第一章-經典力學

一.絕對時空觀§1.1.1時間與空間1、時間定義時間定義是絕對的——時間一直向前“流去”，與物體的存在以及物理現象的發(fā)生毫無關系。我們無法降低或加快時間流動的速度，并且在宇宙中任何一個地方時間流動的情形都是相同的。

時間只是依照特定的方法用標準鐘量出來的具有單位的數字，時間單位是秒。國際上對“秒”的定義：第1次：人們是利用地球自轉運動來計量時間的，基本單位是平太陽日。19世紀末，將一個平太陽日的1/86400作為一秒，稱作世界時秒。第2次：1960年“將1900年初附近，太陽的幾何平黃經為279o41’48’’04的瞬間作為1900年1月10日12時整，從該時刻起算的回歸年的1/31556925.9747作為一秒”。第3次：1967年定義“秒是銫133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷相對應的輻射的9192631770個周期所持續(xù)的時間”。銅壺滴漏：古代的一種計時儀器(1316)年)中國計量科學研究院銫原子束時間頻率基準2、空間定義空間是絕對的——空間的存在是永恒的，與空間里是否有物質存在毫無關系。

我們假設空間是歐幾里德空間：例如空間內兩點間最短的連線是直線；或者空間內任意三角形的內角之和為180o。在物理學上只是以一標準米尺用特定的方法比較或度量出來的且有一定單位的數字。歷史上，米是由于尋求通過巴黎的子午線從北極到赤道之間長度的某一適當分數而產生的，這長度的千萬分之一定義為米。國際上對長度基準“米”的定義：第1次：1889年，第一屆國際計量大會通過：將保存在法國的國際計量局中鉑銥合金棒在0℃時兩條刻線間的距離定義為1米，稱為長度的實物基準。第2次：1960年，第十屆國際計量大會決定用氪86原子的橙黃色光波來定義“米”，規(guī)定米為這種光的波長的1650763.73倍。第3次：1983年，第十七屆國際計量大會通過：米是光在真空中1/299792458秒的時間間隔內運行路程的長度。（規(guī)定真空中光速值c=299792458米/秒。）中國計量科學研究院633nm碘穩(wěn)定激光器作為復現長度單位米的基本裝置3、時間與空間的關系時間與空間雖然是毫無關聯存在著。但是，如果我們把物體牽涉到里面，時間便似乎與空間有點關系，因為我們無法想象一個物體存在于空間內而不占據一段時間，或者一個物體存在一段時間但并不占據空間內某一位置。美國物理學家兼哲學家Bridgman曾說過：“一個名詞的真諦只能從人們如何用它看出來，而不在乎人們如何敘述它?！边@便是科學定義一個名詞時所抱的態(tài)度。即使我們都像科學家一樣采用這種極其有效的方法，也不妨礙我們欣賞詩人、藝術家和作家對宇宙的不同看法。時間尺度（秒）物質的運動周期、壽命1018宇宙年齡1017地球年齡1015恐龍絕滅1014出現古人類1011人類文明史109人類的壽命107地球公轉周期106月球的周期時間尺度（秒）物質的運動周期、壽命104地球自轉周期100鐘擺的周期10-3聲波的周期10-6m子的壽命10-8p±介子的壽命10-16p0介子的壽命10-19S0超子的壽命10-25Z0(中間玻色子)的壽命空間尺度（米）實物1026宇宙引力半徑1023星系團1020地球到銀河系中心的距離1016地球到最近恒星的距離1011地球到太陽的距離109太陽的半徑108地球到月亮的距離空間尺度（米）實物106地球半徑103地球上高山100人的身高10-5細菌10-8大分子10-10原子10-15核子人類已經研究的領域：

哈勃半徑→宇觀尺度→核子線度1028m1024m10-15m現代科學研究過的空間尺度已經跨越了42個數量級，有人把它稱為“宇宙的42個臺階”，并有充分證據表明許多物理規(guī)律，如能量守恒，相對論，量子論等都是普遍適用的。愛因斯坦說：“宇宙間最不可理解的事物就是：宇宙是可以理解的。”

影視資料片：超視覺世界§1.1.2參照系與慣性系1、參照系用以描寫物體運動所選用的另一物體。通常，在日常生活和工程實際中人們都選地球為參照體。慣性參照系：不受外力作用的物體，或者總保持靜止，或者總保持勻速運動。這一類特殊的參照系，被稱為慣性參照系。一切慣性參照系都是等效的，它們可以相互轉換非慣性參照系日心系ZXY地心系o地面系§1.2萬有引力定律引力定律是經典力學的重要基礎，是人類歷史上第一次發(fā)現的物質間的相互作用定律，也是人類科學認識史上的一座豐碑。它在研究宏觀世界物質運動規(guī)律中具有舉足輕重的地位，在物理學、天文學、宇宙學、航天技術等科學技術領域有著廣泛的應用，成為人們認識和改造世界強有力的理論武器。正因為如此，它的發(fā)現是科學史上震撼人心的一個重大事件。亞里士多德——托勒密學說古希臘哲學家亞里士多德認為：地球是宇宙的中心，是絕對靜止不動的，天體繞地球運動，這種運動是神力所驅使的；力與運動相聯系，作用于物體上的力一旦終止，物體就隨即靜止。他還認為，宇宙是不均勻的，是中心對稱的，地球是圓球形的。亞里士多德——托勒密學說古希臘的托勒密用對稱點、圓周運動、偏心本輪三個概念解釋天文觀測，形成了完整的“地心說”和關于運動和力的邏輯體系。黑暗的中世紀，神學與亞里士多德——托勒密學說相結合，嚴重地阻礙甚至扼殺了科學的進步。哥白尼“日心說”波蘭哥白尼的《天體運行論》在1543年發(fā)表。他認為：如果將參照系從地球移到太陽，就會產生與觀測相符合的最簡單最和諧的天體幾何學?！叭招恼f”的重要意義：將地球從宇宙中心降到了普通行星的地位，摧毀了地球至尊、人類至上的思想，沖擊了人們對基督教義的信仰，是向神學的宣戰(zhàn)書；在自然科學領域，他找到了描述天體運動的近似的慣性系，顯示了太陽參照系的優(yōu)越地位，并指明旋轉運動是天體“固有的性質”?！?.2.1開普勒行星運動三定律的發(fā)現德國天文學家、物理學家開普勒，從小體弱多病，患過天花，視力很差，家境貧寒，但聰明好學才華出眾。1589年進入杜賓根大學神學系學習。他對天文學、數學產生了濃厚的興趣，并奠定了堅實的科學基礎。1599年，開普勒將自己寫的《宇宙的秘密》一書寄給了丹麥天文學家第谷，請求指教。第谷十分贊賞開普勒的見解，邀請他，成了第谷的助手。1601年，第谷臨終前將25年中觀測得到的約750顆星球的全部資料交給了開普勒，希望他能完成天文觀測和研究事業(yè)。開普勒三大定律開普勒于1609年在論著《新天文學》中發(fā)表了第一、第二定律，于1619年在《世界的和諧性》一書中發(fā)表了第三定律。開普勒第一定律：行星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽位于橢圓的一個焦點上。開普勒第二定律：太陽到行星的矢徑在相等的時間內掃過相等的面積。開普勒第三定律：行星繞太陽運動橢圓軌道的半長軸a的立方與周期T的平方成正比?！?.2.2落體運動定律——重力的發(fā)現杰出的物理學家、天文學家、發(fā)明家伽利略，1564年出生于意大利的比薩。17歲入比薩大學學醫(yī)。后來被歐幾里得、阿基米德著作吸引，改學數學與物理。1589年任比薩大學數學教授，1592—1610年任帕多瓦大學教授。古希臘學者亞里士多德：重的物體落地快，輕的物體落地慢。薩斜塔落體實驗：伽利略證實所有物體均同時落地。歷史學家考證，沒有任何理由表明伽利略做過這一實驗。伽利略的邏輯推理：下落速度與重量無關。

