课程教育中对牛顿力学的认识_范文(1).doc

课程教育中对牛顿力学的认识柳建松（学号 00000000000）E-mail: 摘要众所周知，牛顿是近代科学革命的完成者和经典力学与天体力学的主要奠基人，是微积分的最早的和主要的发明者和理论物理的开创者。他发现太阳光谱、提出光的微粒说和光与色的理论，使他对光学的奠基和发展做出了重要贡献。在从炼金术向化学的演化过程中，牛顿通过大量的化学试验和用粒子与力的观点做出的系统解释，对元素和物质的转变和化合与分解机理的探讨，做出了应该给与足够评价的独特贡献。他对原子论的发展和科学化，对唯物的科学思想体系的确立，在科学思想史上产生了极深远的影响。在科学方法上，他强调一切从试验和数学推理相结合作为治学之道，巧妙地将归纳法和演绎法结合。由于时代条件和科学发展阶段的局限性，在摆脱神创论和无根据的假设同时，在方法论上不可避免地带有形上而学的性质，可是却又在不少问题上表现出辨证的思想。同时，牛顿是一位卓越的科研组织者和领导者，他是英国皇家学会历史上任期最长和管理得最好的皇家学会主席之一。牛顿的这些伟大成就使他在18世纪的学术界赢得了极大的荣誉和威望，逐渐被形象化和神秘化了。一、时代背景及其对牛顿的影响牛顿的科学发现和科学生涯都扎根于17世纪和18世纪早期英国和欧洲的社会大动荡和剧烈变革的社会背景、思潮和科学大发展之中。1.1 社会环境（1）、资本主义性质的手工工场的发展，他把劳动者集中在一起，分工写作地生产。这种生产组织的出现为改进生产技术，使用机器和广泛的利用风力、水利创造了条件，市场的竞争和生产的发展更迫切要求解决与之有关的科学和技术问题。（2）、商品经济的发展要求更加广阔的市场，开辟欧洲通往东方的新航线成为欧洲人的迫切愿望，由此而兴起了远洋航海的技术尤其是造船技术、机械制造等，航海中积累了经验以及人们观天、测地、使用风帆和监制火炮中遇到的问题。此推动了天文学、机械原理、计时器、潮汐规律、水利力学的发展。（3）、不得不提的是，随着人们眼界的扩展，他们的思想同时也在悄悄的发生这变化。摆脱封建制度以及意识形态的束缚，提倡个性解放，尊重人格、爱人和人性之上思想。这是对封建势力和基督教会思想的公开反叛，为自然科学的解放扫除了精神障碍。1.2 先驱者们的业绩 近代自然科学并不是在风调雨顺的环境中诞生的。中世纪后期的基督教会把某些古代学说作为论证教义的依据，使科学披上了神学的外衣，如果出现与之不同的见解，就不可避免的收到遏制、打击和摧残。先驱们为了揭去这件外衣付出了生命的代价，才为自然科学争得独立的权利。（1）、哥白尼的日心说 他1543年发表了天体运行论一书，全面阐述了他的日心说。其要点是：太阳是宇宙的中心，所有行星在以太阳为公共圆心的圆形轨道上绕日旋转；地球是一颗普通的行星，它有自转并与其它行星一样绕太阳公转；根据这两个基本观点，哥白尼指出，太阳的东升西落不是太阳绕地球旋转而是地球自转的表现；天上的恒星位置每年所发生的周期性变化也不是恒星运动所致，而是地球绕太阳公转的结果。以现代人的观点来看，哥白尼的学说并非完美无缺，但是它从根本上纠正了自古流传并为基督教会所支持的地心说和地静说的错误。当哥白尼的学说为世人所接受后，它就不可避免的动摇了教会的权威。1616年，教会宣布哥白尼的学说为“异端”并禁止传播。（2）、伽利略的贡献 意大利学者伽利略是哥白尼学说的积极支持者和不懈的宣传者，他的许多工作都是由此而开展的。 1609年，伽利略用自制的望远镜观察天空，发现了一系列所未知的现象，如月球表面凹凸不平，犹如地球表面的山岳和湖海；太阳表面有黑子；木星至少有四颗卫星等等。这些发现证明了天界也并非那样的圣洁无暇，宇宙中也并非只有一个中心。