天体依靠惯性而运动。最后，牛顿在前人的基础上在《自然哲学的数学原理》中总结出牛顿第一定律惯性是由质量决定的。

（2）力和运动结合的思想

古代人通过观察天体，首先有了对时间和位置的概念，直到伽利略提出速度，加速度等概念，运动学才逐步走向成熟。人们分别认识了力和运动之后，便开始了对其内在关系进行了研究。古代希腊著名哲学家伊壁鸠鲁，提出影响原子的运动的三种因素，将运动和作用力连接起来。亚里士多德同样对运动和力提出了自己的观点，特征为作用力和速度比例，然而，他并没有意识到作用力和速度成比例。不过，后来伽利略在比萨斜塔上，做了一个有关自由落体运动的实验对亚里士多德的观点进行反驳，并提出了运动的路程与时间的平方成比例，一并提出了加速度的概念。不久后，法国著名哲学家笛卡尔将此关系推广到了宇宙，认为物体碰撞不会影响物体的总动量。直到大约1665年，牛顿进行了一系列实验，在前人的基础上对其进行总结：当加速度一定时，合外力与质量成正比；当合外力一定时，加速度与质量成正比。

（3）作用与反作用思想

笛卡尔在之前已认识到两刚体之间存在的相互作用，这就是作用与反作用思想的萌芽。

牛顿最早在研究第一二定律时就意识到作用与反作用的存在，并运用图形验证作用力与反作用力在一条直线上的猜想，发现并总结出牛顿第三定律。

二、牛顿运动三定律

1.牛顿第一定律内容及理解

牛顿第一定律的内容是：一切物体在不受外力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态后人称之为牛顿第一定律，又称惯性定律。但由于物体不受外力，只是理想情况下，无法实现，所以后人又给出了新的定义：一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

对惯性一词的理解是，惯性只与质量有关，具有惯性的物体在不受外力的情况下，会保持与原来相同的速度，这个速度的大小不与物体质量有关，而是与物体的原速度有关。

其实，牛一定律也包含着力与运动的关系。只不过与牛二定律不同的是，牛一定律是总结出运动和力的定性分析，而牛二定律则总结出运动和力的定量分析。牛一定律是牛二定律的基础，而不是牛二定律在合外力为零的特例。力与运动一样，具有相对性。不是物体受到力，就一定会改变运动的状态，而是相对于某一物体而言受到某一外力的作用，发生相对这个物体的运动状态的改变。

这一定律是在伽利略理想实验基础上研究的，因其条件为在物体不受合外力的情况下，所以这条定律暂时无法用实验证明，只能用一系列的无限接近的实验以及合理的猜想而得出最后的结论。

2.牛顿第二定律内容及理解

这里的a和F均为矢量，所以一个方向合力就可以通过正交分解分解成多个方向的力，一个方向的加速度就可以同样能够用正交分解的方法，被分解成多个不同方向的加速度。这样分解对于分析物体运动状态有很大帮助，可以有利于逐步分析物体在不同方向上的运动状态，从而更加准确地分析物体运动的状态。

如果一个系统中的几个物体中内力可相互抵消，则可以将这个系统看作一个整体进行分析，即系统所受合力等于系统加速度与系统总质量的乘积。

若忽略一个系统中的内力，牛顿第二定律也可理解为，系统所受合力等于系统中所有物体质量与加速度的乘积之和。根据实际情况，对上述内容进行选取和应用。

3.牛顿第三定律内容及理解

牛顿第三定律的内容：两个物体之间的作用力和反作用力，總是同时作用在同一直线上，且大小相等，方向相反，即F1=（N=N'）

当物体A对物体B施力时，那么同时物体A一定受到物体B的相同大小的力的作用，而当物体A停止对物体B施力的瞬间，物体B对物体A的力也在这一瞬间随之消失，这就是力的同时性和相互性。一对相互作用力一定大小相等，方向相反，作用在同一直线上，一定具有这完全相同的性质。除此之外，实际存在的力，即使是一对相互作用力，其产生的效果也不能抵消。在相互作用中，作用力和反作用力的受力物体不同，所以无法求两个力合力进行分析。