伽利略斜面實驗：保持物體運動不需要力，物體運動的改變才需要力。豎直降落定理在《關于兩大世界體系的對話》一書中，伽利略寫道：“我們現在將銅球放在槽的1/4長度內滾動，再量它的降落時間，我們會發(fā)現它恰好等于上次時間的1/2。我們再用其他各種距離作同樣的實驗，以槽的全長距離與1/2長的、2/3長的或其他任何長度的距離相比，把實驗重復一百次以后，我們總是發(fā)現：球所通過的各種空間距離的比率與其時間間隔的二次方的比率相同，這在任何斜度的平面即該槽的任何斜面中都是一樣準確的。……上面的推論證明豎直降落的定理了。伽利略在力學上的這一系列開創(chuàng)性工作，使他在捍衛(wèi)哥白尼學說方面處于一個十分優(yōu)越的位置。1609年伽利略動手制作一架能放大20倍的望遠鏡，并用它在1610年1月發(fā)現了木星的四顆衛(wèi)星，這一發(fā)現對于支持哥白尼學說具有重大意義。當年3月，伽利略寫成了《星界的報告》一。該書在知識界引起巨大的反響，人們爭相傳誦：“哥倫布發(fā)現了新大陸，伽利略發(fā)現了新宇宙。”這就使哥白尼學說一下子深入了人心。1613年伽利略出版《關于太陽黑子的信札》，推斷太陽在自轉，周期為25天；1623年，伽利略發(fā)表《試金石》，1632年3月，伽利略出版了科學史上偉大的著作——《關于兩大世界體系的對話》，8月，教會突然下令禁書，并且傳訊伽利略，次年2月伽利略到了羅馬，3月12日受到審判，6月22日法庭判他終生監(jiān)禁，據說在宣判之后，這位70歲的老人還喃喃自語：“EppurSimuove”（“可是，地球仍在運動呀”）。1638年出版了《兩門新科學》（指材料力學和運動力學等）。1979年，羅馬教皇保羅二世提出為伽利略平反，1980年正式宣布當年教會壓制伽利略意見是錯誤的。這是歷史經過300多年的曲折發(fā)展，科學戰(zhàn)勝謬誤的典型實例，表明真理是禁錮不了的。

伽利略被譽為近代物理之父、物理實驗之父，是近代自然科學的創(chuàng)始人?！?.2.3萬有引力定律的發(fā)現一、惠更斯發(fā)現了向心力定律

著名荷蘭數學家、天文學家、物理學家惠更斯1629年生于海牙。他從小熱愛數學，成績卓著。他最先判定地球兩極附近是扁的，提出了用秒擺測定重力加速度的思想。

1656年惠更斯發(fā)明了擺鐘。其后在研究碰撞實驗中發(fā)現了速度的矢量性，認識到圓周運動中速度方向變化與加速度相聯系，最先提出了向心力定律。

在1673年發(fā)表的論文《擺動的時鐘》一文中，他將勻速圓周運動看作切線方向的勻速直線運動與指向圓心方向的勻加速運動的合成?；莞沟南蛐牧Χ?，為探索推動行星繞日運動的力指明了正確方向，人們很自然地從行星的向心力中猜測到太陽對行星的吸引力。這就為萬有引力定律的發(fā)現奠定了最后一塊基石?；莞挂呀咏诎l(fā)現萬有引力定律。圖1-2-2勻速圓周運動的合成二、胡克、哈雷和雷恩的發(fā)現1661年，英國皇家學會成立—個專門委員會研究重力問題。胡克覺察到引力和地球上物體的重力本質相同。1674年，胡克提出了關于引力的三條假設：

1、一切天體都具有傾向其中心的吸引力，它不僅吸引其本身各部分，并且還吸引其作用范圍內的其他天體。

2、凡是正在作簡單直線運動的任何天體，在沒有受到其他作用力使其傾斜，并使其沿著橢圓軌道、圓周或復雜的曲線運動之前，它將繼續(xù)保持直線運動不變。

3、受到吸引力的物體，越靠近吸引中心，其吸引力也越大。

這是在萬有引力誕生前關于引力的最精辟的論述。三．牛頓成功地發(fā)現了萬有引力定律杰出的英國物理學家、數學家、發(fā)明家牛頓，1642年生于英國林肯郡伍爾索普，是一個十足的農家孩子。小時候對機械發(fā)明很感興趣。1661年考入劍橋大學，博學多才的著名學者巴羅將牛頓引向自然科學的廣闊天地。是現代自然科學的奠基人，經典物理學的創(chuàng)始人，微積分的發(fā)明人之一，1.從蘋果到月亮牛頓“蘋果落地”的故事被廣泛流傳，故事大意是：1665–1666年間，一日他在花園中冥思重力的動力學問題時，看到蘋果偶然落地，引起他的遐想：蘋果落地是受到地球的引力，那么月球受到地球的引力為什么不掉向地球呢?

