牛顿力学

牛顿力学属于经典力学的范畴，它以质量点为研究对象，着重研究力的关系。牛顿力学使用更直观的几何方法，在解决简单的力学问题时比分析力学更方便、更简单。

牛顿力学

牛顿力学（Newtonian mechanics）以牛顿运动定律和重力定律（见重力）为基础，研究速度远低于光速的宏观物体的运动规律。狭义相对论研究的是速度与光速相当的物体的运动，而量子力学研究的是微观粒子的运动，如电子和质子。牛顿力学在研究范围上与相对论和量子力学不同，后者又是经典力学的一部分。在牛顿之后，J.-L.拉格朗日和W.R.汉密尔顿发展了新的力学体系。

牛顿力学关注的是力和动量等量，这些量具有矢量性，牛顿方程也以矢量形式表达，所以牛顿力学可以称为矢量力学；拉格朗日体系和汉密尔顿体系关注的是系统的能量，这些能量具有标量性，可以通过力学的变分原理建立系统的动力学方程，所以拉格朗日体系和汉密尔顿体系合在一起可以称为分析力学。因此，就力学的方法和体系而言，牛顿力学与拉格朗日系统和汉密尔顿系统不同；但就经典力学的基本原理而言，拉格朗日方程和汉密尔顿原理与牛顿定律是等同的。然而，汉密尔顿原理可以应用于更广泛的物理现象。将拉格朗日系统和汉密尔顿系统（尤其是后者）应用于物理学和天体力学中广泛使用的保守系统，有很大的优势。因此，这两个系统的思想和方法对于天体力学的区域力学理论和经典统计力学的理论研究都有较大的价值。

牛顿于1643年1月4日出生在英国林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村，1661年进入英国剑桥大学三一学院，1665年获得文学士学位。1669年，他成为剑桥大学卢卡斯数学教授，这个职位一直到1701年。1696年，他成为皇家铸币厂的主管，并搬到了伦敦。1706年，他被安妮女王封为爵士。在他的晚年，牛顿致力于自然哲学和神学研究。他于1727年3月20日在伦敦去世，享年84岁。

注：牛顿生于儒略历1642年12月25日，对应于公历（阳历）1643年1月4日，所以正确的出生日期是1月4日。

原产地

牛顿力学以牛顿运动定律为基础，是在17世纪后发展起来的。牛顿力学是直接以牛顿运动定律为出发点，研究质量系统的运动。艾萨克-牛顿爵士试图用惯性和力的概念来描述所有物体的运动，并发现它们服从于明确的守恒定律。1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理论》。在该书中，牛顿建立了三个运动定律，这些定律今天仍在描述力。

其他

牛顿力学包括许多方面，所有这些都与三个基本定律有关。

第一定律

内容：所有物体如果不受任何力或合力为零，总是保持静止状态或匀速直线运动。

解释：所有物体都有保持静止的趋势，并以均匀的直线运动方式运动，因此，物体的运动状态是由其运动速度决定的，没有外力就不会改变。物体的这种特性被称为惯性。由于这个原因，牛顿第一定律也被称为惯性定律。第一定律还澄清了力的概念。它阐明了力是物体之间的相互作用，并指出正是这些力改变了物体的运动状态。由于加速度描述的是物体运动状态的变化，所以力与加速度而不是速度有关。如果你在日常生活中不注意这一点，你很容易产生错误的想法。

