(1.3)-講稿3-力學(xué)建立與完善

講稿講授內(nèi)容備注第4頁(yè)共4頁(yè)引題：上一節(jié)學(xué)習(xí)力學(xué)的建立基礎(chǔ)，重點(diǎn)講授了伽利略的貢獻(xiàn)，本講從牛頓建立三定律及萬(wàn)有引力定律入手講授力學(xué)的建立和完善過(guò)程。一、經(jīng)典力學(xué)的建立1、牛頓（IsaacNewton)簡(jiǎn)介1）生平：1643年1月4日生于英格蘭平民家庭。1661年入英國(guó)劍橋大學(xué)-三一學(xué)院。1665年獲文學(xué)士學(xué)位。1667年牛頓回劍橋后當(dāng)選為劍橋大學(xué)-三一學(xué)院院委，次年獲碩士學(xué)位。1669年巴羅為提攜牛頓而辭職，牛頓晉升為數(shù)學(xué)教授1696年任皇家造幣廠(chǎng)監(jiān)督，并移居倫敦。1703年任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。1706年受英國(guó)女王安娜封爵。1727年3月20日，牛頓在倫敦病逝，享年84歲。備注：牛頓是儒略歷1642年12月25日，即格里歷（陽(yáng)歷）1643年1月4日，2）牛頓取得成就的主要客觀(guān)條件：（1）發(fā)生了“商業(yè)革命”英國(guó)的資本主義有很大發(fā)展。（2）新航路開(kāi)辟以后，發(fā)生了“商業(yè)革命”，位于大西洋交通要道上的英國(guó)，處在國(guó)際貿(mào)易的樞紐地位，在1588年戰(zhàn)勝西班牙后，取得了海上霸權(quán)。（3）牛頓曾說(shuō)：“如果我所見(jiàn)的比笛卡兒遠(yuǎn)一點(diǎn)，因?yàn)槲沂钦驹诰奕藗兊募绨蛏系木壒省?）牛頓個(gè)人的工作特點(diǎn)（1）重視實(shí)驗(yàn)，從歸納入手，這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。（2）牛頓善于思考，具有清晰的邏輯頭腦，對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的事物能夠抓住要害，看清本質(zhì)屬性。（3）牛頓有著巨大的數(shù)學(xué)才能，他第一個(gè)大量地運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理理論。2、牛頓的貢獻(xiàn)1）力學(xué)方面：1686年底《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》*提出了關(guān)健的概念：*建立了三定律*得出了萬(wàn)有引力定律。2）光學(xué)方面*1666年進(jìn)行了著名的色散試驗(yàn)。*1668年制成了第一架反射望遠(yuǎn)鏡*提出粒子說(shuō)3）數(shù)學(xué)方面*在1665年發(fā)現(xiàn)了二項(xiàng)式定理*約在1664—1665年發(fā)現(xiàn)微積分*發(fā)現(xiàn)方程論與變分法4）從1669年27歲時(shí)就沉湎于煉金術(shù)和神學(xué)，晚年大部分精力用于煉金術(shù)和神學(xué)，很大程度上影響其科學(xué)工作。3、《原理》1）原理地位：牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》與歐幾里得的《幾何原本》、達(dá)爾文的《物種起源》等名著一樣是自然科學(xué)劃時(shí)代的著作2）內(nèi)容：第一部首先提出了定義和原理。以空間、時(shí)間、質(zhì)量和力四個(gè)絕對(duì)化的概念為基礎(chǔ)，以運(yùn)動(dòng)三定律為核心。第二部分是這些基本原理的應(yīng)用，包括三篇（1）概念、定義：*質(zhì)量：“物質(zhì)的量是通過(guò)正比于密度和體積的總和來(lái)確定的量度單位。”*動(dòng)量：“動(dòng)量是通過(guò)正比于速度和質(zhì)量的總和來(lái)確定的量度單位。”牛頓把動(dòng)量看成運(yùn)動(dòng)，并指出動(dòng)量是一個(gè)可加量。*質(zhì)量作為物質(zhì)慣性量度的內(nèi)容*力：“施加的力是能使物體改變它的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種作用?！?四個(gè)關(guān)于向心力的定義*絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)、絕對(duì)靜止。（2）三定律（3）六個(gè)推論：平行四邊形法則、運(yùn)動(dòng)的疊加原理、動(dòng)量守恒定律和力學(xué)的相對(duì)性原理（4）萬(wàn)有引力定律和有心運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，提出了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶祗w力學(xué)理論，。（5）討論了物體在有阻力的介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)4、補(bǔ)充：1）對(duì)牛頓發(fā)展幫助最大的人（1）牛頓的舅舅：牛頓出生前三個(gè)月父親便去世了。