牛頓認為月亮所受引力與蘋果所受重力是同一種力，都與距離平方成反比，就足以統(tǒng)一解釋月亮繞地球的運行和地面上物體的自由落體運動。牛頓解釋：2.從行星的太陽引力到“萬有引力”從蘋果落地到月地運動討論的是地球的引力，而行星繞太陽的運轉與月球的運動十分相似，那么行星必定受到太陽的引力，牛頓在1665年到1685年的20年里，把引力思想不斷擴大，領悟到宇宙萬物間都有引力作用，最后概括出“萬有引力”的概念來。

3.萬有引力定律牛頓根據開普勒第二、第三定律、幾何方法、以及牛頓第二、第三定律，得到行星受到太陽的引力公式：最后牛頓把這一結論推到宇宙中任何兩個物體之間就得到了萬有引力定律：

任何兩個物體間都存在相互作用的引力，力的方向沿兩物體的聯線，力的大小F與兩物體的質量的乘積成正比，與它們之間的距離的平方成反比，即

4．萬有引力常數G的測定牛頓發(fā)表萬有引力定律后100多年，英國科學家卡文迪許（H.Cavendish，1731–1810）于1798年用扭秤實驗第一個精確地測量了G的數值為卡文迪許成為第一個“稱”出地球質量的人。以后近200年中許多人用相同或不同的方法測量G值，1986年，國際科學聯盟理事會科技數據委員會（CODATA）推薦的數值為

在地球上的實驗室里測量幾個鉛球之間的相互作用力，就可以稱出地球的質量，這不能不說是個奇跡。然而它的思想基礎和牛頓的月地檢驗是一致的，即相信天上人間服從共同的規(guī)律，引力常量的數值都是一樣的。四．引力理論的成就和意義牛頓站在哥百尼、開普勒、伽利略、惠更斯等“巨人”的肩上，從運動學描繪深入到動力學本質，從對各種運動的孤立研究，深入到尋找聯系、提供統(tǒng)一的解釋。牛頓既縱觀全局，又成功地解決了一個個重要的具體問題，終于發(fā)現了萬有引力定律。

萬有引力定律深刻地揭示了宇宙萬物間所遵循的引力規(guī)律，打破了以前人們頭腦中認為天體運動與地上物體運動有天壤之別的鴻溝，把天上和人間和諧地統(tǒng)一了起來。

海王星的發(fā)現：英國大學生亞當斯在1843至1845年，法國天文學家勒威耶于1845年，各自獨立地根據牛頓理論進行計算，預言了天王星軌道外的一個未知行星的質量、軌道和位置，伽勒于1846年9月23日夜間在預定的地點發(fā)現了一顆新的行星——海王星，這個被譽為“筆尖上的發(fā)現”是牛頓動力學和萬有引力定律最成功的例證。冥王星的發(fā)現：20世紀初，美國天文學家洛威耳根據類似的計算預言海王星外有一顆新行星，后被證實并命名為冥王星，這就是太陽的第九顆行星。

牛頓萬有引力定律揭示了物理學是美的科學，它的美表現在基本物理規(guī)律的簡潔性和普遍性，然而這些規(guī)律的外在表現往往是非常復雜的。物理學的規(guī)律是有層次的，層次越深，規(guī)律越基本，就越簡單，而其適用性也越廣泛，但也越不容易被揭示出來，所以物理學的簡潔性是隱蔽的，它具有深邃而含蓄的內在美。萬有引力理論的普遍性超越了宇宙的邊緣，從蘋果到月亮，從太陽到宇宙，凡有引力參與的一切復雜現象無一不歸結到這條簡潔的定律之中，還有什么比這更美嗎?萬有引力定律的建立，對物理學的發(fā)展還具有深遠的方法論的意義：從第谷的觀測到開普勒的運動學描述，再上升到萬有引力定律以及進一步的預言、驗證等等，為后人提供了建立物理學理論的一種標準模式。

牛頓以后，尋找不同事物之間的聯系，建立統(tǒng)一的理論解釋，已經成為物理學家堅持不懈的持久的追求。1957年，蘇聯發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，40多年來，已經有數千顆地球衛(wèi)星發(fā)射成功。1969年，美國“阿波羅號”載人飛船登月成功，使人類第一次將足跡留在地球以外的星球上；1990年發(fā)射的“哈勃”太空望遠鏡，它發(fā)現了“黑洞”，首次看到了宇宙大爆炸后20億年形成的早期星系；1993年，俄羅斯“進步號”宇宙飛船施放了“旗幟”太空反射鏡，其直徑為22米，黑夜中它向歐洲地面反射一道寬10公里、亮度相當于月亮3倍的光帶，持續(xù)時間為7秒鐘。1996年，清楚地看到了100億光年外的星云經50億光年重力透鏡在“哈勃”望遠鏡上的成像，證實了愛因斯坦關于宇宙中存在巨大引力場透鏡的預言，驗證了廣義相對論。1997年7月4日，美國發(fā)射的“火星探路者號”宇宙飛船成功地在火星上著陸，并向地球發(fā)回信號。飛船釋放了“索杰納”火星車，對火星表面、巖石、氣象進行考察，獲得了極其寶貴的照片和資料，這次成功將加快人類登上火星的步伐，預計2007年人類將在火星登陸。在“火星探路者號”飛船登陸火星的探險中，三位華人科學家劉登凱、吳貽謙、李偉鉤是幕后英雄，他們在這一空前壯舉中做出了重大貢獻。三人分別負責飛船的定位轉向下降通信控制、負責飛船溫度控制和掌握地面控制中心電腦和接收信號?！盎鹦翘铰氛摺钡某晒?，將永垂青史。人們將銘記著為這次成功做出貢獻的科學家們。§1.2.4伽利略的科學思想方法伽利略創(chuàng)造了一套對近代科學的發(fā)展很有效、很具體的程序：對現象的一般觀察提出假設、運用數學和邏輯的手段得出推論、通過物理的或思想的實驗對推論進行檢驗、對假設進行修正和推廣等等。例如在自由落體運動的研究中，開始，他提出速度增量正比于通過距離的假設，經過簡單的推理就否定了這一假設。然后又提出速度增量正比于時間間隔的假設，因為無法用實驗直接檢驗這一假設，因此他由這一假設推導出距離與時間的關系，再用實驗來驗證這個關系，最后把由斜面實驗證實了的這一結論推廣到自由下落的情形。伽利略實質上使用了把實驗和理論和諧地結合起來的方法，從而有力地推進了人類科學認識活動的發(fā)展。伽利略充分認識到這個研究方法的價值。

