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1、第二章 經(jīng)典力學(xué)的建立和發(fā)展,我已經(jīng)把哲學(xué)的原理確定下來了,但這些原理不是哲學(xué)的,而是數(shù)學(xué)的。 牛頓,版權(quán)所有 復(fù)制必究,高等教育出版社,近代自然科學(xué)的誕生是從天文學(xué)的突破開始的。 經(jīng)典力學(xué)是從伽利略和開普勒時(shí)代開始的,到牛頓時(shí)代到達(dá)成熟階段。 從科學(xué)方法上看,它的建立和發(fā)展離不開科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)的引入,也就是離不開歸納法(以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ))和演繹法(依靠數(shù)學(xué))兩者的結(jié)合。 討論與思考: 為什么要先學(xué)力學(xué)? 中學(xué)時(shí)學(xué)的力學(xué),你還記得多少? 請(qǐng)你說出牛頓三定律的內(nèi)容和機(jī)械能守恒定律的條件。,2.1 坐標(biāo)系、位置矢量、速度,力學(xué)是定量的科學(xué),為了描寫物體運(yùn)動(dòng),必須引入基本量位置、時(shí)間、速度。 在牛頓
2、力學(xué)中,坐標(biāo)和時(shí)間是獨(dú)立的,且用在不同參考系中 “長度不變的尺”和“絕對(duì)時(shí) 間”(即不同參考系中鐘的快慢一 樣)。 速度是矢量,速度合成用平行四邊 形法則。,在數(shù)學(xué)和物理中,作圖法很重要,可幫助我們理解。希望同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)中重視圖形的用處,體會(huì)用圖來分析說明問題的重要性和必要性。,x,y,z,O,2.2 從哥白尼到開普勒,一、向地心說挑戰(zhàn)哥白尼創(chuàng)立日心說 為什么近代科學(xué)誕生是從天文學(xué)的突破開始的?,托勒密地心說體系,托勒密,早在公元前4世紀(jì),古希臘哲學(xué)家亞里士多德就已提出了“地心說”,即認(rèn)為地球位于宇宙的中心。公元140年,古希臘天文學(xué)家托勒密發(fā)表了他的13卷巨著天文學(xué)大成,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)
3、上系統(tǒng)地確立了地心說。根據(jù)這一學(xué)說,地為球形,且居于宇宙中心,靜止不動(dòng),其他天體都繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。 這一學(xué)說從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復(fù)始的現(xiàn)象,又符合上帝創(chuàng)造人類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義,因而流傳時(shí)間長達(dá)1300余年。,日心說提出的科學(xué)根源、哲學(xué)根源和歷史根源是什么? 科學(xué)根源:隨著天文學(xué)觀察數(shù)據(jù)越來越多,為了給予解釋,托勒密的地心說不斷修補(bǔ),越來越復(fù)雜,難以使人信服。 哲學(xué)根源:他接受畢達(dá)哥拉斯學(xué)派提出的“宇宙是和諧的,可用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系來表達(dá)宇宙規(guī)律”的基本思想。他也贊同柏拉圖哲學(xué),同柏拉圖一樣,高度贊美太陽,給予太陽“宇宙正中”的位置。 歷史根源:在意大
4、利留學(xué)10年,受到文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)影 響,思想解放,投身科學(xué)革命。,哥白尼,哥白尼日心說示意圖,日心說的創(chuàng)立和天體運(yùn)行論的出版,二、開普勒行星三定律 哥白尼和畢達(dá)哥拉斯的哲學(xué)思想強(qiáng)烈吸引開普勒。 1600年與第谷合作,使他從第谷處 獲得了大量精確的天文學(xué)數(shù)據(jù)。 于1609和1619年,他先后提出了 行星運(yùn)動(dòng)三定律。,第谷在天文臺(tái)工作,第谷用過的望遠(yuǎn)鏡,開普勒發(fā)現(xiàn)利用哥白尼模型火星軌道數(shù)據(jù)與第谷觀測(cè) 的數(shù)據(jù)有8偏差,促使他改進(jìn)理論模型。他曾說: “這8弧分是不允許忽略的,它使我走上改革整個(gè)天文 學(xué)的道路?!?1.橢圓定律:每個(gè)行星的軌道是一個(gè)橢圓,太陽位于一 個(gè)焦點(diǎn)上。,開普勒第一定律,2等面積定律