另外伽利略通过试验发现了自由落体定律，这是我们大家都所知并且很熟练的。它是指：物体从静止开始的自由下落是一种匀加速运动，物体下落的速度与其经历的时间成正比，下落的距离与时间的平方成正比。根据这个定律，在忽略空气阻力的情况下，从同一高度自由下落的轻重不同的物体应该同时达到地面，因为物体下落的速度与他们的质量无关，伽利略还从逻辑上论证了重物先达到地面的不合理性。伽利略在研究落体运动的基础上，进一步的试验使伽利略想到：沿斜面滚落的小球，如果再沿一无限光滑的平面继续滚动的话，这是既没有使小球加速的因素，也没有使小球减速的因素，它必将在这个平面上保持原有的速度匀速前进，永不停止，这就是惯性运动。伽利略不迷信书本，蔑视权威，他既猛烈抨击亚里士多德的学说，又使哥白尼的学说的真实性得到了理论上的证据，这就不能不震撼教会的神经。在教会宣布禁止传播哥白尼学说之后，伽利略仍然我行我素，因此受到了严厉的惩罚。1633年伽利略被宗教法庭判处终身监禁。从中我们可以看到，伽利略的自由落体和小球在平面上的运动为牛顿的第一定律和第二定律奠定了夯实的基础。（3）、开普勒的贡献 开普勒是德国的天文学家，他是在布拉赫的引导下走上科学发现的道路的。他是布拉赫的助手，在此之际开普勒改变了他的工作目标，他抛弃了用几何图形构造宇宙体系的尝试，脚踏实地地整理布拉赫留给他的大量观察资料。但是开普勒有一颗机敏的数学头脑，从资料中他相信自然界是和谐的，天体的运动有一定的规律性的。他把着眼点首先放到寻找行星运动规律上。借用地面上的三角测量法，他从观测资料中排除了地球运动在行星运动中的效应，找出了火星运动的真实轨道。在研究这一轨道的几何性质时，他发现，布拉赫对火星运动的观测值与哥白尼学说推算出来的数值相差8分。这是一个极小的偏差，开普勒对布拉赫的观测深信不疑。他认为问题出在假设行星作圆周运动上，于是他修正行星轨道方面进行探索，他试着用椭圆轨道代替圆形轨道，由此推算出的火星位置与布拉赫的观测数据几乎密合。从此发现了椭圆形的轨道是太阳系行星运动的真实轨迹，太阳不是处在圆形轨道的中心而是位于这些椭圆轨道的一个焦点上。这就是三大规律之一。进一步计算表明，行星绕太阳旋转的线速度不是均匀的，行星的运动服从面积定律，即单位时间内行星的半径扫过的面积相等。这是行星运动的第二定律。十年之后，开普勒有发现，存在着一个把太阳系的全部行星的运动连成一个整体的规律：任何两行星公转周期的平方与两行星轨道长半径的立方成正比。即第三定律。开普勒的这三个定律对牛顿的万有引力产生了重要影响，牛顿的万有引力就是通过这三大定律而证明的。二、牛顿的主要生平简介牛顿与现在的立法的1643年1月4日生于英国英格兰的Lincolnshire（林肯郡），在Grantham（格兰山姆）南面约13公里的Colsterworth（科尔斯特沃斯）教区的一个小村庄。牛顿的父亲在牛顿出身前的1642年，在当时的内战中为保卫国王而战死。牛顿的童年生活就显得单调而复杂。牛顿的学校离家较远，母亲就安排他寄居在朋友家里。牛顿后来给别人说，在他12岁那年，当时他不大注意学习，成绩很差，有一天他被一个高年级的学生狠狠地踢了胃部一脚，十分痛苦。从此，他发奋学习，直到他的成绩超过了这个学生，并进而继续上升为最好的学生。这对他的影响很大，养成一种努力奋斗的倔强性格。他在设计和制造各种器具和机械方面显示出才能，这些开阔了他的视野，培养了他的创造性和埋头苦干的素养。在这期间，他亲自还制成过磨、水钟和可以做一个人的马车。他做的风车放在房顶上转动，得到了普遍的赞扬。他的水钟是钟盘由水滴控制木块升降的原理和做法，放在寝室中使用。