第1章 牛頓力學與機械觀-2014版

物理學史和物理學方法論剡文杰Instructor:YanWenjieyanwj@10/18/20231物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編E-mail：y_wenjie@主講教師：剡文杰1985，畢業(yè)于北京師范大學物理專業(yè)；1991－1992，意大利米蘭工學院，微電子；2006，西北工業(yè)大學計算機專業(yè)碩士學位；主要研究方向：低維物理；光伏材料與器件物理；研究項目：國家自然科學基金項目“基于量子結(jié)構(gòu)的髙效太陽電池光電轉(zhuǎn)換機理”10/18/20232物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編參考書目基本教材：郭奕玲、沈慧君編著，物理學史（第二版），北京，清華大學出版社，2005年8月。陳毓芳、鄒延肅編,物理學史簡明教程，北京，北京師范大學出版社，1994年12月。吳國盛著，科學的歷程（第二版），北京，北京大學出版社，2002年10月10/18/20233物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編成績評定平時成績：50%考勤：15％作業(yè)：20％課程論文（1篇，期刊格式，手寫，5000字）：15％期末考試（開卷，筆試）：50％10/18/20234物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編科學思想、科學精神、科學的歷程10/18/20235物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1.0導論研究對象對自然界各種物理現(xiàn)象的認識史。物理學發(fā)生和發(fā)展的基本規(guī)律、物理學概念和思想的發(fā)展和變革。10/18/20236物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編幾個關(guān)系1．物理學和其它自然科學和技術(shù)的關(guān)系物理學從來都是自然科學的基礎(chǔ)許多新技術(shù)源自物理學的基礎(chǔ)研究。2．物理學中理論與實驗的關(guān)系物理學是以實驗為本，物理理論源于實驗但高于實驗。1.0導論10/18/20237物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編3．物理學與數(shù)學的關(guān)系數(shù)學是物理學家的思維工具，只有通過數(shù)學才能抓住錯綜復雜的變化過程，找到最基本、最普遍的規(guī)律，最終以精確形式表達自然規(guī)律。4．物理學與哲學的關(guān)系幾百年前，物理學叫自然哲學，被看成是哲學的一部分。許多物理學的新發(fā)現(xiàn)與哲學思潮有聯(lián)系。物理學的進展往往給哲學提供新鮮例證，而哲學也常對自然科學指出前進的方向。1.0導論10/18/20238物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編畢達哥拉斯：約前580年－前500年數(shù)乃萬物之源1.0導論10/18/20239物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編亞里士多德（前384年－前322年）著作涉及幾乎所有領(lǐng)域：190種(傳世49種)修辭、邏輯、哲學、天文、地理、物理、生物、礦物、氣象、醫(yī)學、營養(yǎng)……1.0導論10/18/202310物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編阿基米德：前287年—前212年1.0導論10/18/202311物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編古人對宇宙的認識地心說：地球是宇宙的中心，其它星球環(huán)繞地球運行。托勒密：“本輪”、“均輪”理論：星體除繞地軌道外，還會沿著一些小軌道運轉(zhuǎn)。托勒密的理論能初步的解釋從地球上所看到的現(xiàn)象。天主教教會接納為世界觀的“正統(tǒng)理論”。1.0導論10/18/202312物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編托勒密（Ptolemy,A.D.90-168）提出了“本輪”、“均輪”理論1.0導論對伊斯蘭世界和歐洲頗大影響的三部著作：《天文學大成》、《地理學指南》、《四書》10/18/202313物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編科學革命和新科學觀的誕生歐洲資本主義興起：14、15，歐洲經(jīng)典物理學誕生：16世紀－17世紀中葉，近代科學革命，文藝復興運動1.0導論10/18/202314物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編新文化精神的代表LeonardodaVinci,1452~1519近代歐洲實驗科學的先驅(qū)者之一多才多藝。人體解剖、動植物、力學、光學、地質(zhì)學、數(shù)學等。畫家、雕刻家、音樂家、工程師、物理學家、數(shù)學家、生物學家和哲學家。遺留手稿多達七千余頁。1.0導論10/18/202315物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編達芬奇發(fā)明設(shè)計的帶刀戰(zhàn)車、火炮、弩車和飛行器10/18/202316物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編近代自然科學的誕生