5、:在行星與太陽間作一條直線,則此直線 在行星運(yùn)動(dòng)時(shí)于相同時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。 3和諧定律:行星運(yùn)動(dòng)周期T 的平方正比于行星與太陽 平均距離R 的三次方,記為:,開普勒第二定律,開普勒已經(jīng)認(rèn)識(shí)到:他的定律 強(qiáng)烈地暗示了太陽對(duì)行星有一種吸 引力,這個(gè)力隨距離之增大而減弱。 這樣才能理解例如為什么水星(離 太陽最近)的運(yùn)動(dòng)速度比金星的快, 因而周期最短的事實(shí)。但這是什么 樣的力呢?開普勒還想不出來,揭 示這一自然奧秘的任務(wù)是后來牛頓 完成的,但開普勒的理論為牛頓經(jīng) 典力學(xué)的建立提供了重要基礎(chǔ)。從 開普勒起,天文學(xué)真正成為一門精 確科學(xué),成為近代科學(xué)的開路先鋒。,開普勒,2.3 伽利略和近代力學(xué)的誕
6、生,一、伽利略在天文學(xué)方面的貢獻(xiàn): 自制望遠(yuǎn)鏡(1609年) 為紀(jì)念他首先用望遠(yuǎn)鏡觀察星空這一壯舉,2009年為國際天文年。 發(fā)現(xiàn)木星的4顆衛(wèi)星 發(fā)現(xiàn)太陽黑子 定出太陽自轉(zhuǎn)周期,伽利略,伽利略望遠(yuǎn)鏡,木星衛(wèi)星,二、在力學(xué)方面的貢獻(xiàn):提出落體定律和慣性運(yùn) 動(dòng)概念 勇敢地否定了亞里士多德把運(yùn)動(dòng)劃分為“自然運(yùn)動(dòng)”和“強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)”,而是抓住了運(yùn)動(dòng)基本特征量速度和加速度,把運(yùn)動(dòng)分為“勻速”和“變速”。 用思想實(shí)驗(yàn)和斜面實(shí)驗(yàn)駁斥了亞里 士多德的“重物下落快”的錯(cuò)誤觀 點(diǎn),發(fā)現(xiàn)自由落體定律。,伽利略與斜塔,伽利略斜面實(shí)驗(yàn),三、對(duì)科學(xué)方法的貢獻(xiàn) 斜面實(shí)驗(yàn)在2002年被評(píng)為歷史上“最美麗”的十大物 理實(shí)驗(yàn)之一。從
7、斜面實(shí)驗(yàn)看伽利略的研究方法:,伽利略在解釋其觀察結(jié)論,對(duì)現(xiàn)象的觀察,提出假設(shè)(勻加速運(yùn)動(dòng)假設(shè)),進(jìn)行數(shù)學(xué)和邏輯的推理,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(st2),形成理論,開創(chuàng)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,并將實(shí)驗(yàn)、觀察和理論思維相結(jié)合。 提出了思想實(shí)驗(yàn)。,晚年伽利略在被軟禁期間,直到逝世前,一直未中斷過研究工作,羅馬教庭對(duì)伽利略的審判,愛因斯坦評(píng)價(jià)他說:“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)真正的開端?!?伽利略被后人稱為“現(xiàn)代物理之父”。,2.4 牛頓和經(jīng)典力學(xué)的成熟,英國著名詩人Pope寫道: 自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中, 上帝說:“讓牛頓去吧!” 于是一切成為光明。,牛
8、頓發(fā)明反射望遠(yuǎn)鏡,一、牛頓簡歷,偉大的英國物理學(xué)家,1642年12月25日生于林肯郡伍爾索普村的一個(gè)農(nóng)民家庭1669年,年僅27歲,就擔(dān)任了劍橋的數(shù)學(xué)教授1672年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員 16851687年,在天文學(xué)家哈雷的鼓勵(lì)和贊助下,牛頓發(fā)表了著名的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理,完成了具有歷史意義的發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律,對(duì)近代自然科學(xué)的發(fā)展,作出了重大貢獻(xiàn)1703年,當(dāng)選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)長,二、牛頓力學(xué)三定律,牛頓創(chuàng)建了力學(xué)模型,把物體視為質(zhì)點(diǎn)(理想模型),將模型與數(shù)學(xué)相結(jié)合研究了物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,使物理學(xué)成為定量的學(xué)科。模型方法不僅是物理學(xué),而且已成為現(xiàn)代科學(xué)研究的基本方法之一。 第一定律:慣性
