经典力学发展史与物理学思想方法 课件 -2023-2024学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

经典力学的发展史

高中物理思想方法物理是什么？高中物理包含了哪些知识、哪些内容？问：讲到“物理”，我个人把它理解为物质世界所蕴含的道理或者规律。其实，“物理”就是人们对物质世界的理解，一种认识。自然界中的任何事物起初都是未知而又神秘的，但是从物理学的角度来看所有事物的发展必有潜在的规律，如果我能发现它，那就会变得简单易懂了。高中物理主要包括：热学和原子物理学：选修3力学：必修1、2、选修1电磁学：必修3、选修2光学：选修1的最后一章经典力学发展史第一阶段：人类的探索时期——从天文学观测开始第二阶段：经典力学的建立——从伽利略到牛顿（16世纪到17世纪）第三阶段：经典力学的完善第四阶段：经典力学迈向量子力学第一阶段：人类的探索时期——从天文学观测开始从有人类文明开始，这个时候，科学探究过程还没建立（实验、计算、推导）。我们认识世界，是通过自己的感官，最主要的是视觉部分，如何看待这个自然的？一般会从对自然运动理解开始，尤其是天体的运动，因为比起在地面上的运动，天体的运动是最纯粹最精确的、可以排除掉摩擦力、空气阻力的干扰。1）中国古代有“盘古开天辟地”一说，即天地一分为二，上面是天，下面是地。这一思想，中西方皆认可，并且持续了数千年。2）第一次提出反驳的是古希腊时期阿那克西曼德（约公元前610-545，对应中国的春秋战国时期），他认为我们身处于“天包地”的环境中，地方，地是宇宙中心。3）古希腊的集大成者，哲学、艺术、科学、文化，哪个领域都会提到他——亚里士多德（公元前384-322），从哲学的领域来理解我们所处的空间，地圆且处于宇宙中心，不论是行星还是恒星皆绕着地球公转。

首先，他善于雄辩，语言表达能量很强，富有逻辑性；其次，“地心说”符合神学的观点——地球是宇宙的中心，因而被人们推崇。亚里士多德的错误观点持续了1000多年，原因是：亚里士多德还对于地面上的力与运动的关系做出解释：“凡是运动的物体必然有推动者推着它运动”——力是维持物体运动原因，这一观点和当时人们的生活实践符合，好像只有对物体有力去推、拉、提、举，物体才能运动。但学过初中知识，应该知道这个观点是有问题的，物体之所以停止运动是因为受到阻力的作用。由于他极强的逻辑辩论能力，没人能说的过他，而且他的观点又被主流所推崇，所以一直维持下去。4）古希腊另一个物理学家——阿基米德（公元前287-212）

中学学习过他的杠杆原理“给我一个支点，我能撬起整个地球”，还有他的重要的成就——阿基米德原理——物体在液体中的浮力等于它所排开液体的重量，他是靠逻辑推理以及实践得到的结论，与亚里士多德的方法不同，他被誉为静力学和流体力学的奠基人。5）托勒密（公元2世纪）提出完整的地心说宇宙模型提出了本轮均轮的思想其实在公元前，中、西方的思想还都是与时俱进的，尤其是在物理方面，可以说是并列。但在这个时期以后，就进入了长时间“黑暗时期”，尤其是西方，由于战争，古希腊文明古罗马文明几乎断绝了，直到14世纪-15世纪，欧洲开始文艺复兴运动，解放思想、文化。为什么会有文艺复兴运动，其实在文艺复兴运动前，宗教笼罩着整个欧洲，人们坚信上帝的存在，这禁锢了人的思想，但是整个欧洲爆发了黑死病，整个社会都陷入了混乱，死了非常非常多的人。当时的人们就在想“上帝为什么不救我们？”开始提出了质疑。这一思想就是自然科学的发展萌芽，当然，这个时候“地心说”的思想任然深入人心。（6）16世纪，由于航海贸易的对外扩张需求，推动了对天文观测的发展，波兰的天文学家哥白尼（1473年-1543年）建立——日心说。这是一次巨大的革命，直接挑战了地心说的权威性，因此受到教会的迫害。（7）16世纪的意大利思想家布鲁诺（1548-1600年）是一个信奉和宣扬哥白尼体系而英勇献身的殉道士，他在哥白尼的基础上，进一步提出宇宙是无限的，在太阳系外还有无数世界。这一观点直接冲击了教会教义，被处以火刑。（8）同一时期，丹麦著名天文学家第谷（1546-1601），虽然不能接受“日心说”的观点，但根据其观测出天体运动规律，对“地心说”进行改进，采取一个折中的办法，地球是中心，但是其他行星绕着太阳转，而太阳由带领着众多行星绕地运动。9）16世纪末，德国的开普勒（1571-1630），后来成为第谷的学生（助手），接受哥白尼的日心说思想，摒弃了神学的研究，到中学成为中学数学教师，在此期间写了一本《神秘的宇宙》里面包含了他用数学几何方法绘制的各种行星的轨迹。他的数学天赋被第谷看中，邀请他来身边工作。10）17世纪初，第谷去世前，将自己毕生有关天文的观测数据交给开普勒，开普勒集中精力研究行星（火星）运动规律近20年，他觉得行星的运行是具有规律的，而这种规律是各个行星皆通用的，并最终产生了著名的“开普勒行星运动定律”，（必修二的第三章的第一节内容开普勒将科学观测与数学推理相结合得到三大定律，不仅仅推动了天文学的发展，也为力学发展奠定基础。具体来看：第一定律赞同了哥白尼的日心说，而第三定律是后面牛顿通过推理得到万有引力定律的基础。第二阶段：经典力学的建立——从伽利略到牛顿（16世纪到17世纪）1）伽利略（1564年-1642年）意大利物理学家、天文学家、哲学家——是整个近代物理学的第一人。首次将实验与逻辑推理相结合，建立了较为完整的科学探究过程。a.利用落体实验（比萨斜塔实验）来反驳亚里士多德的观点“轻慢重快”，在必修一课本第二章第四节：自由落体运动，不过这一实验是否存在还是值得去考究一下。但可以确定的是他利用了斜面实验+逻辑推理间接证明了物体下落的距离与时间的平方成正比，也就是自由落体运动的规律。b.研究力与运动的关系，提出“惯性”这一概念，利用理想斜面实验（绝对光滑），提出“不受力物体，将一直运动下去”的观点，也驳斥了亚里士多德的力是维持物体运动状态的原因。

