力学的发展历程

力学的发展历程

古代力学的发展

古代最早的物理学体系是亚里士多德系，物理学者这门学科的名称就

是由亚里士多德创立的。在亚里士多德的《物理学》中，主要探讨运动（与

产生和歼灭）、空间和时间以与事物变更的缘由等物理世界的根本原理，

应当说，亚里士多德是比较系统和深化探讨运动与有关的时间、空间的第

一人。

关于运动，亚里士多德认为，物体恒久在运动变更，“运动是永恒的，

不能在一个时候曾经存在，在另一个时候不存在”，这种运动永恒的观点

具有唯物主义思想，包含辩证法的因素，至今仍是主动而有价值的。

对物理学的发展来说，亚里士多德初步提出以物质运动与其与时间、

空间、四周物体的关系为探讨对象，以形成一门独立的自然学科，重视对

近身事物的详细视察，强调思维逻辑的作用，首先引用数学方法来考虑详

细物理定律，从而引起众多的探讨与探讨等。

阿基米德是古希腊继亚里士多德之后又一科学巨匠，他从生产实践动

身，运用数学的方法建立起静力学，被誉为“力学之父”。阿基米德在力

学上的贡献主要是严格地证明白杠杆定理和浮力定律。这是从阅历学问走

向定律建立的重大飞跃。

阿基米德不仅是个理论家，也是个实践家，他一生热衷于将其科学发

觉应用于实践，一生创建独创了很多机构和机器。

经典力学的发展

伽利略对亚里士多德的运动理论进行检验和批判，成为经典力学的先

驱，是近代试验物理学的奠基人，被推崇为“近代科学之父”。

伽利略在力学探讨中做出的重要贡献

1.关于运动的描述

伽利略抛弃了亚里士多把运动分为自然运动和强迫运动的观点，采纳

数学方法来定量地分析运动，对位移、距离和时间的概念赐予准确的数学

表达形式，运用笛卡儿创立的坐标系来定量的描述运动，认为应当依据运

动的基本特征量速度对运动进行分类，由此，把运动分为匀速运动和变速

运动两种，并引入加速度的概念。

2.自由落体运动

伽利略首先运用从一个志向试验得出的佯缪入手，对亚里士多德落体

学说提出了反对。依据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一

块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8,小石头的下落速度

为4,当我们把两块石头拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖着而减慢,

下落慢的会被下落快的拖着而加快，结果整个系统的下落速度应当小于8。

但是两块石头拴在一起，加起来比大石头还要重，因此重物体比轻物体都

小。这样，就从重物体比轻物体下落得快的假设，推出了重物体比轻物体

下落得慢的结论，从而在逻辑上证明白亚里士多德的学说是错误的。再通

过闻名的斜面试验检验自由落体运动符合他所提出的匀加速运动的定义。

自由落体下落的时间太短，当时用试验干脆验证自由落体是匀加速运动仍

有困难，伽利略采纳了间接验证的方法，他让一个铜球从阻力很小的斜面

上滚下，做了上百次的试验，小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落

时的加速度小得多，所以时间简单测量些。试验结果表明，光滑斜面的倾

角保持不变，从不同位置让小球滚下，小球通过的位移跟所用时间的平方

之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。

由此证明白小球沿光滑斜面对下的运动是匀变速直线运动，换用不同

质量的小球重复上述试验，位移跟所用时间的平方的比值仍不变，这说明

不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的状况是相同

的，即加速度与物体的重量无关。

3.惯性定律

伽利略从单摆试验和对接斜面的志向试验中，伽利略提出了惯性的

概念。依据亚里士多德的物理学，保持物体匀速运动的是力的长久运动。

但是，伽利略从小球在水平面上运动的试验推想，假如没有摩擦力等阻力

的作用，小球将保持匀速运动，发觉了初步的惯性定律。

4.抛体运动的探讨和运动叠加原理