9、定律一個(gè)不受外力作用的物體將保持它的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這定律首先歸功于伽利略和笛卡兒的貢獻(xiàn),牛頓將它作為力學(xué)定律提出,并引入“質(zhì)點(diǎn)”來描寫物體慣性的大小。 第二定律:運(yùn)動(dòng)定律 , 是動(dòng)力學(xué)的最基本定律。,牛頓第三定律:作用和反作用定律一物體對(duì)另一物體的作用力同時(shí)引起另一物體對(duì)該物體的大小相等、方向相反的反作用力,作用力和反作用力在同一條直線上。 三、萬有引力定律的創(chuàng)立 1思想突破 問題的提出 月亮為什么不掉到地球上來? 別人只看到了天上和地上的運(yùn)動(dòng) 不同,牛頓看到了它們的相似性, 把它們統(tǒng)一起來。這正是牛頓 哲學(xué)思想統(tǒng)一性原理的體現(xiàn)。,2萬有引力公式的建立 牛頓將第二、第三定律和開普勒定
10、律相結(jié)合,建立了萬有引力公式 其中引力常數(shù)G的測(cè)定是100多年以后由卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)測(cè)得。此實(shí)驗(yàn)也被評(píng)為歷史上“最美麗”的十大實(shí)驗(yàn)之一。,卡文迪許測(cè)得: 目前的國際公認(rèn)值:,卡文迪許扭稱,卡文迪許,Nm2/kg2,Nm2/kg2,旋吊線,懸吊在半空中可以 自由轉(zhuǎn)動(dòng)的木桿,小鉛球,大鉛球,3理論預(yù)言的實(shí)踐檢驗(yàn)哈雷彗星和海王星的發(fā)現(xiàn),哈雷彗星,海王星,4牛頓在科學(xué)研究方法上的貢獻(xiàn) “我把這部著作叫做 自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理, 因?yàn)檎軐W(xué)的全部任務(wù)看來 就在于從各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象來 研究各種自然之力,而后 用這些力去論證其他的現(xiàn) 象?!?值得思考:牛頓在這里不僅講了研究的目的,還講了科學(xué)研究方法。即從特殊(
11、現(xiàn)象)到一般(規(guī)律),再從一般回到特殊。前者是英國哲學(xué)家培根強(qiáng)調(diào)的“歸納法”,它以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ);后者是被數(shù)學(xué)家兼哲學(xué)家的笛卡兒所強(qiáng)調(diào)的“演繹法”,它要用數(shù)學(xué)工具。,自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理,牛頓的研究方法:歸納-演繹法 歸納法:從實(shí)驗(yàn)出發(fā),由特殊到一般 演繹法:以理論為主,由一般到特殊 在牛頓前,兩種方法被認(rèn)為是互相排斥的。牛頓在科學(xué)方法上的重大貢獻(xiàn)就是他把兩種方法結(jié)合起來了。 從牛頓萬有引力公式的建立到被世界公認(rèn)的過程,就可以看到牛頓是將兩種方法結(jié)合起來,說明這兩種方法是相輔相成的。這也牛頓哲學(xué)思想的體現(xiàn)。,四、牛頓的自然哲學(xué)思想 牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中,提出了4條哲學(xué)中的推理法則:,簡單性原理
