力学的发展课件

第二讲

力学的发展我已经把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。——牛顿第二讲力学的发展1近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。经典力学是从伽利略和开普勒时代开始的，到牛顿时代到达成熟阶段。从科学方法上看，它的建立和发展离不开科学实验方法和数学的引入，也就是离不开归纳法（需要实验）和演绎法（需要数学）两者的结合。讨论与思考：为什么要先学力学？中学时学的力学，你还记得多少？请你说出牛顿三定律的内容和机械能守恒定律的条件。近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。2视频欣赏：伽利略、牛顿、爱因斯坦和霍金：参透宇宙的金头脑力学的发展课件3§1.1亚里士多德的力学

希腊世界百科全书式的思想家和科学家亚里士多德（Aristotle，公元前384一322）重视经验观察，他发展了物理学、逻辑学、生物学以及政治、哲学理论。他提出的以太概念、物体越重下落速度越快的思想以及目的论的思维方式支配了西方一千多年。他通过观察、实验总结而成的生物学著作《动物志》对各种各样的动物进行了详尽描述，很有科学价值。亚里士多德§1.1亚里士多德的力学希腊世界百科全书4

希腊化时期，欧几里德、阿基米德、托勒密的成就代表了古希腊科学技术发展的最高成就。欧几里德（Euclid，约公元前330年-275年）所著《几何原本》集希腊古典数学之大成，构造了世界数学史上第一个宏伟的公理演绎系统，是古代世界在几何学上的丰碑。科学巨匠阿基米德（Archimedes，公元前287一212）发现了杠杆原理和浮力原理，达到了古代力学的高峰。希腊天文学的集大成者托勒密（Ptdemy,90-168）系统总结了希腊天文学的优秀成果，写成《天文学大成》（后被阿拉伯人改为《至大论》），其中构造的以地球为中心的完整、复杂的宇宙体系―托勒密地心体系统治了西方天文学一千多年，直到被哥白尼的日心说所代替。希腊化时期，欧几里德、阿基米德、托勒密51、地心说与日心说为什么近代科学诞生是从天文学的突破开始的？托勒密

古代人为了生产等需要，已经开始有目的地对星体、日、月进行观察记录。古希腊天文学对后世有很大影响，柏拉图提出地球的中心思想，后由托勒密发展为地心说。§1.2从哥白尼到开普勒1、地心说与日心说托勒密古代人为了生产等需要，已经开6托勒密的地心说体系早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。托勒密的地心说体系早在公元前4世纪，古希腊哲学7

在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，太阳及其他行星围绕着地球运行．为了解释与弥合天文观测的差距，托勒密构造出本轮—均轮体系。以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。在中世纪西方、教会将其纳入到严密而庞大的神学体系中，作为上帝创世说的一个不可缺少的组成部分，这样一来。原本很单纯的天文学理论——地心说——就变成了维护教会权威的一个重要理论支柱。本轮——均轮图在托勒密的地心说看来，地球8哥白尼，波兰伟大的天文学家、太阳中心说的创始人、近代天文学的奠基人。

随着时间延长，“地心说”与实际的偏离越来越大。哥白尼经过数十年的观察和研究，终于建方起以太阳为中心的宁宙体系——“日心说”。日心说认为，地球是一颗普通的行星，它既有绕自转轴的自转，又与其他行星一起围绕宇宙中心——太阳旋转。这就使得以前看来极不协调的种种天象变得简单而和谐。日心说的创立和《天体运行论》的出版哥白尼，波兰伟大的天文学家、太阳中心说的创始人、近代天文学的9哥白尼

哥白尼（1473—1543），文艺复兴时期波兰著名的天文学家，太阳中心说的创始人，近代天文学的奠基人。哥白尼创立的日心说，即天文学名著《天体运行论》的发表，不但是天文学上的一次伟大革命，推动了天文学研究的飞速发展，而且引起了人类宇宙观的重大革新，沉重地打击了封建神权的统治，“从此自然科学便开始从神学中解放出来”。哥白尼哥白尼（1473—1543），文艺复兴时期波兰10波兰天文学家哥白尼通过天文观察和数学计算创立了“日心说”，认为太阳位于宇宙的中心，地球和其他星球都围绕太阳运转。哥白尼的《日心说》示意图波兰天文学家哥白尼通过天文观察和数学计算创立了“日心说”，认11日心说提出的科学根源、哲学根源和历史根源是什么？科学根源：随着天文学观察数据越来越多，为了给予解释，托勒密的地心说不断修补，越来越复杂，难以使人信服。哲学根源：他接受毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的基本思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样，高度赞美太阳，给予太阳“宇宙正中”的位置。历史根源：在意大利留学10年，受到文艺复兴运动影响，思想解放，投身科学革命。力学的发展课件12布鲁诺的殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验