自然科學證明了物質(zhì)世界有其自身的客觀規(guī)律，受到教會鎮(zhèn)壓。布魯諾（意，約1548~1600）因地動說遭監(jiān)禁、活活燒死西班牙醫(yī)生塞爾維特：即將發(fā)現(xiàn)血液循環(huán)過程時，火刑；意大利思想家康帕內(nèi)拉：三十年死牢；伽利略（GalileoGalilei,1564~1642）：宣傳哥白尼學說，終身監(jiān)禁1.0導論10/18/202317物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編天文學的突破與科學革命的發(fā)生

尼古拉·哥白尼（NikolausCopernicus，波蘭，1473~1543）任牧師期間觀測天文、研究宇宙體系未敢公開發(fā)表見解1530年，寫成小冊子《綱要》，以手稿形式在友人中流傳。1542年，生命垂危之際，才同意將《天體運行論》付印。1543年，在病床上，他看到了這部巨著的印刷本。1.0導論10/18/202318物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編第谷·布拉赫（TychoBrahe，丹麥，1546~1601）早期最重要的天文觀測者1599年起，與青年助手開普勒共同進行觀測，直到1601年第谷逝世。1.0導論10/18/202319物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編約翰·開普勒（1571~1630，德）支持哥白尼，最終完成日心說接受第谷全部觀測資料1609年出版《新天文學》，兩個定律1619年出版《世界的諧和》，第三個定律。堅信上帝是按數(shù)的原則創(chuàng)造世界的1.0導論10/18/202320物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略(1564~1642，意)1609年，自制望遠鏡觀測。發(fā)現(xiàn)：月亮表面是粗糙不平的；天空的任何部分都可看到無數(shù)的星體；銀河由千千萬萬的星星組成的。1610年，《星界信使》出版，公布了發(fā)現(xiàn)。1632年，《關(guān)于兩大世界體系的對話》，對哥白尼學說作出了理性論證。1.0導論10/18/202321物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1633年，羅馬宗教裁判所，長達幾個月的審訊，強迫在“悔罪書”上簽字，當眾表示“公開放棄、詛咒和痛恨地動說的異端邪說”。禁止出版《關(guān)于兩大世界體系的對話》，被關(guān)監(jiān)，后改判在家終身監(jiān)禁。后花3年時間寫成《關(guān)于力學和局部運動兩門新科學的談話和數(shù)學證明》，秘密送往荷蘭于1638年出版。1979年，羅馬教皇提出為伽利略恢復名譽。1.0導論10/18/202322物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1.1歷史概述古代亞里士多德（前384—322）：物體運動速度與外力成正比、重物下落比輕物快。形成比重和重心的概念，出現(xiàn)杠桿原理；阿基米德：浮力原理（公元前二百多年）。墨家：總結(jié)了大量力學知識，如杠桿平衡。10/18/202323物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編16世紀以后航海、戰(zhàn)爭和生產(chǎn)的需要→鐘表、水磨機、火炮、天文觀測。第谷·布拉赫：以畢生精力采集了大量觀測數(shù)據(jù)。開普勒：行星運動的三規(guī)律。伽利略為代表：落體定律。1.1歷史概述10/18/202324物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略(1564～1642)：自由落體，為力學奠定了思想基礎(chǔ)。牛頓(1642～1727)：運動三定律、引力定律。牛頓力學的發(fā)展：伯努利、拉格朗日、達朗貝爾等，形成了系統(tǒng)的理論，發(fā)展出流體力學、彈性力學和分析力學等分支1.1歷史概述10/18/202325物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略和牛頓的研究方法：科學思維和實驗研究相結(jié)合。以牛頓力學為代表的科學精神和方法的傳播→18世紀英國工業(yè)革命、法國政治革命和德國哲學革命，形成了“技術(shù)機械化和人類理性化”的時代。1.1歷史概述10/18/202326物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1.2伽利略的運動學研究伽利略（1639）：“我聲明我想要探討的是物體從靜止開始，速度隨時間均勻增加的這樣一種運動的本質(zhì)。