经典力学体系的建立.ppt

1、a,1,牛頓,Newton,(16421727),a,2,经典力学体系的建立,a,3,经过许多科学家的努力，在天文学和力学方面已经积累了丰富的资料。在此基础上，牛顿实现了天上力学和地上力学的综合，形成了统一的力学体系。这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合。它开辟了一个新的时代，并对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响。牛顿力学的建立是科学形态上的重要变革，标志着近代理论自然科学的诞生，并成为其他各门自然科学的典范。然而，在十七八世纪里其他自然科学仍处在积累资料的阶段,a,4,目錄,经典力学体系化的知识基础 牛顿和他的力学体系 牛顿时代其它科学的发展 科学观与自

2、然观的变革,a,5,经典力学体系化的知识基础,欧洲经过16世纪百余年的宗教和政治改革的大变动之后，到17世纪下半叶进入了一个政治上较为安宁，经济上趋于繁荣的时期。生产实践为力学研究提出了许多问题，这就给科学的发展以推动 推动科学家们研究天体运动规律的另一个原因则是由于科学自身发展的要求。例哥白尼学说提出了许多悬而未决的问题。诸如行星运动的轨道形状问题，为什么行星要沿着一定的轨道绕日运行问题等等。这些问题的研究并不是出于某种实用的目的，但它对科学未来的发展却具有极重要的价值。正是这种研究为近代力学的体系化奠定了知识基础,a,6,经典力学体系化的知识基础,航海迫切需要天文表和计时器,a,7,经典力

3、学体系化的知识基础,伽利略通过对自由落体的研究，已经发现了惯性运动和在重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想。伽利略关于抛物体运动定律的发现，对牛顿万有引力的学说也有深刻的启示作用。,a,8,经典力学体系化的知识基础,1609年，开普勒出版了他的新天文学一书，公布了太阳系行星运动的两条基本定律： 行星运动第一定律：行星的轨道为椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上； 行星运动第二定律：在相等的时间内，行星和太阳的联线所扫过的面积相等，亦称面积定律。 在这之后，开普勒又发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方比等于它们轨道半径（半主轴长）的立方比，亦称周期定律。,

4、开普勒(1571-1630） 德国天文学家。,a,9,牛頓的一生,牛頓於1642年的聖誕節十二月廿五日生於英國倫敦北方兩百公里林肯郡的農村烏爾索普(Woolsthorpe)。牛頓性格十分內向，勤奮好學。父親經營農場，但在牛頓出生前三個月就去世了，母親改嫁，與牧師再婚，幼小的牛頓與祖母相依為命。1661年牛頓就讀劍橋大學的三一學院(TrinityCollege)，由叔父提供學費，修習數學和物理。大學時代初期沒有特殊表現，後來在巴羅教授(IsaacBarrow,1630-1677)的指導下才迅速展露非凡的天份。,a,10,1665年獲得學士學位，但幾個月後，因為淋巴腺鼠疫流 行，大學關閉停課。牛頓

5、便回到烏爾索普，在此後兩年 間，牛頓利用這段被強迫放假的時間，認真思考自 然界的規律問題。這兩年也是牛頓自認為一生當中獨創 力的顛峰時期，最重要的發現都是在這一時期完成的； 萬有引力就在此時發現，因而有烏爾索普的蘋果樹 的傳說。力學與微積分也都是此段時間發明的；圓與橢 圓部份面積的計算是當時數學家挑戰的難題，居然被25 歲的牛頓解決了。直到1667年初，牛頓帶著一流的研究 成果回到劍橋，當年即被指定為三一學院的研究員，有 了薪水，悉數購買實驗器材，開始製作反射望遠鏡，並 且定居下來。1666年他發現光的散射現象，波長短的藍 光或紫光，通過稜鏡時偏折較多，波長長的紅光，偏折 較少。1668年，他

