牛顿第一定律：揭示力和运动关系

牛顿第一定律的表述为：任何物体都保持静止状态或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止.

该定律揭示了力的对外表现，建立了惯性系和力的确切关系.这个定律表明，静止状态和匀速直线运动状态是物体在不受外界影响时必定维持的运动状态.这就是说，保持静止状态或匀速直线运动状态，是物体所其有的一种固有特性.这种固有特性称为惯性.所以牛顿第定律也称为惯性定律.由于物体具有惯性，要改变物体所处的静止状态或匀速直线运动状态，外界必须对物体施加影响或作用，这种影响或作用就是力.根据牛顿第一定律，当一物体受到其他物体的作用力的合力不为零时，该物体所处的静止状态或匀速直线运动状态必定被改变.无论是静止状态还是匀速直线运动状态，物体的加速度都等于零，而其他任何形式的运动状态，物体都必定具有加速度.因此，物体由静止状态或匀速直线运动状态向其他任何形式的运动状态的转变，都必定要获得加速度.牛顿第一定律明确表明力是物体获得加速度使物体运动状态改变的原因，而并非物体运动的原因.

牛顿第一定律并非在所有参考系中都成立.但一定能找到合适的参考系，在其中牛顿第一定律成立.满足牛顿第一定律的参考系称为惯性参考系，简称惯性系；否则为非惯性参考系，简称非惯性系.

牛顿第二定律的表述为：作用于物体上的合外力等于物体的质量与它的加速度的乘积.

其数学表达形式为

在国际单位制中，质量的单位是kg（千克），加速度的单位是m/s2，力的单位是N（牛顿）.这里的质量称为惯性质量.

需要指明的是上述牛顿第二定律的表述并非牛顿的原始表述，牛顿在其著作《自然哲学的数学原理》中是从动量角度提出上述定律的表述.牛顿表述第二定律的原文如下：

运动的变化与所加的动力成正比，并且发生在这力所沿直线的方向上.

牛顿在定律中提出的“运动”定义为物体的质量和速度矢量之积，现在称为物体的动量，用p 表示.动量是矢量，它的方向与质点的运动方向时刻保持一致.在国际单位制中，动量的单位是kg×m×s-1（千克·米/秒）.所以牛顿对第二定律的说法实质上用数学式表达是

这就是牛顿第二定律的微分形式.上式表示，在任一瞬间，质点动量的时间变化率等于同一瞬间作用于质点的合力，其方向与合力的方向一致.牛顿当时认为物体的质量不会因其运动而改变，现在由狭义相对论及相关实验表明，当物体运动速度远小于光速时，其质量改变微乎其微，可以近似看作一个与其运动速度无关的常量，因此有(www.xing528.com)

牛顿第二定律不仅表明力是物体产生加速度的原因，而且定量给出了合外力、质量和加速度三者之间的关系.力的作用效果完全可以用加速度来衡量.

牛顿第二定律是经典力学的核心，应用它来处理力学问题时，如下几点应该引起注意：

①牛顿第二定律的数学表达式中的力F 是个合外力，只有合外力才能改变物体运动的状态，产生加速度.换言之，合外力是产生加速度的原因.

②牛顿第二定律是合外力与加速度之间的瞬时关系：某一时刻有合外力作用，那一时刻的物体就有加速度，否则就没有加速度，反之亦然.加速度的方向和合外力的方向时刻保持一致.

不论何时，一个物体对第二个物体施力，则第二个物体同时对第一个物体也施力.其中一个力称为作用力，而另一个力称为反作用力.上述现象就是牛顿第三定律要表述的内容.

牛顿第三定律的表述为：两个物体之间的作用力F 和反作用力F′，在同一直线上，大小相等而方向相反.即

牛顿运动定律并非适用于一切参考系，只有在惯性系中牛顿运动定律才成立.实验表明，在以太阳中心为坐标原点、以指向任一恒星的直线为坐标轴建立的坐标系中，牛顿运动定律极为精确地成立，所以这是一个比较精确的惯性系.但是由于太阳在随银河系旋转，所以上述参考系不是严格的惯性系.目前最好的实用惯性系，是以选定的数以千计颗恒星的平均静止位形为基准的参考系，称为FK5 系.地球虽然不是严格的惯性系，但在处理较短时间内发生的力学问题时，可以近似地把它当为惯性系.

牛顿运动定律是质点运动的基本定律，只适用于处理宏观、低速（远小于光速）物体的运动，对于微观物体（粒子）的运动，需要用量子力学来处理；对于高速（可与光速相比拟）运动的物体，则需应用相对论来处理.牛顿的三条运动定律是一个整体，相互间有着紧密联系.牛顿第一定律是牛顿力学的思想基础，它说明任何物体都有惯性，牛顿定律只能在惯性系中应用，力是使物体产生加速度的原因.第三定律说明引起物体机械运动状态变化的物体间的作用力具有相互作用的性质，并指出相互作用力之间的定量关系.通常在力学问题中，对每个物体来说，除重力外，其他外力都可以在该物体和其他物体相接触处去寻找，以免把作用在物体上的一些力遗漏掉.所有这些都是在应用牛顿第二定律做定量计算时所必须考虑的.第二定律侧重说明一个特定物体，第三定律侧重说明物体之间相互联系和相互制约的广泛关系.