第四讲物理的初创.ppt

第四章物理的初创 主要内容 介绍物理学中带有根本重要性的三条公理 自由落体定律 惯性定律 相对性原理牛顿建立经典物理学的大厦 绝对时空观 力学三定律万有引力定律的建立简介玻特定则牛顿的成长 成就与缺点 简述伽利略对力学的几个重要贡献 惯性定律 自由落体定律和相对性原理牛顿对时间 空间有什么看法 开普勒三定律与牛顿万有引力定律有什么关系 有哪些实验证实了万有引力定律 经典力学最基本的内容有哪些 思考题 许多人都知道一个传说 伽利略在著名的比萨斜塔上做过自由落体实验 他让不同重量的球 从塔上同时自由下落 发现它们同时落地 于是得到重力加速度与下落物体的质量无关的结论 这一结论被称为自由落体定律 1自由落体定律 然而 经过仔细考查 没有任何可靠的证据表明伽利略在比萨斜塔上做过自由落体实验 比较可靠的是 伽利略的反对者曾在比萨斜塔上做过这一实验 两个物体没有同时落地 结果引发了围观者中伽利略支持者与反对者的一场争吵 自由落体实验 在伽利略生活的那个时代 占统治地位的是古希腊亚里士多德的学说 按照这个学说 重物会比轻物下落得快 大小相同重量不同的小球 如果同时开始下落 重球应比轻球先落地 他们设想把一块重物和一块轻物用带子捆在一起 让它们自由下落 捆在一起时的下落速度 应该比单独下落的轻物快 而比单独下落的重物慢 于是 同样依据亚里士多德的观点 得到了两个相互矛盾的结论 自由落体 伽利略有一个直观的猜测 真空中的自由落体运动应该最简单 他用极限的观点来推想这一运动 伽利略说 鉴于这点 我认为 如果完全排除空气阻力 所有的物体将下落得同样快 自由落体 伽利略虽然没有做自由落体实验 但他仔细做了斜面实验 他正确地认识到 斜面上小球的下滚运动 即是 冲淡了 或 减缓了 的自由落体运动 伽利略是通过思想实验得到落体定律的 斜面实验 伽利略的另一个重大贡献是确认了惯性定律 他认为不受外力的物体将保持惯性运动的状态不变 2惯性定律 伽利略认为 不受外力的物体将永远保持惯性运动的状态不变 他再次运用自己研究斜面运动的成果 他想 假如把斜面完全放平 小球就会永远沿直线匀速运动下去 于是 伽利略得到了惯性定律 正确地指出维持运动不需要力 只有改变物体运动状态时才需要力 斜面 伽利略又认为匀速圆周运动也属于惯性运动 这是因为他觉得行星绕日运动没有受到力 却能永远转动下去 应该是一个惯性运动 太阳系 后来爱因斯坦的广义相对论进一步修正了开普勒的行星运动定律 指出行星绕日的轨道在三维空间看来不是一个封闭的椭圆 与封闭的椭圆略有差异 而在四维时空看来 此轨道是测地线 伽利略第三个重大贡献是提出 相对性原理 3相对性原理 关于运动的相对性 自古以来各国人民都有粗浅的认识 我国宋朝的陈与义曾在诗中写道 飞花两岸照船红 百里榆堤半日风 卧看满天云不动 不知云与我俱东 伽利略再一次运用理想实验来阐述思想 设想把你关在大船的房间里 招来小动物 再拿一只盛水的桶 里面放一些鱼 船在静止不动时 我们看到小动物如何以同样的速度飞向房间各处 看到鱼毫无差别地向各个方向游动 但是没有人怀疑 如果船上情况不变 当船以任意速度运动时这一切应当照样发生 只要这运动是均匀的 不在任何方向发生摇摆 你不能辨别得出上述这一切结果有丝毫变化 