5.伽利略相对性原理

伽利略的科学探讨方法的特点

伽利略把视察和试验作为科学探讨的坚实基础。他在探讨工作中，实

行了下面一个对近代科学发展很有效的探讨方法：

对现象的一般视察一提出工作假想一运用数学和逻辑的手段得出特

殊结论一通过物理的或志向的试验对推论进行验证一对假设进行修正和

推广。

伽利略所创设的试验方法、严格的逻辑与数学推理方法，开拓了科学

方法的道路。

自18世纪以来，牛顿已成为整个近代科学革命的象征，可以说，牛

《原理》的其次篇探讨了非常普遍的运动，即物体在有阻力的介质（气

体、液体）中运动，阻力与速度的一次方或二次方程成正比，更为困难的

是阻力中一部分与速度成比例，另一部分与速度的平方成比例。明显，在

这里牛顿用了超群的数学技巧来处理一些在试验中难得遇见的问题。

在《原理》的第三篇中，原本牛顿想将他写成一般性的总结，但后来

变更了安排，将其标题写成“宇宙体系”，并用第一。其次篇中推出的普

遍运动规律来说明自然界中的各种实际问题Q他探讨太阳系的行星、行星

的卫星、彗星的运行，特殊指出了潮汐形成的缘由，正是太阳、月亮和地

球之间的引力作用所致。同时他考虑到流水的特性以与各海峡、河口等地

理因素的干扰，从比较潮汐的最高点和最低点算出月球的质量。另外在第

三篇中，牛顿还计算了行星之间的摄动问题，如太阳对月亮的摄动，土星

对木星的摄动等。得出如下结论：彗星数目确定很多，它们应当属于于行

星的一种，它们绕太阳运动具有很大的偏心率，而且听从于同行星一样的

规律。值得指出的是，在大多数版本中，紧接第三篇之后是一篇关于《世

界的体系》的论文，这篇文章为第三篇的一些主要结果作了非数学性的概

括。

《原理》一书已经公诸于世，马上造成巨大的社会影响，因为它是人

类自然科学学问的首次大综合。他确定了后来力学发展的方向，并为以后

分析力学的发展打下了坚实的基础。《原理》一书所奠定的物理基础和方

法，启迪了人类折服自然的无穷才智。《原理》的出版，表明白一个新时

代和新科学文明的到来。

牛顿的科学方法，不仅是他在科学上作出杰出贡献，而且深刻滴影响

着以后科学家的思想、研和时间方向，对后来的自然哲学和科学发展长产

生了很深远的影响，甚至对于社会科学和哲学的方法论，其意义也是很大

的。

牛顿在科学上胜利地应用了归纳法和归纳与演绎相结合的方法，以与

将分析和综合、试验和理论奇妙地结合起来的方法，不但被公认为学术界

的典范，而且大大丰富了科学方法论的内容，在科学史和哲学史上有突出

的地位。

牛顿的科学探讨方法可以概括为如下几点：（1）公理化方法；（2）归纳

——演绎法；（3）分析——综合法；（4）数学——物理方法；（5）试验一

一抽象方法。

经典矢量量力学的发展

建立了动量、动量矩和动能的三个运动定律以与在特定条件下的三个

守很定律，是经典矢量力学体系臻于完善。

1.质心运动守恒定律

笛卡尔首先提出了运动量守恒定律的基本思想，惠更斯相识到动量的

矢量性，并精确地描述了碰撞过程中系统的动量守恒以与系统共同质心的

运动速度为常数的结论o牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中明确表述

了“心运动守质恒定律”。

2.动量矩守恒定律

伯努利和欧勒等以不同的方式提出这一个原理。与这个原理相应的动

量矩定理指出：系统的总的动量矩的时间变更率，等于所受作用力的力矩

之和。

3.动能守恒定律

德国数学家、物理学家莱布尼茨引进了“活力”概念，认为宇宙中“活

力守恒”，并且发觉力与路程的乘积与活力的变更成正比。直到科里奥利

linv22

力用2代替mv,之后，莱布尼茨的发觉在得到精确的表述：所做的力等

于动能的增加。

分析力学的发展

分析力学是经典力学理论的发展和完善，其形成过程经验了三次大的

飞跃：

第一次飞跃式牛顿力学从质点过渡到刚体和流体的发展，取得突破性

进展的是欧勒运动学方程荷藕了动力学方程的建立。

其次次飞跃是拉格朗日理论的建立。1782年法国物理学家和数学家拉

格朗日将伯努利提出的虚功原理与达朗贝尔提出的达朗贝尔原理结合在

一起建立了