注意：牛顿第一定律并不适用于所有参考框架，而只适用于惯性框架。因此，它经常被用作衡量一个参考系是否是惯性的标准。

第二定律

内容：一个物体受到合力的作用，会产生与合力方向相同的加速度，其大小与合力的大小成正比，与物体的惯性质量成反比。

公式：，F是综合外力

牛顿第二定律定量地描述了一个力的作用，并定量地测量了一个物体的惯性量。它在本质上是矢量的，并与之直接相关。

必须强调的是，物体上的非零外力组合产生的加速度会引起物体运动状态或速度的变化，但这种变化与物体本身的运动状态有关。

局限性。该法则只适用于宏观物体的缓慢运动。

第三定律

内容：在同一直线上的两个物体之间的作用力和反作用力，大小相等，作用方向相反。

注意。

(1) 作用力和反作用力没有优先次序或顺序。它们同时产生和消失。

(2) 这两个力作用于不同的物体，不能相互抵消。

(3) 作用力和反作用力必须是同一类型。

(4) 与参照系无关。

一个质量点的质量m与它的速度v的乘积（mv）。动量是一个矢量，用符号p表示。一组质量的动量是该组质量的动量的向量和。一个物体的机械运动不是孤立发生的，而是在物体和周围物体之间存在着相互作用；这种相互作用表现为运动物体和周围物体之间机械运动的传递（或转移）。这种转移的结果是，两者的总动量保持不变。从动力学的角度来看，力反映了动量转移的快慢程度。像物理物体一样，电磁场也有动量。例如，一个光子的动量，其中h是普朗克常数，k是波长，其大小（λ是波长）是在波的传播方向。在国际单位制中，动量的单位是公斤/米/秒（kg-m/s）。

动量守恒定律

动量守恒定律是最早被发现的守恒定律之一，它起源于16和17世纪西欧哲学家对宇宙运动的哲学思考。

如果我们环顾四周，就会发现大多数运动的物体都会停滞不前，比如一个弹跳的球，一个飞行的球，一个运行的钟，一个运行的机器。似乎宇宙中运动的总量在减少。难道整个宇宙就像一台机器，有一天会停滞不前？然而，几个世纪以来对天体运动的观察并没有显示出宇宙运动减少的证据。16、17世纪的许多哲学家认为，宇宙的整体运动并没有减少，只要能找到一个合适的物理量来测量运动，整体运动就能保持下去。这个合适的物理量究竟是什么？

法国哲学家、数学家和物理学家笛卡尔提出，质量和速度的乘积是一个适当的物理量。但后来，荷兰数学家和物理学家惠更斯（1629-1695）在研究碰撞时发现，根据笛卡尔的定义，两个物体的运动总量在碰撞前后不一定守恒。

通过结合这些人的工作，牛顿对笛卡尔的定义做了一个重要的改变，即用质量和速度的乘积来代替质量和速度的乘积，从而找到了一个合适的物理量来衡量运动。牛顿在其1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中指出，一个方向的运动之和减去相反方向的运动之和，就是不因物体的相互作用而改变的运动量，两个或多个物体的共同重心是一样的。两个或多个相互作用的物体的共同重心的运动状态也不因这些物体之间的相互作用而改变，始终保持静止或匀速直线运动。

动量守恒定律比牛顿的运动定律更全面适用

最近的科学实验和理论分析表明，动量守恒定律在自然界中被观察到，从天体之间的相互作用到基本粒子（如质子和中子）之间的相互作用。因此，它是自然界中最重要和最普遍的客观规律之一，比牛顿运动定律的适用范围更广。这里有一个例子，牛顿运动定律并不适用，但动量守恒定律却适用。

当我们观察光的发射和吸收时，我们看到这样一种现象：在宇宙空间的某个地方，有时会突然出现非常明亮的光的发射，即超新星。但它很快就消逝了。这样的超新星发出的光需要几百万年才能到达地球，而从超新星亮起到它熄灭的时间相比之下太短了。

当来自超新星的光照射到地球上时，它会给地球一个轻微的推力，而与此同时，地球却不能给超新星一个轻微的推力，因为它已经消失了。因此，如果我们想象一下地球和超新星之间的相互作用，它不是在同一时间有相同的大小和相反的方向。在这一点上，牛顿第三定律显然已不再适用。

尽管如此，动量守恒定律是正确的。然而，我们还必须考虑到光。当一颗超新星发出光时，恒星反冲并获得动量，而光则带走了一个同样大小和相反方向的冲力。当光在几百万年后到达地球时，光将其动量传给了地球。应该注意的是，动量不仅可以由物理物体携带，而且可以与光辐射一起传播。如果我们考虑到这一点，动量守恒定律仍然是有效的。

开启一个新的时代

牛顿经典力学体系的提出，为科学的发展开辟了一个新的天地和新的时代。经典力学的广泛传播和应用，对人类的生活和思想产生了重大影响，在一定程度上促进了人类社会的发展和进步。但是，经典力学固有的缺点和局限性，也在一定程度上阻碍了人类社会的进步，造成了负面效应。本文以经典力学建立的背景为出发点，用辩证的方法进一步分析了经典力学在人类历史和现实中的作用和负面效应。