三、牛顿运动定律的意义及应用

1.牛顿运动定律的意义

牛顿运动定律的理论和研究过程，极大程度地影响人们对于问题的解决态度。使唯物论在宗教神学中得到了发言权，在其后形成了历史上唯物主义和唯心主义的最激烈的斗争时期。在康德和黑格尔对于辩证法和机械唯物主义的研究及其发展之后，包括马克思和恩格斯吸收哲学的研究成果。终于唯物主义辩证法建立起来，这与牛顿定律的建立密不可分。

牛顿三大定律就像欧几里得的基本定理给现代几何学打下基础一样，三大定律为物理科学奠定了坚实的基础，建立了牛顿经典力学体系，创造了科学的又一个奇迹，极大程度地促进了人们的生产生活的进步。在牛顿的成功的背景之下，越来越多的科学家们去探索自然中的奥秘，也使得科学家们用实验与分析的方法解决问题，获得了大量宝贵的经验，推动了物理界乃至科学界的进步。

2.牛顿运动定律的应用

（1）牛顿第一定律的应用

机动车安全带的产生就来源于牛顿第一定律，避免了许多悲惨事故的发生，包括气囊的产生，用以减小惯性带来的危害，减小冲击受到的影响。比如，拍去衣服上的灰尘，当我们拍打衣物时，衣物受到力的作用，发生了形变，而灰尘具有惯性，仍保持原有的位置，接着收到重力的作用，掉落下来，从而达到拍打灰尘的作用。我们还可以将松动的锤棒变得牢固，球在离开脚后仍可继续飞行。科学领域方面，科学家们可以利用惯性定律设计出卫星变轨的方法。

（2）牛顿第二定律的应用

运用牛顿第二定律，我们可以估算出使物体达到某一速度时，所需外力的多少，如保证在冰面上滑不倒，穿的鞋子的粗糙程度决定了最大静摩擦力，当我们走动的时候，鞋子的粗糙面使得有足够的摩擦力，提供给我们加速度，是我们能正常在冰面上行走。航空专家可以运用这个公式算出，使火箭升空固定高度需要燃料多少，这样不仅可以节约燃料，还减轻火箭质量，提升火箭的技术。

（3）牛顿第三定律的应用

牛顿第三定律在生活中十分常见，游泳时，双脚向后蹬水，使人受到水的反作用力，拍手时两手受到的作用力是一样大的。也包括天体中的引力，比如太阳吸引地球，地球吸引太阳，这两个力同样是等大的。发射火箭时，通过燃烧燃料使火箭给空气一个推力，同时空气就会给对火箭一个等大方向相反的反作用力，从而推动火箭，使火箭升空。

四、结论

本文通过阐述牛顿定律的发展过程，我们了解到要巧妙利用前人积累下来的经验，联合自己的研究经验得出最终的研究结果，正如牛顿所说，站在巨人的肩膀上。本文还对牛顿三大定律进行了详细的解释和分析，我们需要在日常的学习中注意的细节以便更好地理解牛顿定律的内容。在本文的第三部分，对于三大定律的意义以及应用进行了叙述，以便我们明确牛顿定律在生活中的体现和对人类的生活产生的巨大影响，定律还解释了生活中常见的问题。

参考文献：

[1]陈运保，赵亮.牛顿第一定律的发展历史及其教育价值[J].物理教师，2016.

[2]骆金洪.牛顿定律的综合應用[J].现代职业教育，2016，（08）.

[3]郑青岳.牛顿第一定律教学中的思维因素分析[J].中学物理教学参考，2011，（12）.

[4]崔卫国.有效教学高中物理教学中的问题与对策[M].长春：东北师范大学出版社，2010.