6、獲得碩士學位。,a,11,牛頓的老師巴羅教授是當時頂尖的科學家和數學家，影響牛頓的 光學成就極深。他對於牛頓的研究成果非常驚訝，兩年後，他辭 去教授的職位，讓給牛頓，1669年，年僅27歲的牛頓就當了劍橋 大學的教授。此後，他醉心於化學實驗，包括煉金術在內；直到 1684年哈雷(EdmundHalley,1656-1742)勸他從事理論力學才罷休 。1672年牛頓發表第一篇學術論文，主題是關於光的實驗，登在 哲學學報上，盡全力於理論力學的工作，1687年發表了曠世鉅 作原理(Principia)一書，1689年牛頓作為大學的代表，當選為 下議院的議員，當時議會通過保護人權的強大法律，確立議會具

7、 有高於君主的地位，牛頓開始參與政治。1695年，牛頓擔任造幣 廠的督察，負責重鑄因內戰而貶值的銀幣，任務完成後，於1699 年擔任總監，一直到1727年逝世為止。牛顿的个人性格乖僻,沉默 寡言，终生末娶,BACK,a,12,牛顿和他的力学体系,牛顿对科学的杰出贡献是他建立了经典力学的体系，这集中地体现在他的著名著作自然哲学的数学原理一书中。1687年出版的这部著作共分三卷，第一卷分析了物体在向心力作用下的运动，第二卷分析了物体在阻力介质中的运动。在这两卷中，阐述了作为力学基础的时间、空间、质量、动量、力等基本概念，叙述了运动的基本定律，即牛顿力学三定律，解释了书中所使用的数学问题，并用演绎方

8、法推演出万有引力定律。第三卷是关于宇宙的构造，这是用已发现的力学定律去解释哥白尼学说和天体运动的规律。,a,13,牛顿和他的力学体系,牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。牛顿对于力学的最重要贡献则是万有引力的发现。 牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，建立起了经典力学的理论大厦。牛顿把他的力学理论应用于太阳系，解决了天体力学中的一系列问题。他拿出了计算太阳质量和行星质量的方法，证明了地球是一个赤道凸出的扁球，解释了岁差现象，说明了潮汐的涨落，分析了慧星运动的轨迹和天体摄动现象等,a,14,牛顿和他的力学体系,在18世纪及以后的一系列

9、事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。 对证实牛顿万有引力定律有重要意义的事实，一是哈雷慧星的发现, 二是地球形状的证实,三是关于行星摄动现象的证实。此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。1781年，英国天文学家赫舍尔（17381822）发现了天王星，首次发现了行星的摄动。1799年，法国著名科学家拉普拉斯（17491827）出版了天体力学一书，建立了行星运动的摄动理论和行星的形状的理论，进一步证实了万有引力定律的正确性。在这之后，人们运用万有引力定律对天王星摄动现象进行复杂的计算，预言了海王星的存在。1845年发现了海王星，这是对万有引力定律的有力证明。,a,

10、15,牛顿和他的力学体系,一批科学家以牛顿的学说为基础，创立了力学的新的分支。诸如弹性力学、流体力学、材料力学等等。到18世纪末，牛顿和牛顿力学已取得了巨大的威望，运动三定律和万有引力定律的地位已牢牢确立。,a,16,牛頓的蘋果,年輕的牛頓一直在想：蘋果會掉下來， 但月球為什麼不會掉下來？,伽利略的慣性定律：不受外力作用的物體，沿一直線作等速度 運動。牛頓把它運用在地球與月球的系統上；如果地球對月球 沒有任何作用力的話，月球將沿著圓形軌道的切線方向飛出去， 然而月球並沒有飛出去，依然在圓周上繞著地球運轉，表示月球 一定受到地球的引力而被拉住。換句話說：月球一直沿著圓形軌 道的切線方向飛出，但地