12、:除那些真實(shí)而已足夠說明其現(xiàn)象者外,不必再去尋求自然界事物的其他原因。 因果性原理:對(duì)于自然界中同一類結(jié)果,必須盡可能歸之于同一種原因。 統(tǒng)一性原理:物體的屬性,凡是既不能增強(qiáng)也不能減弱者,又為我們實(shí)驗(yàn)所能及的范圍的一切物體所具有者,就應(yīng)視為所有物理的普遍屬性。(在此法則中,牛頓明確提出了萬有引力思想:“我們必須普遍承認(rèn),無論哪種物體都只賦有一個(gè)原則,即他們能夠互相吸引?!保?真理性原理:在實(shí)驗(yàn)哲學(xué)中,我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運(yùn)用一般歸納而導(dǎo)出的命題看作是完全正確的或很接近于真實(shí)的,雖然可以想象出任何相反的假說,但是在沒有出現(xiàn)其他現(xiàn)象足以使之更為正確或者出現(xiàn)例外之前,仍然應(yīng)當(dāng)給予如此的對(duì)待。
13、,牛頓的自然哲學(xué)思想以及歸納法和演繹法相結(jié)合,模型和數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究方法,不僅使他成功地建立了經(jīng)典力學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合,而且推動(dòng)了近代科學(xué)的大發(fā)展。,恩格斯:“不管自然科學(xué)家采取什么樣的態(tài)度,他們還是得受哲學(xué)的支配?!?玻恩:“真正的科學(xué)是富于哲學(xué)理性的,尤其是物理學(xué),它不僅是走向技術(shù)的第一步,而且還是通向人類思想的最深層的途徑。”,五、站在巨人肩膀上的牛頓 “如果說我比其他人看得遠(yuǎn)一點(diǎn)的話,那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟?。”“我不知世人將如何看待我,但是在我看來,我不過像一個(gè)在海濱玩耍的孩子,為時(shí)而發(fā)現(xiàn)一塊比平常光滑的石子或美麗的貝殼而感到高興;但那浩瀚的真理之海洋,卻還在我
14、的面前未曾發(fā)現(xiàn)呢?!?六、牛頓物理學(xué)的局限性 當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速率很高時(shí)(接近光速),當(dāng)所描寫的體系很小時(shí)(微觀體系),當(dāng)所描述的物質(zhì)系統(tǒng)很大,或引力很強(qiáng)時(shí),牛頓的萬有引力、運(yùn)動(dòng)定律和牛頓的時(shí)空觀就不完全正確了,將由新的理論來代替。,2.5 動(dòng)量守恒定律 機(jī)械能守恒定律,動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律以及下一節(jié)要講的角動(dòng)量守恒定律,揭示了在物體運(yùn)動(dòng)變化過程中保持不變的東西。這些守恒定律常被人們用作處理動(dòng)力學(xué)問題的出發(fā)點(diǎn),使問題的處理簡單、方便,而不必知道物理過程的細(xì)節(jié),就可以由初始條件推演出過程結(jié)束時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。,一、動(dòng)量、力的沖量 動(dòng)量守恒定律 動(dòng)量: 沖量引起動(dòng)量的變化: 動(dòng)量守恒:在一個(gè)封閉 (
15、不受外力)的體系內(nèi), 在內(nèi)力作用下總動(dòng)量保 持守恒。,壓縮彈簧使兩車分開動(dòng)量守恒,二、描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)量動(dòng)量和動(dòng)能 這兩個(gè)量互不相同,有本質(zhì)區(qū)別,都很重要。 動(dòng)量是矢量,它的變化與沖量有關(guān)。 動(dòng)能是標(biāo)量,它的變化與力做功有關(guān),而且它可以轉(zhuǎn)化為其他不同形式的能量。,三、重力勢(shì)能、功、機(jī)械能守恒 舉重物體,要先克服地球引力做功 物體下落,勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 在保守場中,機(jī)械能(動(dòng)能和勢(shì)能之和)保持不變 功是力與位移的標(biāo)積,2.6 彈性和振動(dòng),下面討論另一種保守力彈性力作用下物體運(yùn)動(dòng)的描述。 以彈簧振子為例,設(shè)彈簧振子質(zhì)量為m,彈簧的勁度系數(shù)為k。 彈簧施加在物體上的力 振子動(dòng)能與勢(shì)能之和為常量,即機(jī) 械能守恒,振子位移隨時(shí)間的變化,遵從余弦(正弦)規(guī)律 其中 振子速度隨時(shí)間的變化 將 和 的表達(dá)式
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