第一个大神级别的人物出现了！2）同时期，法国的数学家笛卡尔（1596年-1650年）——提出的笛卡尔坐标系，也就是今天数学上的xy二维坐标系。完善了伽利略对“惯性”的表述，认为不受力的运动物体将沿着一条直线速度不变的运动下去。还提出了“动量守恒”的思想。3）牛顿（1643年-1727年）英国物理学家、数学家。他是神一般的存在，当时英国著名诗人蒲柏说过“大自然及其法则在黑暗中隐藏，上帝说：派牛顿去吧！于是，一切豁然开朗。不过也很巧合的是，在伽利略去世的第二年牛顿就出生了，而牛顿的思想完美的继承并完善了伽利略的研究成果，他是一个集大成者。在经典力学方面，他的最重要的成果有两个：牛顿三大定律（不能相互替代，是相互独立的关系）：惯性定律（基于前人的理论，对惯性进行更为精确的定义，物体总保持匀速直线运动或者静止状态）；加速度定律（a=F/m或者F=ma,这个表达式是人类历史上巨大进步，从此刻开始自然规律，西方不再单纯用语言描述，而多是用表达式来表述，这一点，东方就明显晚于西方，东方直至近代才有）;作用力与反作用力定律（描述物体之间的相互作用）b.万有引力定律（思考地面上的物体之间的力与天体之间力的联系）结合惠更斯“向心力“的表达式+开普勒三大定律+牛顿运动定律=F万正比m1m2/r^2将引力从天体物理拓展到万物之间。牛顿力学的建立意味着经典力学的建立，至此以后，人们看待自然中的运动就不再神秘陌生，因为有了规律可循，也就是牛顿运动定律。牛顿毕生对物理学以及数学的主要研究被记录在他的著作《自然哲学的数学原理》中，在数学上，牛顿发明了微积分第三阶段：经典力学的完善1）卡文迪许（1731-1810年）英国物理学家在1797年完善了万有引力定律的常数测定，利用扭秤实验G，这个常数的测定才真正意味着牛顿定律的广泛应用。万有引力定律才被真正应用到实践中，例如：海王星和哈雷彗星的发现（通过计算得到的）。2）后面还有大量的科学家例如胡克（胡克定律）、惠更斯、莱布尼兹等等都在进一步完善牛顿力学的内容（比如机械能守恒、动量守恒、功能关系等等）。同时期，还有对经典电磁学（比如麦克斯韦方程组）、光学、热学的研究。直到19世纪末，人们认为经典物理学已经几乎完美，经典物理学大厦已经建成，后面的科学家只需要添砖加瓦即可。但从我们今天来看，经典物理学仅仅描述的是宏观低速运动（包括我们周边的事物运动以及天体的运动），一旦进入微观光速运动，经典物理学的某些结论就变得不准确。比如：光电效应、黑体辐射等等

第四阶段：经典力学迈向量子力学从经典物理学到近现代物理学（1）普朗克（1858-1947年）——量子力学的创立者，在他之后大量的科学家去完善量子力学，包括今天我们在社会经常提到的量子通讯技术都是由量子力学发展起来的，还有量子纠缠等等（2）爱因斯坦（1879-1955年）——相对论的创立者，这在必修二第三章还单独领出来一节讲这件事，又是质能方程的创立者，还是光电子的发现者，没有他几乎原子弹不可能造出来。再回到人们对宇宙的探索，牛顿和爱英斯坦都在考虑是谁第一个推动了宇宙的运动，牛顿认为是“上帝“，爱英斯坦开始时认为空间中充满了以太，但是迈克尔逊莫雷实验结果证明以太不存在，整个宇宙其实处于引力场中。宇宙空间是弯曲的，所有物质存在于引力场中。到今天还有一个认识——来源于宇宙大爆炸，从一个奇点不断以光速扩张。高中阶段，主要学习的还是经典物理学的一部分，在力学领域，多是400多年前的牛顿力学的研究成果，其实，主要学的是一种认识了解自然的物理思维方法，在必修一中就涉及到很多种思维方法：1）建构理想模型法：忽略次要因素，突出主要因素必修一中的：质点、地面光滑、轻杆轻绳模型、匀变速直线运动、自由落体运动必修二中的：抛体运动、匀速圆周运动必修三中的：点电荷、恒定电流、匀强电场、匀强磁场等等2）极限思维：将一般情况外推到极端情况（或者理想情况）例如：平均速度v=x/t，将t趋向于0，x越小，平均速度就趋于瞬时速度3）理想实验方法：将实验与逻辑推理结合伽利略的理想斜面实验，得到牛顿第一定律4）微元法：将问题划分，先化整为零，再求合；v-t图像所包围面积表示位移（5）比值定义法：两个物理量比值定义另一个物理量比如初中的：密度、电阻高中即将学到的：速度、加速度等等（6）放大法：待测物理量很小的时候，需要将其放大比如：必修一三章第一节讲到弹力的时候，研究微小形变，采用了光