绪论1-力学发展分析.ppt

物理学发展简介 1 中国的物理学2 物理学进展 力学 3 力学物理学的建立 在中国 自夏 商 西周起 随着手工技术的发展 物理知识开始积累 春秋战国时期科学技术蓬勃发展 中国古代物理学开始形成 秦汉时期 形成一个发展高峰 宋元时期达到鼎盛 至此 在西方近代科学诞生之前 中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位 明末至清初以后 科学和科学技术的发展逐渐落后于西方 这一时期 西方物理知识开始向中国输入 一 中国的物理学 周易 以阴阳的范畴为基础 说明天地变化及各种现象 易有太极 是生两仪 两仪生四象 四象生八卦 易经 系辞上 意思是 宇宙的的本原是 太极 物质的原始状态 太极生出天地 阴阳 天地生出四时 春 夏 秋 冬 再生出 八卦 天 地 山 泽 水 火 风 雷 空白称为无极 画上一个圆圈 称为无极生太极 宇宙 中间一条曲线分成黑白两个部分 称为太极生两仪 中间的曲线表示了阴阳的相互运动和相互转化 黑白两个半球中各有一个与之颜色相反的小圆圈 称为阴阳子 表示阴中有阳 阳中有阴 1 基本思想 五行思想五行 金 木 水 火 土五种基本物质或元素 水曰炎上 木曰曲直 金曰从革 土爰稼穑 尚书 洪范 构成 世界万物皆由上述五种元素构成 以土与金 木 火 水杂 以成百物 国语 郑语 相互关系 相生与相克 土生金 金生水 水生木 木生火 火生金 土克水 水克火 火克金 金克木 木克土 发展 五行说的起源早于 太极 和 道 在殷末已普遍流传 春秋战国时期 五行说与阴阳说相结合 形成了阴阳五行说 形成了五行相生相克的关系 星晷 月晷 圭表 日晷 2 物理计量 时间计量 漏壶 漏壶有两种形式 泻水型和受水型 我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶 只有一把挈壶 出水口在壶底侧 由于挈壶里水位不同时出水速度不同 后来又发展出受水型 并逐渐由最初的两壶发展成多壶 右图为根据唐朝吕才 历象汇编历法典 99卷刻漏图制作的四级漏壶 浮漏 宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏 每昼夜误差小于20秒 宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法 精度提高到14 4秒 宋代赵友钦则将精度提高6秒 度量衡 度 长度量 容量衡 重量 汉书 律历志 详细记载 长度单位 引 丈 尺 寸 分 十进制 容量单位 斛 斗 升 合 龠 十进制 重量单位 石 钧 斤 两 铢 非十进制 公元前221年 秦始皇统一中国后 在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统一 制发了一大批度量衡标准器 意义重大 3 时间 空间和运动 时间与空间上下四方曰宇 往古今来曰宙 运动的相对性 吕氏春秋 刻舟求剑 故事 比伽利略 1564 1642 相对性原理早一千多年 隋书 天文志 乘船以涉水 水去船不徙也 仰游云以观 日月常动而云不移 4 对力的认识 1 力的概念 墨径 力 刑之所以奋也 这里刑即形 指物 奋即飞 动的意思 3 杠杆原理 墨径 中对不等臂天平的论述 衡 加重于其一旁 必捶 权 重相若也 相衡 则本短标长 两加焉 重相若 则标必下 标得权也 2 外力与内力王充 论衡 古之多力者 身能负荷千钧 手能决角伸钩 使之自举不能离地 4 浮力 曹冲称象等 5 弹力 弓箭的制作等 6 大气压力西汉时期已利用虹吸管 渴乌 东汉时已广泛用于灌溉 唐朝已有隔山取水的大型引水工程 唐代王冰 素问 虚管灌满 捻上悬之 水固不泻 空瓶小口 顿灌不入 为气不出而不能入也 7 惯性 春秋战国时期的 考工记 中描述 马力既竭 轴犹能一取焉 被中香炉 8 力学知识应用 水排鼓风机 取自 王祯农书 5 对热现象的认识 1 温度 火候 在烧制陶器和冶炼金属的过程中 通过对 火候 的观察 来定性的判断温度的高低 热胀冷缩 增大热应力 在公元前250年都江堰水利工程中的应用记载 大滩江中 其崖崭峻不可凿 乃积薪烧之 这种增大热应力开凿巨石的记载很多 2 热能利用高温技术 殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成效 殷代文物司母戊鼎 商代的四羊尊 战国的铜尊盘 秦始皇陵的大型铜马车等 春秋末期制造的白口铁和中碳钢剑 表明当时的冶炼已达到1300 的高温 松脂灯 孔明灯 利用冷热空气对流带动纸轮旋转 热气球 14世纪初 元朝仁宗登基时在元大都 北京 升起世界上第一个热气球 火药 四大发明之一 火器 烟花等 火箭 万虎 明代官员 是 第一个企图利用火箭飞行的人 他用47只最大的火箭绑在椅子背后 