自然科学概要（第二版）（微课版）课件 7.1经典力学及热力学

1经典力学和热力学CONTENTS第7章近代物理学经典电磁学和光学27.1课程标准

1.知识目标了解牛顿、焦耳、赫姆霍兹、克劳修斯、汤姆孙等的创新成果。理解牛顿第一定律、牛顿第二定律；牛顿第三定律、万有引力定律、热力学第一定律。理解热力学第二定律及熵的内涵。2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。

第一节经典力学和热力学

一、经典力学构建经典力学理论体系大厦的是英国科学巨匠牛顿。牛顿(1643—1727)在数学上发明了微积分；在天文学上发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在力学中，他系统总结了三大运动定律，创造了完整的经典力学体系；在光学中发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。

一个人只要享有这里的任何一项成就，就足以名垂千古，而牛顿一个人做出了所有这些工作。

44岁牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》出版，给他带来了巨大的声望。牛顿(1643—1727)

1.牛顿第一定律

“一个不受任何外力(或者合外力为零)的物体将保持静止或匀速直线运动。”

这个结论称为牛顿第一定律。牛顿第一定律表明，任何物体都具有保持运动状态不变的性质，这个性质称为惯性，所以这个定律也称为惯性定律。正是由于物体具有惯性，所以物体运动状态的变化，只有在外力作用的条件下才会发生。因此，惯性是物体的属性。惯性图片

2.牛顿第二定律

力是产生加速度的原因

3.牛顿第三定律

作用力和反作用力图片

4.万有引力

牛顿发现万有引力的实际历史过程和思路非常复杂，我们这里分析一下其推导过程。万有引力图片

（1）根据牛顿第一定律:太阳和行星的运动表明，它们处于平衡状态，因而一定有一个净力作用于行星，否则，行星就不会绕太阳运动，将会沿着直线运动。

由于椭圆运动近似于圆周运动，因而行星在任何时刻都受到一个指向太阳的向心力的作用。

（2）根据牛顿第二定律:这个力的大小为:

F向=ma向

（3）根据惠更斯向心力定律:

∵

a向=V2/R；V=2Rπ/T，

∴a向=V2/R=（2Rπ/T）2/R=4Rπ2/T2

F向=ma向=m·4Rπ2/T2=4mRπ2/T2

；

式中T为行星绕太阳旋转的周期。

（4）根据开普勒第三定律：T2=kR3

F向=4mRπ2/T2

=4mRπ2/kR3=4π2/k·m/R2

令4π2/k=CF向=Cm/R2

（5）根据牛顿第三定律:太阳对行星有向心力，行星对太阳也有向心力，这个力与太阳的质量成正比，与距离的平方成反比。F′向=C′M/R2

∵F=F′

∴Cm/R2=C′M/R2Cm=C′MC′/m=C/M=GC/M=GC=MGF向=Cm/R2=MGm/R2

F引=GmM/R2二、热力学

（一）能量守恒定律

1.热质说在古希腊的德谟克里特和伊壁鸠鲁以及古罗马的卢克莱修的著作中都出现了“热是物质的”这种说法。

1703年史塔尔提出的“燃素说”，本质也是热质说。主张热质说的人认为，热是“一种特殊形态的没有重量的物质”，当热质进入物体后物体就会发热。2.运动说（1）1798年美国物理学家汤姆森发现钻孔时钻出的金属屑足以把水烧开。

（2）1799年英国人戴维将两块冰固定在一个由时钟改装的装置上，使两块冰可以不断地摩擦。然后把它们放进抽成真空的大玻璃罩内，两块冰通过摩擦慢慢溶解为水。运动生热图片

（3）德国医生迈尔(1814—1878)第一个得出热的机械当量为1千卡等于365千克米。（4）英国物理学家焦耳(1818～1889)用了近40年时间，做了四百多次实验，确定了热功当量的精确值是：423.85千克米／千卡。现在是418.4千克米／千卡。后人为纪念焦耳，在国际单位制中采用焦耳为热量的单位，取1卡=4.18焦耳

。（5）德国物理学家和生物学家赫姆霍兹(1821～1892)在《力的守恒》论文中提出，“力”(即能量)是守恒的，并证明了普遍的能量守恒原理。

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。焦耳(1818—1889)

（二）热力学第一定律

热力学第一定律是在19世纪中叶被德国物理学家克劳修斯（1822-1888）和英国物理学家汤姆孙（1824-1907）运用于热力学系统而获得的。热力学第一定律可表示为：

Q=（T2-T1）+W.

即：系统由外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外做功。还可表述为不可能制造出不消耗能量的永动机。克劳修斯汤姆孙

（二）热力学第二定律

热力学第二定律是经汤姆孙和德国物理学家克劳修斯的进一步研究，于1850年发现的。热力学第二定律：在一个孤立的系统内，热总是自发地从高温物体传到低温物体中去,而不是相反。根据热力学第二定律，人们认识到热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，而总要把一部分热量传给低温热源。

热总是自发地从高温物体传到低温物体中去

克劳修斯于1865年发表一篇论文，提出了“熵”的概念：将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，S=Q/T。

在封闭系统中，有两物体，它们的温度分别为T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的时间内，有dQ的热量从T1传到T2，因为T1﹥T2

，则有：dQ/T2-dQ/T1﹥0

这就导致了熵的增加。

以熵增加原理表述的热力学第二定律，即：孤立系统的熵总是会自发地趋于极大。定律指出，在一个孤立系统中，任何物理过程或化学过程总是导致熵的增加，系统最终达到一个具有极大熵值的平衡态，而且这种熵增过程是一个不可逆的自发过程。熵的本义表征系统的状态。

宏观意义表征系统能量分布的均匀程度（能量平均状态是熵值达到最大的状态）；

微观意义表征系统内部粒子的无序程度。一旦成为无序状态，它就再也不可能恢复到高度有序状态。克劳修斯将这一定律推广到