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然而,，人們關于力的認識還是含糊的和定性的,。就斜坡實驗而言，小球受到的力大概有重力和斜坡的支撐力,，斜坡有傾角時,，這兩個力不在同一直線上因此不能抵消，小球受到的合外力不為零,。當斜坡處于水平狀態(tài)時,，這兩個力大小相等,，方向相反，支撐力可以和重力相互抵消,，從而使小球所受合外力為零,。就對物體整體運動的影響而言，不受力跟受到合外力為零時的效果應該是一樣的,。這樣可以根據(jù)斜坡實驗初步得出結論:不受力的物體將保持原來的運動狀態(tài)不變,，即慣性定律，后來成為了牛頓運動定律中的第一定律,。這里所說的運動狀態(tài)體現(xiàn)在兩個方面:方向和快慢,，現(xiàn)在稱統(tǒng)稱為速度。 既然不受力時運動狀態(tài)不變,，那么力就不是維持物體運動的原因,，而是改變物體運動狀態(tài)的原因。要定量研究物體受力與運動狀態(tài)的改變之間的關系,，那就需要能夠?qū)\動狀態(tài),，即速度進行定量描述和測定。當時認為時間和空間獨立于物體的運動,，因此,，假設有一個不隨環(huán)境改變的尺子和時鐘可以用來準確測定距離和時間，便可以計算物體的運動速度,，以及后面涉及到的加速度,。 物體在受力過程中，運動狀態(tài)的改變顯然是與間有關的,。比如,，在斜坡上運動的物體在不同時刻的速度是不一樣的，為了排除時間對運動狀態(tài)的影響,，那就取單位時間速度的改變量,，即速度關于時間的導數(shù)來描述物體運動狀態(tài)的改變，并稱之為加速度,。同時,，不妨將物體受力的方向定義為加速度的方向。對于同一個物體,，假設這個物體內(nèi)在的性質(zhì)不會隨環(huán)境發(fā)生變化,，那么便可以用它的加速度來衡量它受到的力。 物體運動狀態(tài)的變化率,，即加速度,，除了跟力有關還跟什么有關呢？與物體自身的性質(zhì)有關嗎,？由于目前還沒有對力給出一個明確的定義,，更不能定量描述,，因此還不能回答。 但我們還知道另外一種現(xiàn)象——力是相互的,，即只要有受力的物體就存在其他對它施加力的物體,，兩者相互受到對方的力，而且在不受其他力時兩者的運動狀態(tài)會同時改變,。要是找一個物體讓它和其他物體發(fā)生相互作用(這里假設發(fā)生相互作用時兩者都不再受其他物體的力),，比如碰撞，或者磁鐵間的吸引,、排斥等,，你會發(fā)現(xiàn)，對于確定的兩個物體,，其中任意一個物體的加速度總會隨著另一個物體的加速度的改變而改變,，而且兩者加速度的方向相反。因此可以認為力是物體間的相互作用,，相互作用的物體各自受力的大小有一定的定量關系,，方向相反。對于相互作用的兩個物體,，我們沒有理由認為哪個物體更特殊,，因此姑且約定相互作用的兩個物體受到的力大小相等，當然方向相反,，這就是牛頓第三定律,。 要是進行精確的測定還會發(fā)現(xiàn)相互作用的兩個物體加速度大小之比始終是一個常數(shù)，當更換成其他物體時,，這個比例常數(shù)通常也會改變。而且,，對于任意三個物體,，讓它們兩兩之間相互作用，假設物體a與b,、c分別作用時前者與后兩者的加速度之比分別為a:b,、a:c，而b與c相互作用時加速度之比為b:c,，那么一定會有下面的關系成立,，即(a:b)/(a:c)=c:b。因此可以得出結論:物體的加速度取決于力和另外一個與外界無關的物體的內(nèi)在屬性,，并且大小跟力的大小成正比,，跟這個內(nèi)在的屬性成反比。現(xiàn)在把這個內(nèi)在屬性叫做慣性,，或質(zhì)量,，并將比例系數(shù)規(guī)定為1,，那么就有力等于質(zhì)量乘以加速度，即F=ma,這就是牛頓第二定律,。 接下來,，只需要找一個物體作為標準樣品，并把它的質(zhì)量定義為1(千克),，然后讓這個物體跟其他待測物體相互作用,，根據(jù)牛頓第三定律，標準樣品與待測樣品加速度大小的比值就是待測物體的質(zhì)量,。這樣便可以測出任何物體的質(zhì)量,，當然這個質(zhì)量不會隨外界環(huán)境變化。知道物體的質(zhì)量,，再用尺子和時鐘測定并計算出物體的加速度,，就可以計算它受到的力，大小也等于跟他相互作用的其他物體受到的力,。反之,，知道物體受到的力和質(zhì)量那么也可以計算出加速度。 可以看出,，牛頓運動三定律必須一同存在才有意義,。質(zhì)量、力,、加速度也必須一起定義,，它們的值是根據(jù)牛頓第二定律和第三定律列出的方程組一起解出來的。 |
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