11、球的引力一直把月球拉著掉下來，結果 ，月球永遠在圓形軌道上運動。,a,17,地球會吸引月球，當然也會吸引烏爾索普的蘋果往地上掉了，這是兩個同性質的力的作用，牛頓的靈感太偉大了！ 原理一書是所有的科學著作中最偉大的一本，用拉丁文撰寫的。全書論述周密，文風雅正，表現超脫，接近於現代真理的科學文體，是為其他的物理學家而寫。全書分前言及三卷：前言和第一卷是他著名的運動定律，討論在無阻力的狀態下，物體運動所遵循的定律。第二卷研究物體在阻力下的運動情形。第三卷論述萬有引力，並以天文學的應用為實例說明。,BACK,a,18,萬有引力定律,地球對於蘋果和月球都有相同性質的吸引力，那麼這個引力有多大呢？在定性的

12、問題解決之後，牛頓接著想到的當然是定量的問題。根據月球的圓形軌道半徑與其公轉週期，可以得知月球受到地球的引力，是月球在地球旁邊時所受引力的1/3600倍，月球的軌道半徑大約等於地球半徑的60倍，牛頓想：這是否代表引力的大小與地球距離的平方成反比？於是，萬有引力定律產生了：宇宙間的一切物體，彼此有一個吸引力的作用，其大小與質量的乘積成正比，與兩物體間的距離平方成反比。那麼，行星與太陽之間有沒有這一種力呢？根據刻卜勒的行星運動第一定律：行星的軌道是一個橢圓，太陽在兩個焦點之一。牛頓把行星的軌道假設為圓形，予以簡化；行星繞著太陽的運動，就像月球繞著地球運動一樣的情形了。再與刻卜勒第三定律驗證一下？該

13、定律說：行星軌道距離的三次方與行星週期的平方的比值是固定的。牛頓利用行星的軌道距離與週期的關係，來計算太陽與行星之間的作用力，居然與他的萬有引力定律相吻合。這樣，牛頓確信這個定律能夠適用於宇宙間的一切物體。,BACK,a,19,在牛頓離開劍橋之前，由於製作望遠鏡而開始對白光的本質感到興趣並且進行實驗；他用一塊玻璃三角稜鏡把日光分成彩虹的七色光，再用另一個稜鏡恢復為白光；光是由許多色光混合而成的，且有色散現象。望遠鏡的透鏡沒有經過色差的校正，使成像的邊緣帶有彩色；為此，牛頓認為折射望遠鏡無法做到無色差的程度，於是他在1671年製造了第一台反射式望遠鏡，口徑只有2.5公分，在倫敦的皇家學會展示，因

14、為此項重大發現，在1672年當選為英國皇家學會會員。,光學成就,BACK,a,20,牛頓年表,1642年 0 12月25日，牛頓誕生於烏爾索坡。父親己過世。 1645年 3 母親改嫁鄰材牧師，牛頓與外祖母相依為命。 1649年 6 進私塾念書。製造日晷儀、水車。 1655年 13 入讀中學，寄宿藥師克拉克家。製造風車、水漏時鐘 1656年 14 母親的第二任丈夫去世，牛頓休學回家幫忙。 1658年 16 重回格蘭姆學校。 1661年 19 入劍橋大學三一學院，當工讀生。 1664年 22 獲得三一學院獎學金，停止工讀，專心研究。 1665年 23 大學畢業，留校研究。發明二項式定理。 1666

15、年 24 發明萬有引力、微積分學，研究光譜及望遠鏡。,a,21,1667年 25 重回劍橋大學，被選為特別研究員。發明反射望遠鏡。 1668年 26 獲碩士學位。 1669年 27 任三一學院的數學講座教授。開始講授光學。 1671年 29 向皇家學會提供反射望遠鏡。 1672年 30 被選為皇家學會會員。 1675年 33 發現牛頓環，提供光的微粒說。 1677年 35 萊布尼茲宣告發明微積分學，兩人產生論戰。 1684年 42 開始寫數學原理。 1687年 45 數學原理出版，舉世震驚。 1689年 46 被選為國會議員。母親過世。 1690年 48 發表宗教論文。 1692年 50 神經

