第 四 章 · 必修第一册

运动和力的关系

三百年前牛顿写下三条定律,把天地万物装进同一套数学:不受力则运动状态不变(第一定律)、合力产生加速度(第二定律)、作用力与反作用力成对出现(第三定律)。从此"苹果为什么落地"与"月亮为什么不下落"是同一个问题。

4.1 牛顿第一定律与惯性

概念力不是维持运动的原因

牛顿第一定律(惯性定律):一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上的力迫使它改变。
惯性:物体保持原来运动状态的性质,一切物体都有、与是否受力无关;惯性大小的唯一量度是质量——卡车比自行车难刹难加速。
第一定律无法用实验直接验证(不存在不受力的物体),它是理想实验 + 逻辑外推的结论(伽利略斜面的极限)。

4.2 牛顿第二定律 F = ma

概念核心中的核心

内容:物体的加速度与所受合力成正比,与质量成反比,方向与合力方向相同:F合 = ma。
瞬时对应:力变加速度立刻变;同时性、同向性、瞬时性。
解题四步:① 确定对象;② 受力分析(画图);③ 建坐标(沿加速度方向为正);④ 列 F合 = ma 联立求解。
典型场景:水平面 F − f = ma;斜面 mgsinθ − f = ma;整体法与隔离法。
🔬 故事:牛顿与苹果
1665-1666 年伦敦瘟疫,剑桥停课,23 岁的牛顿回乡下住了近两年——微积分、光的色散、万有引力思想的种子都在这段时间埋下。他自己晚年回忆:看到苹果落地(是否砸头无从考证),想到"拉住苹果的力,是不是也能拉到月亮?"把"地上的落体"和"天上的行星"统一进一个框架,是物理史上最伟大的一次远眺。

实验F = ma 小车实验室

同时改变 F 和 m:F 加倍 a 加倍、m 加倍 a 减半——F/m 就是被除出来的那个 a。

4.3 力学单位制

概念单位是物理的语法

国际单位制(SI)七个基本单位:米 m、千克 kg、秒 s、安培 A、开尔文 K、摩尔 mol、坎德拉 cd。
导出单位由基本单位组合:1 N = 1 kg·m/s²。计算时全部换算成 SI 单位再代入,结果自动带正确单位——"带单位运算"是最好的自查错手段。2019 年起千克由普朗克常数定义,"国际千克原器"退休。

4.4 牛顿第三定律

概念作用力与反作用力

两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一条直线上。
六字诀"等大、反向、异体、同时、同性质":同生同灭、同增同减;不作用在同一物体上 ⇒ 永远不能抵消(平衡力是作用在同一物体上的两力)。
划船、火箭、走路:都是"向后推世界,世界向前推你"。

4.5 超重与失重

概念体重秤上的物理

视重 = 秤的读数 = 人对秤的压力 = 秤对人的支持力 N。
超重:a 向上,N = m(g+a) > mg(电梯向上加速 / 向下减速);
失重:a 向下,N = m(g−a) < mg;完全失重:a = g,N = 0——自由落体、太空站里的一切:水成球、秤读零,但重力本身还在(不然空间站怎么绕地球转)。
判断只看加速度方向,与速度方向无关。

实验电梯模拟器(体重秤读数)

人重 50 kg。电梯上行会经历"超重→匀速(正常)→失重"三段,下行正好反过来——坐电梯时留心那阵"心里一空"。

随堂检测第四章小测