力學(xué)的發(fā)展歷程

1、精品力學(xué)的發(fā)展歷程古代力學(xué)的發(fā)展古代最早的物理學(xué)體系是亞里士多德系，物理學(xué)者這門學(xué)科的名稱就是由亞 里士多德創(chuàng)立的。在亞里士多德的物理學(xué)中，主要討論運(yùn)動(dòng)（及產(chǎn)生和消滅）、 空間和時(shí)間以及事物變化的原因等物理世界的根本原理，應(yīng)該說，亞里士多德是比較系統(tǒng)和深入研究運(yùn)動(dòng)及有關(guān)的時(shí)間、空間的第一人。關(guān)于運(yùn)動(dòng)，亞里士多德認(rèn)為，物體永遠(yuǎn)在運(yùn)動(dòng)變化， ”運(yùn)動(dòng)是永恒的，不能 在一個(gè)時(shí)候曾經(jīng)存在，在另一個(gè)時(shí)候不存在”，這種運(yùn)動(dòng)永恒的觀點(diǎn)具有唯物主 義思想，包含辯證法的因素，至今仍是積極而有價(jià)值的。對(duì)物理學(xué)的發(fā)展來說，亞里士多德初步提出以物質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其與時(shí)間、空間、 周圍物體的關(guān)系為研究對(duì)象，以形成一門獨(dú)立的自然學(xué)

2、科，重視對(duì)近身事物的具 體觀察，強(qiáng)調(diào)思維邏輯的作用，首先引用數(shù)學(xué)方法來考慮具體物理定律， 從而引 起眾多的討論與研究等。阿基米德是古希臘繼亞里士多德之后又一科學(xué)巨匠，他從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法建立起靜力學(xué)，被譽(yù)為“力學(xué)之父”。阿基米德在力學(xué)上的貢獻(xiàn)主 要是嚴(yán)格地證明了杠桿定理和浮力定律。這是從經(jīng)驗(yàn)知識(shí)走向定律建立的重大飛 躍。阿基米德不僅是個(gè)理論家，也是個(gè)實(shí)踐家，他一生熱衷于將其科學(xué)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用 于實(shí)踐，一生創(chuàng)造發(fā)明了許多機(jī)構(gòu)和機(jī)器。經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展伽利略對(duì)亞里士多德的運(yùn)動(dòng)理論進(jìn)行檢驗(yàn)和批判， 成為經(jīng)典力學(xué)的先驅(qū)，是 近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的奠基人，被推崇為“近代科學(xué)之父”。伽利略在力學(xué)研究中做出的重

3、要貢獻(xiàn)1. 關(guān)于運(yùn)動(dòng)的描述伽利略拋棄了亞里士多把運(yùn)動(dòng)分為自然運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)， 采用數(shù)學(xué)方法來定量地分析運(yùn)動(dòng)， 對(duì)位移、 距離和時(shí)間的概念給予確切的數(shù)學(xué)表達(dá)形式， 運(yùn)用笛卡兒創(chuàng)立的坐標(biāo)系來定量的描述運(yùn)動(dòng)， 認(rèn)為應(yīng)該依據(jù)運(yùn)動(dòng)的基本特征量速度對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類， 由此， 把運(yùn)動(dòng)分為勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)兩種， 并引入加速度的概念。2. 自由落體運(yùn)動(dòng)伽利略首先運(yùn)用從一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)得出的佯繆入手， 對(duì)亞里士多德落體學(xué)說提出了反駁。 根據(jù)亞里士多德的論斷， 一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為 8 ，小石頭的下落速度為 4 ，當(dāng)我們把兩塊石頭拴在一起時(shí)， 下落快的會(huì)被下落慢的

4、拖著而減慢， 下落慢的會(huì)被下落快的拖著而加快，結(jié)果整個(gè)系統(tǒng)的下落速度應(yīng)該小于 8 。但是兩塊石頭拴在一起，加起來比大石頭還要重， 因此重物體比輕物體都小。 這樣， 就從重物體比輕物體下落得快的假設(shè)， 推出了重物體比輕物體下落得慢的結(jié)論， 從而在邏輯上證明了亞里士多德的學(xué)說是錯(cuò)誤的。再通過著名的斜面實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)自由落體運(yùn)動(dòng)符合他所提出的勻加速運(yùn)動(dòng)的定義。 自由落體下落的時(shí)間太短， 當(dāng)時(shí)用實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證自由落體是勻加速運(yùn)動(dòng)仍有困難，伽利略采用了間接驗(yàn)證的方法，他讓一個(gè)銅球從阻力很小的斜面上滾下， 做了上百次的實(shí)驗(yàn)， 小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的加速度要比它豎直下落時(shí)的加速度小得多， 所以時(shí)間容易測(cè)量些。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5、表明， 光滑斜面的傾角保持不變， 從不同位置讓小球滾下， 小球通過的位移跟所用時(shí)間的平方之比是不變 的即位移與時(shí)間的平方呈正比。由此證明了小球沿光滑斜面向下的運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)， 換用不同質(zhì)量的小球重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)， 位移跟所用時(shí)間的平方的比值仍不變， 這說明不同質(zhì)量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的情況是相同的， 即加速度與物體的重量無關(guān)。3. 慣性定律伽利略從單擺實(shí)驗(yàn)和對(duì)接斜面的理想實(shí)驗(yàn)中， 伽利略提出了慣性的概念。根據(jù)亞里士多德的物理學(xué)， 保持物體勻速運(yùn)動(dòng)的是力的持久運(yùn)動(dòng)。 但是， 伽利略從小球在水平面上運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)推測(cè)， 如果沒有摩擦力等阻力的作用， 小球?qū)⒈３謩蛩龠\(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了初

