清华大学物理学-- 牛顿和经典力学的成熟

.牛顿和古典力学，-蒲柏(VonPope )，18世纪英国着名诗人，大自然界及其法则隐藏在黑暗中的神说：“送牛顿吧！ 这样一来，一切都亮堂堂的。Newton(16421727 )、一、牛顿简介、英国杰出物理学家、数学家、发明家牛顿、1642年出生于英国林肯郡乌尔索普，是一个足够农户的孩子。 我小时候对机械的发明有兴趣。 1661年进入剑桥大学，博学多才的着名学者巴洛将牛顿引向自然科学的广阔天地。 是现代自然科学的创始人、古典物理学的创始人、微积分的发明者之一。 牛顿的贡献，1 .牛顿确定了力学的三个基本定律和万有引力定律2 .为了表现力学运动，他在莱布尼茨的同时发明了微积分的牛顿发明了反射望远镜。 3 .在光学中，他发现了太阳光谱4 .他的名着自然哲学的数学原理是科学史上最伟大的着作，在科学方法上的巨大贡献是归纳法和演绎法相结合。 自然哲学的数学原理着作提出了具有严格逻辑结构的力学体系，将力学作为研究物体机械运动基本规律的学科。 在这部着作中，牛顿定义了时间、空间、质量、力量等基本概念，同时阐明了物体运动的基本规律。 牛顿运动定律是古典力学的基本定律。 牛顿的名着原理页，1 .牛顿的第一定律(惯性定律)是不受外力作用的物体，保持静止或等速直线运动状态。 数学形式：惯性：任何物体都保持运动状态不变的性质。 二、牛顿力学三定律，二.牛顿第二定律(运动定律)，数学形式：说明： (1)牛顿运动方程式仅适用于质点的运动。 (2)牛顿第二定律的中和关系是瞬时关系，或者外力作用下物体的加速度与力成正比，在施加力的方向上与物体的质量成反比。 动画，3 .牛顿的第三定律(力和反作用力定律)，数学形式： (1)力和反作用力始终成对出现；(2)力和反作用力分别作用于两个物体，因此不平衡或不能抵消；(3)力和反作用力是相同性质的力。 动画，说明：三，力的分类，一.三种常见力，重力：使物体产生重力加速度的力，即重力来源于地球对物体的引力，但是地球引力的一部分(另一部分物体提供伴随地球旋转的向心力)，重力随物体的高度和纬度稍有变化，摩擦力：两个接触物体相对运动或相对弹力：作用于物体因变形而发生变形的物体上的力。 动画，弹性范围内：等于物体受到其他外力的合力。2.4种基本力，除了宏观世界上重力来源于万有引力以外，其他力几乎都来源于电磁力，a、强相互作用、存在于核内，以胶着子为传导介质。 b、弱相互作用仅在粒子间反应时出现，以中间粒子(w、w、Z-0 )为媒介。 c、电磁相互作用、带电粒子或带电宏观物体之间的作用以光子为媒介。 d，万有引力的相互作用，任何两个物体的作用(以引力子为媒介)。 后者作用范围可达无穷远的强相互作用范围为10-15M的弱相互作用范围为： 10-18M种力强度的比较如下。 名称距离(源强度强度弱10-15M1相互作用10-15M10-13电磁相互作用10-15M10-2万有引力10-15M10-38，重力波检测，问题：从上述比较可以得出什么结论？ 2004年，诺贝尔物理奖、哈佛大学大卫政策、普林斯顿大学大卫格洛斯和普林斯顿大学弗兰克威尔克分享了诺贝尔物理奖，因为他们发现了粒子物理强相互作用理论中的“渐进自由”现象。.宇宙、物质、分子、原子、原子核、电子、质子、中子、夸克、费米子、费米子、波森、夸克、“夸克封闭”(未发现单夸克)，1972年，荷兰物理学家霍特提出了“渐进自由”理论。 我原以为老师威尔特曼很容易。 (1999，弱电子结构)，1973年科尔曼采用多策略计算了非阿贝尔规范场耦合常数的动量变动。 戴维格罗斯也让弗兰克威尔切克进行了同样的计算，得到了同样的结果。四，牛顿第二定律的应用，1 .牛顿第二定律的数学公式，向量公式：成分公式：2 .用牛顿第二定律求解质点动力学问题，1 )已知运动，求力：求导过程，2 )已知受力，求心运动：积分过程，解：自然坐标系，m2切线：m1切线： m1法线：2.3，1得：5，万有引力定律的创立过程，1 .苹果从月球到地球的引力，为什么月球不会受到地球的引力而落入地球，2 .牛顿的说明： (a )牛顿的抛物运动，(b )持续落入的月球，(c )月球的轨道没有地球的引力，月亮就会沿着直线运动。 在地球引力的作用下，月球远离直线，偏向地球。 落下的距离，月亮持续下落的结果，沿着圆轨道围绕地球运动。速度的变化有三种可能性： (1)v改变大小，不改变方向(2)只改变v方向，不改变大小，圆周运动：物体(质点)在向心力的作用下形成的轨迹是圆周运动。 (3)v的大小方向发生变化。 动画、向心力和向心力的加速度，“向心力给物体以指向中心点的吸引力，1 .圆运动的物体总是指向中心的力称为向心力。 3 .向心力源：重力、弹力、摩擦力等2 .向心力加速度：在向心力的作用下物体产生的加速度，3 .万有引力法则，任意两天天体(包括物体)之间的引力大小与两天天体质量的乘积成正比，与两天天体距离的平方成反比，万有引力常数，两天天体(物体)之间的距离， 两个物体的质量，万有引力定律的导出，假定行星以太阳为速度以半径r的等速圆周运动，该行星必定受到向心力.