第1章经典力学的建立

1、第1章经典力学的建立,主要学习内容, 近代科学的诞生, 伽利略和近代力学的诞生, 牛顿和经典力学的成熟,伽 利 略,牛 顿,力学：研究物体机械运动的规律及其应用的学科。,机械运动：一个物体相对于另一个物体的空间位置，或一个物体的某些部分相对于其它部分的位置，随时间而变化的过程。,近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。由于可排除摩擦力和空气阻力的干扰，天体运动的规律为人们提供了机械运动的精确的数据资料，有利于得到规律性的认识。,一、近代科学的诞生从哥白尼到开普勒,公元前300多年，古希腊哲学家亚里士多德就提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。,宇 宙,月上世界：“以太”和天体。,月下世

2、界：地、水、火、气四种 元素组成。,月上世界,九重天：,月亮天、,水星天、,金星天、,太阳天、,、,原动天。,公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了13卷巨著天文学大成，系统地确立了地心说，建立了与天文观测符合得更好的天体模型。,托 勒 密,托勒密地心说体系,1543年，波兰天文学家哥白尼发表天体运行论创立日心说，标志近代科学的诞生。,哥白尼（1473-1543年)： 波兰天文学家，毕业于波兰克 拉科夫大学，在意大利留学、 考察10年，对天文学进行了几 十年的深入研究，受毕达哥拉 斯“中心火”宇宙模型的启发， 创建了“日心说”。,哥白尼日心说示意图,天体运行论一页,科学根源：随着天文学观察数

3、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。,历史根源：在意大利留学10年，受到文艺复兴运动的影响，思想解放，投身科学革命。,哲学根源：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；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。,德国天文学家开普勒，首先在物理上对哥白尼学说作出发展，提出了行星运动三定律。,1594年发表宇宙之迷解释了他关于描 述六个行星绕太阳运行的几何模型； 1609年发 表新天文学提出了行星运动第一、第二定 律；1619年发表世界的和谐，提出了行星 运动第三定律；1627年，完

4、成鲁道夫星表 的编制；从开普勒起天文学才真正成为一门精 确的科学，他也成为近代科学的开路先锋。,丹麦天文学家第谷 （1546-1601年),德国天文学家开普勒 （1571-1630年),哥白尼和毕达哥拉斯的哲学思想强烈吸引开普勒。,1600年与第谷合作，使他从第谷处获得了大量精确的天文学数据。,开普勒发现利用哥白尼模型火星轨道数据与第谷观测的数据有8分偏差，促使他改进理论模型。,“感谢上帝赐给我第谷这样的老师，他是天才的观测者。正是这8分的误差，引导我走上改革整个天文学的道路。”,开普勒第一定律（椭圆定律）：行星运动的 轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。,开普勒第二定律（等面积定律）：

5、行星轨道的矢径在单位时间内扫过的面积相等。,开普勒第三定律（和谐定律）：行星运动周期T 的平方与轨道半长轴a的三次方成正比。,鲁道夫星表 中的一页,二、伽利略和近代力学的诞生,伽利略奥伽利略（Galileo Galilei,1564 - 1642）：意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、物理学家、力学家和哲学家，也是近代实验物理学的开拓者；不屈不挠地维护真理的战士。,恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”。,1.伽利略的科学成就,设计制造了最早的天文望远镜（1609年）,为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为国际天文年。,它由一凸透镜和一凹透镜组成，具

6、有两大功能：能收集更多来自天体的光；能放大，放大倍数33。,在天文学方面的贡献,发现银河系是由大量恒星组成的；月亮表面 有环形山；木星的4颗卫星；土星的光环等,月球上有环形山,木星有四颗卫星,金星有盈亏,土星有光环,发现太阳黑子，定出太阳自转周期,太阳也不是光洁无瑕的，它的表面上有黑子。从黑子在太阳表面上有规律的运动，他断定太阳以二十七天左右的周期进行转动。,星界信使扉页,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”；而是抓住了运动的基本特征量速度和加速度，把运动分为“匀速”和“变速”,提出了自由落体定律,跨越时空的对话,在力学方面的贡献,思想实验和逻辑的力量,伽利略：重物与轻

