世界公認(rèn)的三大定律

　　物理學(xué)是一門(mén)探索自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)，它為我們提供了一種理解世界的方法和視角。在物理學(xué)的發(fā)展歷史上，有三個(gè)定律被公認(rèn)為最重要和最基本的，它們分別是牛頓運(yùn)動(dòng)定律、開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律和熱力學(xué)定律。這三個(gè)定律不僅能夠解釋從微觀到宏觀的各種物理現(xiàn)象，而且也揭示了自然界的一些普遍性和必然性。

　　一，牛頓運(yùn)動(dòng)定律

　　牛頓運(yùn)動(dòng)定律是由英國(guó)科學(xué)家艾薩克·牛頓（IsaacNewton）在17世紀(jì)提出的，它描述了物體在力的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。牛頓運(yùn)動(dòng)定律包括三條：

　　

　　第一定律：慣性定律。任何一個(gè)物體在不受外力或受平衡力的作用（合外力為零）時(shí)，總是保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到有作用在它上面的外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。

　　第二定律：加速度定律。物體的加速度跟物體所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。

　　第三定律：作用力與反作用力定律。兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力，總是同時(shí)在同一條直線上，大小相等，方向相反。

　　牛頓運(yùn)動(dòng)定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，它能夠解釋地球上絕大多數(shù)物體（除了極小或極快的物體）的運(yùn)動(dòng)情況。例如：

　　當(dāng)我們坐在汽車(chē)?yán)飼r(shí)，如果汽車(chē)突然剎車(chē)或轉(zhuǎn)彎，我們會(huì)感到身體向前或向側(cè)傾斜，這是因?yàn)槲覀兩眢w具有慣性，想要保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而汽車(chē)卻改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

　　當(dāng)我們踢足球時(shí)，如果我們用更大的力或更輕的球，那么球飛出去的速度就會(huì)更快，這是因?yàn)榍蚴艿搅宋覀兡_的合外力，根據(jù)加速度定律，球會(huì)產(chǎn)生與合外力成正比、與質(zhì)量成反比、與合外力方向相同的加速度。

　　當(dāng)我們用手推墻時(shí)，我們會(huì)感到手疼，這是因?yàn)閴σ苍诮o我們的手一個(gè)反作用力，根據(jù)作用力與反作用力定律，這個(gè)反作用力與我們的手給墻的作用力大小相等、方向相反、作用在同一直線上。

　　牛頓運(yùn)動(dòng)定律不僅幫助我們正確認(rèn)識(shí)了力的效果和慣性的存在，而且也給出了慣性系的概念。慣性系是指在其中物體滿(mǎn)足牛頓運(yùn)動(dòng)定律的參考系，也就是說(shuō)，在慣性系中，物體不受外力或受平衡力時(shí)，會(huì)保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)；物體受到合外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與合外力成正比、與質(zhì)量成反比、與合外力方向相同的加速度；物體之間的相互作用力和反作用力總是同時(shí)在同一條直線上，大小相等，方向相反。慣性系是物理學(xué)中最基本和最簡(jiǎn)單的參考系，它為我們建立物理模型和計(jì)算物理量提供了便利。

　　二，開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律

　　開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律是由德國(guó)天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒（JohannesKepler）在17世紀(jì)提出的，它描述了行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律包括三條：

　　

　　第一定律：橢圓定律。所有行星都沿著橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。

　　第二定律：面積定律。行星在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，以太陽(yáng)為焦點(diǎn)的扇形面積隨時(shí)間變化的速率是恒定的，即單位時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等。

　　第三定律：調(diào)和定律。各行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道長(zhǎng)半軸的立方成正比。

　　開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律是天文學(xué)的基礎(chǔ)，它能夠解釋太陽(yáng)系中各行星（除了水星和冥王星）的運(yùn)動(dòng)情況。例如：

　　當(dāng)我們觀察夜空時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有些行星（如火星）有時(shí)會(huì)出現(xiàn)逆行現(xiàn)象，即它們?cè)谔烨蛏峡雌饋?lái)像是向后走。這是因?yàn)楦餍行抢@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的速度不同，當(dāng)?shù)厍驈膬?nèi)側(cè)超過(guò)外側(cè)的行星時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種視覺(jué)效果。