16、衰弱。,a,22,1693年 51 微積分學出書。駁斥無神論者。 1699年 57 任造幣局局長。擬訂曆法修正案。接外甥女來往。 1700年 58 發明六分儀。 1701年 59 連任國會議員。 1703年 61 任皇家學會會長。 1704年 62 光學出版。 1705年 63 安妮女王封為爵士。 1708年 66 微積分學公開論戰。 1711年 69 出版分析學。 1725年 83 遷居郊區養病。 1726年 84 數學原理三版。 1727年 85 三月二十日逝世，葬於西敏寺。,BACK,a,23,結語,牛頓可以明確地描述運動定律，更能準確地預測物體的運動狀況，在古典物理學上有卓越的貢獻。當

17、英國的天文學家哈雷稱讚牛頓在天體物理學上的成就時，牛頓謙虛地回答：如果說我看得比別人遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。今天我們研究物理學或天體物理學，都把理論建立在牛頓力學的基礎上，就像當年牛頓的研究，都建立在四大天文學家的研究結果上一樣，意含著科學研究在承先啟後上的意義。四大天文學家分別是：哥白尼、第谷、刻卜勒、和伽利略。,a,24,牛顿时代其它科学的发展,十七八世纪自然科学的主要成果是牛顿力学的形成.牛顿的科学成就和科学思想开辟了一个新的时代,力学在一个时期里率先发展,通过许多人的努力日趋完善.其它自然科学也取得了许多成果.整个来说,其它各门自然科学尚处在积累资料并逐渐形成为独立学科的时期

18、.,a,25,微积分的建立,笛卡儿坐标几何和解析几何,把代数和几何统一起来,把曲线看成点的轨迹.用方程 表示曲线.,a,26,微积分的建立,哥列高利(1638-1675)建立了函数的概念. 牛顿从解决力学的需要建立了微积分学.主要的分析学,流数法及求积术,德国数学家莱布尼兹从 研究几何出发,也独立地 建立了微积分学,a,27,光学,望远镜,眼镜,透镜的制造为光学奠定了基础. 古代人发现光是直线传播的和反射现象.伽利略曾提出光是按的限速度传播的,开普勒考察过光的折射现象.并认为光的强度与光源距离的平方成反比而衰减.荷兰数学家斯涅耳(1591-1626)发现了光的折射定律,提出了折射率概念.丹麦天

19、文学家雷默算出了光速.,a,28,微粒说与波动说之争,笛卡儿根据光的直线传播和反射等现象,认为光是由微粒实体组成的. 意大利的格里马第(1618-1663)发现了光的衍射现象,设想是一种能作波浪动作的流体. 惠更斯主张光是靠静止以太为介质来传播的纵波,并从光的波动说推出了光的折射,反射定律,但却难以说明光的偏振现象. 说明粒子,波,反射,折射,衍射,偏振概念.,a,29,光的偏振,现在让软绳穿过一块带有狭缝的木板，如果狭缝与振动方向平行，则振动可以通过狭缝传到木板的另一侧（图甲）如果狭缝与振动方向垂直，则振动就被狭缝挡住而不能向前传播（图乙）如果将这根绳换成细软的弹簧，前后推动弹簧形成纵波，则

20、无论狭缝怎样放置，弹簧上的纵波都可以通过狭缝传播到木板的另一侧（图丙,a,30,光的偏振,在与光波传播方向垂直的平面内，光振动的方向可以沿任意的方向光振动沿各个方向均匀分布的光就是自然光光振动沿着特定方向的光就是偏振光,a,31,光学,牛顿是17世纪光学的集大成者。牛顿发现了光的色散现象，证明了不同光谱色的光可以合成为白色光。牛顿指出，一切自然物体的颜色只是由于它们对某一种光谱色的光反射得更多些。牛顿关于颜色的理论，是光学中的重要突破。牛顿设计并制造了反射式望远镜。牛顿对于光学的研究成果，集中地反映在1704年出版的光学一书中。,a,32,光谱,氦光谱,汞光谱,a,33,牛顿遗留的问题,物体能

