四、牛頓運動定律

牛頓三大運動定律，是動力學的基本定律，它指出了物體間的相互作用對物體運動的影響。

1．牛頓第一定律

牛頓第一運動定律表達為：任何物體都保持靜止或勻速直線運動狀態，直到其他物體的作用迫使它改變這種狀態為止。

牛頓第一定律不僅引入了力的概念，即力是一個物體對另一個物體的作用，是物體運動狀態變化的原因；同時指出，任何物體都有保持原有運動狀態的性質——慣性。因此，通常把牛頓第一定律稱為慣性定律。

牛頓第一定律并不是對任何參照系都成立的。例如汽車急剎車時，車上乘客前傾的現象，若以地面為參照系，則牛頓第一定律成立；若以運動的汽車為參照系，顯然上述現象違背了牛頓第一定律，即牛頓第一定律在這一參照系中不成立。通常把牛頓第一定律成立的參照系稱為慣性參照系。相對于慣性參照系作勻速直線運動的參照系也是慣性參照系。實驗表明，以太陽中心為原點，坐標軸指向恒星的坐標系是慣性系。在實際應用中，地面是一個足夠精確的慣性參照系。

2．牛頓第二定律

表述：物體運動狀態變化的方向（即加速度a的方向）與所受合外力F的方向相同，加速度的大小與合外力F的大小成正比，與物體的質量成反比。

牛頓第二定律的數學表達式為：

式中F——物體所受的合外力，牛頓（N）；

m——物體的質量，千克（kg）；

a——物體的加速度，米/秒2（m·s-2）。

牛頓第二定律闡明了加速度a與力F與質量m的關系。質量一定時，加速度與合外力成正比。合外力越大，加速度越大。另一方面，合外力一定時，加速度與質量成反比。以相同的合外力施于不同的物體，則質量越大的物體，獲得的加速度越小，表明物體的運動狀態越不容易變化，即慣性越大，反之，則越小。可見，質量是物體平動慣性大小的量度。

在應用牛頓第二定律時需要注意：

（1）式（4-8）中F與a具有瞬時對應性。a表示某一時刻的加速度，F表示該時刻物體所受的合外力。這表明，物體一旦受到不為零的合外力，便立即產生相應的加速度，合外力一旦撤銷，加速度便立即為零。

（2）式（4-8）是矢量式，在實際應用中采用其分量式。在直角坐標系中，其分量式為：

（3）牛頓第二定律也僅適用于慣性參照系。

3．牛頓第三定律

表述：兩物體間的作用力和反作用力大小相等，方向相反，沿同一直線上，分別作用在兩個不同的物體上。

牛頓第三定律的數學表達式為：

牛頓第三定律指出：

（1）力是成對出現的。作用力與反作用力總是同時存在，同時消失，作用在同一直線上。

（2）一對作用力與反作用力分別施與對方，因此不能互相抵消。

（3）作用力與反作用力屬同一性質的力。例如，地球對地面上的物體有萬有引力作用，那么物體對地球的反作用力也一定是萬有引力。

牛頓三大運動定律是相互聯系的一個整體，是經典力學的支柱。但它們有一定的適用范圍，即適用于慣性系。由于經典力學是以宏觀低速物體為研究對象的，因此，牛頓運動定律也只適用于宏觀低速（遠小于光速）運動的物體。