力學(xué)的發(fā)展課件

第二講

力學(xué)的發(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?！ｎD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代開始的，到牛頓時代到達(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)實驗方法和數(shù)學(xué)的引入，也就是離不開歸納法（需要實驗）和演繹法（需要數(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)時學(xué)的力學(xué)，你還記得多少？請你說出牛頓三定律的內(nèi)容和機械能守恒定律的條件。視頻欣賞：伽利略、牛頓、愛因斯坦和霍金：參透宇宙的金頭腦§1.1亞里士多德的力學(xué)

希臘世界百科全書式的思想家和科學(xué)家亞里士多德（Aristotle，公元前384一322）重視經(jīng)驗觀察，他發(fā)展了物理學(xué)、邏輯學(xué)、生物學(xué)以及政治、哲學(xué)理論。他提出的以太概念、物體越重下落速度越快的思想以及目的論的思維方式支配了西方一千多年。他通過觀察、實驗總結(jié)而成的生物學(xué)著作《動物志》對各種各樣的動物進行了詳盡描述，很有科學(xué)價值。亞里士多德

希臘化時期，歐幾里德、阿基米德、托勒密的成就代表了古希臘科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最高成就。歐幾里德（Euclid，約公元前330年-275年）所著《幾何原本》集希臘古典數(shù)學(xué)之大成，構(gòu)造了世界數(shù)學(xué)史上第一個宏偉的公理演繹系統(tǒng)，是古代世界在幾何學(xué)上的豐碑?？茖W(xué)巨匠阿基米德（Archimedes，公元前287一212）發(fā)現(xiàn)了杠桿原理和浮力原理，達(dá)到了古代力學(xué)的高峰。希臘天文學(xué)的集大成者托勒密（Ptdemy,90-168）系統(tǒng)總結(jié)了希臘天文學(xué)的優(yōu)秀成果，寫成《天文學(xué)大成》（后被阿拉伯人改為《至大論》），其中構(gòu)造的以地球為中心的完整、復(fù)雜的宇宙體系―托勒密地心體系統(tǒng)治了西方天文學(xué)一千多年，直到被哥白尼的日心說所代替。1、地心說與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

古代人為了生產(chǎn)等需要，已經(jīng)開始有目的地對星體、日、月進行觀察記錄。古希臘天文學(xué)對后世有很大影響，柏拉圖提出地球的中心思想，后由托勒密發(fā)展為地心說。§1.2從哥白尼到開普勒托勒密的地心說體系早在公元前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)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，其他天體都繞著地球轉(zhuǎn)動。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，因而流傳時間長達(dá)1300余年。

在托勒密的地心說看來，地球處于宇宙的中心，靜止不動，太陽及其他行星圍繞著地球運行．為了解釋與彌合天文觀測的差距，托勒密構(gòu)造出本輪—均輪體系。以使地球中心體系符合觀察到的星體運動路徑。在中世紀(jì)西方、教會將其納入到嚴(yán)密而龐大的神學(xué)體系中，作為上帝創(chuàng)世說的一個不可缺少的組成部分，這樣一來。原本很單純的天文學(xué)理論——地心說——就變成了維護教會權(quán)威的一個重要理論支柱。本輪——均輪圖哥白尼，波蘭偉大的天文學(xué)家、太陽中心說的創(chuàng)始人、近代天文學(xué)的奠基人。

隨著時間延長，“地心說”與實際的偏離越來越大。哥白尼經(jīng)過數(shù)十年的觀察和研究，終于建方起以太陽為中心的寧宙體系——“日心說”。日心說認(rèn)為，地球是一顆普通的行星，它既有繞自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)，又與其他行星一起圍繞宇宙中心——太陽旋轉(zhuǎn)。這就使得以前看來極不協(xié)調(diào)的種種天象變得簡單而和諧。日心說的創(chuàng)立和《天體運行論》的出版哥白尼

哥白尼（1473—1543），文藝復(fù)興時期波蘭著名的天文學(xué)家，太陽中心說的創(chuàng)始人，近代天文學(xué)的奠基人。哥白尼創(chuàng)立的日心說，即天文學(xué)名著《天體運行論》的發(fā)表，不但是天文學(xué)上的一次偉大革命，推動了天文學(xué)研究的飛速發(fā)展，而且引起了人類宇宙觀的重大革新，沉重地打擊了封建神權(quán)的統(tǒng)治，“從此自然科學(xué)便開始從神學(xué)中解放出來”。波蘭天文學(xué)家哥白尼通過天文觀察和數(shù)學(xué)計算創(chuàng)立了“日心說”，認(rèn)為太陽位于宇宙的中心，地球和其他星球都圍繞太陽運轉(zhuǎn)。哥白尼的《日心說》示意圖日心說提出的科學(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，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：在意大利留學(xué)10年，受到文藝復(fù)興運動影響，思想解放，投身科學(xué)革命。布魯諾的殉難是哥白尼日心說經(jīng)受的第一次考驗

