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牛頓運動定律

牛頓運動定律示意圖原圖鏈接來自 搜狐 的圖片

牛頓運動定律英語:Newton's laws of motion)描述施加於物體的外力與物體所呈現出的運動彼此之間的關係。這定律被譽為經典力學的基礎,是英國物理泰斗艾薩克·牛頓所提出的三條運動定律的總稱。這定律的現代版本通常表述為:

  • 第一定律:假若施加於某物體的外力為零,則該物體的運動速度不變(慣性定律)
  • 第二定律:施加於物體的外力等於此物體的質量與加速度的乘積
  • 第三定律:當兩個物體相互作用於對方時,彼此施加於對方的力,其大小相等、方向相反(作用力與反作用力)

牛頓在發表於1687年7月5日的巨著《自然哲學的數學原理》里提出這三條定律[1]。他將先前伽利略·伽利萊克里斯蒂安·惠更斯等等物理大師想出的一些動力學原理整理並發展成為這三條精練簡要的定律。牛頓應用這些定律來分析各種各樣的動力學運動。例如,牛頓應用這些定律與牛頓萬有引力定律來解釋開普勒行星運動定律。

目錄

適用範圍

在過去兩百年中,物理學者完成了很多個檢驗核對牛頓運動定律的實驗與觀測,對於一般的狀況,牛頓定律能夠計算出很好的近似結果。牛頓定律、牛頓萬有引力定律、微積分數學方法,這些理論從所未有地對於各種各樣的物理現象給出了一致的定量解釋。

對於某些狀況,牛頓運動定律並不適用,這時候需要更進階的物理理論。超高速或非常強烈重力場的狀況下,我們需要相對論修正和解釋一些天體運動和現象,例如黑洞。在原子尺寸,我們需要量子力學解釋原子的發射光譜等物理現象。但是現代工程學裡,對於一般應用案例,像車輛或飛機的運動,牛頓運動定律已能準確地解釋和計算工程師遇到的問題。所以,牛頓運動定律仍是中學物理科、大學工程和理科學生的必修和基礎部分。

假若要將狹義相對論效應納入考量,則必須修改第二定律。因為當速度接近光速時,物體受到的合外力就不能精確地表示為靜質量與加速度的乘積了。詳盡細節,請參閱條目四維力。第三定律也不適用於狹義相對論,這是因為同時性之相對性無法實現於第三定律。

與守恆定律之間的關係

現代物理學里,動量、角動量、能量的守恆定律比牛頓定律更為基礎,因為這些守恆定律既適用於光波,也適用於物質,既適用於經典物理,也適用於非經典物理。這些守恆定律表明,在一個物理系統里,

  • 動量不能憑空生成或湮滅。
  • 角動量不能憑空生成或湮滅。
  • 能量不能憑空生成或湮滅。

由於力是動量對於時間的導數,與動量守恆的概念相比,力的概念顯得多餘與次要。量子力學、量子電動力學、廣義相對論等等,這些現代物理基礎理論都沒有使用到力的概念[2]。根據標準模型,電磁力、弱核力、強核力,這三種稱為規範力的基礎力,可以解釋為虛粒子的交換。

視頻

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必修1 牛頓運動定律 第6講 用牛頓運動定律解決問題(上)

參考文獻