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牛頓第一運動定律

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Academic year: 2021

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全文

(1)

一、力與物體的運動狀態

二、慣性

三、牛頓第一運動定律 ( 慣性定

律 )

(2)

一、力與物體的運動狀態

西元前四世紀的哲學家亞里斯多德 ( Aristotle ,古希臘人)從日常生活中觀察到: 在水平地面上運動的物體,若不持續對其施力, 物體終會停止下來。因此,亞里斯多德認為,要 維持物體在水平地面上作等速運動,就必須對物 體持續施力。

1. 亞里斯多德的觀點

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2. 伽利略的觀點

伽利略認為亞里士多德的看法是錯誤的,為了 探索真相,他巧妙地設計了下列的想像實驗

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※ 想像實驗

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※ 想像實驗

 合理的分析: 小球將會一直到達等高處才 會停止運動,亦即小球將永 恆不斷地運動下去(因為永 遠到達不了等高處)。 下一頁有動畫哦!

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※ 結論

在水平面上運動的物體,並不需要對物體施力, 物體就會永遠維持等速運動。而不是如亞里斯多 德所說,要維持物體在水平面上作等速運動,就 必須對物體持續施力。

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二、慣性

1. 慣性的觀念

(1) 伽利略由想像實驗Ⅰ、Ⅱ得到以下的結論: 每個物體都有一種「維持原有運動狀態」的 傾向,這種傾向就稱為慣性 (inertia) 。也就 是說,如果一個物體原先是靜止的,則慣性 會讓它持續靜止不動;但若它原先是以某一 個速度在運動,慣性就會讓它以原來的速度 繼續運動下去,而不會停下來。

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(2) 伽利略所考慮的,是沒有摩擦力的情形,雖然 這種情況在現實生活中不能真正得到,但若使 用氣墊軌道,或在磨平且附有水漬的冰床上來 試驗物體的運動,則可以得到很接近無摩擦的 情形。

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2. 慣性的實例

(1) 靜止的汽車突然開動,車上的人為保持原來靜止的 狀態而向後仰;急駛的車子突然靜止,車上的人為 保持原來運動的狀態而向前傾。 (2) 手拍衣服可去除灰塵。 (3) 揮筆驟停,可灑去筆上的墨汁。 (4) 搖果樹,可使果實脫落。 (5) 刀柄鬆脫,只須將柄在地上一擊,刀就嵌入柄中。 (6) 賽跑的人到達終點,不能立即停止。

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3. 慣性的大小

(1) 有些物體的慣性大,有些物體的慣性小,慣性 大的物體不容易在短時間內改變其速度,慣性 小的物體比較容易改變其速度。 (2) 一個物體的質量所代表的便是其慣性的大小: 如果兩個物體受到相同的外力,作用相同的時 間後,質量大的物體,速度的變化較小;質量 小的物體,速度的變化較大。

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三、牛頓第一運動定律(慣性定律)

牛頓以伽利略的想像實驗為基礎,加入他的研 究成果,提出了牛頓第一運動定律(或稱為慣性定 律):  物體若不受外力作用(或所受的合力為零), 則靜者恆靜,動者恆沿原來的運動方向作等速運動 。 下一頁有動畫哦!

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四、慣性坐標系

1. 牛頓第一運動定律不僅說明力是物體運動狀態發 生變化的原因,更重要的是,第一運動定律定義 了慣性坐標系 (Inertial coordinate system) 。

2. 何謂慣性坐標系呢?在某坐標系中,觀察一物體 的運動,若其運動遵守牛頓第一運動定律,則此 坐標系即為「慣性坐標系」,反之則為「非慣性 坐標系」或「加速坐標系」。 → 凡是靜止或作等速運動的坐標系即為慣性坐標系 。

(15)

道路上有 A 、 B 兩輛汽車,其中 A 車作等速 運動,而 B 車作等加速運動,路邊有一群靜 止的小狗,小狗的對面有警車停在路邊準備 臨檢,如圖所示。

(16)

(1) 在警車上的觀察者來看,小狗的加速度與所受 的合力均為零,小狗保持靜止,符合慣性定律 的要求,故靜止的觀察者所處的坐標系為慣性 坐標系。

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(2) 在 A 車上的觀察者來看,小狗的加速度與所受的 合力均為零,小狗保持作向左的等速運動,符合 慣性定律的要求,故作等速運動的觀察者所處的 坐標系為慣性坐標系。

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(3) 在 B 車上的觀察者來看,小狗所受的合力為零, 但卻作向右的等加速運動,不符合慣性定律的要 求,故作等加速運動的觀察者所處的坐標系為非 慣性坐標系。

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參考文獻

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