6、步的慣性定律。4. 拋體運(yùn)動(dòng)的研究和運(yùn)動(dòng)疊加原理5. 伽利略相對(duì)性原理伽利略的科學(xué)研究方法的特點(diǎn)伽利略把觀察和實(shí)驗(yàn)作為科學(xué)研究的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 他在研究工作中， 采取了下面一個(gè)對(duì)近代科學(xué)發(fā)展很有效的研究方法：對(duì)現(xiàn)象的一般觀察-提出工作假想-運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯的手段得出特殊結(jié)論-通過物理的或理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)推論進(jìn)行驗(yàn)證-對(duì)假設(shè)進(jìn)行修正和推廣。伽利略所創(chuàng)設(shè)的實(shí)驗(yàn)方法、 嚴(yán)格的邏輯與數(shù)學(xué)推理方法， 開辟了科學(xué)方法的道路。自 18 世紀(jì)以來，牛頓已成為整個(gè)近代科學(xué)革命的象征，可以說，牛頓在總體上推動(dòng)了近代科學(xué)的進(jìn)程。1687 年牛頓發(fā)表了自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理 ，在這部巨著中，牛頓概括了他的前人伽利略、笛卡爾、開普勒

7、、惠更斯、胡克等人的研究成果以及他自己的創(chuàng)造， 對(duì)李雪的基本概念和規(guī)律給出了確切的表述， 首次創(chuàng)立了地面力學(xué)和天體力學(xué)統(tǒng)一的嚴(yán)密體系，成為經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)上的第一次大綜合。牛頓在 原理 一書中提出了力學(xué)的三大定律和萬有引力定律， 對(duì)宏觀物體的運(yùn)動(dòng)給出了精確的描述，總結(jié)了他自己的物理發(fā)現(xiàn)和哲學(xué)觀點(diǎn)。 原理一書是人類自然科學(xué)的奠基性著作， 是自然科學(xué)史上最重要的著作之一。 他把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和太陽系內(nèi)行星的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一綜合。它不僅標(biāo)志著1617 世紀(jì)科學(xué)革命的頂點(diǎn)， 也是人類文明進(jìn)步劃時(shí)代的象征。 它不僅總結(jié)和發(fā)展了牛頓之前物理學(xué)的主要成果，而且也是后來所有科學(xué)著作和科學(xué)方法的楷模。 原

8、理一書對(duì)300 年來自然科學(xué)和自然哲學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。原理的第一篇，首先提出一組定義；質(zhì)量、動(dòng)量、慣性、力及向心力、絕對(duì)時(shí)間、 絕對(duì)時(shí)間， 這是一系列奠定力學(xué)基礎(chǔ)的概念。 然后系統(tǒng)地闡述了運(yùn)動(dòng)三大定律律。 隨后提出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶祗w學(xué)理論， 論述了向心力與回轉(zhuǎn)軌道之間的數(shù)學(xué)關(guān)系， 并證明了一條中心定理： 如果有一種同距離平方成反比的力起作用， 一個(gè)物體就成圓錐曲線（橢圓、拋物線、雙曲線）運(yùn)動(dòng)，引力的中心就在圓錐曲線的一個(gè)焦點(diǎn)上。 此外還為天文學(xué)家們解決了一個(gè)重要的實(shí)際問題： 只要觀察少數(shù)軌道要素， 就可確定行星的軌道。 對(duì)太陽、 地球和月球這類三體問題也做了近似的計(jì)算。原理的第二篇討論了十

9、分普遍的運(yùn)動(dòng)，即物體在有阻力的介質(zhì)（氣體、液體） 中運(yùn)動(dòng)， 阻力與速度的一次方或二次方程成正比， 更為復(fù)雜的是阻力中一部分與速度成比例， 另一部分與速度的平方成比例。 顯然， 在這里牛頓用了高超的數(shù)學(xué)技巧來處理一些在實(shí)驗(yàn)中難得遇見的問題。在原理的第三篇中，原本牛頓想將他寫成一般性的總結(jié)，但后來改變了計(jì)劃，將其標(biāo)題寫成“宇宙體系” ，并用第一。第二篇中推出的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋自然界中的各種實(shí)際問題。 他討論太陽系的行星、 行星的衛(wèi)星、 彗星的運(yùn)行，特別指出了潮汐形成的原因， 正是太陽、 月亮和地球之間的引力作用所致。 同時(shí)他考慮到流水的特性以及各海峽、 河口等地理因素的干擾， 從比較潮汐的最高點(diǎn)

