经典力学(上)绪论.ppt

1、经典力学（上）电子课件,易凡 ,绪 论,一、物理学研究的对象与任务,3,物理学的研究对象,物理学是研究物质、能量和它们的相互作用的学科。,第23届国际纯粹物理与应用物理联合会（IUPAP）大会（99.3.1621）通过的“决议五”中指出：,4, 空间尺度 （相差1045 1046） 1026 m（约150亿光年）（宇宙） 1020 m（夸克）, 时间尺度 （相差1045） 1018s（宇宙年龄150亿年） 10-27s （ 硬 射线周期）, 速率范围 0 （静止） 3 108 m/s （光速）,物理学的研究对象（十分广泛）,5,6,不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：,随着科学的发展

2、，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的。诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交叉学科。,物理学的任务和目的,用一系列尽可能简明的概念和方程（定律），去统一概括物质的结构和运动的基本规律 物理学依赖于一种基本的信念：物理世界存在着完整的因果链条，即自然界是统一的。 纵观从牛顿力学的创建至今的三百多年物理学发展史，可以看到一条鲜明的主线，这就是执着地追求整个宇宙的统一，找寻支配宇宙万物的最基本最统一的规律。,统一的自然界,相信存在统一，努力寻求统一，这是人类

3、一种自然观。 老子的道德经中写有：“道生一、一生二、二生三、三生万物。”这是中国古代的一种统一观。就是它完全可以与古希腊的哲学相媲美。 无论在古代中国或古希腊，统一观都只是一种哲学思辨,统一的自然界,与古代的哲学不同，牛顿的力学发展了寻找统一的有效的物理方法。他在其最重要的著作自然哲学的数学原理中阐明了采用的方法。他在前言中写道：“我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学的全部责任似乎在于从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其它的现象。”这就是说，寻求统一的出发点不是思辨而应是运动现象。自然界中的运动现象是多种多样的，物理学的责任就在于寻找支配这些现象的统一的力。,统一的自然

4、界,今天的物理学，仍然大体地沿袭着牛顿所开创的研究途径：寻找统一的力，或统一的相互作用。因此，几乎所有基本的物理理论都称做某种力学，如牛顿力学、电动力学、量子力学等等。 每一种新的力学的确立，都标志着我们在追求统一的途程上达到了一个新的水平,统一的自然界,牛顿的力学和万有引力定律，是物理学上第一次大的统一。在牛顿之前，传统的观念认为支配天体运行和支配地面物体运动的规律是不相同的，有所谓天界和世俗两个世界之分。然而，牛顿发现，天上行星和月亮的运动，实际上和地面落体运动遵从相同的规律，它们都是由引力引起的。这样，牛顿就用他的力学打破了天界和世俗的界限，找到了两个世界的统一。牛顿称引力为万有引力，就

5、是强调这种统一。,统一的自然界,第二次大的统一，是十九世纪的麦克斯韦建立了电磁理论，使电、磁及光学现象得到统一，这就是电动力学。 但是牛顿的力学和麦克斯韦的电磁学在时空观上并不不协调，前者认为各种匀速运动是平权的，但却假定有绝对空间或绝对速度存在。相反，在后者中，有一个地位特殊的速度，即光速，但却始终测不出这个特殊的速度是相对于哪一个绝对空间而言的。,统一的自然界,爱因斯坦抛弃了绝对空间观念，使电磁学、力学在新的时空观的基础上达到了协调和统一。 爱因斯坦还曾企图把引力和电磁力二者统一起来，但他的努力没有成功。然而，他却找到了能与麦克斯韦电磁理论相协调的引力理论广义相对论。 作为引力理论的广义相

6、对论和作为电磁理论的麦克斯韦理论构成了我们今天称为经典物理学的理论基础。,统一的自然界,与经典物理相对的是量子论。量子力学最初是作为原子、分子的统一的力学而发展起来的。这种新的力学统一地解释了原子、分子的各种光谱现象，统一地解释了元素周期表，统一地解释了各种分子的键合。 在将量子力学扩展到电磁场时，遇到了困难，这本质上是由于电磁场是相对论性的。直到二十世纪四十年代未，发展了所谓重整化方法才巧妙地解决了上述的困难，使量子论与电磁理论能得以统一，产生了量子电动力学,物理学的理论与实验,物理学是一门实验科学，物理学实验是物理学理论正确与否的仲裁者 物理学定律是很多（有限）个实验或现象的总结和概括，是