布魯諾于1548年1月出生在意大利那不勒斯附近諾拉鎮(zhèn)的一個貧苦家庭，受文藝復(fù)興思想的影響，他極力倡導(dǎo)思想自由，宣揚無神說，哥白尼學(xué)說的革命精神強烈地感染了他，布魯諾的激進思想使天主教會暴跳如雷、惱羞成怒，1600年2月17日被活活燒死在羅馬鮮花廣場上。據(jù)說，當(dāng)教會判他火刑，在聽到判詞后，布魯諾說：“我走向火堆，但是你們比我更恐懼!”科學(xué)必將戰(zhàn)勝宗教.(一方面突出布魯諾的精神境界,另一方面突出近代科學(xué)對中世紀(jì)神權(quán)思想的沖擊.)你能理解布魯諾為什么這么說嗎?選擇上帝，還是選擇真理？

哥白尼：我是虔誠的基督徒，我的工作是當(dāng)牧師，可是對天文感興趣。無數(shù)個夜晚，我都在教堂的塔樓偷偷地觀察星空。我發(fā)現(xiàn)一個天大的秘密：地球并非宇宙的中心，太陽才是。到底是上帝錯了，還是我錯了？我是誠實的，我把觀點寫成了《天體運行論》一書，但是我很小心地守著這個秘密，直到70歲那年才發(fā)表了這本書。我只來得及摸了摸新書的校樣，就進了棺材。真幸運，我終于來得及說出真話，并飛快地蓋上棺材，把一切可怕的迫害擋在了棺材板外。這樣，我平靜度過了一生。

布魯諾：像哥白尼一樣，我也曾是愛好天文的基督教修士，我進一步發(fā)展了哥白尼的學(xué)說，在我懷疑上帝時。沒有像哥白尼那樣保持沉默。而是直截了當(dāng)告訴人們：“地球也不是宇宙的中心，因為宇宙是無限的”?！吧系蹖τ诓幌肽钏娜藖碚f，是不可能，是無?！边@下可捅了馬蜂窩，我被宣布為“異教徒”，遭到追捕，只好到處流亡，我不愿隱姓埋名躲起來，而是繼續(xù)到處宣揚我的觀點，終于有一天我被教會

誘捕，送進了宗教裁判所，一關(guān)就是八年，我受盡了酷刑。雖然只要說一句認(rèn)錯的話，就可以走出監(jiān)獄，但我沒有這樣做。教皇沒辦法，在新世紀(jì)的第一年，1600年，把我送上了火刑臺。我沒能像哥白尼那樣平安度過一生，但我堅信：火，并不能把我征服，未來的世紀(jì)會了解我，知道我的價值的！

甲同學(xué)說：哥白尼比較聰明，懂得“留得青山在，不怕沒燒的道理?！弊鳛橐粋€科學(xué)家，講究策略，保全性命，才有時間對人類作出更大的貢獻(xiàn)。

乙同學(xué)說：我認(rèn)為布魯諾做得對，這才是科學(xué)家應(yīng)有的品質(zhì)。你的觀點呢？2、開普勒行星三定律哥白尼和畢達(dá)哥拉斯的哲學(xué)思想強烈吸引開普勒。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)。1609—1619年，他先后提出了行星運動三定律。第谷在天文臺工作第谷用過的望遠(yuǎn)鏡1.橢圓定律：每個行星的軌道是一個橢圓，太陽位于一個焦點上。開普勒第一定律2．等面積定律：在行星與太陽間作一條直線，則此直線在行星運動時于相同時間內(nèi)掃過相等的面積。3．和諧定律：行星運動周期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)識到：他的定律強烈地暗示了太陽對行星有一種吸引力，這個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）的運動速度比金星的快，因而周期最短的事實。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1、伽利略在天文學(xué)方面的貢獻(xiàn)：《關(guān)于兩種世界體系的對話》自制望遠(yuǎn)鏡發(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

§1.3伽利略和近代力學(xué)的誕生伽利略的手稿伽利略的折射式望遠(yuǎn)鏡1609年，伽利略創(chuàng)制了天文望遠(yuǎn)鏡。他觀測到月球表面凹凸不平，并繪制了第一幅月面圖。2、在力學(xué)方面的貢獻(xiàn)：提出落體定律和慣性運動概念