布鲁诺于1548年1月出生在意大利那不勒斯附近诺拉镇的一个贫苦家庭，受文艺复兴思想的影响，他极力倡导思想自由，宣扬无神说，哥白尼学说的革命精神强烈地感染了他，布鲁诺的激进思想使天主教会暴跳如雷、恼羞成怒，1600年2月17日被活活烧死在罗马鲜花广场上。据说，当教会判他火刑，在听到判词后，布鲁诺说：“我走向火堆，但是你们比我更恐惧!”科学必将战胜宗教.(一方面突出布鲁诺的精神境界,另一方面突出近代科学对中世纪神权思想的冲击.)你能理解布鲁诺为什么这么说吗?布鲁诺的殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验布鲁诺于13选择上帝，还是选择真理？

哥白尼：我是虔诚的基督徒，我的工作是当牧师，可是对天文感兴趣。无数个夜晚，我都在教堂的塔楼偷偷地观察星空。我发现一个天大的秘密：地球并非宇宙的中心，太阳才是。到底是上帝错了，还是我错了？我是诚实的，我把观点写成了《天体运行论》一书，但是我很小心地守着这个秘密，直到70岁那年才发表了这本书。我只来得及摸了摸新书的校样，就进了棺材。真幸运，我终于来得及说出真话，并飞快地盖上棺材，把一切可怕的迫害挡在了棺材板外。这样，我平静度过了一生。

选择上帝，还是选择真理？哥白尼：我是虔诚的基督徒，我的工作14

布鲁诺：像哥白尼一样，我也曾是爱好天文的基督教修士，我进一步发展了哥白尼的学说，在我怀疑上帝时。没有像哥白尼那样保持沉默。而是直截了当告诉人们：“地球也不是宇宙的中心，因为宇宙是无限的”。“上帝对于不想念他的人来说，是不可能，是无。”这下可捅了马蜂窝，我被宣布为“异教徒”，遭到追捕，只好到处流亡，我不愿隐姓埋名躲起来，而是继续到处宣扬我的观点，终于有一天我被教会

诱捕，送进了宗教裁判所，一关就是八年，我受尽了酷刑。虽然只要说一句认错的话，就可以走出监狱，但我没有这样做。教皇没办法，在新世纪的第一年，1600年，把我送上了火刑台。我没能像哥白尼那样平安度过一生，但我坚信：火，并不能把我征服，未来的世纪会了解我，知道我的价值的！

布鲁诺：像哥白尼一样，我也曾是爱好天文的基督教修士，我进一15

甲同学说：哥白尼比较聪明，懂得“留得青山在，不怕没烧的道理。”作为一个科学家，讲究策略，保全性命，才有时间对人类作出更大的贡献。

乙同学说：我认为布鲁诺做得对，这才是科学家应有的品质。你的观点呢？甲同学说：哥白尼比较聪明，懂得“留得青山在，162、开普勒行星三定律哥白尼和毕达哥拉斯的哲学思想强烈吸引开普勒。与第谷合作，使他从第谷处获得了大量精确的天文学数据。1609—1619年，他先后提出了行星运动三定律。第谷在天文台工作第谷用过的望远镜2、开普勒行星三定律第谷在天文台工作第谷用过的望远镜171.椭圆定律：每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点上。开普勒第一定律开普勒第一定律182．等面积定律：在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。3．和谐定律：行星运动周期T的平方正比于行星与太阳平均距离R的三次方，记为：开普勒第二定律2．等面积定律：在行星与太阳间作一条直线，则此直线开普勒第二19开普勒已经认识到：他的定律强烈地暗示了太阳对行星有一种吸引力，这个力随距离之增大而减弱。这样才能理解例如为什么水星（离太阳最近）的运动速度比金星的快，因而周期最短的事实。但这是什么样的力呢？开普勒还想不出来，揭示这一自然奥秘的任务是后来牛顿完成的，但开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。开普勒开普勒已经认识到：他的定律开普勒201、伽利略在天文学方面的贡献：《关于两种世界体系的对话》自制望远镜发现木星的4颗卫星发现太阳黑子定出太阳自转周期伽利略伽利略望远镜

木星卫星

§1.3伽利略和近代力学的诞生1、伽利略在天文学方面的贡献：《关于两种世界体系的对话》伽利21伽利略的手稿伽利略的折射式望远镜1609年，伽利略创制了天文望远镜。他观测到月球表面凹凸不平，并绘制了第一幅月面图。伽利略的手稿伽利略的折射式望远镜1609年，伽利略创制了天文222、在力学方面的贡献：提出落体定律和惯性运动概念

《关于两门新科学的对话》勇敢地否定了亚里士多德把运动划分为“自然运动”和“强迫运动”，而是抓住了运动基本特征量——速度和加速度，把运动分为“匀速”和“变速”。用思想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。伽利略与斜塔

伽利略斜面实验2、在力学方面的贡献：提出落体定律和惯性运伽利略与斜塔伽利23落体实验的思想实验：矛盾！设：

重物下落时间为

t1

轻物下落时间为

t2亚里斯多德认为：

t2>t1把两物体捆绑在一起，情况如何呢？按亚里斯多德的观点会有两种答案：①

重物带动轻物下落得快，轻物影响重物落得慢:t1<t<t2②

两个物体作为整体，重于单个物体:

t<t1

t<t2落体实验的思想实验：矛盾！设：重物下落时间为t124伽利略做了历史时上有名的“斜面实验”