后来这个水钟就归克拉克使用了。还有他制作风筝，他仔细考虑系绳的位置和点数，所以风筝的飞翔性能自然好，这都得到了老师同学的欣佩。从这些事例可以看出，牛顿的少年时代就具有发奋图强和敢于创造的精神，与善于构思和动手实验与操作的素养，为他后来重视试验和鄙视无根据的假设与空想打下了基础。1661年中学毕业时，牛顿被保送到当时剑桥大学（Cambridge University）最出名的三一学院（Trinity College）。对牛顿所在的中学和家乡来说，这是一个极高的荣誉。牛顿在大学期间由于没有交学费，是一个需要为同学服务来读书的学生（Subsizar）。他的导师是Benjamin Pulleyn，他开始是要把牛顿引入传统的道路，但每当牛顿着的一条新路时，他不加以限制，这使得牛顿能放心阅读和另辟蹊径。据说，牛顿当时所知道的要比他的导师还要多。1663年，巴罗任卢卡锡数学讲座教授。1664年，牛顿三一学院毕业，获得学士学位。虽然成绩不是特别的出色，没有得到任何的荣誉，但有非常欣赏他的教授。由于导师Benjamin Pulleyn想巴罗介绍牛顿的出色的表现，巴罗发现他的欧式几何知识不多却对笛卡尔的几何相当的了解，他虽然对有些看法却决定授予牛顿公费生。他从此结束了减费生（Subsizar）的生活，得到的收入多了一些，跟重要的是他可以有保证地读到1668年，取得更高的学位。在此期间，牛顿广泛阅读了数学、光学、力学、天文学和多种著名哲学著作，思路大开，思想活跃，并开始后用试验和数学计算验证前人的看法和结果。1664年后期，牛顿利用三棱镜发现了光的色散，发现白色是各种颜色的混合物，并且创造性的提出各种颜色是由不同的折射率的光形成的。同时也发明了根据极限概念做曲线的切线和求曲线上任意拐点曲率的方法及提出化任意次方二项式为近似技术的规则等。可见，1664年是牛顿开始他的科学生涯、进行知识准备和在数学上开始发明与发现的一年，这一年对于他后来的发展起了决定性的作用。1665年，欧洲瘟疫，学校暂时关闭，牛顿回家乡。期间的建树有微分学、无限级数。在此期间还考虑了引力导致月球绕地球旋转及行星绕日运行的问题。1667年，回到剑桥，任三一学院教授。1671年，牛顿的望远镜复制品送到皇家学会，被选为皇家会员。1678年，与胡克争论，与学术界隔绝六年。1687年，自然科学之数学原理发表，引起了巨大轰动，威名大振开始从事社会活动。1689年，代表剑桥大学，被选为国会议员。1703年，当选皇家学会会长，从此连续任该职25年。1704年，光学出版。1707年，数学通论出版。1727年3月20日卒于伦敦，葬于Westminster大教堂。三、牛顿的主要科学贡献牛顿的科学贡献主要体现在三个方面：力学的三大运动定律和万有引力、创建微积分还有开拓光学。（1） 力学三大定律和万有引力 牛顿的三大运动定律和万有引力定律把天上的星体运动与地面上的运动完全统一起来，实现了天地间的统一，这是牛顿在自然哲学上的伟大贡献。牛顿排斥了机械的以太观点，由万有引力而提出了超距作用的概念，尽管他本人不认为这是最终的解释，但此后质量间或电荷间的相互作用的超距性的概念一直站支配地位。直到麦克斯韦的电磁场论中的近距作用的出现。牛顿力学为自然科学的繁荣立下了功勋，即是到了今天，在牛顿的时间、空间和质量的概念，甚至牛顿的引力原理已被爱因斯坦的体系取代的情况下，牛顿科学仍然在许许多多的科学和日常生活经验领域占据着至高无上的地位，这些领域包括我们常用的机械（原子能装置除外）的领域。牛顿革命不仅仅是科学革命的顶峰，而且是人类思想史中具有深远意义的革命之一。牛顿力学体系的建立，力学的基本概念被广泛应用与物理学的各个分支，对这些分支的发展起到了巨大的作用。