　　當(dāng)我們測(cè)量太陽(yáng)系中各行星的公轉(zhuǎn)周期和軌道半徑時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系。例如，地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周需要365.25天，其軌道半徑約為1.5×10^11米；火星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周需要686.98天，其軌道半徑約為2.28×10^11米。如果我們將它們的公轉(zhuǎn)周期平方除以軌道半徑立方，得到的結(jié)果都接近一個(gè)常數(shù)：3.35×10^-19秒^2/米^3。

　　開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律不僅幫助我們正確認(rèn)識(shí)了行星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性和簡(jiǎn)潔性，而且也為牛頓萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)提供了重要的依據(jù)。牛頓萬(wàn)有引力定律是由牛頓在開(kāi)普力定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的，它描述了任何兩個(gè)物體之間都存在著相互吸引的力，這個(gè)力跟兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，跟它們之間的距離的平方成反比。

　　牛頓萬(wàn)有引力定律能夠用一個(gè)統(tǒng)一的公式解釋開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律中的各種現(xiàn)象，例如為什么行星沿著橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，為什么行星在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)掃過(guò)的面積速率恒定，為什么行星公轉(zhuǎn)周期的平方與軌道半徑的立方成正比等。牛頓萬(wàn)有引力定律也將地球上的物理學(xué)和天空中的天文學(xué)聯(lián)系起來(lái)，揭示了自然界中普遍存在的一種相互作用力。

　　三，熱力學(xué)定律

　　熱力學(xué)定律是由多位科學(xué)家在18世紀(jì)和19世紀(jì)提出和完善的，它描述了熱量、功和能量之間的轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律。熱力學(xué)定律包括三條：

　　

　　第零定律：熱平衡定律。如果兩個(gè)系統(tǒng)分別與第三個(gè)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么這兩個(gè)系統(tǒng)也必然處于熱平衡狀態(tài)。

　　第一定律：能量守恒定律。一個(gè)系統(tǒng)所受到的熱量等于它對(duì)外做功和它內(nèi)能增加的總和。

　　第二定律：熵增加定律。一個(gè)孤立系統(tǒng)（不與外界交換物質(zhì)和能量的系統(tǒng)）的熵（無(wú)序度）總是不減少，或者說(shuō)一個(gè)自然過(guò)程總是向著熵增加的方向進(jìn)行。

　　熱力學(xué)定律是熱學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的基礎(chǔ)，它能夠解釋從日常生活到工業(yè)生產(chǎn)中涉及到的各種熱現(xiàn)象。例如：

　　當(dāng)我們用溫度計(jì)測(cè)量物體的溫度時(shí)，我們實(shí)際上是在利用第零定律。溫度計(jì)與被測(cè)物體接觸后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，它們之間會(huì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，此時(shí)溫度計(jì)上顯示的溫度就是被測(cè)物體的溫度。

　　當(dāng)我們用電飯鍋煮飯時(shí)，我們實(shí)際上是在利用第一定律。電飯鍋通過(guò)電阻發(fā)熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，這些熱能有一部分傳遞給水和米飯，使它們升溫和變化；有一部分傳遞給周?chē)諝?，使空氣升溫；有一部分用于推?dòng)水蒸氣從鍋內(nèi)逸出，做功。這些過(guò)程中，電飯鍋所消耗的電能等于它對(duì)外做功和它內(nèi)能增加的總和。

　　當(dāng)我們把一杯冰水放在桌子上時(shí)，我們實(shí)際上是在利用第二定律。冰水與周?chē)諝庵g存在溫差，因此會(huì)發(fā)生熱量交換，直到達(dá)到熱平衡狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程中，冰水吸收了周?chē)諝獾臒崃浚贡诨?、水升溫；周?chē)諝夥懦隽藷崃?，使空氣降溫。這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)的熵增加了，因?yàn)楸涂諝獾臒o(wú)序度都增加了。

　　熱力學(xué)定律不僅幫助我們正確認(rèn)識(shí)了熱量、功和能量之間的轉(zhuǎn)化和守恒，而且也揭示了自然界中存在著一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，即熵增加。熵增加定律是一個(gè)普適的定律，它不僅適用于物理系統(tǒng)，也適用于化學(xué)系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等。熵增加定律也給我們提供了一個(gè)判斷自然過(guò)程是否可能發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)，即只有使系統(tǒng)熵增加的過(guò)程才是可能發(fā)生的。