在一些物理教科書和科普讀物中廣為流傳著這樣一種觀點：伽利略靠在比薩塔上所做的落體實驗奠定了運動學的基礎。這個傳說不僅違反了歷史事實，而且是對伽利略研究方法的錯誤認識。事實表明，在整個研究過程中，邏輯推理、抽象分析、數學演繹、科學假設、理想實驗等理性思維方法起了決定性的作用。例：“落體佯謬”的理想實驗；“對接斜面”的理想實驗……可以這樣說，這些理性思維的方法是他從對運動現象的觀察通向發(fā)現運動規(guī)律的途徑。

愛因斯坦在為伽利略的《關于兩大世界體系的對話》英譯本寫的序言里，曾經特別指出：“常聽人說，伽利略之所以成為近代科學之父，是由于他以經驗的、實驗的方法來代替思辨的、演繹的方法。但我認為，這種理解是經不起嚴格審查的，任何一種經驗方法都有其思辨概念和思辨體系；而且任何一種思辨思維，它的概念經過比較仔細的考察之后，都會顯露出它們所賴以產生的經驗材料。把經驗的態(tài)度同演繹的態(tài)度截然對立起來，那是錯誤的，而且也不代表伽利略的思想……況且，伽利略所掌握的實驗方法是很不完備的，只有最大膽的思辨才有可能把經驗材料之間的空隙彌補起來?！笨偠灾だ缘姆椒ㄊ抢碚摵蛯嶒炏嘟Y合的方法。伽利略在《兩門新科學》中謙遜地說：“我認為更重要的是一門博大精深的科學已經出現，我的工作僅是一個開端。頭腦比我敏銳的人們將開辟更多的途徑和方法，以探知它深邃的奧秘?！被舨妓乖u價說：“他是第一個給我們打開通向整個物理領域的門的人。”愛因斯坦和英費爾德在《物理學的進化》中評論說：“伽利略的發(fā)現以及他所應用的科學的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！薄?.2.5開普勒的科學思想方法開普勒關于天文學研究方法的特點：1、尊重觀察到的客觀事實。他認為提出假說的主要目的是“說明現象，及其在日常生活中用途?！比绻粋€假說明顯違背觀察到的事實，決不允許用一些方便的假設去掩蓋這一矛盾。2、以數學公式來表達物理定律。開普勒定律的表述是在科學史上物理定律應用于物體運動的第一個例子，也是運動物體動力學和數學緊密聯系的第一個例子。3、不僅從事運動學的研究，而且還從事天體動力學的研究。在開普勒看來，支配著行星的力在太陽上，這種力就像光一樣從太陽發(fā)出。開普勒把可觀察的實驗現象作為出發(fā)點，從事實本身去尋求運動原因，這標志著近代物理學的主要特征之一。

開普勒定律不僅使得人們有可能比較詳細地進一步研究行星運動的“運動學”問題，而且還有利于研究行星運動的“動力學”問題。它與伽利略對地上運動的研究一起為牛頓定律及其世界體系的建立奠定了基礎?！?.3經典力學經典力學亦稱牛頓力學

研究通常尺寸的物體在受力狀態(tài)下的形變和速度遠低于光速的運動過程。經典力學是物理學、天文學和許多工程學的基礎。機械、建筑結構、飛機、航天器和船艦等的合理設計都須以經典力學為基本依據。同時，力學在其發(fā)展過程中，也推動了許多數學分支的發(fā)展。像微積分、微分方程、復變函數、變分法、有限元法和奇異攝動理論等，就是由于力學的發(fā)展需要才發(fā)明的。因此，不少數學家同時也是力學家。牛頓力學適用于低速宏觀物體運動?！?.3.1牛頓運動定律牛頓運動定律是經典力學的基本定律。在前人的研究基礎上，牛頓創(chuàng)立了經典力學。他在《自然哲學的數學原理》著作中提出了具有嚴謹邏輯結構的力學體系，使力學成為一門研究物體機械運動基本規(guī)律的學科。在這部著作中，牛頓定義了時間、空間、質量和力等基本概念，同時揭示了物體運動的基本規(guī)律。牛頓名著《原理》扉頁一、牛頓第一定律慣性：物體保持它的原有運動狀態(tài)不變的性質。牛頓第一定律：任何物體都保持靜止的或勻速直線運動的狀態(tài)，直到其他物體的作用迫使它改變這種狀態(tài)為止。所以又稱為慣性定律。慣性參照系：牛頓第一定律成立的參照系慣性定律這個定律不能被直接用實驗去證明。所以與其說慣性定律還不如說慣性原理。它實際上是一個假說，事實上這個假說反映了我們所處空間的“平直”性質。如果空間是“彎曲”的話，則自由質點將沿“彎曲”空間運動，不再是沿直線運動。二、牛頓第二定律動量P：P=mv（質量m、線速度v）牛頓第二定律；物體的動量對時間的變化率同該物體所受的力成正比，并和力的方向相同。當質量不變時，F=mdv/dt=ma。牛頓第二定律只在慣性參照系中的物體運動速度遠小于光速時才是正確的。當物體的速度v接近于光速c時，牛頓第二定律不再成立，物體運動規(guī)律由狹義相對論決定。對于絕大多數的工程實際問題，用牛頓第二定律求出的結果和實際情況是相當符合的。力的評述牛頓在1664年就提出了力的定義是動量的時間變率（動量等于質量乘速度）。牛頓第一定律即慣性定律是力的定性的定義，牛頓第二定律給出了力的定量的定義，當質量不變時，力等于質量乘加速度。在歷史上，有許多科學家和哲學家曾指出，牛頓力學中的力的概念只是一種方法論性質的工具，或是一種形而上學的東西?；鶢柣舴?、赫茲和馬赫都認為很難說明力的概念的實質，但都肯定力是一種計算用的量。當然，自從牛頓以后，力的概念對科學的進展貢獻很大，沒有力的概念，物理學就立刻失掉了理論的連貫一致性。