10、和最低點(diǎn)算出月球的質(zhì)量。 另外在第三篇中， 牛頓還計(jì)算了行星之間的攝動(dòng)問題，如太陽對(duì)月亮的攝動(dòng)， 土星對(duì)木星的攝動(dòng)等。 得出如下結(jié)論： 彗星數(shù)目肯定很多，它們應(yīng)該屬于于行星的一種， 它們繞太陽運(yùn)動(dòng)具有很大的偏心率， 而且服從于同行星一樣的規(guī)律。 值得指出的是， 在大多數(shù)版本中， 緊接第三篇之后是一篇關(guān)于世界的體系 的論文， 這篇文章為第三篇的一些主要結(jié)果作了非數(shù)學(xué)性的概括。原理 一書已經(jīng)公諸于世， 立即造成巨大的社會(huì)影響， 因?yàn)樗侨祟愖匀豢茖W(xué)知識(shí)的首次大綜合。 他決定了后來力學(xué)發(fā)展的方向， 并為以后分析力學(xué)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 原理一書所奠定的物理基礎(chǔ)和方法，啟迪了人類征服自然的無窮智慧

11、。 原理的出版，表明了一個(gè)新時(shí)代和新科學(xué)文明的到來。牛頓的科學(xué)方法， 不僅是他在科學(xué)上作出杰出貢獻(xiàn)， 而且深刻滴影響著以后科學(xué)家的思想、 研和時(shí)間方向， 對(duì)后來的自然哲學(xué)和科學(xué)發(fā)展長(zhǎng)產(chǎn)生了很深遠(yuǎn)的影響，甚至對(duì)于社會(huì)科學(xué)和哲學(xué)的方法論，其意義也是很大的。牛頓在科學(xué)上成功地應(yīng)用了歸納法和歸納與演繹相結(jié)合的方法， 以及將分析和綜合、 實(shí)驗(yàn)和理論巧妙地結(jié)合起來的方法， 不但被公認(rèn)為學(xué)術(shù)界的典范， 而且大大豐富了科學(xué)方法論的內(nèi)容，在科學(xué)史和哲學(xué)史上有突出的地位。牛頓的科學(xué)研究方法可以概括為如下幾點(diǎn)： （ 1 ）公理化方法； （2）歸納演繹法； （ 3 ）分析綜合法； （ 4）數(shù)學(xué)物理方法； （ 5 ）實(shí)

12、驗(yàn)抽象方 法。經(jīng)典矢量量力學(xué)的發(fā)展建立了動(dòng)量、動(dòng)量矩和動(dòng)能的三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律以及在特定條件下的三個(gè)守很定律，是經(jīng)典矢量力學(xué)體系臻于完善。1 .質(zhì)心運(yùn)動(dòng)守恒定律笛卡爾首先提出了運(yùn)動(dòng)量守恒定律的基本思想，惠更斯認(rèn)識(shí)到動(dòng)量的矢量性，并準(zhǔn)確地描述了碰撞過程中系統(tǒng)的動(dòng)量守恒以及系統(tǒng)共同質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度為常數(shù)的結(jié)論。牛頓在自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書中明確表述了 “心運(yùn)動(dòng)守質(zhì)包定律”。2 .動(dòng)量矩守恒定律伯努利和歐勒等以不同的方式提出這一個(gè)原理。 與這個(gè)原理相應(yīng)的動(dòng)量矩定理指出：系統(tǒng)的總的動(dòng)量矩的時(shí)間變化率，等于所受作用力的力矩之和。3 .動(dòng)能守恒定律德國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家萊布尼茨引進(jìn)了 “活力”概念，認(rèn)為宇宙中“活力守12mv包”，并且發(fā)現(xiàn)力與路程的乘積與活力的變化成正比。 直到科里奧利力用2 代 .,2 4 替mv之后，萊布尼茨的發(fā)現(xiàn)在得到準(zhǔn)確的表述：所做的功等于動(dòng)能的增加。分析力學(xué)的發(fā)展分析力學(xué)是經(jīng)典力學(xué)理論的發(fā)展和完善，具形成過程經(jīng)歷了三次大的飛躍：第一次飛躍式牛頓力學(xué)從質(zhì)點(diǎn)過渡到剛體和流體的發(fā)展，取得突破性進(jìn)展的是歐勒運(yùn)動(dòng)學(xué)方程荷藕了動(dòng)力學(xué)方程的建立。第二次飛躍是拉格朗日理論的建立。1788年法國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家拉格朗日將j.伯努利提出的虛功原理