7、物应该下落得同样快。,单斜面实验与自由落体定律,加速度的概念,利用理想实验（思想实验）方法,自由落体定律,双斜面实验与惯性运动,提出了惯性运动概念,利用理想实验（思想实验）方法,明确了力不是产生速度的原因，而是产生加速度的原因,笛卡儿的修正,1644年法国数学家、哲学家笛卡儿在其哲学原理一书中弥补了伽利略的不足，明确指出：,除非物体受到外力作用，物体将永远保持其静止或直线运动状态，也就是惯性运动物体不会使自己趋向曲线运动。,提出了相对性原理,两大世界体系的对话扉页,飞花两岸照船红，,百里榆堤半日风。,卧看满天云不动，,不知云与我俱东。,相对性原理：所有的惯性系都是平等的或不能用任何力学实验来区

8、分一个系统是静止还是在做匀速直线运动。,2.伽利略对科学方法的贡献,“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。” 爱因斯坦,开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维(科学假设、数学推理和演绎）相结合，获得了突破性的发现。,提出了理想实验（思想实验）方法，在近代 科学研究中更是起到了非常重要的作用。,从斜面实验看伽利略的研究方法,对现象的观察,提出假设（匀加速运动）,进行数学和逻辑的推理,实验验证（st2）,形成理论,斜面实验被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。,伽利略被后人称为“近代物理之父”。,大自然及其法则在黑暗中隐藏， 上

9、帝说：“派牛顿去吧！” 于是，一切豁然开朗。,18世纪英国诗人蒲柏（Von Pope）,三、牛顿和经典力学的成熟,牛顿（Isaac Newton.1643-1727年）：英国著名的物理学家、数学家和天文学家，是十七世纪最伟大的科学巨匠。,1643年1月4日诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普(Woolsthorpe)一个自耕农家庭。,牛顿的家乡,遗腹子，早产儿，先天不足；3岁母亲改嫁，由外婆抚养长大；性格孤僻、腼腆、体弱多病；但发奋读书，喜欢制作模型。,日晷仪,四轮车,小风扇,风车及水磨 的机械原理,18岁进入剑桥大学三一学院(Trinity College)学习。,巴罗(I.Barrow.1630

10、1677年) , 剑桥大学第一任“卢卡斯讲座教授”, 三一学院院长和剑桥大学副校长 ，是当时顶尖的数学家，剑桥大学的首席教授席位就是专门为他设立的。,1665年，23岁的牛顿取得学士学位，同年夏天避居乡下，在乡居两年的静思期间，悟出了许多道理。,“在那些日子里，我正处于发现的全盛时 期，对数学和哲学的思考比此后任何时期都更 专心致志。” 牛顿，73岁时的回忆录,1667年重返剑桥,1668年获硕士学位；这一时期，牛顿在多方面取得重要的创造性发现。 1669年，巴罗教授为让牛顿充分施展才能，将其“卢卡斯讲座教授”的荣誉职位主动让给了当时只有27岁的牛顿。,1672年被选为英国皇家学会会员；168

11、7年出版自然自然哲学的数学原理这一经典物理学的圣经。,1703年，当选为英国皇家学会会长，并连任5届。1704年发表其另一名著光学。1727年3月20日病逝，终年85岁。,牛顿一生，不仅在物理学、天文学、数学 和化学等多种学科上作出了堪称一流的开创性 贡献，而且在自然哲学和科学研究方法方面同 样作出了创造性贡献，为近代科学革命奠定了 基础。,牛顿的母校英国剑桥大学,牛顿数学桥,7177根木头衔接而成， 10299个接口，至少需要10299枚 铁钉。 但牛顿整座桥没用一枚铁 钉，这就是数学桥的奇妙。 剑桥数学系的高才生们都梦 想解破数学桥的奥秘，但如愿者 无一。只有少数几人也只能把铁 钉数量减少