牛頓第二定律既可以看作是質量的定義，也可以看作是力的定義。前者把力看作是基本量，而質量看作是第二定律的導出量；后者則反之。三、牛頓第三定律表示一物體對另一物體的作用同時引起另一物體對此物體的大小相等、方向相反的反作用，而且這兩個作用在一條直線上。又稱作用和反作用定律。動量守恒定律：當兩物體不受外力作用，它們的總動量的變化為零，這個結論對于由任意多個物體組成的封閉系統(tǒng)也成立。它是物理學的基礎定律之一。這個定律不僅對于宏觀的物體之間的相互作用成立，對于微觀的質點（即原子、原子核和電子）之間的相互作用也是成立的。歷史上還有一個類似的故事：17世紀在德國，一位馬德堡市的市長格里克發(fā)明了可以抽真空的空氣泵。為了演示大氣壓的巨大威力，他于1654年5月8日在國會議員面前表演了兩個半球實驗。四、牛頓力學的內容按所研究對象的力學特性分為：

剛體力學、變形體力學、流體力學。

1、剛體力學

剛體是一種理想物體模型，在外力作用下，剛體運動且能保持其形狀不變。研究剛體在受力狀態(tài)下運動（包括靜止）的力學稱為剛體力學。剛體力學可以分為剛體靜力學和剛體動力學。當剛體尺寸很小，在運動中其轉動又可略去不計時，這個剛體可以當作質點處理。質點也是一種理想物體模型，它是沒有尺寸但卻有一定質量的一個點。研究質點受力運動的力學稱為質點力學。2、變形體力學

研究物體在受力狀態(tài)下既有運動又有形變的力學。彈性體：所受載荷不大，釋去載荷后，即恢復原狀的變形體。塑性變形：當變形體所受載荷超過某一極限時，產生永久變形，釋去載荷后并不能恢復原狀。彈性力學：研究彈性體的受力狀態(tài)和彈性變形。塑性力學：研究變形體的塑性變形。塑性力學又可分彈塑性力學、剛塑性力學、粘彈性力學和粘塑性力學。3、流體力學

流體力學按其研究的對象可以分為水靜力學、水動力學、空氣動力學、化學空氣動力學、磁流體力學?！?.3.2伽利略相對性原理與伽利略變換最古老的相對性原理：中國古籍《尚書緯·考靈曜》載：“地有四游，冬至地上行北而西三萬里，夏至地下行南而東三萬里，春秋二分是其中矣。地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也?！痹摃謱懙溃骸按簞t星辰西游，夏則星辰北游，秋則星辰東游，冬則星辰南游。”《考靈曜》書頁一、伽利略相對性原理一個對于慣性系作勻速直線運動的其它參考系，其內部所發(fā)生的一切力學過程都不受到系統(tǒng)作為整體的勻速直線運動的影響。或者說，不可能在慣性系內部進行任何力學實驗來確定該系統(tǒng)作勻速直線運動的速度。

由此得到，對于力學規(guī)律來說，一切慣性系都是等價的，相對于一慣性系作勻速直線運動的一切參考系都是慣性系。圖1-3-3《對話》扉頁二、伽利略變換

伽利略坐標變換式伽利略速度變換式導出伽利略坐標變換的核心思想是牛頓力學中的絕對時空觀§1.3.3牛頓絕對時空概念的局限和慣性的起源所謂絕對空間是指長度的量度與參考系無關，絕對時間是指時間的量度也與參考系無關。這也就是說，同樣兩點間的距離或同樣的前后兩個事件之間的時間，無論在哪個慣性系中測量都是一樣的。

在《原理》的定義的附注中，牛頓寫道：“絕對的、真實的和數學的時間，由其特性決定，自身均勻地流逝，與一切外在事物無關……”，又寫道：“絕對空間，其自身特性與一切外在事物無關，處處均勻，永不移動。”

絕對空間究竟在哪里?牛頓猜想：“在恒星所在的遙遠的地方，或者在它們之外更遙遠的地方，可能有某種絕對靜止的物體存在?！?/p>

牛頓的絕對時空觀是不對的，但他引入絕對空間，對于建立他的力學體系是必要的。愛因斯坦說：“對此，牛頓和他同時代最有批判眼光的人都是感到不安的；但是人們要想給力學以清晰的意義，在當時卻沒有別的辦法?！彼圆荒馨雅ｎD提出的絕對時空概念僅僅看作是由于牛頓世界觀方面的缺陷，從根本上說，這是由于絕對空間對經典力學是必不可少的，所以牛頓的絕對時空觀能夠統(tǒng)治物理學達二百年之久。牛頓著名的“水桶實驗”牛頓分析：在圖(1)、(3)中，水和桶都有相對運動，而在前者水是平的，后者水面凹下；在圖(2)中，水和桶無相對運動，水面是凹下的。得出結論：桶和水的相對運動不是水面凹下的原因。這個現象的根本原因是水在空間里的絕對運動。牛頓著名的“水桶實驗”當時，牛頓認為相對于絕對空間作圓周運動的水，具有力圖脫離其中心的離心力，而在單純的相對的圓周運動中，這樣的力是不存在的。馬赫分析“水桶實驗”1880年，奧地利物理學家馬赫在他的《力學史》中，對牛頓的水桶實驗做了分析。他認為牛頓實驗中的兩種情形并不完全等價。在第一種情形下，只有桶壁相對于水轉動，宇宙中一切其它質量相對于水都是靜止的。而在第二種情形下，水卻相對于宇宙其它質量發(fā)生轉動。要做到完全等價，就要使得在第一種情況下宇宙中其它質量都繞水轉動。