《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》勇敢地否定了亞里士多德把運動劃分為“自然運動”和“強迫運動”，而是抓住了運動基本特征量——速度和加速度，把運動分為“勻速”和“變速”。用思想實驗和斜面實驗駁斥了亞里士多德的“重物下落快”的錯誤觀點，發(fā)現(xiàn)自由落體定律。伽利略與斜塔

伽利略斜面實驗落體實驗的思想實驗：矛盾！設(shè)：

重物下落時間為

t1

輕物下落時間為

t2亞里斯多德認(rèn)為：

t2>t1把兩物體捆綁在一起，情況如何呢？按亞里斯多德的觀點會有兩種答案：①

重物帶動輕物下落得快，輕物影響重物落得慢:t1<t<t2②

兩個物體作為整體，重于單個物體:

t<t1

t<t2伽利略做了歷史時上有名的“斜面實驗”

實驗一：vf實驗二：

伽利略把實驗和邏輯推理和諧地結(jié)合在一起，構(gòu)成了一套完整的科學(xué)研究方法。

愛因斯坦說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)的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)的真正開端?！?971年7月31日，“阿波羅15”號宇航員戴維斯-R-斯科特

“你知道嗎？”斯科特歡呼道：“伽利略是對的！”3、對科學(xué)方法的貢獻(xiàn)伽利略的研究方法

伽利略在解釋其觀察結(jié)論

對現(xiàn)象的觀察提出假設(shè)進行數(shù)學(xué)和邏輯的推理實驗驗證形成理論開創(chuàng)了科學(xué)實驗方法，并將實驗、觀察和理論思維相結(jié)合。提出了思想實驗。伽利略因支持哥白尼的日心說而接受教廷審訊

1633年，羅馬召令伽里略到羅馬受審，強迫他簽字“悔過”并放棄哥白尼學(xué)說。伽利略受審近300年后，即1928年，羅馬教皇才在公開集會上承認(rèn)對伽利略的審判是錯誤的。愛因斯坦評價他說：“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?！辟だ员缓笕朔Q為“現(xiàn)代物理之父”。羅馬教庭對伽利略的審判英國著名詩人Pope寫道：

“NatureandNature’slawlayhidinnight,GodsaidletNewtonbeandallwaslight”牛頓發(fā)明反射望遠(yuǎn)鏡

1、牛頓的綜合在哥白尼、開普勒關(guān)于天體運動規(guī)律和伽利略關(guān)于地面物體的動力學(xué)研究的基礎(chǔ)上。牛頓展開了更全面的分析、綜合和概括工作，終于建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實現(xiàn)了近代科學(xué)史上的第一次大綜合?！?.4牛頓和經(jīng)典力學(xué)的成熟

牛頓在著名的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，給出了一種力的定義：“施加的力是能夠使物體改變它的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動的狀態(tài)的一種作用”。這兒乎就是力的現(xiàn)代定義。事實上，力是代表物體間的一種相互作用，由于這種作用．物體會改變速度，即獲得加速度。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》

在定義了力的概念以后，牛頓在伽利略關(guān)于物體運動研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出來有關(guān)地面物體運動的三大定律。2、萬有引力定律的創(chuàng)立過程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動不同，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、萬有引力定律牛頓在建立了力學(xué)的基本概念并發(fā)現(xiàn)了力學(xué)的基本定律之后，就試圖用來解決一系列的問題。他在著手解決太陽系的動力學(xué)問題中，進一步發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。3．理論預(yù)言的實踐檢驗——哈雷彗星和海王星的發(fā)現(xiàn)

哈雷彗星

1705年英國天文臺哈雷在1531年，1607年，1682年看到的彗星將在1758年回歸。1743克雷洛計算了木星和土星對它的作用指出下次出現(xiàn)在1759年。1759年3月13日觀察到彗星近日點位置下一次返回太陽系將是2061年。

海王星英國亞當(dāng)斯－英國格林尼治天文臺忽視法國勒維烈－德國柏林天文臺1846/09/23晚卡文迪許測得：目前的國際公認(rèn)值：卡文迪許扭稱卡文迪許N?m2/kg2N?m2/kg2旋吊線懸吊在半空中可以自由轉(zhuǎn)動的木桿小鉛球大鉛球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》，因為哲學(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各種運動現(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?！薄蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》

“如果說我比其他人看得遠(yuǎn)一點的話，那是因為我站在巨人的肩上?！薄拔也恢廊藢⑷绾慰创?，但是在我看來，我不過像一個在海濱玩耍的孩子，為時而發(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，卻還在我的面前未曾發(fā)現(xiàn)呢?！?、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：除那些真實而已足夠說明其現(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，凡是既不能增強也不能減弱者，又為我們實驗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。真理性原理：在實驗哲學(xué)中，我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運用一般歸納而導(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)給予如此的對待。牛頓的自然哲學(xué)思想以及歸納法和演