手拿两个大风筝 想借助火箭的推力和风筝上升的力量飞向空中 为了纪念他 1970年国际天文学会把月球背面的一个环行山命名为 万虎环行山 镜术 利用平面镜成像制成 万花筒 样的 魔镜 日月镜 四规镜等 凹凸面镜 殷武丁时期就出现了凹 凸面铜镜 6 对光现象的认识 光的折射 鲫鱼杯 宋代 春渚 zh 纪闻 有一鲫 长寸许 游泳可爱 水倒出 鱼不复见 复酌水酒中 须臾一鱼泛然而起 蝴蝶杯 兰花杯 等 磁性 吕氏春秋 慈石召铁 或引子也 鬼谷子 慈石取针 磁石吸引物质只限于铁 淮南子 若以慈石之能连铁也 而求其引瓦 则难矣 及其于铜则不通 摩擦起电 西晋张华 博物志 记载 今人梳头 脱着衣时 有随梳 解结有光者 也有吒声 唐代 酉阳杂俎 猫 黑者 暗中逆循其毛 即著火星 7 对电 磁现象的认识 电与磁的应用地磁场磁化法 1044年出版的宋代曾公亮 武经总要 鱼法 以薄铁叶剪裁 长二寸阔五分 首尾锐如鱼形 置碳火中烧之 侯通赤 以铁钤钤 qi n印 章 鱼首出火 以尾正对子位 蘸水盆中 没尾数分则止 以密器收之 用时置水碗于无风处 平放鱼在水面令浮 其首常南向午也 将铁片烧红的是使磁畴重新分布成为顺磁体 淬火使磁畴稳定 磁石磁化法 沈括 梦溪笔谈 方家以磁石磨针锋 则能指南 然常微偏东 地磁偏角 不全南也 中国古代科技 指南车模型 1 共振 梦溪笔谈 琴瑟弦皆有应声 宫弦则应少宫 商弦则应少商 其余皆隔四相应 今曲中有声音 须依此用之 欲知其应者 先调诸弦令声和 乃剪纸人加弦上 鼓其应弦 则纸人跃 他弦则不动 声律高下苟同 虽在他琴鼓之 应弦亦震 此谓之正声 2 共鸣及其消除南北朝时期刘敬叔 异苑 晋中朝有人蓄铜澡盆 晨夕恒鸣如人扣 乃问张华 华曰 此盆与洛钟宫商相应 宫中朝暮撞钟 故声应尔 可错 挫 令轻 则韵乖 鸣自止也 依其言 后不复鸣 8 对声现象的认识 3 声音的反射北京天坛 回音壁四川潼南 石琴 实为登山石阶 凿于江边完整无缝凹处 沿石阶拾级而上 自第四级到第十九级 凡步履所触 便会发出悠扬婉转的古琴声在洞内回荡 其中有七级石蹬的发音特别洪亮 称为七步弹琴 题为石蹬琴声 编种 4 乐器新石器时代 陶埙和骨哨 诗经 记载 有29种之多 包括各种弹琴 吹奏 打击等乐器 战国曾侯乙墓 出土的有 编钟 磬 笙 排萧等 盖天说 起源于殷周时期 天圆如张盖 地方如棋局 后发展为 天似盖笠 地法覆 浑天说 代表人物是东汉张衡 公元78年 139年 生于河南南阳石桥镇 公元111年担任太史令 主持天象观测 编订历法 发明了浑天仪 候风地动仪 9 对天文现象的认识 二 西方物理学 古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面 力学主要有亚里士多德的动力学和阿基米德的静力学 亚里士多德 前384 前322年 古希腊斯吉塔拉人 世界古代史上最伟大的哲学家 科学家和教育家之一 是柏拉图的学生 亚历山大的老师 公元前335年 他在雅典办了一所叫吕克昂的学校 被称为逍遥学派 马克思曾称亚里士多德是古希腊哲学家中最博学的人物 恩格斯称他是古代的黑格尔 1 古希腊的物理学知识 主要观点1 提出物理学名称的第一人 强调科学分类 2 若物体不受力 运动即停止 力是运动的原因 3 物体越重 下落速度应该越大 4 地球是宇宙的中心 太阳 行星和月亮围绕它转 亚氏观点从归纳日常生活出发 加上哲学思辩 后来发展为经院哲学 成为自然科学的障碍 经院哲学 西欧中世纪主要哲学思想的总称 因产生于天主教的学院 故称经院哲学 主张理性服从信仰 目的在于论证基督教的教条 维护教会和封建主的统治 宣扬科学的根本目的在于适应神学 阿基米德 前287 前212 古希腊最著名的物理学家 数学和力学大师 后人称其为 物理学之父 著有 论平面的平衡 论浮体 其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点 1 杠杆原理 2 浮力定理 阿基米德定理 3 证明了正圆柱体内切球的体积与该圆柱体积之比为2 3 4 提出了重心的概念和物体重心的求法 5 计算了 的数值在3又10 71和3又1 7之间 6 发明了滑轮组 7 发明了阿基米德螺旋提水器等 阿基米德曾这样评价杠杆的作用 给我一个支点 我可以撬动地球 意义 阿基米德的力学研究方法具有 一般 的意义 阿基米德在提出了著名的浮力定律和杠杆原理的过程中所采用的公理化方法 将实验和数学推理结合起来 成为近代甚至现代物理学研究的重要方法之一 2 阿拉伯人的物理成就1 阿勒 哈增 965 1038 著有 光学全书 研究了眼睛的结构 如 网膜 角膜 玻璃状体 前房液 等术语均出自于他 2 阿勒 哈兹尼 12世纪 著有 智慧秤的故事 可以测量空气中和水中物体的重量 从而编出比重表 发现了水的比重随温度的不同而不同 发现空气有重量 