怎么理解牛顿定律

怎么理解牛顿定律
怎么理解牛顿定律

怎么理解牛顿定律
1、力的真实性问题
力是物体间的相互作用,是物体发生形变或运动状态变化的原因.从力效应的真实性可以判定,力是真实的.物理学中有各种性质的力：引力、弹力、摩擦力、电磁力、分子力等等,这些都是真实力.但也有非真实的力,例如惯性力、惯性离心力、科氏力等,因为这种“惯性力”没有产生力的真实效应.为什么会出现“惯性力”这一非真实力概念,并且在一些人看来它是真实的,甚至也有人猜测：惯性力是一种引力.真实力与非真实力之所以界线不清,易混淆,原因在于牛顿定律表述上的不严格.
牛顿第一定律的表述是这样的：物体总保持匀速直线运动或静止状态,直到有外力迫使它改变这种状态为止.即力是使物体产生加速度的原因.据此,很容易得出这样一个推论：力的存在是相对的,因为运动状态是相对的,一个物体相对某一参照物做匀速运动,似乎不受力的作用,同一物体的运动相对另一参照物又做加速运动,似乎又受力的作用.于是人们开始怀疑力的真实性问题,力是真实的存在还是我们的虚幻?但是,力确实是不以人的意志为转移的客观实在.这说明牛顿第一定律的表述存在问题.
牛顿第一定律应该改述为：物体总保持原来运动状态,直至有外力迫使它改变这种状态为止.这种表述适用于任何参照系,因此,不妨把它叫做广义牛顿第一定律.广义牛顿第一定律中的“原来运动状态”既可能是匀速运动或静止状态,也可能是某种加速运动状态,这取决于所选的参照系.物体的这种不受外力时具有保持原来匀速或加速运动状态的性质可叫做物体的“广义惯性”.而物体在不受外力时的原来运动状态的加速度,在此可把它叫做“惯性加速度”.
根据广义牛顿第一定律,物体不受外力的作用既可能做匀速运动,也可能做加速运动；物体受外力的作用,既可能做加速运动也可能做匀速运动.物体受力或不受力时究竟做何种运动,取决于所选的参照物（系）.因此,“力是使物体产生加速度的原因”这一说法是错误的,这种说法正是产生非真实“惯性力”的理论基础.
2、力是改变物体原来运动状态的原因从广义牛顿第一定律不难得知,不管物体处在怎样的一个参照系中,原来运动状态如何,只要有外力作用,这个物体的原来运动状态就会改变.加速度也是运动状态参量.如果把相对原来的运动状态的改变,表述为相对于“惯性加速度”的加速度增量,这样,也就可以说,力是使物体加速度变化的原因,准确地说,力是使物体产生相对于“惯性加速度”的加速度变化的原因.
从现有的力学实验和牛顿定律可以推出：物体相对“惯性加速度”的加速度增量,与作用在物体上的外力成正比,与其质量成反比,增量的方向与外力方向一致.如果用a 0表示惯性加速度矢量,a 表示受力后的加速度矢量,F表示外力矢量,则：
F=m（a—a 0）
这一关系适用于所有的参照系,只是在不同的参照系里惯性加速度a 0不同而已.在此,我们把它叫做广义牛顿第二定律.牛顿第二定律是广义牛顿第二定律的特例.广义牛顿第三定律与牛顿第三定律相一致,适用于任意参照系.牛顿定律,作为广义牛顿定律的特例,仅适应于特殊参照系即惯性参照系.
3、什么是惯性参照系
现在的物理教科书中都是这样定义惯性参照系的：惯性参照系就是牛顿定律成立的参照系.仔细分析不难发现,虽然这种定义中所反映的牛顿定律与惯性系间的关系是正确的,但是,这一定义从逻辑上讲是循环定义,并不能说明什么是惯性参照系.本来,牛顿定律是在惯性参照系中的实验定律,什么是惯性参照系?惯性参照系就是牛顿定律成立的参照系,这种循环定义非但不能说明惯性系是什么,反而还会产生这样的歧义：非惯性系也是惯性系,因为在非惯性系中应用牛顿定律时设想了一个“惯性力”后,有些人把它又视为真实力,则牛顿定律又能成立,在这些人看来,非惯性系又是惯性系.
根据广义牛顿定律,我们可以这样来定义：惯性参照系就是惯性加速度为零的参照系.在这样的参照系中,物体不受外力时的加速度为零,即保持匀速直线运动或静止状态,受外力时有下式成立：
F=ma
也就是说,判断一个参照系是不是惯性系,要依据实验、观察或设想,看一个物体在这个参照系里不受外力时（或设想不受外力时）的加速度是否为零,当a 0=0,则这个参照系是这个物体的惯性参照系；如果a 0不等于零,则这个参照系不是惯性参照系.
4、结论
总之,物理学中应该严格区分真实力与非真实力.为此,可用“惯性加速度”取代“惯性力”这一概念,将牛顿定律改进为广义牛顿定律：
广义牛顿第一定律表述为：物体总保持原来运动状态,直至有外力迫使它改变这种状态为止.这种原来运动状态的加速度叫“惯性加速度”.
广义牛顿第二定律表述为：物体相对于惯性加速度的加速度增量与物体所受的外力成正比,与其质量成反比,增量的方向与外力方向一致.用公式表示即：
F=m（a—a 0）