世界公认的三大定律

(资料图)

物理学是一门探索自然现象和规律的科学，它为我们提供了一种理解世界的方法和视角。在物理学的发展历史上，有三个定律被公认为最重要和最基本的，它们分别是牛顿运动定律、开普勒行星运动定律和热力学定律。这三个定律不仅能够解释从微观到宏观的各种物理现象，而且也揭示了自然界的一些普遍性和必然性。

一，牛顿运动定律

牛顿运动定律是由英国科学家艾萨克·牛顿（IsaacNewton）在17世纪提出的，它描述了物体在力的作用下的运动规律。牛顿运动定律包括三条：

第一定律：惯性定律。任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用（合外力为零）时，总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。

第二定律：加速度定律。物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。

第三定律：作用力与反作用力定律。两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。

牛顿运动定律是经典力学的基础，它能够解释地球上绝大多数物体（除了极小或极快的物体）的运动情况。例如：

当我们坐在汽车里时，如果汽车突然刹车或转弯，我们会感到身体向前或向侧倾斜，这是因为我们身体具有惯性，想要保持原来的运动状态，而汽车却改变了运动状态。

当我们踢足球时，如果我们用更大的力或更轻的球，那么球飞出去的速度就会更快，这是因为球受到了我们脚的合外力，根据加速度定律，球会产生与合外力成正比、与质量成反比、与合外力方向相同的加速度。

当我们用手推墙时，我们会感到手疼，这是因为墙也在给我们的手一个反作用力，根据作用力与反作用力定律，这个反作用力与我们的手给墙的作用力大小相等、方向相反、作用在同一直线上。

牛顿运动定律不仅帮助我们正确认识了力的效果和惯性的存在，而且也给出了惯性系的概念。惯性系是指在其中物体满足牛顿运动定律的参考系，也就是说，在惯性系中，物体不受外力或受平衡力时，会保持静止或匀速直线运动；物体受到合外力时，会产生与合外力成正比、与质量成反比、与合外力方向相同的加速度；物体之间的相互作用力和反作用力总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。惯性系是物理学中最基本和最简单的参考系，它为我们建立物理模型和计算物理量提供了便利。

二，开普勒行星运动定律

开普勒行星运动定律是由德国天文学家约翰内斯·开普勒（JohannesKepler）在17世纪提出的，它描述了行星绕太阳运动的规律。开普勒行星运动定律包括三条：

第一定律：椭圆定律。所有行星都沿着椭圆轨道绕太阳运动，太阳位于椭圆的一个焦点上。

第二定律：面积定律。行星在轨道上运动时，以太阳为焦点的扇形面积随时间变化的速率是恒定的，即单位时间内扫过的面积相等。

第三定律：调和定律。各行星绕太阳公转周期的平方与其轨道长半轴的立方成正比。

开普勒行星运动定律是天文学的基础，它能够解释太阳系中各行星（除了水星和冥王星）的运动情况。例如：

当我们观察夜空时，我们会发现有些行星（如火星）有时会出现逆行现象，即它们在天球上看起来像是向后走。这是因为各行星绕太阳公转的速度不同，当地球从内侧超过外侧的行星时，就会产生这种视觉效果。

当我们测量太阳系中各行星的公转周期和轨道半径时，我们会发现它们之间存在一个简单的数学关系。例如，地球绕太阳公转一周需要天，其轨道半径约为×10^11米；火星绕太阳公转一周需要天，其轨道半径约为×10^11米。如果我们将它们的公转周期平方除以轨道半径立方，得到的结果都接近一个常数：×10^-19秒^2/米^3。

开普勒行星运动定律不仅帮助我们正确认识了行星运动的规律性和简洁性，而且也为牛顿万有引力定律的发现提供了重要的依据。牛顿万有引力定律是由牛顿在开普力定律的基础上推导出的，它描述了任何两个物体之间都存在着相互吸引的力，这个力跟两个物体的质量成正比，跟它们之间的距离的平方成反比。

牛顿万有引力定律能够用一个统一的公式解释开普勒行星运动定律中的各种现象，例如为什么行星沿着椭圆轨道运动，为什么行星在轨道上运动时扫过的面积速率恒定，为什么行星公转周期的平方与轨道半径的立方成正比等。牛顿万有引力定律也将地球上的物理学和天空中的天文学联系起来，揭示了自然界中普遍存在的一种相互作用力。

三，热力学定律

热力学定律是由多位科学家在18世纪和19世纪提出和完善的，它描述了热量、功和能量之间的转化和守恒规律。热力学定律包括三条：

第零定律：热平衡定律。如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统也必然处于热平衡状态。

第一定律：能量守恒定律。一个系统所受到的热量等于它对外做功和它内能增加的总和。

第二定律：熵增加定律。一个孤立系统（不与外界交换物质和能量的系统）的熵（无序度）总是不减少，或者说一个自然过程总是向着熵增加的方向进行。

热力学定律是热学和统计物理学的基础，它能够解释从日常生活到工业生产中涉及到的各种热现象。例如：

当我们用温度计测量物体的温度时，我们实际上是在利用第零定律。温度计与被测物体接触后，经过一段时间，它们之间会达到热平衡状态，此时温度计上显示的温度就是被测物体的温度。

当我们用电饭锅煮饭时，我们实际上是在利用第一定律。电饭锅通过电阻发热，将电能转化为热能，这些热能有一部分传递给水和米饭，使它们升温和变化；有一部分传递给周围空气，使空气升温；有一部分用于推动水蒸气从锅内逸出，做功。这些过程中，电饭锅所消耗的电能等于它对外做功和它内能增加的总和。

当我们把一杯冰水放在桌子上时，我们实际上是在利用第二定律。冰水与周围空气之间存在温差，因此会发生热量交换，直到达到热平衡状态。这个过程中，冰水吸收了周围空气的热量，使冰融化、水升温；周围空气放出了热量，使空气降温。这个过程中，系统的熵增加了，因为冰水和空气的无序度都增加了。

热力学定律不仅帮助我们正确认识了热量、功和能量之间的转化和守恒，而且也揭示了自然界中存在着一个不可逆转的趋势，即熵增加。熵增加定律是一个普适的定律，它不仅适用于物理系统，也适用于化学系统、生物系统、社会系统等。熵增加定律也给我们提供了一个判断自然过程是否可能发生的标准，即只有使系统熵增加的过程才是可能发生的。