在17世纪的欧洲，通过众多科学家的努力，英国科学家艾萨克-牛顿根据在天文学和力学中收集到的信息，成功地综合了天体力学和地体力学，创建了一个统一的力学体系--经典力学。经典力学体系的建立是人类对自然和历史认识的第一次伟大飞跃，也是开创了一个新时代的理论综合，对科学的发展以及人类的生产、生活和思想产生了极为深刻的影响。牛顿经典力学的建立是科学形态的重要变化，标志着现代理论自然科学的诞生，成为所有其他自然科学的典范。

条件的原因

牛顿的经典力学体系的引入是由之前取得的科学成就促成的。哥白尼、伽利略、开普勒、笛卡尔等人在天文学、力学、光学和数学领域的贡献为经典力学奠定了坚实的基础，尤其是伽利略和开普勒对牛顿经典力学体系的引入产生了极为重要的影响。

通过对自由落体的研究，伽利略已经发现了惯性运动和重力作用下的匀加速运动，从而确立了牛顿第一和第二定律的基本思想。伽利略对抛物线运动规律的发现也对牛顿的万有引力学说产生了深远影响。开普勒对行星运动规律的发现是牛顿万有引力学说的最重要的前提条件。牛顿非常善于借鉴前人的科学成就，并以跨学科的方式使用它们。通过借鉴前人的科学成果，牛顿为经典力学体系的建立奠定了基础。

尽管经典力学是建立在丰富的科学经验之上的，但它的起源却与牛顿的个人原因密不可分。从年轻时起，牛顿就对科学有着极大的兴趣，有着强烈的学习和研究欲望，他是一个非常勤奋的学生。但他从不死记硬背，他喜欢通过实验来获取真正的知识，并亲手设计和制造了许多机械装置和工具，这使他有了广泛而坚实的知识基础，同时也有了创新意识和实践能力。虽然牛顿是个天才，有很高的智力水平，但他的天才也是基于他的勤奋。他对自己的研究非常专注，经常日夜不停地工作。所有这些都培养和完善了牛顿的科学头脑，为他今后的研究打下了坚实的基础。

牛顿的经典力学的建立也与他所处的时代和社会有关。经过16世纪一百多年的宗教和政治大改革，欧洲在17世纪下半叶进入了一个政治平静和经济繁荣的时期。17世纪下半叶，欧洲进入了一个政治平静和经济繁荣的时期。生产实践为机械学的研究提出了许多问题，为科学的发展提供了新的动力。经过16世纪的宗教改革运动和17世纪中后期的资产阶级革命运动，英国科学家拥有了此时世界上最自由的学术环境。这种学术环境的变化使力学研究摆脱了不必要的束缚，导致了经典力学体系的出现。

个人因素、前人的经验、宽松的学术环境和生产实践的发展构成了经典力学体系建立的前提和基础。

不难预测，经典力学的巨大成功将对人类社会的各个方面产生不可估量的影响。

(一)对自然概念的影响

牛顿经典力学的成就是如此伟大，以至于它广泛传播，深刻地改变了人们对自然的看法。人们经常用力学的尺度来衡量一切，用力学的原理来解释一切自然现象，一切运动都归因于机械运动，一切运动的原因都归因于力，自然是一台按照力学定律运动的机器。这种机械的自然哲学观在当时是进步的。科学家探索自然规律是有益的，因为它把自然界中的行为理性归结为自然规律本身的行为。它可以刺激分析和解剖学方法的使用，从观察和实验中获得更多的经验材料，这是科学发展所必需的。然而，这种思维方式在一定程度上忽视了理论思维的作用以及事物之间的关系和发展，存在着严重的缺陷。