因而阿基米德定律在空气中也适用 指出大气的密度与高度有关 提出物质的量与重量不同 两者成正比关系 最早提出速度的概念 用路程与时间之比表示速度 3 欧洲人的研究工作阿拉伯在8 9世纪开始大量翻译希腊的经典著作 从10世纪中叶开始 欧洲一些学者 将阿拉伯文的书翻译成拉丁文 到12世纪 翻译活动形成了更高的浪潮 这种翻译活动为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件 另一重要事件是大学的建立 12 13世纪 在欧洲建立了牛津大学 1168 剑桥大学 1209 巴黎大学 1253 和波伦亚大学 后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学 同时在大学内又相继成立了一大批专门的学院 这些学院对学术发展发挥了重要作用 1 哥白尼与 天体运行论 2 第谷与开普勒 3 运动学奠基人 伽利略 4 牛顿的综合和理论飞跃 4 经典力学的建立 哥白尼像 1 哥白尼与 天体运行论 哥白尼日心体系的提出 是自然科学向神学的第一次严正挑战 标志着自然科学从神学中独立出来 由于观测技术的进步 哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙体系 由于担心教会谴责 他迟迟没有公开发表自己的见解 1530年 哥白尼才将他的学说写成一个小册子 纲要 以手稿形式在友人中流传 直到1542年 在他生命垂危之际 才同意将他的主要著作 天体运行论 交付印行 天体运行论 出版后很少引起人们的注意 一般人不能了解 天体运行论 在出版后七十年间 虽然遭到斥责 但未引起罗马教廷的注意 后因布鲁诺公开宣传日心地动说 危及教会的思想统治 罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害 并于公元1616年把 天体运行论 列为禁书 哥白尼的学说改变了那个时代人类对宇宙的认识 从根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础 自然科学开始从神学中解放出来 科学的发展从此便大踏步前进 2 第谷与开普勒1 第谷 TychoBrahe 的天文观测丹麦人 生于贵族家庭 1576年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台 测量精度较前人提高了几十倍至上百倍 进行了21年的观测 被人誉为 星学之王 第谷使用的天文仪器 第谷的墙壁象限仪 开普勒是德国近代著名的天文学家 数学家 物理学家和哲学家 他以数学的和谐性探索宇宙 在天文学方面做出了巨大的贡献 被后世的科学家称为 天上的立法者 2 德国天文学家开普勒 对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点 开始 开普勒用正圆编制火星的运行表 发现火星老是偏离轨道 他便将正圆改为偏心圆 可是 依照这个方法来预测火星的位置 跟第谷的观测数据仍然不符 产生8 的误差 开普勒知道第谷观测数据的准确性 所以他没有将这一误差 观测范围内的允许误差 而是认为 匀速圆周运动 的假设存在错误 此后 开普勒转向了用第谷的观测数据去确定行星的运行轨道 从而发现火星轨道是一种椭圆 并进而发现每个行星都沿椭圆轨道运动 太阳就在一个焦点上 接着又发现面积定律 上述两定律发表在1609年出版的 新天文学 上 在1619年出版的 世界的和谐 中公布了周期定律 开普勒的上述重要发现 为牛顿创立天体力学理论奠定了基础 开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一 从此开始 数学方程就成为表达物理定律的基本方式 3 伽利略 1564 1642 意大利物理学家 天文学家和哲学家 近代实验科学的先驱者 其成就包括改进望远镜和其所带来的天文观测 以及支持哥白尼的日心说 当时 人们争相传颂 哥伦布发现了新大陆 伽利略发现了新宇宙 史蒂芬 霍金说 自然科学的诞生要归功于伽利略 他这方面的功劳大概无人能及 1 运动的描述和分类提出将运动分为匀速运动和变速运动 2 自由落体定律 首先从思想实验得出的一个佯谬入手 对亚里士多德的落体学说反驳 重物和轻物绑在一起下落时的速度 通过数学推到出自由落体为匀加速运动 设计了著名的 斜面实验 为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动 提出了 等末速度假设 并用一个单摆实验验证了假设 3 惯性原理 任何速度一旦施加给一个运动着的物体 只要除去加速或减速的原因 此速度就可保持不变 不过 这是只能在水平面上发生的一种情形 这一思想实验 有力地证明了外力不是物体运动的原因 而是运动速度变化的原因 