試論牛頓運動定律的獨立性和一致性

李文林

【摘要】在物理學的學習過程中，我們都會學習到牛頓運動定律，牛頓運動定律的運用不僅可以幫助我們解決很多基礎問題，還是我們在物理學深造過程中的重要基礎。在應用的過程中我們發現：牛頓運動定律不僅具有一定的獨立性而且還具有一定程度上的一致性。本文以此為出發點，對牛頓運動定律的獨立性和一致性進行分析。

【關鍵詞】牛頓運動定律 獨立性 一致性

【中圖分類號】O301 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）11-0190-02

引言

牛頓運動定律在物理學中經過幾百年的運用，不僅被證明是正確的，還被擴展到了很多的領域。但在應用的過程中我們也發現了一個問題，牛頓運動定律所表述的內容和其相容性是不同的，因而對牛頓運動定律的獨立性和一致性進行探討有著重要的意義。

一、牛頓運動定律的獨立性

1.牛頓第一運動定律

牛頓第一運動定律是說：無論什么物體，在受到改變它運動狀態的外力之前，它將一直保持著勻速直線運動或者靜止的狀態。從該定律的表述中我們可以看出物體的運動是在時間和空間中同時進行的，因而牛頓第一運動定律的分析需要借助參考系，通常來說是借助慣性參考系。牛頓第一運動定律中指出任何物體在受到外力之前都是保持勻速直線運動或靜止的即任何物體都具有慣性，是慣性使得物體保持它的運動狀態不發生變化，因而我們也可以說牛頓第一定律建立了慣性的概念。

此外，牛頓第一運動定律描述的是物體在不受力狀態下的運動，因而牛頓第一運動定律中的狀態是不存在的，即使是實驗室也只能是無限接近這種狀態，但通過假想以及間接推理證明了牛頓第一運動定律的正確性。

在牛頓第一運動定律中闡述了力的概念，證實了力是物體運動狀態改變的原因，這只能說牛頓第一運動定律是牛頓第二運動定律的基礎，對力和運動的關系進行了表述；但牛頓第一運動定律指的是沒有受到任何外力而不是牛頓第二定律中所表述的外力之和為零的情況，因而牛頓第一運動定律相對牛頓第二、第三運動定律來說是獨立的。

2.牛頓第二運動定律

牛頓第二運動定律是說：任何物體的加速度和它自身的質量都成反比，和它所受到的外力成正比，而且加速度的方向和外力的方向是相同的。通過對牛頓第二運動定律的表述進行分析我們可以得出：牛頓第二定律闡述的是力、加速度以及質量三者之間的關系。它揭示了物體慣性的本質：慣性的大小與物體的質量成正比，而物體的質量也是維持物體慣性運動的基礎；揭示了加速度的產生原因：物體受力改變運動狀態，對物體施加外力物體將產生加速度，加速度產生的難易程度取決于物體的質量。

牛頓第二運動定律還具有瞬時性：物體受到外力的瞬間即產生相應的加速度，外力如何改變，加速度也將如何改變；矢量性：矢量即既有大小又有方向的量，物體受到外力作用后產生的加速度不僅有大小還有方向；相對性：加速度作為一個物理常量，因而在描述加速度的過程中需要借助一定的參考系。

牛頓第二運動定律中包含了對慣性以及加速度的全面描述，闡述了加速度與外力的關系，因而從本質上來說，牛頓第二運動定律表達的內容和牛頓第一、第三運動定律表達的內容是不同的，因而牛頓第二運動定律有一定的獨立性。

3.牛頓第三運動定律

牛頓第三運動定律是說：任何兩個相互作用的物體，它們之間的作用力和反作用力是大小相等、方向相反的，而且作用力作用在同一條直線上。通過牛頓第三運動定律的表述我們可以得出：該定律描述的是兩個物體之間的力學關系，該關系與物體的運動無關，因而它與牛頓第一運動定律有所區別；同時它研究的是作用在兩個物體上的力，也不能進行相互求和，因而與牛頓第二運動定律也有著一定的區別，即牛頓第三運動定律是獨立的。

二、牛頓運動定律的一致性

筆者認為，牛頓運動定律的一致性主要表現在四個方面：一是牛頓三大運動定律的應用都需要建立在慣性參考系的基礎之上，因而可以說牛頓運動定律間是相容的；二是牛頓三大運動定律都引入了力的概念，都是物體和力之間的關系；三是借助牛頓運動定律求解問題的過程中，三條運動定律大都需要同時運用；四是牛頓運動定律是在實踐的基礎上總結出來的定律，在后來幾百年的應用中證實這三大定律都適用于宏觀低速范圍，而且在使用的過程中始終保持著理論體系的一致性。

結束語

通過上文的分析，對牛頓運動定律的內容以及特點進行了詳解，論證了牛頓運動定律的獨立性，并對牛頓運動定律的一致性進行了總結。因而我們可以說牛頓運動定律既具有獨立性又具有一致性。

參考文獻：

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