7、相对真理，会不断被新的定律修正。 由物理学定律出发，经过合适的逻辑推演而得的结论，我们称之为“定理”。物理学的理论是物理学定律和定理的集合。 自然科学各领域和工程技术都建立在物理学定理的基础上,物理学的研究方法,提出命题,物理学研究方法可概括为：,物理的直觉和想象力及洞察力也常常产生重大突破和发现,对称性分析 守恒量的利用 简化模型的选取 概念和方法的类比,从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：,演绎法：,归纳法：,基本定律,推理、演算,新理论,归纳实验、观测事实,假设、模型,新理论,具体地说，物理学还有许多有特色的方法，比如：,定性和半定量分析 量纲分析 能量分析 ,二、物理学是自然科学与技

8、术的基础,2004年6月10日，联合国通过决议，规定2005年为“世界物理年”。决议确认： 物理学是认识自然界的基础； 物理学是当今众多技术发展的基石； 物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。,物理学极大地推动了科学、技术的发展 历史上物理与技术的关系大致有两种模式 技术物理技术(以第一次工业革命为标志) 物理技术物理(以电气化进程为标志),物理学与技术,20世纪两种模式并存、交叉，但几乎所有重大新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。,工业革命推动了热学的发展,技术物理学技术,电磁学将人类社会带进了电器化时代,物理学技术物理学,20世纪核物理迎来了原子能时代,激光是物理学对人类社会的

9、又一重大贡献,以半导体物理为基础的的电子信息技术对人类社会产生了最大的冲击,物理学的基础性和成熟性对其它学科如化学、生命科学或医学、经济学等学科产生影响和促进； 使用物理学的理论、概念和方法解决其它学科的问题； 用物理学的实验设备和手段解决其它学科的问题； 物理学所体现的科学精神（实验检验）和方法（理论演绎，建立模型）对科学工作者的启示和影响。,物理学与其它学科的关系,三、 学习物理学的目的,打好学习其它学科的基础,提高科学素质和能力,以适应高新技术和市场经济的发展,学习物理对提高科学素质有重要作用：,（1）培养辩证唯物主义的世界观,（2）学会掌握科学的方法,（3）培养科学思维能力、发展智力,

10、（4）培养探索与创新精神,学习的方法 注意观察，勤于思考 大胆假设，严谨求证 学好数学，重视外语 坚持真理，老实做人,四、经典力学体系建立,早在(公元前287212)古希腊阿基米德著的论比重就奠定了静力学基础。 意大利的达芬奇(14521519)研究滑动摩擦、平衡、力矩。 波兰的哥白尼(14731543)创立宇宙“日心说”。 德国的开普勒(15711630)提出行星运动三定律。 意大利的伽利略(15641642)自由落体规律、惯性定律及加速度的概念。 英国伟大科学家牛顿(16431727) 提出动力学的三个基本定律，万有引力定律，天体力学等。是力学奠基人。,伽利略（Galileo , 1564

11、1642）意大利科学家。 运动的描写与分类 自由落体定理 惯性 抛体运动 相对性原理,伽利略对力学贡献,伽利略的研究方法 观察假设推论实验检验假设的修正和推广 爱因斯坦对伽利略的评价： “伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”,万有引力定律的发现,胡克（Robert Hooke，16351703）英国科学家 哈雷（Edmund Halley，16561742） 对引力问题做了研究,开普勒（Johannes Kepler，15711630）德国天文学家 行星运动三定律,牛顿（Isaac Newton，16421727）他据开普勒三定律

12、证明了： 据面积速度得出物体受中心力作用 由轨道定律可得中心力是吸引力 由周期定律得出吸引力与半径的平方成反比 在这种平方力作用下，物体的轨道是圆锥曲线：圆、椭圆、双曲线质量 引进了万有引力定律,牛顿引力定律的检验 关于地球形状是椭球的验证； 哈雷彗星的预言； 1846年，海王星的发现。,牛顿力学体系的建立,1687年，自然哲学的数学原理发表 质量、运动的量； 绝对时空观； 机械运动的三个基本定律； 万有引力定律和有心运动问题； 物体在有阻力的介质中的运动； 天体力学理论等。,牛顿力学的建立是物理学第一次伟大的综合 用数学方法来系统地整理物理理论，并发展了数学，成为微积分的发明人 为经典力学奠定了基础,牛顿力学的完善,经典力学的发展表现为科学家用新的、更简洁的形式重新表述牛顿定律，如拉格朗日方程组、哈密顿方程组等； 瑞士的伯努利(16671748)确立了虚位移原理 瑞士的欧拉(17071783)著出力学用微分方程研究。 法国达朗伯(17171785)名著动力学专论达朗伯原理 法国拉格朗日(17361813)提出第二类拉格朗日方程,牛顿定律推广到