在著作中 他也表达过这一思想 当一个物体在水平面上运动 没有碰到任何阻碍时 它的运动将是匀速的 并将无限继续进行下去 假如平面是在空间无限延伸的话 4 抛体运动轨迹 运动的独立进行原理在 两门新科学 中 详细研究了抛体运动 指出 假设物体以水平初速度抛出 这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动 这两个运动既不彼此影响 干扰 也不互相妨碍 这就是运动的独立进行原理 5 相对性原理在批驳 倘若地球运动 就会把地球上面的物体抛到后面去 的谬论时 伽利略指出 从行驶的航船的桅杆上落下的石子 仍会落在桅杆脚下 只要船的运动是均匀的 也不忽左忽右摆动 人们所观察到的现象同船静止时完全一样 人们跳向船尾不会比跳向船头更远 从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里 蝴蝶和苍蝇四处飞行 决不会向船尾集中 或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子 这些现象表明 在船里所做的任何观察和实验 都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动 相对性原理的发现 是人类科学史上的一个重大飞跃 对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响 6 伽利略的研究方法对现象的一般观察 提出工作假设 运用数学和逻辑的手段得出特殊结论 通过物理的或思想的实验对推论进行检验 对假设进行修正和推广 能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响 而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论 这就是伽利略的伟大之处 4 牛顿的综合和理论飞跃1 牛顿的 自然哲学数学原理 1687年发表 2 万有引力定律的建立 检验和意义3 牛顿的局限 由好朋友哈雷资助出版 该书的出版标志着经典力学体系的建立 1 1687年出版 自然哲学的数学原理 2 万有引力定律的建立 检验和意义 一 万有引力定律的建立英国的胡克 伦恩和哈雷在引力问题的研究上都做出了重要贡献 胡克最早觉察到引力与重力有同样本质 1680年初 在给牛顿的信中 胡克提出了引力反比距离的平方的猜想 1679年哈雷和伦恩导出了作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比 1684年8 10月 牛顿作了 论运动 的演讲 明确叙述了向心力定律 证明了椭圆轨道运动的平方反比关系 后来又定义了质量的概念 探讨了引力和质量的关系 才把他引向万有引力定律的发现 在 原理 中 牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的思想实验 我们称为牛顿月亮或小月球思想实验 从而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起 1 牛顿通过靠近地面的 小月亮 运动的思想实验 论证了 使月球保持在它轨道上的力 就是我们通常称为重力的力 2 通过 月 地检验 说明了月球所受引力与地面上物体所受引力遵循相同的规律 引力与半径的平方成反比关系 3 并将此结果推广到行星的运动上去 从而得出宇宙间所有物体之间的引力遵循的规律都相同的结论 所以称为万有引力 二 万有引力定律的检验 1 关于地球的形状2 哈雷彗星3 笔尖下的行星 海王星4 卡文迪什测定万有引力常数 1 关于地球的形状 牛顿指出 行星由于自身的旋转运动 赤道部分应该隆起 使行星成为两极扁平的扁球体 为了得到更准确的大地测量结果 法国科学院于1735 1736年先后派出两个测量远征队 分赴赤道地区的秘鲁和高纬度地区的拉普兰德 分别在两地的经度圈上测量等角的一段弧长 测量结果基本证实了牛顿的结论 18世纪30年代 当牛顿的学说传到法国时 受到巴黎天文台台长雅克 卡西尼 JacquesCassini 1677 1756 等人的强烈反对 2 哈雷彗星1682年以前 人们认为彗星出现时 它将给人类带来灾难 牛顿根据天文资料 应用万有引力定律 说明和计算了彗星的运动轨迹 牛顿的好朋友 英国天文学家哈雷 1656 1742 根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道 得出1531年 1607年 1682年出现的彗星轨道相同 因此应是同一彗星 由此预言这彗星1758年还将出现 1743年 克雷洛计算了木星和土星对这颗彗星的摄动作用 指出它将推迟于1759年4月经过近日点 1759年3月12日 这颗星出现了