也不能靠其中任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动 我想起我在船舱里经常不知道船究竟是动还是静止不动 有时我猜想船是朝某个方向行驶 其实它朝另一个方向走 所以我确信前面提出的所有证明相反说法的实验都无价值 相对性原理 的意思是说 所有的惯性系都是平等的 不能用任何实验来区分一个系统是静止还是在作匀速直线运动 英国的资产阶级革命爆发于1640年 清军入关发生在1644年 就在这两个年份之间 伽利略于1642年1月8日逝世 那一年的圣诞节 牛顿诞生在英国一个农民的家庭中 4上帝说 让牛顿去吧 牛顿 牛顿的童年是不幸的 他是一个遗腹子 牛顿在学习上奋发起来 决心与别的同学一比高低 经过艰苦努力 毕业时竟在全班名列前茅 牛顿 当时正处于英国资产阶级革命爆发 社会剧烈动荡的年代 革命后的英国 使平民在一定程度上获得了受教育的权利 由此经过多方努力 牛顿在18岁时终于以减费生的身份进入剑桥大学三一学院学习 牛顿 1665年 23岁的牛顿取得学士学位 就在这一年的夏天 英国爆发了大规模瘟疫 学校不得不停课 牛顿避居乡下 这一年半 1665 1666年 是牛顿一生中创造力最旺盛的时期 他一生的主要成果 几乎都是在这段时间里做出的 根据牛顿本人的说法 力学三定律 万有引力定律 微积分和色彩理论等等 都是在这段时期构思而成的 牛顿 当时担任皇家学会实验总监的胡克 实验水平很高 但理论水平差一些 胡克对许多领域都有兴趣 并有预见 可是钻研不够深入 牛顿用微粒说写成的光学论文 遭到胡克的批评 胡克 自然哲学之数学原理 一书被看作经典物理学的 圣经 内容包括 绝对时空观 惯性系 相对性原理 力学三定律 万有引力定律和迭加原理 平行四边形法则 牛顿的主要研究成果集中在 自然哲学之数学原理 一书中 这本书可以看作经典物理学的 圣经 牛顿在此书中建立了一个完备自洽的物理学体系 5经典物理学的 圣经 总之 牛顿认为绝对空间和绝对时间是客观存在的 与运动和物质无关的东西 物体就在这空虚的绝对空间之内 就在这均匀流逝的绝对时间之中 永恒地运动着 牛顿认为 所有的匀速直线运动都是相对的 我们不可能通过速度来感知绝对空间的存在 但是 牛顿断言 转动是绝对的 或者说加速运动是绝对的 牛顿设计了著名的水桶实验 首先 牛顿认为力不是维持物体运动的原因 而是改变物体运动状态的原因 他给出第一定律 不受外力的物体将在惯性系中保持静止或匀速直线运动的状态不变 接着 他又给出第二定律 说明力 质量和运动之间的定量关系 物体的加速度与它所受的外力成正比 与它的质量成反比 牛顿第三定律则指出 两个物体间的作用力和反作用力大小相等 方向相反 作用在一条直线上 有一个故事说 牛顿23岁左右在乡下躲避瘟疫时 1665 1666年 偶然看到苹果落地 促使他思考重力问题 并很快发现了万有引力定律 6牛顿与苹果落地的故事 首先传播这个故事的人 是法国著名文学家 启蒙思想家伏尔泰 这个故事最早出现在伏尔泰1738年出版的名著 牛顿的哲学 一书中 伏尔泰 比较可信的是 万有引力定律的发现 经历了一段时间 牛顿做出重大发现是 靠不停地思考 在长时间的思考中 牛顿逐渐认识到 地球吸引地表物体的重力 与地球吸引月球的力 以及太阳吸引行星的力 是同一种力 这种力是任何物体 任何物质都有的 因而是万有的 此外 