Tuesday, October 7, 2014

newton01 linear momentum 質量 m不變的情況下

牛頓定律為規範古典力學的根本法則,須注意各定律的內涵及意義。
 
牛頓定律釋義
 
 
西元1687年時,牛頓在他所著的「Philosophiae Naturalis Principla Mathematica(自然哲學的數學原理)」一書中提出了著名的運動三定律,從此力學的發展有了明確的理論依據。牛頓運動定律的內容可以分別敘述如下:
 
第一定律:
質點不受外力,或所受外力的合力為零時,若原為靜止者,恆保持靜止狀態;若為運動者,將維持原有速度作等速率直線運動。
項目符號
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項目符號
對於牛頓第一定律,我們可以換一種說法:當不受外力,或合外力為零時,質點維持其運動狀態(恆靜止或作等速率直線運動)。
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此種保持恆定運動狀態的特性稱為慣性(inertia),所以第一定律又稱作慣性定律(law of inertia)。
第二定律:
質點之線動量(linear momentum)對時間的變化率,與其所受合外力成正比,且方向與合外力方向一致。
項目符號
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所謂「線動量 」乃定義為質點質量 m 與速度的乘積,若以表示線動量,則 。依據前述,第二定律的數學表示式可寫為
     
項目符號
在質量 m不變的情況下(那些狀況中質量會改變?),第二定律可簡化為
         ( 其中即為質點的加速度)
項目符號
因此在質量為定值的條件下,第二定律指出:質點加速度的大小與合外力成正比,方向則與合外力方向一致。
項目符號
讀者宜注意,由第二定律可以知悉,造成質點產生加速度的原因為非零的合外力。
第三定律:
兩質點間相互作用的力量,其大小相等而方向相反,且分別作用於兩質點上。如圖(1)所示,A、B兩質點發生碰撞,A 作用於B的力量 ,與B作用於A的力量 , 兩者大小相等、方向相反,亦即
圖(1)
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兩質點間相互作用的力量總是同時存在,也同時消失。如果稱其中一個為作用力(action force),另一個則為反作用力(reaction force)。
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兩者間並沒“主動”與“被動”,或者“原因”與“結果”的因果關係。
項目符號
同時讀者宜注意,作用力與反作用力雖然大小相等、方向相反,但並不會相互抵消(為何呢?)。

項目符號
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首先必須強調,上述的牛頓運動定律乃是針對質點(mass point)的力學定律。基本上不能直接使用於剛體(rigid body)。
項目符號
牛頓認為宇宙中存在一個與任何物體均無相互作用,而且永遠靜止的空間,稱作絕對空間(absolute space),所有的物體均在此絕對空間中運動。第一定律中提到的“靜止”與“等速率直線運動”兩種運動狀態均是相對於絕對空間而言的。
項目符號
凡是相對於絕對空間靜止,或作等速率直線運動(且不旋轉)的參考體,即稱之為慣性參考體(inertial reference frame)。所以說第一定律中實穩含著慣性參考體的定義。
項目符號
讀者宜注意,牛頓運動定律及其所推展出的力學定理,僅成立於慣性參考體中
項目符號
值得特別說明的是,牛頓第一定律指出,力量並不是造成運動或維持運動的因素,因為在無外力作用或合外力為零時,質點仍可保持其運動狀態不變。
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另一方面,由牛頓二定律則可以知道,力量實係造成運動變化(即產生加速度)的原因。所以說,維持運動並不需要力量,只有欲改變運動狀態時才需要力量
項目符號
因此,力量可定義為使運動狀態發生變化的物理量。

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