在声学中，声音被看作在弹性介质空气中传播的机械振动；热学中也用力学模型解释热的本质，在“热质”观念的基础上，完成了量热学和传热学的一系列成就。在热质说被否定后，建立其的分子运动论中，热现象仍旧被归结为分子杂乱的机械运动的宏观的统计表现，这就是在实质上把热学纳入力学的基本观念之中。静电现象和磁现象的研究一开始就借助了力学的观念。“电流质”和“磁流质”就是力学概念中质体的扩展，使点穴陈给严密科学的重要标志。库伦定律的确立，在很大程度上是借助以万有引力定律的类比而实现的，麦克斯韦电磁理论的建立，也曾类比于理想流体的力学理论和借助于力学性质的以太模型，可以说知道十九世纪前，物理学的各个分支无一不是牛顿力学理论的影响下完成的。（2）创建微积分的影响 虽然牛顿在求解微分方程是虽然级数法没有明确提出其他方法，以没有形成系统理论，但其思想方法对创立和发展微分方程学科具有重要的理论意义和历史意义。牛顿在使用级数求解微分方程方面迈出了第一步也是最关键的一步，这一思想方法为常微分方程理论的深入研究拉开了帷幕。17到18世纪，无穷级数成为研究微积分方程不可缺少的工具。现代求解微分方程的幂级数解法正是沿用了牛顿的方法。18世纪，求解微分方程出现一系列新的问题，在求不出通积分的情况下，又转向谋求级数形式的解。欧拉、伯努利等都把级数方法提到了重要的位置，并将其应用扩展到积分复杂的代数和超越函数中，为特殊函数领域的发展提供了理论基础。对三体问题或更一般体，在牛顿以后的200年里，几乎所有著名的数学家都尝试过，三体问题由此成为18世纪研究最多的问题之一，但是进展微乎其微。正是在失败中微分方程理论被不断地发展成为一门更成熟的数学分支。（3）开拓光学 牛顿的光学工作是17和18世纪光学发展史的重要组成部分，他的科学巨著,光学记述了他在光学方面的创造性活动和卓越贡献，是18世纪最重要的光学著作之一。（1）研究的总结，针对学者长期思考的颜色问题，牛顿提出了“白光是由各种折射不同的色光组成的复合光”的新观点，他对颜色理论的这种改造不是一般意义上的修正，而是光学理论研究中的一种创新成果；针对前人已经观察到的薄瞙颜色问题在对试验进行改进的基础上，提出了猝发理论的新解释；针对长期困扰学者的折射望远镜成像不清晰问题，他在自己总结的颜色理论的基础上，经过试验的验证，首次提出了色差才是折射望远镜成像不清晰的真正原因，并因此开拓了研制反射望远镜的新思路；针对长期争论不休的光本性问题，牛顿提出了微粒学说的观点，并对反射、衍射等光学现象从新进行了解释 。可见，牛顿对光学的研究是现代光学奠定里夯实的基础，尤其是对光的组成和光的本性的研究认识。（2）牛顿光学对英国和欧洲的影响中，可以发现，牛顿光学岁18世纪的很多学科都产生了直接影响，如果说18世纪与19世纪相联系，19世纪有与20世纪密切相关，20世纪导致21世纪，那么就可以说它对现在的各个学科也产生了间接影响。如牛顿的色散试验和颜色理论，为光谱学奠定了基础，而对光谱学的进一步研究，又导致了太阳光谱中的暗线发现、光栅的发明和公平分析规律的确定，进一步为玻尔和其他研究工作者认识组成宇宙的物质结构创造了条件，而普朗克的量子理论的很大程度上也是在此基础上提出的从这个意义上可以说，牛顿光学工作对现代物理学、化学与天文学产生了间接的影响。四、对牛顿的评价我不知道世人怎样看我，但在我自己看来，我只是一个在海滩上玩耍的男孩，一会儿找到一颗特别光滑的卵石，一会儿发现一只异常美丽的贝壳，就这样使自己娱乐消遣；而与此同时，真理的汪洋大海在我眼前未被认识，未被发现。 -牛顿在他以前和以后，都还没有人能像他那样地决定着西方的思想、研究和实践的方向-爱因斯坦他借助万有引力而创立了科学的天文学，借助对光的分解而创立了科学的光学，借助二项式定理和无穷级数而创立了科学数学，借助与力的本性的认识而创立科学的力学-恩格斯在从世界开始到牛顿生活的时代的全部数学中，牛顿的工作超过了一半-莱布尼茨在科学史上的每一时刻，我们都发现有少数人物，他们被他们的同时代人认为，是对有关科学实践的任务以及科学在文化中的地位的一些老问题做出新的回答的人，而牛顿就是这样的人-霍尔顿如果牛顿在1679年12月以前去世。那么他也将因为他在光学和数学上的研究而在今天的科学上保持一个很高的地位 -赫日威尔（J.Herivel）自然哲学原理乃奠基留下深远影响，经典力学牛顿是开路人立下了不朽功勋 -卢嘉锡五、牛顿力学的认识及感想我们开始接触牛顿恐怕就是从牛顿的苹果落地开始吧，这也许就是从小学中的自然开始的。从那个时候我们可能就知道讲牛顿的故事就是为了让我们学会思考问题，让我们注意身边的一些现象，让我们思考为什么会出现这样的现象，我想这是在教育中不可缺少的东西，因为教育的目的就是激发我们的求知的本能，使我们对学习产生兴趣，从而学到有用的东西。这就是教育的初衷吧。中学之后，我们开始接触到牛顿的两个定律，第一定律和第三定律，尤其是第一个定律。它描述的就是最简单的物体运动-匀速运动。这些就是我们日常中运动的最基本的运动形式，从这里开始运动的坐标系和参照物的概念我们就开始知道了。还有作用力和反作用力。恐怕大家在学这一刻的时候都在想既然有作用力和反作用力，那么就是我打他和他打我不是一回事吗，那就是谁也不沾光吗。为什么总觉的被打的疼啊？我想对现在来说这个问题是很简单的。可以知道，作用力和反作用的力大小确实一样的。只不过打的作用点是不一样的，所以不同的作用位置它的神经感觉是不一样的，所以会感觉到痛的。我们现在也可以想想，接触这些力的原理，就是为了解释我们那个年龄段的对一些现象不懂的地方，让我们知道现象背后的原理。同时也要学会用所学的东西处理一些简单的问题。高中之后。随着年龄的长大，我们知识的丰富，我们就需要解决一些较为复杂的问题。这个时候我们接触了牛顿的第二个定律，关于物体加速度的知识。这其实也是生活中稍微复杂的一些问题，还有力的分解，让我们学会力的不同作用。还有圆周运动的知识。在这一部分呢，也解释了一个有趣的现象-过山车，为什么它不会从上边掉下来啊？再讲完圆周运动以后我们都知道了原因，就是如果速度足够大的话，其产生的向心力的反作用力大于了山车的重力，就自然不会掉下来的。其实这也是我们不得不学的东西，因为我们还得毕业还得考学。我想这也是教育的一种目的。因为人都有懒惰的一面，所以才使通过考试来促进学生学习，虽然考试不是一种完美的办法，但至少起到了督促学习的目的。大学之后呢，几乎理工科的专业都开设了大学物理这门课，这门课所教授的基本概念和基本理论方法是构成大学生科学素养的重要组成部分，可能是科学工作者和工程技术人员所必备的吧。我想他开设这门课的目的是为了树立我们的世界观和分析能力，毕竟物理的逻辑是很强的，有一句话说“学好数学不一定物理好。但学好物理数学一定好”。虽然有它的片面性，但还是有道理的。另外，我自己认为，如果大学物理是为了树立我们的世界观的话，我觉的开设物理学史更合适。物理学史她系统的讲述了整个物理各个方面的发展过程，讲述了物理伟人的思想进程和他们处理问题的办法。这些可以提高我们的思考逻辑以及学习伟人他们的想问题的方法。正如牛顿的光的本性研究，牛顿认为光的本性是粒子，他用粒子学说很好的解释了光的直射和反射等，但对光的干涉和衍射就无能为力了，这就是问题啊。那么光的本性到底是什么啊？这些同样也能引起我们的思考