科学：小学教师指南/运动中的物体

你可以在周围看到许多运动中的物体：在充满快乐学生的学校操场上，在沿着街道行驶的汽车中，在落到地面的雨滴中。荡秋千、滑滑梯、跳绳或踢足球的孩子都是观察运动的机会。最终，足球会停止滚动，秋千会慢下来并停止，孩子可能会绊倒并摔倒在地。我们可以看到运动中的行为正在发生，但究竟是什么导致了这种行为？运动的行为是否应用于宇宙中的所有地方？答案可以在牛顿于 1687 年发表的运动三定律中找到。

牛顿运动三定律

艾萨克·牛顿爵士是有史以来最伟大的科学家和数学家之一。他于 1643 年 12 月 25 日出生于英国。他出生于伽利略去世的同一年。他活了 85 年。艾萨克·牛顿由他的祖母抚养长大。他曾就读于免费语法学校，然后进入剑桥大学三一学院。牛顿靠自己的努力上了大学。在大学期间，他对数学、物理和天文学产生了兴趣。牛顿获得了学士和硕士学位。

牛顿在大学期间，他一直在日记中写下自己的想法。牛顿对运动有了新的想法，他称之为他的运动三定律。他还对重力、光的衍射和力有了想法。牛顿的想法非常好，以至于安妮女王于 1705 年授予他爵士称号。他的成就为现代科学奠定了基础，并彻底改变了世界。艾萨克·牛顿爵士于 1727 年去世。

牛顿第一定律

“任何处于匀速直线运动状态的物体，在没有外力作用的情况下，将永远保持这种运动状态。”力是导致物体运动、停止或改变方向的推力或拉力。在没有不平衡力的作用下，运动中的物体将保持这种运动状态。这条定律通常被称为“惯性定律”（惯性是物体抵抗力作用而保持静止或匀速直线运动状态的性质）。这仅仅意味着物体有一种自然的趋势，即继续做它们正在做的事情，抵抗其运动状态的变化，无论这意味着抵抗开始还是抵抗停止。除非受到力的作用，否则物体要么保持静止，要么继续以恒定速度运动。

这条运动定律是定性的——它描述了事物是如何运作的，而没有提供精确的测量或数学公式。牛顿第一定律的一些日常例子是什么？这如何应用于系安全带？它如何应用于台球或气垫曲棍球比赛？它如何应用于外太空的物体？我们自己的星球的自转呢？把沉重的桌子滑过房间呢？

如果你在体育馆里滚一个球，它最终会停下来。这是否违反了第一运动定律？注意措辞“在没有不平衡力的作用下”。哪些力作用在球上？一个很好的演示是在手推车的中间放一个球。当你开始拉手推车时，球会发生什么？现在手推车正在滚动，如果你突然停下来，球会发生什么？

牛顿第二定律

简单地说，改变物体加速度所需的力量取决于物体的质量。

物体质量m、加速度a和作用力F之间的关系为F = ma。当力作用于质量时产生加速度。被加速的物体的质量越大，所需的力（加速物体）就越大。每个人都无意识地知道第二定律。每个人都知道，与较轻的物体相比，较重的物体需要更大的力才能移动相同的距离。第二定律如何应用于举重？射击呢？车祸呢？

该定律以以下基本形式表示（测量系统选择使得比例常数为 1）

{\vec {F}}={\frac {d(m{\vec {v}})}{dt}}

质量和速度的乘积，即 $m{\vec {v}}$ 称为动量。因此，粒子上的净力等于粒子动量随时间的变化率。通常，所考虑的物体的质量是恒定的，因此可以从导数中取出

{\begin{aligned}{\vec {F}}&=m{\frac {d{\vec {v}}}{dt}}\\{\vec {F}}&=m{\vec {a}}\end{aligned}}

作用在物体上的力的大小是其质量和加速度的乘积
${\vec {F}}=m{\vec {a}}$
或者，加速度可以看作是作用在物体上的力除以其质量
${\vec {a}}={\frac {\vec {F}}{m}}$

例子

如果你用相同的力来扔足球和保龄球，足球将比保龄球经历更快的加速度，因为足球的质量更小。
如果你从梯子上掉下一个保龄球和一个足球，由于重力的加速度将是相同的（它们将以相同的速度移动），但由于质量增加，保龄球将以更大的力撞击。
想象你和你的朋友正在走廊里搬桌子，并希望以相同的速度移动以便交谈。你们中的一人正在推一个非常重的桌子，而另一人则在推一个非常轻的桌子——以特定速度移动所需的力随着桌子的质量而变化。

牛顿第三定律

任何作用力都存在一个大小相等、方向相反的反作用力。这意味着对于每个力，都存在一个大小相等、方向相反的反作用力。也就是说，当一个物体推另一个物体时，它会受到大小相等、方向相反的反推力。如果物体 A 对物体 B 施加一个力 Fa，那么 B 会同时对 A 施加一个力 Fb。

例子

当你从一艘小划艇上跳入水中时，你会向前推自己，朝着水面的方向。你用来向前推的力也会使船向后移动。
当你靠在墙上时，墙会以你推它的相同力推你。如果你让一个学生靠在另一个学生身上，这一点可能会更明显（充当墙的学生必须用力才能防止另一个学生摔倒）。
例如：棒球迫使球棒向左移动（作用力）；球棒迫使棒球向右移动（反作用力）。
例如：当空气从气球中冲出时，相反的反作用力是气球向上飞。

外部资源

关于牛顿运动定律的说唱风格音乐视频。

自测

填空

第一定律：静止的物体有保持________的趋势，运动的物体有保持________运动的趋势，除非受到________力的作用。
第二定律：使物体改变________所需的________取决于物体的________。
第三定律：当一个物体对第二个物体施加________时，第二个物体对第一个物体施加一个大小________且方向________的反作用力。

判断正误

对于放在桌子上的书，作用在其上的所有力都是平衡的。
如果一个物体没有加速或减速，则没有力作用在其上。
物体的惯性导致其恢复到静止状态。
减慢运动物体的唯一方法是对其施加合力。
物体倾向于保持运动是因为一种叫做惯性的力。

哪条定律？

牛顿的哪条定律解释了为什么卫星只需要很少的燃料就能保持轨道运行？
一只青蛙从睡莲上跳下来，但它并没有沿直线继续运动，而是被重力拉下，落入水中。
启动汽车后，你注意到如果通过踩油门踏板加大油门，汽车就会开得更快。
你站在一辆公共汽车上，当公共汽车突然刹车时，你的身体会向前倾。
5岁的胡安和小伙伴一起扔石头，但他很沮丧，因为他扔的石头没有爸爸扔的远。
游泳者用胳膊向后推水，但她的身体向前移动。
当我靠在墙上时，我不会摔倒。
一个人坐在一辆没有头枕的汽车里。当汽车从后面被撞击时，这个人会受到严重的颈部损伤。

定义

惯性
力
加速度
速度

解答！

一辆质量为 1000 千克的汽车停在红绿灯前。绿灯亮起，驾驶员踩下油门，发动机施加 4000 牛顿的合力（牛顿是力的单位）。汽车的加速度是多少？
什么是惯性？
一个台球和一个高尔夫球以相同的速度相互靠近。当它们碰撞时会发生什么？
[附加题] 当你用球棒击打棒球时，球会对球棒施加一个大小相等、方向相反的力（第三定律）。为什么球会改变方向并飞走，而球棒却继续沿相同方向运动？球对球棒有什么影响？你能用第二定律解释球棒和球之间的所有相互作用吗？第一定律在其中起什么作用？

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