科學：小學教師指南/運動中的物體

你可以在周圍看到許多運動中的物體：在充滿快樂學生的學校操場上，在沿著街道行駛的汽車中，在落到地面的雨滴中。盪鞦韆、滑滑梯、跳繩或踢足球的孩子都是觀察運動的機會。最終，足球會停止滾動，鞦韆會慢下來並停止，孩子可能會絆倒並摔倒在地。我們可以看到運動中的行為正在發生，但究竟是什麼導致了這種行為？運動的行為是否應用於宇宙中的所有地方？答案可以在牛頓於 1687 年發表的運動三定律中找到。

牛頓運動三定律

艾薩克·牛頓爵士是有史以來最偉大的科學家和數學家之一。他於 1643 年 12 月 25 日出生於英國。他出生於伽利略去世的同一年。他活了 85 年。艾薩克·牛頓由他的祖母撫養長大。他曾就讀於免費語法學校，然後進入劍橋大學三一學院。牛頓靠自己的努力上了大學。在大學期間，他對數學、物理和天文學產生了興趣。牛頓獲得了學士和碩士學位。

牛頓在大學期間，他一直在日記中寫下自己的想法。牛頓對運動有了新的想法，他稱之為他的運動三定律。他還對重力、光的衍射和力有了想法。牛頓的想法非常好，以至於安妮女王於 1705 年授予他爵士稱號。他的成就為現代科學奠定了基礎，並徹底改變了世界。艾薩克·牛頓爵士於 1727 年去世。

牛頓第一定律

“任何處於勻速直線運動狀態的物體，在沒有外力作用的情況下，將永遠保持這種運動狀態。”力是導致物體運動、停止或改變方向的推力或拉力。在沒有不平衡力的作用下，運動中的物體將保持這種運動狀態。這條定律通常被稱為“慣性定律”（慣性是物體抵抗力作用而保持靜止或勻速直線運動狀態的性質）。這僅僅意味著物體有一種自然的趨勢，即繼續做它們正在做的事情，抵抗其運動狀態的變化，無論這意味著抵抗開始還是抵抗停止。除非受到力的作用，否則物體要麼保持靜止，要麼繼續以恆定速度運動。

這條運動定律是定性的——它描述了事物是如何運作的，而沒有提供精確的測量或數學公式。牛頓第一定律的一些日常例子是什麼？這如何應用於系安全帶？它如何應用於檯球或氣墊曲棍球比賽？它如何應用於外太空的物體？我們自己的星球的自轉呢？把沉重的桌子滑過房間呢？

如果你在體育館裡滾一個球，它最終會停下來。這是否違反了第一運動定律？注意措辭“在沒有不平衡力的作用下”。哪些力作用在球上？一個很好的演示是在手推車的中間放一個球。當你開始拉手推車時，球會發生什麼？現在手推車正在滾動，如果你突然停下來，球會發生什麼？

牛頓第二定律

簡單地說，改變物體加速度所需的力量取決於物體的質量。

物體質量m、加速度a和作用力F之間的關係為F = ma。當力作用於質量時產生加速度。被加速的物體的質量越大，所需的力（加速物體）就越大。每個人都無意識地知道第二定律。每個人都知道，與較輕的物體相比，較重的物體需要更大的力才能移動相同的距離。第二定律如何應用於舉重？射擊呢？車禍呢？

該定律以以下基本形式表示（測量系統選擇使得比例常數為 1）

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

質量和速度的乘積，即 $m{\vec {v}}$ 稱為動量。因此，粒子上的淨力等於粒子動量隨時間的變化率。通常，所考慮的物體的質量是恆定的，因此可以從導數中取出

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

作用在物體上的力的大小是其質量和加速度的乘積
${\vec {F}}=m{\vec {a}}$
或者，加速度可以看作是作用在物體上的力除以其質量
${\vec {a}}={\frac {\vec {F}}{m}}$

例子

如果你用相同的力來扔足球和保齡球，足球將比保齡球經歷更快的加速度，因為足球的質量更小。
如果你從梯子上掉下一個保齡球和一個足球，由於重力的加速度將是相同的（它們將以相同的速度移動），但由於質量增加，保齡球將以更大的力撞擊。
想象你和你的朋友正在走廊裡搬桌子，並希望以相同的速度移動以便交談。你們中的一人正在推一個非常重的桌子，而另一人則在推一個非常輕的桌子——以特定速度移動所需的力隨著桌子的質量而變化。

牛頓第三定律

任何作用力都存在一個大小相等、方向相反的反作用力。這意味著對於每個力，都存在一個大小相等、方向相反的反作用力。也就是說，當一個物體推另一個物體時，它會受到大小相等、方向相反的反推力。如果物體 A 對物體 B 施加一個力 Fa，那麼 B 會同時對 A 施加一個力 Fb。

例子

當你從一艘小划艇上跳入水中時，你會向前推自己，朝著水面的方向。你用來向前推的力也會使船向後移動。
當你靠在牆上時，牆會以你推它的相同力推你。如果你讓一個學生靠在另一個學生身上，這一點可能會更明顯（充當牆的學生必須用力才能防止另一個學生摔倒）。
例如：棒球迫使球棒向左移動（作用力）；球棒迫使棒球向右移動（反作用力）。
例如：當空氣從氣球中衝出時，相反的反作用力是氣球向上飛。

外部資源

關於牛頓運動定律的說唱風格音樂影片。

自測

填空

第一定律：靜止的物體有保持________的趨勢，運動的物體有保持________運動的趨勢，除非受到________力的作用。
第二定律：使物體改變________所需的________取決於物體的________。
第三定律：當一個物體對第二個物體施加________時，第二個物體對第一個物體施加一個大小________且方向________的反作用力。

判斷正誤

對於放在桌子上的書，作用在其上的所有力都是平衡的。
如果一個物體沒有加速或減速，則沒有力作用在其上。
物體的慣性導致其恢復到靜止狀態。
減慢運動物體的唯一方法是對其施加合力。
物體傾向於保持運動是因為一種叫做慣性的力。

哪條定律？

牛頓的哪條定律解釋了為什麼衛星只需要很少的燃料就能保持軌道執行？
一隻青蛙從睡蓮上跳下來，但它並沒有沿直線繼續運動，而是被重力拉下，落入水中。
啟動汽車後，你注意到如果透過踩油門踏板加大油門，汽車就會開得更快。
你站在一輛公共汽車上，當公共汽車突然剎車時，你的身體會向前傾。
5歲的胡安和小夥伴一起扔石頭，但他很沮喪，因為他扔的石頭沒有爸爸扔的遠。
游泳者用胳膊向後推水，但她的身體向前移動。
當我靠在牆上時，我不會摔倒。
一個人坐在一輛沒有頭枕的汽車裡。當汽車從後面被撞擊時，這個人會受到嚴重的頸部損傷。

定義

慣性
力
加速度
速度

解答！

一輛質量為 1000 千克的汽車停在紅綠燈前。綠燈亮起，駕駛員踩下油門，發動機施加 4000 牛頓的合力（牛頓是力的單位）。汽車的加速度是多少？
什麼是慣性？
一個檯球和一個高爾夫球以相同的速度相互靠近。當它們碰撞時會發生什麼？
[附加題] 當你用球棒擊打棒球時，球會對球棒施加一個大小相等、方向相反的力（第三定律）。為什麼球會改變方向並飛走，而球棒卻繼續沿相同方向運動？球對球棒有什麼影響？你能用第二定律解釋球棒和球之間的所有相互作用嗎？第一定律在其中起什麼作用？

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