实验一：vf实验二：

伽利略把实验和逻辑推理和谐地结合在一起，构成了一套完整的科学研究方法。

爱因斯坦说：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”伽利略做了历史时上有名的“斜面实验”实验一：vf实验二：251971年7月31日，“阿波罗15”号宇航员戴维斯-R-斯科特

“你知道吗？”斯科特欢呼道：“伽利略是对的！”1971年7月31日，“阿波罗15”号宇航员戴维斯-R-斯科263、对科学方法的贡献伽利略的研究方法

伽利略在解释其观察结论

对现象的观察提出假设进行数学和逻辑的推理实验验证形成理论开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。提出了思想实验。3、对科学方法的贡献伽利略的研究方法伽利略在解释其观察结论27伽利略因支持哥白尼的日心说而接受教廷审讯

1633年，罗马召令伽里略到罗马受审，强迫他签字“悔过”并放弃哥白尼学说。伽利略受审近300年后，即1928年，罗马教皇才在公开集会上承认对伽利略的审判是错误的。伽利略因支持哥白尼的日心说而接受教廷审讯1633年，28爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。”伽利略被后人称为“现代物理之父”。罗马教庭对伽利略的审判爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的29英国著名诗人Pope写道：

“NatureandNature’slawlayhidinnight,GodsaidletNewtonbeandallwaslight”牛顿发明反射望远镜

1、牛顿的综合在哥白尼、开普勒关于天体运动规律和伽利略关于地面物体的动力学研究的基础上。牛顿展开了更全面的分析、综合和概括工作，终于建立了经典力学体系，实现了近代科学史上的第一次大综合。§1.4牛顿和经典力学的成熟英国著名诗人Pope写道：牛顿发明反射望远镜1、牛顿的综合30

牛顿在著名的《自然哲学的数学原理》一书中，给出了一种力的定义：“施加的力是能够使物体改变它的静止状态或匀速直线运动的状态的一种作用”。这儿乎就是力的现代定义。事实上，力是代表物体间的一种相互作用，由于这种作用．物体会改变速度，即获得加速度。

《自然哲学的数学原理》

在定义了力的概念以后，牛顿在伽利略关于物体运动研究的基础上，总结出来有关地面物体运动的三大定律。牛顿在著名的《自然哲学的数312、万有引力定律的创立过程1、思想突破问题的提出——月亮为什么不掉到地球上来？别人只看到了天上和地上的运动不同，牛顿看到了它们的相似性，把它们统一起来。这正是牛顿哲学思想——统一性原理的体现。2、万有引力定律牛顿在建立了力学的基本概念并发现了力学的基本定律之后，就试图用来解决一系列的问题。他在着手解决太阳系的动力学问题中，进一步发现了万有引力定律。2、万有引力定律的创立过程2、万有引力定律323．理论预言的实践检验——哈雷彗星和海王星的发现哈雷彗星

1705年英国天文台哈雷在1531年，1607年，1682年看到的彗星将在1758年回归。1743克雷洛计算了木星和土星对它的作用指出下次出现在1759年。1759年3月13日观察到彗星近日点位置下一次返回太阳系将是2061年。

海王星英国亚当斯－英国格林尼治天文台忽视法国勒维烈－德国柏林天文台1846/09/23晚3．理论预言的实践检验——哈雷彗星和海王星的发现33卡文迪许测得：目前的国际公认值：卡文迪许扭称卡文迪许N•m2/kg2N•m2/kg2旋吊线悬吊在半空中可以自由转动的木杆小铅球大铅球卡文迪许测得：卡文迪许扭称卡文迪许N•m2/kg2N•m2/344．牛顿在科学研究方法上的贡献“我把这部著作叫做《自然哲学的数学原理》，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他的现象。”《自然哲学的数学原理》

“如果说我比其他人看得远一点的话，那是因为我站在巨人的肩上。”“我不知世人将如何看待我，但是在我看来，我不过像一个在海滨玩耍的孩子，为时而发现一块比平常光滑的石子或美丽的贝壳而感到高兴；但那浩瀚的真理之海洋，却还在我的面前未曾发现呢。”4．牛顿在科学研究方法上的贡献《自然哲学的数学原理》“如果355、牛顿的自然哲学思想牛顿在《自然哲学的数学原理》中，提出了4条《哲学中的推理法则》：简单性原理：除那些真实而已足够说明其现象者外，不必再去寻求自然界事物的其他原因。

因果性原理：对于自然界中同一类结果，必须尽可能归之于同一种原因。

统一性原理：物体的属性，凡是既不能增强也不能减弱者，又为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者，就应视为所有物理的普遍属性。5、牛顿的自然哲学思想简单性原理：除那些真实而已足够说明其现36真理性原理：在实验哲学中，我们必须把那些从各种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确的或很接近于真实的，虽然可以想象出任何相反的假说，但是在没有出现其他现象足以使之更为正确或者出现例外之前，仍然应当给予如此的对待。牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合，模型和数学相