四大定律

牛顿在物理学上的贡献主要表现在发现力学运动三定律和万有引力定律。

物体为什么会运动呢？

早在 20O0 多年前，古希腊的哲学家亚里士多德根据经验提出：为了使物体不停地运动，必须持续不断地有力作用于物体上，没有力的作用.物体就会停下来。也就是说，推一个物体的力不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。

比如，牛拉车时。牛用力拉车，车便前进了；牛停下来，不用力了，车也就停下不动了。

很明显，亚里士多德认为维持运动需要力。

真的是这样吗？假如有人推着一辆小车在平路上行驶，然后突然停止推它，小车不会立刻静止，它还会继续运动一段很短的距离。这一段很短的距离没有人推，为什么能运动呢？亚里士多德错在哪里呢？当时的科学家们无法弄清楚。

I6 世纪末，意大利青年物理学家伽利略，做了物体沿斜面运动的实验，发现物体沿斜面向下运动时，速度越来越大，沿斜面向上运动时，速度越来越小。从这里他想到，如果没有摩擦力，物体在不倾斜的水平面上运动时，速度应该不变。

牛顿在总结了伽利略等人研究成果的基础上，进行不断的研究。

在人推车的实验中，如果把道路修整得越平滑，车轮上涂油等外部的影响减少，车子滑行的距离会更长。牛顿想方设法减少车轮与路面之间的摩擦力，但是不可能得到没有摩擦的平面。牛顿绞尽脑汁，考察、研究，终于想出了当路面绝对平滑时，车轮也毫无摩擦，那小车就没有任何东西阻挡，就会永远运动下去。

牛顿据此总结出物体具有保持原有的匀速直线运动状态或静止状态的性质，并作为一条定律提出来。

一切物体在没有受到外力作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这就是牛顿第一定律。物体的这种保持原有的匀速直线运动状态或静止状态的性质，叫做惯性。因此，牛顿第一定律又叫做惯性定律。

物体具有惯性的例子是很多的。任何静止不动的物体，如果没有外力作用，它是不会自己动起来的；切运动的物体，如果没有外力的作用，它也不会静止下来。

坐在匀速行驶的汽车中的乘客，当汽车突然刹车时，上身会向前倾。这是因为乘客的下身受车厢摩擦阻力的作用随车厢一同静止，而上身由于惯性保持原来向前运动的速度，所以向前倾。

在牛顿第一定律中，我们已经知道，物体没有受到外力作用时，就会永远保持静止或匀速直线运动状态。如果有外力作用时，将会出现什么结果呢？

一辆手推车，你用小力去推，它起动得慢；你用大力去推，它起动得快。

起动的过程就是从静止到运动，是一个加速运动的过程，可见，对同一个物体，受的力越大，它产生的加速度越大。你向哪个方向推车，静止的车就向哪个方向运动，即加速度的方向跟力的方向是相同的。

两辆手推车。一辆装满了泥土，它包含的物质多，即质量大；另一辆车装的少，它包含的物质少，即质量小。用同样大小的力分别推这两辆车，你会发现：质量大的车，起动得慢，即加速度小；质量小的车，起动得快，即加速度大。

牛顿通过实验认识到，物体产生的加速度，不仅跟力有关，而且跟物体的质量有关，这就发现了运动的第二定律，即牛顿第二定律：

当物体受到外力作用时，它的加速度与作用在它上面的力的大小成正比，与物体的质量成反比。加速度的方向与力的方向相同。

牛顿第二定律在科学技术的各个方面都有着广泛的应用。比如，迫击炮在发射时，为了增加射程，就需要设法增大对炮弹的推力，使炮弹在膛内运动时有较大的加速度，从而得到比较大的出口速度，炮弹的出口速度越大，它的射程越远。

在学生时代，我们可能有这样的体验，当我们坐在椅子上用力推课桌时，会感觉到书桌也在推我们，因而身体要向后移。当两条小船停在水面时，如果甲船上的人推乙船，会发现两条船同时向相反的方向运动。也就是说，当一个物体受到力的作用时，它同时对施力物体也有力的作用，通常把前者叫做作用力，后者叫做反作用力。

牛顿通过实验进一步发现，作用力和反作用力无论大小如何，总是相等的；作用力和反作用力总是同时产生的，没有先后之分，同时增大，同时减小，同时消失；作用力和反用力在一条直线上，但它们的方向相反，分别作用在两个物体上。牛顿得出了这样的规律：

当一个物体对另一个物体施加力的时候，承受力的物体也用同样的力，反过来作用于对它施加力的前一个物体上，两物体间的相互作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上。这就是牛顿第三定律，也叫做作用与反作用定律。

人在地面上行走，人给地面一个向后的作用力，地面也给人一个相等大小的向前的反作用力，正是利用这个反作用力，才使人得以向前行走。用桨划船也是为了取得反作用力。用桨向后划水，水就给桨一个向前的反作用力，使船向前运动。如果划水的方向不同，得到的反作用力的方向也不同，因此还可以使船向不同方向转弯。

牛顿对物理学最重要的贡献是发现了万有引力。

物体在空中下落的运动，是一种常见的运动。但是物体为什么会下落到地面，就像苹果为什么会落到地上，而不飞上天呢？

从古代起，就有人注意到这种运动形式，并对它的规律提出过一些看法，认为物体由于本身重量而下落，越重的物体下落得越快。譬如，一个苹果比一片树叶落得快。17 世纪以前的学者，许多人是这样认为的。

传说，在 16 世纪末，意大利物理学家伽利略做过这样的实验。1590 年，他登上 50 多米高的比萨斜塔，让 1 磅重和 10 磅重的两个球同时落下，在场许多人看到它们差不多同时到达地面。

其实，不同重量物体下落的快慢是相同的。我们平常看到物体下落的快慢不同，并不是由于重量不同，而是它们由于受到空气阻碍作用不同的缘故。

1971 年，美国宇宙航行员斯科特在月球上让一把锤子和一根羽毛同时落下，由于月球上没有空气，它们确实同时落到月球表面上。

一个美丽的秋天，晴空万里，阳光普照，让人心旷神怡，在屋里工作了一天的牛顿丝毫也没有察觉。傍晚，他感到有些疲倦，便到后院走走，不知不觉地，走到了苹果树旁。那棵苹果树结满通红的苹果，在晚霞里闪闪发光。牛顿坐在苹果树下，仍然沉浸在思索中。

突然一个苹果从树上掉了下来，落在牛顿的身旁。他感到纳闷，周围风平浪静的，这个苹果为什么会掉下来呢？牛顿苦苦思索其中的缘由。

夜深了。

左思右想。忽然，牛顿的头脑中出现了这样的想法，是地球吸引了苹果，一定是地球对苹果的吸引力，才使苹果落到地上，否则苹果为什么不往上飞呢？

长期以来，想了又想的问题，终于找到了解决的线索，牛顿情不自禁脱口而出：“明白了！物体的下落原因原来是地球引力的结果。”