我證明這樣一個物體經(jīng)過的空間（距離）與時間的平方成正比。??”10/18/202327物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編亞里士多德萬物由四種元素—土、水、空氣及火組成。運動分自然運動和強迫運動：重物下落自然運動。物體越重，趨向自然位置的傾向性就越大，所以下落速度也越大。亞里士多德的理論基本上是錯誤的，但被宗教利用，至16世紀，仍被敬為圣賢之言。批駁亞里士多德的理論，涉及自然哲學基礎(chǔ)問題。伽利略的重要貢獻：認識到通過自由落體的研究打開的缺口，會導致一門廣博的新科學出現(xiàn)。1.2伽利略的運動學研究10/18/202328物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略的前驅(qū)哥白尼弗蘭西斯·培根（英1561—1626）：宣傳實驗的重要性，反對經(jīng)院哲學。1.2伽利略的運動學研究10/18/202329物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略的落體實驗伽利略在《兩門新科學》中，沒有提到他在比薩斜塔做過實驗。有關(guān)這個實驗的說法大概來自他晚年的學生維維安尼在《伽利略傳》中的一段不準確的回憶。這篇傳記是在伽利略死后十幾年即1657年出版的。1.2伽利略的運動學研究10/18/202330物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略的斜面實驗斜面實驗對伽利略落體定律的形成，起重要作用?！秲砷T新科學》中十分具體地描述了這個實驗。人們一直對伽利略所述的實驗方案深信不疑。但是，重復伽利略實驗，很難得到如此高的精確度。一種見解認為,伽利略的斜面實驗和他在書上描述的其它許多實驗一樣，都是虛構(gòu)的，伽利略的運動定律源于邏輯推理和理想實驗。1.2伽利略的運動學研究10/18/202331物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編有沒有親自做過斜面實驗？一頁手稿畫著一幅草圖，兩個小球正沿不同斜度的斜面向下運動，說明曾思考過斜面實驗?？膳卸ㄟ@頁數(shù)據(jù)大約記于1604年。此時看來伽利略還沒有確定時間平方關(guān)系，因為記錄上的第一列數(shù)據(jù)1、4、9、16..64顯然是后來加上去的。結(jié)論：伽利略的時間平方關(guān)系并不是直接從實驗得到，而是先有了設(shè)想，再用實驗加以驗證。1.2伽利略的運動學研究10/18/202332物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編10/18/202333物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略推證落體定律伽利略的科學研究方法：實驗和數(shù)學相結(jié)合，邏輯推理和實驗檢驗相結(jié)合。1.2伽利略的運動學研究10/18/202334物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編結(jié)論認為伽利略靠落體實驗就奠定了運動學基礎(chǔ)的說法不符合歷史。認為他沒有實際做過他所描述的實驗，僅靠推理思辨的說法也不符合歷史。伽利略創(chuàng)立運動學理論依靠的是思辨和實驗的相互印證、相互補充。1.2伽利略的運動學研究10/18/202335物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略的研究方法

理想實驗＋數(shù)學邏輯推理推進了人類科學認識活動的進展10/18/202336物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標志著物理學的開端?！獝垡蛩固?0/18/202337物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編從古代到中世紀都有人在探索慣性問題1.3慣性定律的建立10/18/202338物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1.3慣性定律的建立從亞里士多德到牛頓，最深刻的變化就在于建立了慣性定律。亞里士多德：一切物體的運動都是由于其它物體的作用。10/18/202339物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編伽利略對慣性的研究“只要斜面延伸下去，球?qū)o限地繼續(xù)運動，而且在不斷加速，因為運動著的重物的本性就是這樣。——《對話》”“等速圓周運動也是慣性運動”，并論證行星正是由于按圓周軌道作等速運動才能永恒地運轉(zhuǎn)，他并沒有正確地表達慣性定律。1.3慣性定律的建立10/18/202340物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編笛卡兒的工作“除非物體受到外因的作用，物體將永遠保持其靜止或運動狀態(tài)”——《哲學原理》（1644）最早把慣性定律作為原理，并視為整個自然觀的基礎(chǔ)，對牛頓有深遠影響。只停留在概念的提出，沒有解決力學體系問題。