馬赫認為，牛頓水桶實驗中水面凹下，是它與宇宙中所有物體之間有相對轉動密切相關的。反過來，如果水不動而周圍大量物質相對于它轉動，則水面也同樣會凹下。如果設想把桶壁的厚度增大到幾公里甚至幾十公里，“沒有人有資格說出這實驗將會變成怎樣?！倍救讼嘈?，這一怪桶的旋轉將真的對桶內的水產生一個等效的慣性離心力作用，即使其中的水并無公認意義下的轉動。馬赫的思想可歸結為：一切運動都是相對于某種物質實體而言的，水面凹下的原因是水相對于遠方恒星(或者說宇宙中全部物質的分布)的加速度引起的慣性力和有關效應。馬赫認為，當一物體相對于宇宙中其它物體作加速運動時，就會產生慣性力，他把慣性歸因于宇宙中物體之間的相互作用。馬赫的思想給愛因斯坦以極大的啟發(fā)馬赫的思想引導愛因斯坦于1915年創(chuàng)立了廣義相對論。他據此得出了三個推論：1、物體的慣性隨其周圍物質的增加而增加；2、如果加速一個很重的物質殼層，則包含在此殼層里的質量會受到一個加速的力；3、如果相對于恒星圍繞中心軸旋轉此殼層，殼內將產生一個科里奧利力，亦即傅科擺的擺面將被曳引(實際上曳引的角速度小得無法測量)。

廣義相對論證實了馬赫的預言。§1.3.4關于運動量度的爭論17世紀末，在笛卡兒學派和萊布尼茲學派之間發(fā)生了一場關于“運動的量度”的爭論。這場爭論所直接涉及到的兩個物理學概念：動量和動能，它們的意義在今天是非常清楚的，爭論早已成為歷史。不過，當我們回顧這場古老的學術爭論時，仍可得到某些啟發(fā)。笛卡兒萊布尼茲笛卡兒學派主張用mv作為運動量度法國杰出的數學家和哲學家笛卡兒主張用mv作為運動的量度表征物體運動量，得到了一些科學家的支持。

笛卡兒對碰撞現象作了研究，牛頓完善了動量的概念，并給出明確的定義：“運動的量是用它的速度和質量一起來量度的?！比R布尼茲學派主張用mv2

作為運動量度到了17世紀80年代，德國著名學者萊布尼茲學派提出了應以mv2作為運動的量度。認為mv是“死力”的量度，即相對靜止的物體之間的力的量度；而mv2則是“活力”的量度，是真正的運動的量度達蘭貝爾的“最后的判決”1743年，法國力學家達蘭貝爾對這場爭論做了一個所謂的“最后的判決”，他在《動力學論》的序言中指出了兩種量度的同樣有效性。即平衡的情況下，可以用質量與速度的乘積或運動的量表示力；而在“一點一點地毀滅物體運動的那種障礙”，即減速運動中，被克服的障礙的數量與速度的平方成比例。他并沒有解決這場爭論。恩格斯科學的分析恩格斯在19世紀下半葉對運動量度的爭論作了科學的分析。他認為：“機械運動確實有兩種量度，但是也發(fā)現，每一種量度適用于某個界限十分明確的范圍之內的一系列現象，”“一句話，mv是以機械運動來量度的機械運動；mv2是以機械運動轉化為一定量的其他形式的運動的能力來量度機械運動?！边@就是說，mv適用于量度持續(xù)的機械運動，就是運動的變化只局限于機械運動的范圍內；mv2則適用于量度消失了的機械運動，就是機械運動不再保持原來的運動形式進行傳遞，它作為機械運動的形式消失了，而是以相當的其他形式能量(如熱能、光能、電能等)出現。所以說，mv和mv2這兩種量度之間并非是互相矛盾的，而是適用于不同條件的兩種量度?，F代物理觀點隨著物理學的發(fā)展，對于動量和能量的認識已經比較清楚。當一個系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，則這個系統(tǒng)的動量是守恒的。但是，當一個系統(tǒng)的動量守恒時，它的動能不一定守恒。當動能和其他能量之間的相互轉化時，則服從能量守恒定律。每一個處于運動過程中的系統(tǒng)，都具有一定的動量和能量，它們各自服從動量守恒定律與能量守恒定律。它們分別從不同的角度刻劃了系統(tǒng)的運動狀況。

相對論提出了由三維動量P和能量組成的四維動量P概念，建立了動量能量守恒定律。認為動量與能量的整體即四維動量P是運動的量度，動量與能量分別是運動量度的分量?！?.3.5牛頓的科學思想方法牛頓的方法可稱為“歸納–演繹”法歸納法：從實驗出發(fā)，由特殊到一般的方法；演繹法：以理論為主，由一般到特殊的方法。牛頓在他的《原理》的第三篇的開頭寫下了“哲學中的推理法則”共4條：第1條：“簡單性原則”，第2、3條：“統(tǒng)一性原理”，第4條：表明他對于觀察、實驗的基礎上通過歸納而得出自然規(guī)律的這一方法的信念。牛頓自己—生的評價牛頓對人類的貢獻是巨大的。然而牛頓卻能清醒地評價自己的—生。他對自己所以能在科學上有突出的成就以及這些成就的歷史地位有清醒的認識。他曾說過：“如果說我比多數人看得遠一些的話，那是因為我站在巨人們的肩上。”在臨終時，他還留下了這樣的遺言：“我不知道世人將如何看我，但是，就我自己看來，我好像不過是一個在海濱玩耍的小孩，不時地為找到一個比通常更光滑的卵石或更好看的貝殼而感到高興，但是，有待探索的真理的海洋正展現在我的面前?！薄?.4守恒律§1.4.1動量守恒與火箭

一、動量守恒定律

在慣性系統(tǒng)中，任何物質系統(tǒng)在不受外力作用或所受外力之和為零，它的總動量保持不變。這個定律對于接近于光速的相對論力學也成立。在微觀領域中粒子和粒子之間的散射也適合動量守恒定律。把光看成由光子組成的，頻率為v的光子的動量為hv/c由康普頓效應證實，光子和電子的碰撞也適合動量守恒定律。所以動量守恒定律是物理學中的一個基本定律。影視資料片：動量守恒，動量定理的應用二、火箭1、原理

火箭是動量守恒定律最重要的應用之一。根據動量守恒定律，當一個系統(tǒng)向后高速射出一個小物體時，該系統(tǒng)就會獲得與小物體相同大小但方向相反的動量，即系統(tǒng)就獲得向前的速度?；鸺l(fā)動機工作時，噴出的高速氣體給予火箭本體一個反作用力，即推力，使火箭的速度產生變化。2、組成齊奧爾科夫斯基首先推導出單級火箭所能得到的理想速度公式。多級火箭示意圖土星”5號運載火箭影視資料片：火箭結構及我國火箭“長征”號運載火箭§1.4.2機械能守恒與宇宙速度一、機械能守恒