(二)对自然科学的影响

牛顿经典力学的内容和研究分析方法对自然环境科学，特别是物理学起了一个重大的推动社会作用，但也存在着消极因素影响。

牛顿的经典力学系统和他的机械研究计划的成功使得科学家们相信牛顿的经典力学是整个物理学，甚至是所有自然科学的可靠的最终基础。在很长一段时间里，牛顿的经典自然哲学的数学原理成为科学家的标准，主导了当时自然科学的发展。他研究问题的科学方法和原则也得到了广泛的赞赏和采用。牛顿研究经典力学的科学方法论和认识论，例如，运用分析与综合的方法，结合公理化方法和科学简单性原则，寻求因果关系的相似性和统一性，在实验的基础上发现事物的普遍性，正确对待归纳结论，对后世科学的发展也产生了深远的影响。

经典力学不但对自然环境科学产生了一个很大影响，在社会主义科学技术方面，特别是对哲学和人类思想教育发展，也产生了重大问题影响。

在经典力学的直接影响下，英国人托马斯 · 霍布斯和罗克建立和发展了机械哲学，由于其强大的影响力，唯物主义从宗教神学中获得了声音，进而进入了人类历史上唯物主义和唯心主义斗争最激烈的时期。经过康德和黑格尔对辩证法和机械哲学的研究和发展，以及马克思主义和弗里德里希·恩格斯对现有哲学研究的吸收，结合当时的科学发展，最终确立了唯物辩证法。唯物辩证法的建立在很大程度上归功于牛顿经典力学体系的建立。

现代科学和哲学起源于经典力学，牛顿经典力学的确立，使人类的思想开始走向科学和现代化，对人类思想领域的影响极为广泛和深远。

事物总是辩证统一、一分为二的。虽然我国科学家在运用牛顿经典力学分析方法及成果时使自然科学得到了一个长足进步发展，但当时社会人们在接受和运用牛顿的科学技术成果之时，没有搞清它的适用范围，也作出了不适当的夸大。例如，当初有科学家可以认为自己所有涉及到的物理学问题方面都可以归结为不变的引力和斥力，因而只要把中国自然经济现象转化为力就行了。结果到后来，“力”成了对现象和规律缺乏正确认识的避难所，把当时已经无法得到解释的各种文化现象都冠以各种方式不同力的名称。因此，牛顿经典力学的内容设计及其相关研究教学方法在推动企业自然环境科学管理发展的同时，也有产生了变化很大的消极因素影响。

伟大成就

经典力学把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上运动和地上运动统一起来，从力学上证明了自然界的统一性，这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合，它开辟了一个新时代，并对学科发展的进程以及后代科学家们产生了极其深刻的影响。

经典力学的建立第一次明确了所有自然科学理论的基本特征，标志着现代理论自然科学的诞生，成为其他自然科学的典范。牛顿用归纳演绎、综合分析的方法得到了一个完美的力学体系，被后人称为科学美的典范，表明物理学家在研究物理时倾向于选择一个和谐自洽的体系，追求最简单最理想的形式。

经典力学的建立对自然科学技术的发展和社会进步有着深远的影响。将科学研究方法推广到物理学的各个分支对于古典物理学的建立具有重要的意义，经典力学与其他基础科学的结合导致了许多跨学科的发展，促进了自然科学的进一步发展。第三，经典力学广泛应用于科学技术领域，促进了社会文明的发展。

经典力学的应用受到物体运动速率的限制，当物体运动的速率接近真空中的光速时，经典力学的许多观念将发生重大变化。如经典力学中认为物体的质量不仅不变，并且与物体的速度或能量无关，但相对论研究则表明，物体的质量将随着运动速率的增加而增大，物体的质量和能量之间存在着密切的联系。但当物体运动的速度远小于真空中的光速时，经典力学仍然适用。

牛顿运动发展定律不适可以用于企业微观领域中进行物质文化结构和能量不连续工作现象。19世纪和20世纪之交，物理学的三大发现，即X射线的发现、电子的发现和放射性的发现，使物理学的研究由宏观经济领域开始进入一个微观管理领域，特别是20世纪初量子理论力学的建立，出现了与经典教育观念以及不同的新观念。不确定性，粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述等。但量子力学的建立并不是对经典力学的否定，对于宏观物体的运动，量子现象并不显著，经典力学依然适用。

现代物理学的发展，并没有使经典力学失去存在的价值，只是拓宽了人们的视野，经典力学仍将在它适用的范围内大放异彩。