21、否使光发生弯曲. 光与物能否互相转化. 光射到黑色物体上如何反射,折射,被吸收. 固体加热到一定湿度为什么会发光.,a,34,声学、热学和电磁学,18世纪，热学上的第一个重要进展是由于德国的华仑海特（16861736）和瑞典的摄尔西斯（17011744）建立了测定温度的标准，据此发明了华式和摄氏温度计，从而有可能把温度与热量区别开来。英国物理学家，化学家布莱克（17281799）在论证了温度与热量区别的基础上，进而提出了比热和潜热的概念。这些概念的形成是18世纪热学的主要成就。热学的研究在这时是同蒸汽力的应用分不开的。在对热的本质的认识上，布莱克等所倡导的热质说或热素说则仍占统治地位,a,35

22、,什么是潜热,潜热当单位质量的物体在吸收或放出热量的过程中，其形态发生变化，但温度不发生变化，这种热量无法用温度计测量出来，人体也无法感觉到，但可通过试验计算出来，这种热量就称为潜热。所以我一再强调，不要只看温度来比什么谁家的空调用电超级省！比如甲家室外37，室内设26，十小时耗电5度，而乙家室外37，室内设26时，十小时耗电8度，这是完全正常的，不能就此说甲的空调好，乙的空调不好！要具体情况具体分析，不同的使用环境下，空调的工况是不一样的，耗电也就不一样！,a,36,电磁学,在电和磁学的实验研究方面，英国剑桥大学的米歇尔（17241793）在1750年发现了两个磁极之间的作用力与磁极间距离的

23、平方成反比 电学方面在18世纪的进展，首先是因为有了静电起电机和莱顿瓶的发明。荷兰莱顿大学的森布罗克（16921761）和德国的克莱斯特（17001748）分别发明了能贮存静电电能的电容器，即莱顿瓶。静电起电机与莱顿瓶的发明为静电研究提供了实验工具。美国的富兰克林（17061790）对闪电的本性作了开拓性的勇敢的探索，证实了地上的静电与天上的雷电本质上相同，由此发明了避雷针。1785年，法国军事工程师通过实验测定，建立了静电荷之间相互作用的数量关,a,37,电磁学,莱顿瓶,a,38,化学,15世纪以后，作为化学原始形式的炼金术已经衰落，代之而起的则是医药化学。17世纪的医药化学家们发现了一些新

24、的化学属性、化学反应和化学药品。17世纪真正把化学确立为一门科学的是著名的英国科学家波义耳（16271691）。他发现了气体方面的波义耳定律。波义耳根据大量的实验论证了化学元素的概念，把元素同化合物，混合物区别开来，使化学从炼金术中脱离开来。他在其主要著作怀疑的化学家一书中给元素下了比较清楚的定义。波义耳把严格的实验方法引入了化学，确立了化学的独立性，成了近代化学的奠基者。,a,39,化学,化学在十七八世纪的重要成果是法国科学家拉瓦锡建立了氧化燃烧理论。 1774年，英国化学家普列斯特利（17331804）通过实验得到一种能够帮助可燃物质燃烧的气体。拉瓦锡把这种新发现的气体命名为氧，并提出了新

25、的燃烧学说，这就彻底地推翻了燃素说。对燃烧现象的深入研究，不仅得到了氧，还导致了18世纪对碳酸气、氢气、氯气，氮气等的发现。18世纪的化学家们还改进了化学分析方法，发展了吹管分析，湿法分析等分析方法。这一切为19世纪原子分子学说的提出，为化学工业的成长，奠定了科学技术基础。,a,40,生物学,显微镜的发明与生物学的成果。1661年，意大利解剖学家发现了蛙肺的动脉末端与静脉末端是通过毛细血管相连的，证实了血液的肺循环过程。这一发现是靠显微镜实际观察的结果。显微镜是推动生理学、生物学前进的重要观察仪器。经荷兰人列文霍克（16321723）的改进，使显微镜放大倍数已达270倍，这就为观察生物的微结构