还有另一个 苹果落地 的故事 牛顿已经当了教授 牛顿一个人在散步 突然一个苹果从他身旁的一株树上落下 一种科学之外的兴趣促使牛顿咬了一口苹果 一股又苦又酸的感觉使他的大脑清醒起来 他忽然想到应该促使学术部门专门立一个项 拨一笔款 来研究这种导致苹果落地的重力 在不久之后召开的一次讨论科研项目与经费的会议上 牛顿讲了那天晚上那个苦涩的苹果引发的感受 他建议专门立一个项目来研究重力问题 一位先生立刻表示 他也有同感 英国的苹果确实不好吃 他赞同立一个项目来研究苹果品种的改良 在1687年出版的 自然哲学之数学原理 中 45岁的牛顿终于明确地提出了万有引力定律 万有引力定律和力学三定律一起 构成了此书的主要内容 7万有引力定律 1682年 一颗明亮的彗星出现在天空 哈雷应用牛顿的万有引力定律和力学三定律 算出了这颗彗星的轨道和周期 周期约为75年 这颗彗星被命名为哈雷彗星 现在人们认识到这是一种自然现象 彗星由冰晶 尘埃与冰冻的气体组成 靠近太阳时 冷冻的水汽和其它气体蒸发 在太阳风和光压下伸展开来 形成背向太阳的巨大彗尾 大约150年后 人们发现天王星的实际轨道与万有引力理论算出的不符 两位年轻人 英国的亚当斯和法国的勒维叶 各自独立地进行了复杂的计算 都得到了未知行星的轨道 就这样发现了海王星 勒维叶 在 自然哲学之数学原理 发表之后一百多年 卡文迪什用自己设计的扭秤 精确测定了G值 认为G是一个常数 对任何物质 在任何距离下都相同 在卡文迪什之后 许多人做了更精密的实验 确认了他的结论 引力常量 伏尔泰是18世纪法国著名的文学家和启蒙思想家 他个子矮小 其貌不扬 生活轻浮 语言尖刻 充满了叛逆精神 而且才华横溢 他的作品轰动全国 剧本在巴黎长演不衰 他用辛辣的笔锋揭露社会的黑暗 讽刺教会和王公贵族 8伏尔泰与思想启蒙 伏尔泰 伏尔泰和夏特莱夫人在西雷庄园生活了15年 那里不但成为伏他们研究与写作的天堂 而且逐渐形成了一个小的文化中心 文人 学者 达官贵人纷纷到这里聚会和拜访 来聆听伏尔泰先生的各种奇谈怪论 夏特莱夫人 伏尔泰的作品与言论对法国人民的启蒙发挥了巨大作用 为法国大革命作了思想和文化准备 当然 对于学习和研究物理的人来讲 还有特别值得注意的东西 那就是伏尔泰对牛顿哲学与物理思想的传播起过重大作用 伏尔泰 1766年中学教师提丢斯发现 太阳系各行星到太阳的平均距离满足一个经验公式 1772年柏林天文台台长波德写出另一个与提丢斯理论等价的公式 R 0 3 2 n 2 0 4 天文单位 9这片空间会荒废吗 使用这个公式时唯一的例外是 对于水星来说 应把0 3 2 n 2 一项用零代替 右表给出当时已知各行星R的理论值 波德公式算出 和观测值 但n 5处有一个空位 当时没有观测到任何行星 波德认为 这里应该有一颗行星 它的R值应该在2 8左右 波德写道 火星的外面是一片空间 迄今为止还没有看见那里面有什么行星 我们能够相信造物主会荒废这片空间吗 在n 5的位置上为什么会有这么多小行星呢 它们果真是大行星的碎片吗 这个问题 还没有最后的答案 应该说 青年时代的牛顿是一个谦虚 谨慎的人 他的主要学术成果 都是在这个时期完成的 10走下神坛的牛顿 长期的学术争论和受到的人身攻击极大地刺激了牛顿 学术上的成功也使他渐渐变得傲慢起来 他沽名钓誉而且有时不择手