经典力学/牛顿物理学

牛顿运动三定律是经典力学的基础，因此这里列出它们以供回顾和完整性。

第一定律：匀速运动

在惯性参考系中，具有匀速直线运动的物体将保持这种状态，除非受到合力的作用。

或者，牛顿第一定律也可以表述为：“在惯性参考系中，如果一个物体处于静止或匀速运动状态，那么它将继续保持这种状态，除非受到外力的作用。” 请注意第一定律是“自然的基本定律”。因此，它不能从其他定律推导出来，例如，通过在第二定律中代入 F=0 并得到 a=0，就不能说第一定律可以从第二定律“数学”推导出来。这是因为第二定律只适用于惯性参考系，而第一定律对此进行了表征。因此，惯性参考系指的是运动是自我维持的，也就是说，处于静止或匀速直线运动状态的物体将永远保持这种状态，除非受到任何外部作用力的影响。一旦你确定了你的惯性参考系，你才能合理地谈论第二定律。

注意，静止的物体是惯性参考系中处于匀速直线运动的物体的一个特例，即速度为零的物体。

第二定律：力与动量

物体的动量变化率等于作用于它的合力。

用数学语言描述，第二定律为

${\textbf {F}}={\frac {d{\textbf {p}}}{dt}}={\frac {d(m{\textbf {v}})}{dt}}$,

其中

${\textbf {F}}$	是（合）力
${\textbf {p}}$	是动量
$m\,$	是质量
${\textbf {v}}$	是速度
$t\,$	是时间

在力学中的许多问题中，质量是恒定的，在这种情况下，该定律可以重新表述为它最著名的形式，

${\textbf {F}}={\frac {d(m{\textbf {v}})}{dt}}=m{\frac {d{\textbf {v}}}{dt}}=m{\textbf {a}}$

其中 ${\textbf {a}}$ 是加速度。

第三定律：作用与反作用

对于每一个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力。

所有的力都成对出现，大小相等，方向相反。

假设我们有两个物体 A 和 B，用数学语言描述，第三定律为

${\textbf {F}}_{AB}=-{\textbf {F}}_{BA}$,

其中

${\textbf {F}}_{AB}$	是 A 对 B 作用的力
${\textbf {F}}_{BA}$	是 B 对 A 作用的力

牛顿第三定律也称为弱作用与反作用定律。 这是为了与强作用与反作用定律区分开来，后者还要求这些力也必须是中心力，这意味着它们沿连接它们的两条直线相互作用 弱定律和强定律之间的区别在下面说明。

弱作用与反作用定律的示意图。A 和 B 彼此作用的力大小相等，方向相反，但不一定沿连接 A 和 B 的直线作用。

作用与反作用定律的图示。A 和 B 互相施加的力大小相等，方向相反，并且作用于连接 A 和 B 的直线上。

静电力和重力是服从作用与反作用定律的力的例子；实际上，大多数力都是如此。一块放在桌子上的石头由于重力向下压桌子，所以桌子也向上反作用，两个力方向一致。然而，也存在重要的例外，比如磁力。

牛顿定律的有效性

牛顿定律只有在特定条件下才有效。

• 一般来说，研究的距离必须远大于原子和分子的尺寸。如果情况并非如此，则必须用量子力学代替经典力学。
• 一般来说，研究的速度必须远小于光速。如果情况并非如此，则必须用相对论力学代替经典力学。
• 即使上述条件满足，牛顿定律也只相对于 *惯性参考系* 有效。

广义上讲，参考系是一个用来测量速度、加速度等的标准。例如，汽车的速度通常相对于地球表面测量。特别地，惯性参考系是指没有加速度的参考系（没有绕轨道运行、旋转或加速）。例如，如果参考系是加速行驶的火车，则牛顿定律不适用；同样地，地球也不是惯性参考系。

反过来，也可以将惯性参考系定义为牛顿第一和第二定律适用的参考系。