動能：Ek=mv2/2重力勢能：EP=mgh引力勢能：EP=-GmMe/r機械能=動能+勢能機械能守恒定律：如果一個系統(tǒng)在外力不做功的情況下，系統(tǒng)內部又沒有像摩擦力這類會消耗能量的力做功的話，那么系統(tǒng)的機械能守恒。

二、宇宙速度從地球表面發(fā)射飛行器，飛行器環(huán)繞地球、脫離地球和飛出太陽系所需要的最小速度，分別稱為第一、第二、第三宇宙速度。第一宇宙速度：在地面上發(fā)射一航天器，使它能繞地球的圓軌道運行所需的最小速度。

v1=7.9km/s第二宇宙速度：脫離地球的引力范圍所需的最小發(fā)射速度v2=11.2km/s.第三宇宙速度：不但脫離地球引力范圍還要脫離太陽引力范圍所需的最小發(fā)射速度，

v3=16.7km/s.§1.4.3角動量守恒與航天器的運動角動量守恒實驗初狀態(tài)：半徑為r1，速率為v1；末狀態(tài)：半徑為r2，速率為v2。結果發(fā)現：mv1r1=mv2r2其中mv1r1和mv2r2分別為質點初、末狀態(tài)相對于O點的角動量。上式就是對固定點O的角動量守恒定律。角動量守恒定律：如果一個質點在運動過程中受到的外力相對于某固定點的力矩為零，則質點相對該固定點的角動量守恒。ω花樣滑冰運動員通過改變身體姿態(tài)即改變轉動慣量來改變轉速演示：角動量定恒§1.4.4航天簡史一、世界航天簡史1、從幻想到科學中國古代火箭震天雷神火飛鴉火龍出水原始火箭虎頭木牌一窩蜂科學幻想作品的啟迪開普勒是最早撰寫太空科學幻想小說的作家。他的作品《夢游》描述了人飛渡月球的情景。17世紀法國的.德貝爾熱拉克最富有想象力。他在《月球旅行》一書中設想了多種推進方法，包括火箭和利用太陽能的噴射推進器。19世紀60年代這類作品再度興起。法國艾羅、美國黑爾、德國拉塞維茨和英國威爾斯等作家所寫的太空旅行著作吸引了許多讀者，而法國著名作家J.凡爾納的《從地球到月球》和《環(huán)游月球》產生的影響更為廣泛。凡爾納著《從地球到月球》一書的封面2、克服地球引力的努力①航天先驅者：19世紀后期到20世紀初齊奧爾科夫斯基齊奧爾科夫斯基設想的飛船模型戈達德奧伯特世界上第一次液體火箭的飛行試驗美國的戈達德博士在1919年出版的《到達極大高度的方法》論文中提出了火箭飛行的數學原理，指出火箭必須具有7.9公里每秒的速度才能克服地球的引力。他認為只有液體火箭才能提供航天所需的能量，因而從1921年開始研制液體火箭。1926年3月16日他制造的液體火箭首次飛行成功，達到12米高，56米遠。這是世界上第一次液體火箭的飛行試驗，而戈達德也就成了液體火箭的實際創(chuàng)始人。戈達德研制成功的液體火箭②V-2火箭的歷史作用：德國于1942年10月3日首次成功發(fā)射V-2導彈，飛行180公里。它是歷史上的第一枚彈道導彈。V-2在工程上實現了20世紀初航天先驅者的技術設想，對現代大型火箭的發(fā)展起了繼往開來的作用。V-2火箭的設計雖然不盡完善，但它卻是人類擁有的第一件向地球引力挑戰(zhàn)的工具，成為航天發(fā)展史上的一個重要的里程碑。3、航天新紀元第一顆人造衛(wèi)星的發(fā)射為了趕在美國之前發(fā)射衛(wèi)星，前蘇聯決定將原計劃確定研制的衛(wèi)星暫時推遲，改為先發(fā)射兩顆簡易衛(wèi)星。1957年8月21日，P-7洲際導彈首次全程試射成功，同年10月4日，前蘇聯用“衛(wèi)星”號運載火箭把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星送入太空。第一顆人造地球衛(wèi)星衛(wèi)星的發(fā)展和應用1957年12月，“先鋒”號火箭發(fā)射衛(wèi)星失敗。1958年1月31日，美國用“軌道器”計劃的“丘辟特”C火箭（當時已改名為“丘諾”1號運載火箭）發(fā)射成功自己的第一顆衛(wèi)星“探險者”1號。法國在1965年11月26日、日本在1970年2月11日、中國在1970年4月24日、英國在1971年10月28日、歐洲空間局在1979年12月24日、印度在1980年7月18日相繼用自行研制的運載火箭成功地發(fā)射了自己的第一顆人造地球衛(wèi)星。4、深空探測①月球探測：伽利略是第一位用望遠鏡看到月面的科學家；到19世紀末，人類對月球向著地球的一面所拍攝的照片已達到1公里的分辨率；“月球”9號探測器的著陸艙1963～1976年是前蘇聯實施月球考察計劃的第二個階段。在此期間蘇聯共發(fā)射21個“月球”號探測器。美國把對月球探測與“阿波羅”載人登月計劃結合起來，執(zhí)行了“徘徊者”號探測器、“勘測者”號探測器和“月球軌道環(huán)行器”計劃。②行星探測：美國在1962年8月26日發(fā)射“水手”2號金星探測器；1971年，前蘇聯“金星”7號探測器的著陸艙在金星表面軟著陸成功。美國在1978年金星大沖期間發(fā)射了“先驅者-金星”1號和2號探測器；“水手”號探測器“金星”號探測器“先驅者”號探測器美國在1964～1975年間共發(fā)射6個“水手”號探測器和2個“海盜”號探測器。1977年8月和9月，美國發(fā)射“旅行者”2號和1號探測器。海盜1號探測器“旅行者”號探測器土星照片5、人進入太空①第一個航天員：于1961年4月12日用“東方”號運載火箭成功地發(fā)射了世界上第一艘載人飛船“東方”1號，使加加林成為世界上第一個進入太空的人，從而開辟了人類航天的道路。加加林“東方”1號飛船②登月1961年5月25日，美國總統(tǒng)肯尼迪向國會提出在60年代末將人送上月球的“阿波羅”工程。1969年7月20日由航天員阿姆斯特朗和奧爾德林駕駛的“阿波羅”11號飛船的登月艙降落在月球赤道附近的靜海區(qū)。這是一次震動全球的壯舉，也是世界航天史上具有重大歷史意義的成就。阿波羅11號飛船登月成功

