探究牛頓力學的發展史

甘霖

摘要：牛頓力學屬于經典力學的范疇，主要研究物體的運動狀態，通常將需要研究的物體看作質點，然后對質點進行受力分析討論物體的受力狀態以及運動狀態。牛頓力學從形成到逐漸完善，影響了廣大人民的觀念，人們使用另一種嚴謹科學的觀念看待世界，探索大自然。牛頓力學具有其廣泛性也有其局限性，跟所有物理研究的方式極其類似的是，牛頓力學在實際考慮物體的運動狀態時要有選擇地排除物理因素的干擾。文章以高中生視角對牛頓力學知識分析與闡述，并探究牛頓力學的發展史。

關鍵詞：牛頓力學；發展史；經典力學；高中生視角

牛頓力學跟其他經典物理學中的實驗方式并沒有什么不同，都是采用控制變量法將不相關的因素進行分析排除，不斷改變物理參數記錄實驗數據從而得出自變量與因變量之間的關系。而牛頓力學與其他經典物理學在于它更多是對研究的物體進行假設與分析，在不斷地假設中排除各種干擾因素，最后在一步步分析引導中得出答案。

一、牛頓力學研究的相關內容

物理學根據研究內容的不同分為五大版塊，分別是聲、力、熱、光、電，牛頓力學屬于力學板塊，力學研究的主要內容是對物體的受力狀態，運動方式以及所受阻力進行分析與判斷，牛頓力學在其中起到了理論性的指導意義。牛頓力學著重于對物體的運動狀態的改變和物體所受力改變對物體本身造成的影響研究與分析。牛頓力學研究的相關內容很多，以下將列舉三個方面：

1.根據物體受力以及運動狀態判斷出其他力的大小。牛頓力學包括牛頓第一第二第三定律，其中第一定律認為，當物體不受力時，將保持靜止或者勻速直線運動。因此物理學中可以根據這個定律判斷物體所受某一個力的大小。舉個例子，七十五公斤的小明躺在床上靜止不動，從而推斷出他受力為零，但地球上的所有人都受到地心引力的影響，計算得出小明所受的地心引力為七百三十五牛頓，推斷出小明受力為零并非不受任何力的作用，而是受力互相抵消，于是判斷出支持力為七百三十五牛頓，與地心引力相抵消。

2.分析作用力與反作用力。牛頓第三定律認為，作用力與反作用力是互相存在的，并且必然會存在。比如小明拿雞蛋砸石頭，雞蛋會給石頭一個作用力，石頭也會給雞蛋同樣的作用力，兩種力方向相反，大小相等，雞蛋會碎掉是因為雞蛋質地柔軟，自身硬度不夠。假設只有作用力沒有反作用力，那么雞蛋會給石頭力，石頭絕不會給雞蛋力，因此無論小明使用多大的力道將雞蛋砸向石頭，雞蛋都絕不可能碎掉，這在現實生活中顯然是不可能發生的，作用力與反作用力的必然存在可以使人們研究物體的受力狀態。

3.判斷物體運動狀態的改變。牛頓第二定律認為，加速度與合外力方向是相同的，物體必將沿著加速度方向改變自身運動狀態，牛頓第二定律將物體視為質點，將質點所受的力相互抵消，相互結合，最后只要是非勻速直線運動或是靜止的物體都會受到假想卻真實存在的“合力”影響。如小明體重735N，所受合力為735N方向向右，計算他的加速度為一米每二次方秒，如果他此前的奔跑方向直線向左，那么速度將不斷減少直到停止，最后往右邊加速奔跑，如果他此前的奔跑方向直線向右，那么速度將不斷增加。

二、牛頓力學的發展史

牛頓力學是牛頓經典力學的簡稱，在物理學中有著無可比擬不可動搖的權威地位。牛頓經典力學并不僅僅局限于對物體運動狀態，運動方式以及受力情況進行分析研究，還對能量的做功與轉換，能量的總體守恒提出了新的設想，這種設想最終得以證實，被廣泛運動到人們的生活與生產中。在十七十八世紀工業革命改造世界時，牛頓經典力學為科技的進步提供了堅實的理論依據，起到了不可磨滅的貢獻作用，對牛頓力學的發展史進行研究分析，將其劃分為三個階段：

1.伽利略對物體所受的加速度與運動狀態進行研究一直以來，人們對受力與運動狀態的理解非常有限，人們認為物體質量與運動速度有直接并必然的聯系，而伽利略卻將信將疑，來回思索。某天伽利略作出大膽的假設，他認為物體質量與運動狀態無關，也跟受力大小無關，人們不以為然，認為他的想法非常荒謬。伽利略在比薩斜塔將十公斤與一公斤的鐵球同時放下，結果兩個鐵球同時落地，他用事實推翻了人們的誤解。按照以前人們的理解，十公斤的鐵球必然先落地，因為它受力大或者質量大，但實際上是萬有引力產生的加速度一直作用在鐵球上，實驗成功地消除了人們物理知識上的誤區。除此之外，伽利略還發現無論運動或靜止的物體都具有慣性。

2.開普勒，哥白尼等科學家對數學與光學方面的研究牛頓經典力學發展的第二個階段，這個時間段自然科學已經逐漸完善，哥白尼著有《天體運行論》，他用大量的數據論證得出地球并不是宇宙的中心，所有恒星與星辰的軌跡圍繞太陽而變化，因此太陽才是宇宙的中心，為牛頓萬有引力的理論提供了理論依據。開普勒通過大量數據研究發現了行星運行的規律，同時對光學、數學也起到一定的貢獻。

3.牛頓集前人之長，完善牛頓力學通過前人對物體運動狀態，天文學，數學，光學等進行的研究與思想啟蒙，牛頓先是發現萬有引力，然后在研究物體的受力狀態這一過程中發現牛一牛二牛三定律。除此之外，他還對物體的能量進行假設性論證，他認為運動的物體具備一定的能量，并在這個過程中不斷轉換能量的形式，但能量是一定守恒的。牛頓力學的假設性研究在整個經典力學的體系中占據著至關重要的作用，被人們廣泛運用到生活與生產中，促進了科技的進步與社會生產力的發展。

牛頓力學是現代經典力學中的重要版塊，至今在物理學的研究中都有極為重要的指導與研究意義，在人類物理學上起到里程碑式的貢獻。牛頓力學不僅對物體受力與運動狀態的改變進行分析，還對物體做功與能量轉換的關系進行研究，牛頓在借鑒前人的基礎上逐漸完善，至今影響著人們的生活與生產方式。

參考文獻：

[1]高奮忠.基于現代物理的牛頓力學發展[J].科技視界.2013年4月

[2]陳華.牛頓力學與現代物理[J].科技資訊.2006年9月endprint