开普勒的第三定律(和谐定律):向心加速度的大小与距离的平方成反比，引力是与距离的平方成反比的力。 重力的大小和质量的关系是？ 牛顿第二定律表明，物体受到的万有引力与物体的质量成正比。 另外，根据第三定律，从物体与物体的相互作用产生力时，物体对地球的引力必须与地球对物体的引力相等。 两天的天体间引力的大小与这两个天体的质量积成正比，估计与天体的距离成反比。 (负号表示吸引力)、4 .万有引力常数g的测定、牛顿发表万有引力法则100多年后，英国科学家卡文迪什于1798年在扭秤实验中首次正确测定万有引力常数g的数值为：h.cabendish (17311881 ) caben dish容许扭秤实验装置，Nm2/kg2，caben dish容许测量：caben dish今后200年许多人用同样的方法测量g值，1986年国际科学联盟理事会科学技术数据委员会(CODATA )推荐的数值为：现在的国际公认值：测量g值后，卡文迪什利用实验测量的重力加速度g计算地球质量(约60兆亿吨)，首次成为被称为“地球质量”的人。 在地球上的实验室里，测量一些铅球的相互作用，可以说是地球的质量。 不能说是奇迹。 但是，其思想基础与牛顿一致，即使天人相信遵循共同的法则，引力常数的数值都是一样的。实验的成功使牛顿的万有引力定律更加完美，卡文迪什的秤实验在物理学世界被选为历史上“最美”的十大物理实验之一。 哈雷彗星、海王星、理论预言的实践验证哈雷彗星和海王星的发现，海王星的发现是牛顿万有引力理论的最有力支持，被称为“笔尖的发现”，5 .引力理论的成果和意义，万有引力法则深刻揭示了宇宙万物之间遵循的引力法则，曾经人们脑海中天体运动和地面物体运动有天壤之别加强了人类“自然界法则统一”的信念。 同时，万有引力法则明确了物理学是美科学。 万有引力理论的普遍性超越了宇宙的边缘，从苹果到月亮、从太阳到宇宙、引力涉及的所有复杂现象在这个简洁的规律中，有什么比这更美丽的东西吗？万有引力定律的建立，对物理学的发展具有深远的方法论意义：从第谷的观测观测开普勒的运动学描述，进一步提高万有引力定律和预言、验证等，为后代提供了建立物理学理论的标准模型。 牛顿以后，寻找不同事物之间的联系，确立统一的理论解释，成为物理学家坚持不懈的追求。自然哲学的数学原理，六，牛顿的自然哲学思想说：“我把这本书叫做自然哲学的数学原理。 哲学的所有任务似乎都在于从各种运动现象中研究各种自然力量，用它论证其他现象。第原理条“哲学中的推理规则”:因果原理：对于自然界的同类结果，必须尽量归属于同一个原因。 简单的原理：除了真实充分说明这种现象的人，不必寻求自然界事物的其他原因。统一性原理：物体的属性，不能增强也不能弱化的人，我们可以实验的范围内的所有物体的所有者，应该视为所有物理的普遍属性。 真理原理：在实验哲学中，我们必须认为从各种现象中运用一般归纳法推导出的命题完全正确或接近真实。 相反的假设可以想象，除非出现其他现象，否则在更正确或例外之前，必须采取这样的对策。 300多年前，牛顿提出的自然哲学思想对17-20世纪科学和哲学的发展产生了巨大影响，他从自然哲学的高度看待具体的科学问题，在力学、光学、微积分、天文学等方面作出了独创性的贡献。 近代科学也在牛顿的自然哲学推动下迅速发展起来。 牛顿被称为近代科学革命的主要奠基人。牛顿说：“作为巨人是无与伦比的，作为人类是微不足道的”、“如果我说比别人稍微远一点，我就站在巨人的肩膀上”。 “我不知道人们是怎么想我的，但是我很高兴发现比平时更光滑的石头和美丽的贝壳，就像孩子在海边玩耍一样，那广阔的真理之海，还没有在我面前发现。 七、站在巨人肩上的牛顿，当物体运动速度高(接近光速)，所描绘的系统小(微系统)，所描绘的物质系统大，或者引力强时，牛顿的万有引力运动定律和牛顿的时空观是完全正确的八、牛顿物理学的极限，可惜好景不长。 恶魔大声说“让爱因斯坦走”，把一切都恢复原状。 时间的定义是绝对的。 时间一直“流逝”，与物体的存在和物理现象的发生无关。 我们无法降低和加速时间流逝的速度，宇宙任何地方时间流逝的情况都是一样的。所以，我们在地球上的一秒钟的间隔和在其他行星上的一秒钟的间隔完全一样，与这些行星之间是否有相对速度无关。铜壶滴漏(1316年)是古代的钟表，时间是用特定的方法用标准钟表测定的带单位的数字，时间单位是秒。 目前，国际上“秒”的定义是1967年“秒”是与“铯”133原子基态的两个超微能级之间的迁移对应的辐射的9192631770周期持续的时间”。空间的定义，空间是绝对的：空间的存在是永恒的，与空间中是否存在物质无关。 空间可以是欧几里德空间：例如，空间中的两个点之间的最短线段是直线，空间中任何三角形的内角之和是180。 1983年，第17届国际计量大会通过：米为光在真空中以1/299792458秒的时间间隔运行的长度。 (真空中的光速值c=299792458米/秒)，空间只是在物理上以标准米的特定方式进行比较或测量，有一定单位的数字。 国际长度标准“米”的定义：中国计量科学研究院633nm碘稳定激光作为重现长度单位米的基本装置，牛顿的绝