12、到千枚数之内才能达 到原桥同等效果。有个冰岛人， 他创造了有史以来的最好成绩， 把铁钉数减少到561枚。,1.牛顿的主要科学成就,发明世界上第一架反射望远镜，考察行星 运动，分析潮汐现象，预言地球不是正球体,在天文学方面的贡献,发现万有引力定律，推动人们对天体运动 研究,在数学方面的贡献,提出二项式定理,创建微积分,自制折射望远镜，证明日光由七色光组成， 说明物体颜色的形成原理，奠定光谱学的基础,在光学方面的贡献,1672年关于光和色的新理论提出光的 本质的“微粒说”；与惠更斯的“波动说” 构成了关于光的两大基本理论,提出三大运动基本定律，建立绝对时空观， 标志牛顿力学体系建立即经典力学体系建

13、立， 物理学从此成为一门成熟的自然科学。,在物理学方面的贡献,自然哲学的数学原理,牛顿的万有引力定律,思想突破,不断下落的月亮,月亮也在下落：如果没有地球引力，月亮将沿直线运动。,月亮运动曲线的弯曲程度与地球表面的弯曲程度相同，所以，月亮不会掉到地球上。,地球拉住地面物体的力和它拉住月亮的力是否相同？,地球,牛顿的抛体运动,A,B,C,炮弹的初速度越大，落地时就离的越远。如果发射速度足够大，炮弹就会绕过地球周界，绕地球旋转，永远不会落回地面，成为一个“小月亮”。,人类航天事业的发展,1957年，前苏联发射的世界上第一颗人造地球卫星。,1961年，前苏联宇航员加加林成为遨游太空第一人。,1969

14、年7月16日，美国宇航员奥德林完成人类首次登月壮举,长征四号乙火箭成功地将中国资源 二号卫星送入轨道,中国“长征” 3 型运载火箭多次将卫星成功送入轨道,航天飞机升空时的景象,1970年，我国第一颗人造 地球卫星“东方红”1号,1999 年，我国研制的“神州”号航天实验飞船,资源卫星,未来型X-33航天飞机,我国研制的“神州” 5号航天实验飞船(2004),1986年1月28日挑战者号坠毁,人类征服太空的道路并非一帆风顺,2003年2月1日哥伦比亚号坠毁,惠更斯（荷兰）提出向心力并得到向心加速度。,布里阿德（法国）开普勒力的减小和离太阳距离的平方成反比。,凡是绕一个固定中心作匀速圆周运动的物体

15、，必然要受到一个指向中心的力。,启发建立,开普勒（德国）圆轨道中，向心力和轨道半径平方成反比。,经过长期思考，牛顿逐渐认识到，地球吸引地表物体的重力与地球吸引月球的力，以及太阳吸引行星的力，是同一种力。这种力是任何物体、任何物质都有的，因而是万有的。在1687年出版的自然哲学的数学原理中，45岁的牛顿终于明确地提出了万有引力定律。,这是人类认识史上的一个重大飞跃；实现了物理学史上的第一次大综合。,哈雷彗星和海王星的发现,实验验证,卡文迪许扭称实验-测定引力常数,引力常数G的测定是100年后，由卡文迪许利用扭秤实验测得。此实验也被评为历史上“最美丽”的十大实验之一。,英国物理学家卡文迪许（HCa

16、vendish， 17311810）， 1789年他将两边系有小金属 球的6英尺（1.83m）的木棒用金属线悬吊起 来，再将两个350磅重（159kg）的铅球放在相 当近的地方，以产生足够的引力让哑铃转动， 并扭转金属线。T形架的竖直部分装一小平面 镜M，它能把射来的光线 反射到刻度尺上，这样就 能比较精确地测量金属丝 的扭转。,卡文迪许测得：,卡文迪许利用所测得的引力常量G和由实 验测得的重力加速度g,计算出了地球的质量和 密度：,地球重,卡文迪许实验开创了弱力的新时代。,地球密度为,实际值,2.牛顿的哲学思想和科学方法,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

17、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。,真理性原理原理：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。,“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。”,牛顿在此不仅讲了研究的目的，还讲了科学研究方法，即从特殊（现象）到一般（规律），再从一般回到特殊。前者是英国哲学家培根强调的“归纳法”（以实验为基础）；后者是数学家兼哲学家笛卡儿所强调的“演绎法”（要用数学工具）。,牛顿的科学研究方法,牛顿的研究方法：归纳-演绎法。 归纳法：从实验出发，由特殊到一般。 演绎法：以理论为主，由一般到特殊。,牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合，模型和