26、和微小的生物提供了有力的工具。胡克在1665年用自制的显微镜观察软木组织，发现了细胞。马尔比基（16281694）等人在植物中观察到了细胞组织，列文霍克又在显微镜下发现了血液中的血细胞，从而揭开了细胞学研究的序幕。1675年，列文霍克在污水中发现了大量的极小的动物一一一微生物，这就使生物学的研究进入了一个新的领域,a,41,生物学,自古以来，在对于生物物种的由来的看法上，有所谓的自然发生说。第一个对自然发生说提出疑义的是意大利的雷迪（16261676），直到19世纪，才由巴士德（18221895）的著名实验，彻底否定了自然发生说。 在十七八世纪中，关于物种由来的问题曾发生过预成说与渐成说的争论

27、。预成说主张，组成生物驱体的各种器官，不是新生成的，而是在卵里就已经形成了，后来只不过是它的扩展而已。渐成说认为，各种器官是由尚未分化的基体渐渐形成的。在十七八世纪里占统治地位的是预成说。随着胚胎学的进步，预成说才逐渐破产了。,a,42,生物学,18世纪生物学的重要成就是瑞典学者林耐（17071778）作的动植物分类。林耐于1735年出版了自然系统一书，书中采用人为分类法，把有花植物分为23个纲，无花植物为一纲，成为“林式24纲”。纲下又分为目、属、种，从而建立了植物的分类体系。在动物分类上把动物分成6个纲。林耐还发展了生物命名的“双名法”，生物名称用两个拉丁字母表示，第一字是表示属名，第二字

28、表示种名。林耐基本上完成了生物的人为分类，也使后人有可能进一步研究物种之间的关系和物种进化。 演化思想的先驱者法国的布丰（17071788）认为，自然界是没有栅栏的，把生物分为不连续的纲、目、属、种是错误的。布丰从他的观点出发，写了动物自然史，对大量动物进行了详细分类。布丰并且主张大自然能够从一个原始的类型发展出一切其他的生物种类，最早提出了物种演化的观念。,a,43,概述,从16世纪中叶由哥白尼发起的天文学革命，到17世纪末叶牛顿经典力学体系的建立，是近代自然科学发展的第一个时期。经典力学体系的建立，标志着理论自然科学首先在力学领域诞生了。理论自然科学是建立在实验基础之上，并且是定量地表述自

29、然规律的一种知识体系。它与古代自然哲学的直觉猜测不同，又与实用科学的经验知识汇集有根本的区别。力学在这一时期里作为带头学科，它的概念和方法对其他自然科学的发展有着深刻的影响。哈维血液循环理论的建立，使医学、生理学、生物学从神学中解放出来，生理学、胚胎学取得了独立的科学地位，动植物分类系统的建立，又为生物学研究开辟了道路；化学摆脱了炼金术的形式，经波义耳确立为独立学科；声、光、电、磁、热等物理现象的实验研究取得了新的进展。,a,44,科学观的变革,科学内容及由此而引起的科学形态的变革，极大地影响了人们对科学的基本看法，引起了科学观的变革。在这一时期，推动科学前进的力量，当然还不完全是出于功利主义的目的。但是近代自然科学的发展，却逐渐证明了它自身的价值。近代自然科学发展的一个重要特点，就是许多科学都表现出对当时一些主要技术问题的关切。技术的改进需要不断地应用科学，科学的重要性逐渐地为人们所认识。17世纪的培根和笛卡儿就深信人类可以建立完整的自然科学知识体系，因而就会一大比一天生活得更好。 18世纪的多数学者不仅相信科学会有益于人类的进步，而且相信人类能得到充分可靠的自然知识，相信