牛顿第一定律

长期以来，人们在研究物体运动的原因时，根据直觉认为，要使一个物体运动，必须推或拉它。当不再推或拉时，运动的物体便会停下。

根据这类经验，在公元前4世纪，古希腊的哲学家亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就保持静止。由于这一论断符合人们的常识，以至在其后的两千年里，大家都奉为经典。 

直到16世纪末，意大利的伽利略对亚里士多德的论断表示了怀疑。他注意到，当一个球沿斜面向下滚动时，它的速度增大，而向上滚动时，它的速度减小。他由此猜想：当球沿水平面滚动时，它的速度应该不增不减。

实际上伽利略发现，当球在水平面上滚动时，球的速度越来越慢，最后停下来。伽利略认为，这是由于摩擦阻力的缘故，因为他还观察到，水平表面越光滑，球便会滚得越远。于是，他推断：若没有摩擦阻力，球将永远滚下去。

英国的物理学家牛顿在伽利略等人研究的基础上，并根据自己的研究，系统地总结了力学的知识，提出了三条运动定律，其中第一条定律的内容是：

一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。

由于我们把物体总保持原来运动状态的性质叫做惯性。因此，牛顿第一定律又叫做惯性定律。

正在行驶的汽车急刹车时，车上乘客的下半身由于受到力的作用随车停止，而上半身由于惯性还要以原来的速度前进，于是乘客就会向前面倾倒。如果汽车在高速运行时突然停止，汽车里的人就会由于惯性继续向前冲，直至撞到方向盘或挡风玻璃上，造成严重的伤害。因此，汽车的前排座位上通常都要配置安全带，高级汽车中还有安全气囊以保证乘车者的安全。

牛顿第二定律

牛顿第一定律告诉我们，物体如果不受外力，它将保持原来的运动状态。由此可以知道，如果物体受到外力作用，物体的运动状态必将改变。

列车出站时，在机车牵引力的作用下，由静止开始运动，并且速度不断增大；列车进站时，由于受到阻力的作用，速度不断减小，最后停止下来；抛出的铅球、射出的炮弹，由于受到重力的作用，速度的大小和方向都不断发生改变，做曲线运动。可见，物体运动状态的改变，是由于受到了力的作用，力是物体运动状态改变的原因。

物体运动状态发生改变时，物体具有加速度，所以，力是使物体产生加速度的原因。

在匀变速直线运动中，加速度的大小与哪些因素有关呢？

通过实验，我们可以得出如下结论：物体的加速度跟所受的外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟外力的方向相同。这就是牛顿第二定律。

用数学公式表示为: 

由牛顿第二定律可以看出，质量不同的物体，运动状态改变的难易程度不同，或者说它们的惯性大小不同。在外力相同的情况下，质量大的物体获得的加速度小，它的运动状态难改变，即惯性大；质量小的物体获得的加速度大，它的运动状态容易改变，即惯性小。因此，质量是物体惯性的大小的量度。

由于火车的质量巨大，要将高速火车停下来是很困难的，需要很长的时间和路程来减速，我国的高速列车甚至需要2 km以上的距离来停止，所以，在列车经过的路口采取提前禁行的措施是非常必要的。

[例题1]  吊车要在10 s内将地面上的货物吊到10 m高处，货物的质量是2.0× kg，假设货物被匀加速吊起，问吊车缆绳对货物的拉力是多少？

分析  以货物为研究对象。货物匀加速向上运动，可判断货物受到的合力向上。由货物的运动状态和匀变速直线运动的规律，我们可以求出它的加速度。再对货物进行受力分析，如右图所示，货物受到两个力的作用：竖直向上的拉力F和竖直向下的重力G，应用牛顿第二定律即可解出拉力的大小。

解   由匀变速直线运动的位移公式  

                          

由货物的受力分析，可知

 

F合＝F - G = ma

F＝G + ma = mg + ma = (2.0××9.8 + 2.0××0.20)  N = 2.0×  N

牛顿第三定律

初中我们学过，力是物体间的相互作用。两个物体之间的作用总是相互的，一个物体对另一个物体有力的作用，后一个物体一定同时对前一个物体有力的作用。物体间相互作用的这一对力，通常叫做作用力和反作用力。我们把其中的一个力叫做作用力，另一个力就叫做反作用力。

大量实验证明：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。这就是牛顿第三定律。用公式可表示为：

上式中，F、F＇ 分别表示作用力和反作用力，负号表示它们的方向相反。

作用力和反作用力总是成对出现，同时产生，同时消失。

作用力与反作用力总是同种性质的力。如：作用力是吸引力，反作用力也一定是吸引力；作用力是弹力，反作用力也是弹力；作用力是摩擦力，反作用力也是摩擦力。

作用力和反作用力总是分别作用在两个物体上，各自产生各自的作用效果，不能平衡，不能抵消。

人走路时，脚总是不断地向后蹬地，地面受到了向后的摩擦力，同时，脚也受到了向前的摩擦力，从而使人向前运动；骑自行车时，人用力地蹬踏使后轮转动，对地面产生向后的摩擦力，地面对后轮产生向前的摩擦力，推动自行车前进；喷气式飞机的引擎与火箭动力系统的工作原理相似，都是燃烧燃料并高速排放气体。