1.3慣性定律的建立10/18/202341物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編笛卡兒（Descar1596－1650）法國數(shù)學家，哲學家，物理學家《哲學原理》上帝(鐘表匠)造物主確定了的運動量守恒原理(機器論)慣性定律（直線）神學→哲學(科學)的典型人物1.3慣性定律的建立10/18/202342物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編牛頓“每一個物體都會繼續(xù)保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態(tài)，除非有力加于其上，迫使它改變這種狀態(tài)?！?0/18/202343物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編牛頓的早期研究大學期間接觸亞里士多德理論。1664年，擺脫亞里士多德影響，接受伽利略重視實驗和數(shù)學的觀念。從笛卡兒的著作中學習到：“自然的第一原因”的思想、慣性定律、碰撞規(guī)律和動量守恒、以及圓周運動的解析。1665—1666年已形成了理論框架。1.4萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和牛頓的綜合10/18/202344物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編牛頓研究天體問題1679年，創(chuàng)立微積分。胡克第一個正確地論述了圓周運動，建立了完整的概念。把圓周運動看成不平衡狀態(tài)，認為有某種力持續(xù)地作用于作圓周運動的物體，破壞其直線運動，使之保持閉合路徑。牛頓采用惠更斯的“向心力”一詞，在1680年證明橢圓軌道中的物體必受指向焦點的力，該力與距焦點的距離的平方成反比。1.4萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和牛頓的綜合10/18/202345物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編《原理》的三步曲惠更斯1673年提出離心力公式，哈雷等人先后從開普勒第三定律推出了平方反比定律。第一階段：《論運動》（1684年）。是牛頓答復哈雷關(guān)于平方反比定律的軌跡問題的一篇論文，討論了在中心吸引力的作用下物體運動軌跡的理論，由此導出了開普勒的三個定律。1.4萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和牛頓的綜合10/18/202346物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編第二階段：《論物體的運動》解決了慣性問題。證明了均勻球體吸引球外每個物體，吸引力都與球的質(zhì)量直接成正比，與從球心的距離的平方成反比，提出可以把均勻球體看成是質(zhì)量集中在球心；吸引力是相互的。1.4萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和牛頓的綜合10/18/202347物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1.4萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和牛頓的綜合10/18/202348物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編1687年，牛頓發(fā)表《原理》，到達科學頂峰?？偨Y(jié)了伽利略、笛卡兒、開普勒、惠更斯、胡克等人的研究成果以及他自己的創(chuàng)造。首次創(chuàng)立了一個地面力學和天體力學統(tǒng)一的嚴密體系。1.5《自然哲學的數(shù)學原理》10/18/202349物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編《自然哲學的數(shù)學原理》1.5《自然哲學的數(shù)學原理》10/18/202350物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編兩大部分定義和動力學原理，為建立力學的邏輯體系提供前提。定義，三大運動定律，6個推論。基本原理的應(yīng)用萬有引力定律和有心運動問題。最后一章是牛頓光學的力學基礎(chǔ)。物體在有阻力的介質(zhì)中的運動?！罢撚钪嫦到y(tǒng)”，是牛頓的天體力學理論。1.5《自然哲學的數(shù)學原理》10/18/202351物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編如果我看得更遠，那是因為站在巨人的肩上

1.5《自然哲學的數(shù)學原理》10/18/202352物理學史和物理學方法論物電學院剡文杰編IsaacNewton，1642－17271661，入劍橋大學三一學院。1665－1667，躲瘟疫，萬有引力、微積分和光色散等發(fā)現(xiàn)。1667，劍橋大學研究生，次年獲碩士學位。1669，劍橋大學盧卡斯數(shù)學講座教授。1672，因制造反射望遠鏡，被接納為倫敦皇家學會會員。1687，《自然哲學的數(shù)學原理》1689，國會議員。1696年，皇家造幣廠監(jiān)督，1699年任廠長。1703年，皇家學會會長到逝世。與胡克,萊布尼茨等人官司不斷，脾氣變壞。1705年，因科學研究和幣制改革的功績，被封為爵士。1727年3月20日去世(