③飛船空間對接1975年7月15日，前蘇聯發(fā)射“聯盟”19號飛船。在“聯盟”號飛船起飛后7小時30分，美國發(fā)射“阿波羅”18號飛船進入與“聯盟”號飛船相同的軌道。兩艘飛船的發(fā)射和入軌都很成功。在“阿波羅”號飛船飛行到29圈，“聯盟”號飛船飛行到36圈時，兩船開始對接并聯合飛行2天。

“聯盟”號和“阿波羅”號飛船對接6、在空間建立基地①“天空實驗室”美國國家航空航天局利用“阿波羅”工程節(jié)余的“土星”5號運載火箭的末級，將它改造成為試驗型航天站，即“天空實驗室”。“天空實驗室”于1973年5月14日發(fā)射進入435公里高的軌道。拍攝了約1000萬平方公里地球表面的4萬多張照片。于1979年7月11日提前墜入大氣層燒毀。太陽照片“天空實驗室”②前蘇聯“禮炮”號航天站前蘇聯從1971年4月19日到1984年11月共發(fā)射7個“禮炮”號航天站,以實際應用為目標，進一步完善航天設備，并從事許多與科學研究、國民經濟、軍事有關的探測、偵察、試驗活動。1982年4月19日前蘇聯發(fā)射“禮炮”7號航天站，以“禮炮”7號航天站為中心的載人航天活動正在進行中。3名航天員在“禮炮”7號航天站上創(chuàng)造了持續(xù)飛行236天22小時50分的新紀錄,完成了多項需要長期工作的科學研究課題，包括植物在太空環(huán)境下從播種、發(fā)芽、生長、開花到結果的全過程的研究。③美國“空間實驗室”20世紀70年代初，美國曾計劃在航天飛機上裝備一個能進行精密加工、制造高強度材料、提煉高純度單晶體和某些生物制品的航天器。后因經費不足，遂與歐洲空間局達成協(xié)議，由西歐國家按照美國航天飛機貨艙的尺寸和承載能力研制“空間實驗室”。1983年11月28日“空間實驗室”1號由“哥倫比亞”號航天飛機運送入軌。聯邦德國專家也參加了實驗室的工作?！翱臻g實驗室”的研制成功為美國國家航空航天局提供了一個重要的航天器，也使西歐開始直接參加載人航天活動。

7、航天飛機出現1981～1982年10月，航天飛機進行研制性飛行試驗。1982年11月11日，美國航天飛機首次進行商業(yè)性飛行，從近地軌道將兩顆通信衛(wèi)星送入地球靜止軌道?！案鐐惐葋啞碧柡教祜w機航天飛機結構圖二、中國航天中國于1970年4月24日發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星。

1、發(fā)展進程

1970年中國研制成功第一枚運載火箭和發(fā)射自己的第一顆人造衛(wèi)星后，開始發(fā)射小型科學衛(wèi)星?！皷|方紅”1號衛(wèi)星酒泉衛(wèi)星發(fā)射場1975年研制成功兩種大推力運載火箭，并開始發(fā)射返回型遙感衛(wèi)星（又稱科學探測和技術試驗衛(wèi)星）。1981年9月20日成功地用一枚火箭發(fā)射三顆空間物理探測衛(wèi)星。1984年4月，中國第一顆地球靜止軌道的試驗通信衛(wèi)星發(fā)射成功。1984年和1988年，我國分別成功地發(fā)射了首枚地球同步衛(wèi)星和首枚太陽同步衛(wèi)星。1990年4月7日，成功地把“亞洲1號”通信衛(wèi)星送入預定軌道，入軌精度達到國際先進水平，1997年5月20日，“東方紅三號”同步通信衛(wèi)星送入預定軌道，并定點在東經105度赤道上空，標志著我國已在衛(wèi)星的返回、測控、一箭多發(fā)、同步衛(wèi)星的發(fā)射等領域中躋身于世界的前列。1999年11月20日6時30分在酒泉發(fā)射中心，用新型長征運載火箭將我國第一艘試驗飛船“神舟”號發(fā)射成。試驗飛船《神舟》號影視資料片人造衛(wèi)星2、火箭和衛(wèi)星中國先后發(fā)射三種探空火箭①單級液體火箭，有效載荷10公斤，飛行高度70公里；②兩級探空火箭，第一級是固體火箭，第二級是液體火箭，直徑460毫米，有效載荷重60～150公斤，飛行高度60～200公里；③兩級固體火箭，總重量330公斤，有效載荷重30公斤，飛行高度70公里。T-7探空火箭中國充分利用彈道導彈的研究成果和技術基礎，成功地研制與使用了4種運載火箭：①“長征”1號三級火箭，第一、二級采用液體火箭發(fā)動機，第三級采用固體火箭發(fā)動機，可將約300公斤的人造衛(wèi)星送入近地軌道；②“風云”1號兩級液體火箭，可將約1200公斤的人造衛(wèi)星送入近地軌道；③“長征”2號兩級液體火箭，可將約2000公斤的人造衛(wèi)星送入近地軌道；④“長征”3號三級液體火箭，用于發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星或近地軌道的大型航天器。中國成功發(fā)射的人造衛(wèi)星主要有三種類型：1、科學和技術試驗衛(wèi)星；2、返回型遙感衛(wèi)星3、通信衛(wèi)星科學和技術試驗衛(wèi)星第一顆試驗通信衛(wèi)星§1.4.5地外生命探索地球上的人類是宇宙的“獨生子女”嗎?地球以外的茫茫宇宙中有生命和文明嗎?自古以來不少哲學家提出“天外有天，人外有人”的樸素看法。1960年美國西弗吉尼亞州格林班克鎮(zhèn)的國立射電天文臺執(zhí)行了一項代號為“奧茲瑪”的計劃，目的是探索“外星人”的來歷。1960年4月8日，這架射電望遠鏡開始搜索，它對準了距地球約10.8光年的