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力即相互作用——牛顿第三定律

我们通过牛顿第一定律已经知道了世界原本的样子,我们也提出了这样的疑问——力是什么?力是怎么样的?我们知道科学是通过概念、原理、和数学工具等这样的一套科学体系建立起来的。今天我们就用这一套科学体系来探索关于力的命题。

力是物理学上的一个很重要的概念,但是这个概念不是一成不变的。而是随着我们对力认识不断深入,力的概念内涵一直在变。我们人类对力的最初认识是来自于我们对生活的感官认识,例如:用力抓住东西、用力抬东西、船受到浮力在水中运行等等。后来大家把力归纳为这样常见的几种:重力、万有引力、摩檫力、弹力、分子力、电磁力、核力等等。

万有引力是牛顿发现的,是17世纪自然科学最伟大的成果之一。整个经典力学可以说是建立在牛顿三定律和万有引力定律之上的。万有引力是人类对力的第一次抽象认识,牛顿首次将一些看似不同的力归纳为同一种力——万有引力。例如苹果落地,如有体重,月亮围绕着地球转等等,这些都是万有引力。

现在科学上,把世界上所有的力都归结为四种最基本的力:万有引力、电磁力、强力、弱力。我们不禁要问科学上对力的这样一种划分源于什么?回答这个问题之前,我们需要先回答我们开始提出的一个问题——力到底是什么?而牛顿在他1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中对力是什么就已经有了一个清晰的认识,并且用牛顿第三定律的形式表述了出来。

牛顿第三定律是这样说的:两个物体之间的作用力和反作用力,总是同时在同一条直线上,大小相等,方向相反。

牛顿第三定律到底说了啥?它揭示了力的本质。力的本质是啥?力的本质就是相互作用。因为力就是相互作用,才有作用力和反作用力一说。整个牛顿第三定律就是对力这个概念和性质的本质阐述。力的性质是力是一个物体(物体A)对另一个物体(物体B)的作用,物体A对物体B的作用力和物体B对物体A的作用力是相互的,同时产生同时消失的,而且这两种作用力大小相等、方向相反,并且同时在同一条直线上。

知道了力的本质是什么,我们就很容易回答科学上四种力的划分。之所以世界上所有的力划分为四种,是因为力的作用机制不一样。

  • 强相互作用力是作用于强子之间的力;
  • 弱相互作用力只作用于电子、夸克层子、中微子等费米子,并制约着放射性现象;
  • 电磁相互作用力是处于电场、磁场或电磁场的带电粒子所受到的作用力;
  • 引力相互作用力是具有质量和能量的物体之间的相互作用力。

我们平时总爱把力只说成力,而不是相互作用,这样很多时候会影响我们对力的正确认识。建议我们尽可能地说相互作用,而不是力这个名词,当然我们日常生活该说力还说力是最方便的。

我们已经了解了力的本质和性质,接下来我们讲讲关于力的一些基本知识。力是一个物体对另一个物体的作用,那么这种作用会对另一个物体造成什么影响呢?它会改变另一个物体的运动状态或者造成物体的形变,物理上称为力的作用效果。一个力一定是有大小、方向、作用点的,这叫做力的三要素。以上关于力的知识,我们都可以在现实中很容易得到观察。举一个关于力的作用点的例子,最常见的是我们推一扇门,不同位置使的力肯定是不一样的,这说明力与作用点有关。

以上都是从力的概念和原理方面对力进行认识的,接下来我们从数学工具的角度认识一下力。我们知道一个力是有大小和方向的,这样的量在数学上叫做矢量(在物理上叫做向量)。对应的在数学上如果只有大小没有方向叫做数量,这是我们非常熟悉的。力有两种作用效果(效应),理论力学主要研究力的运动效应,材料力学则主要研究力的变形效应。力对物体作用的运动效应,一般分为平移和转动两种。力对物体的平移效应由力矢量的大小和方向来决定,而转动效应,则取决于力矩(力矩也是一种矢量,等于力矢量和径向矢量的叉积)。

力是可以合成与分解的。例如一个人力气比较大,可以把一个东西从地上抬起来,而其他人需要两个人一起才能把这个东西抬起来。那么一个人抬起物体的力(合力)等效于其他两个人抬物体的力(分力)的相加,很明显,合力等于各个分力之和。将一个受到的各个力等效成一个力的过程,叫做力的合成。反之,就叫做力的分解。力的合成在数学上遵守平行四边形法则。

力的平行四边形法则是这样表述的:两个向量合成时,以表示这两个向量的线段为邻边作平行四边形,这个平行四边形的对角线就表示合向量的大小和方向,这就叫做平行四边形定则。

力的平行四边形法则是非常重要的,它是可以通过物理实验来验证的。我们在学校的课堂上从来没有关于力的平行四边形法则的数学推导,所以我们在这里只做一个数学上的推导。关于实验上的验证很简单,大家可以自己去了解。数学推导如下:

F^2=CD^2+AC^2

=(F1Sinθ)^2+(F2+F1Cosθ)^2

=(F1Sinθ)^2+F2^2+2F1F2Cosθ+(F1Cosθ)^2

=F2^2+2F1F2Cosθ+F1^2

∴F=√F2^2+2F1F2Cosθ+F1^2

此即平行四边形的对角线,故得证

我希望你通过这篇文章,可以知道力到底是什么?力就是相互作用。力是什么样的?有大小有方向的矢量。力是如何作用于事物的?通过改变物体运动状态和造成物体形变来作用于物体的。还可以对力的其他基本知识有所了解,也对矢量和力的平行四边形法则有所了解。

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