在他兩歲時(shí)，母親改嫁給一個(gè)牧師，把牛頓留在外祖母身邊撫養(yǎng)。少年時(shí)的牛頓并不是神童，他資質(zhì)平常，但他喜歡讀書(shū)，喜歡看一些介紹各種簡(jiǎn)單機(jī)械模型制作方法的讀物，并從中受到啟發(fā)，自己動(dòng)手制作些奇奇怪怪的小玩意，如風(fēng)車(chē)、木鐘、折疊式提燈等等。自己制造了一架磨坊的模型，他將老鼠綁在一架有輪子的踏車(chē)上，然后在輪子的前面放上一粒玉米，剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不斷的跑動(dòng)，于是輪子不停的轉(zhuǎn)動(dòng)；又一次他放風(fēng)箏時(shí)，在繩子上懸掛著小燈，夜間村人看去驚疑是彗星出現(xiàn)；他還制造了一個(gè)小水鐘。每天早晨，小水鐘會(huì)自動(dòng)滴水到他的臉上，催他起床。他還喜歡繪畫(huà)、雕刻，尤其喜歡刻日晷，家里墻角、窗臺(tái)上到處安放著他刻畫(huà)的日晷，用以驗(yàn)看日影的移動(dòng)。牛頓12歲時(shí)進(jìn)了離家不遠(yuǎn)的格蘭瑟姆中學(xué)曾經(jīng)寄宿在一位藥劑師家里，使他受到了化學(xué)試驗(yàn)的熏陶。母親讓牛頓停學(xué)在家務(wù)農(nóng)，贍養(yǎng)家庭，自己則躲在樹(shù)叢后看書(shū)。有一次，牛頓的舅父起了疑心，就跟蹤牛頓上市鎮(zhèn)去，發(fā)現(xiàn)他的外甥伸著腿，躺在草地上，正在聚精會(huì)神地鉆研一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題。牛頓的好學(xué)精神感動(dòng)了舅父，于是舅父勸服了母親讓牛頓復(fù)學(xué)，并鼓勵(lì)牛頓上大學(xué)讀書(shū)。牛頓又重新回到了學(xué)校，如饑似渴地汲取著書(shū)本上的營(yíng)養(yǎng)（2）伊薩克·巴羅盧卡斯創(chuàng)設(shè)了一個(gè)獨(dú)辟蹊徑的講座，規(guī)定講授自然科學(xué)知識(shí)，如地理、物理、天文和數(shù)學(xué)課程講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個(gè)博學(xué)的科學(xué)家。這位學(xué)者獨(dú)具慧眼，看出了牛頓具有深邃的觀(guān)察力、敏銳的理解力。于是將自己的數(shù)學(xué)知識(shí)，包括計(jì)算曲線(xiàn)圖形面積的方法，全部傳授給牛頓，并把牛頓引向了近代自然科學(xué)的研究領(lǐng)域巴羅比牛頓大12歲，精于數(shù)學(xué)和光學(xué)，他對(duì)牛頓的才華極為贊賞，認(rèn)為牛頓的數(shù)學(xué)才華超過(guò)自己。后來(lái)，牛頓在回憶時(shí)說(shuō)道：“巴羅博士當(dāng)時(shí)講授關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)的課程，也許正是這些課程促使我去研究這方面的問(wèn)題。牛頓返回到劍橋大學(xué)，10月1日被選為三一學(xué)院的仲院侶(初級(jí)院委)，翌年3月16日獲得碩士學(xué)位，同時(shí)成為正院侶(高級(jí)院委)。1669年10月27日，巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職，26歲的牛頓晉升為數(shù)學(xué)教授，并擔(dān)任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學(xué)生涯打通了道路，如果沒(méi)有牛頓的舅父和巴羅的幫助，牛頓這匹千里馬可能就不會(huì)馳騁在科學(xué)的大道上。巴羅讓賢，這在科學(xué)史上一直被傳為佳話(huà)（3）哈雷2）爭(zhēng)議（1）蘋(píng)果的傳說(shuō)（2）對(duì)弗拉姆斯蒂德觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的剽竊和盜版（3）在微積分發(fā)明權(quán)上導(dǎo)演對(duì)萊布尼茲的指控二、力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展1、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的發(fā)展1）傅科擺：1851年，法國(guó)物理學(xué)家佛科（公元1819－1868）在巴黎名人公墓處的圓頂大教堂，為證明地球自轉(zhuǎn)而做的表演，轟動(dòng)了巴黎，是物理學(xué)史上的一件大事。他把28公斤的擺懸掛在67米高的教堂圓頂上。周期為16.5秒的“佛科擺”每振動(dòng)一次，人們就可以親眼看到擺尖在直徑為6米的沙盤(pán)移動(dòng)約3毫米，使實(shí)驗(yàn)的觀(guān)眾“確實(shí)覺(jué)得自己腳下的地球在轉(zhuǎn)動(dòng)”2）1874年成立了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室主任：第一任：麥克斯韋；第二任：瑞利；第三任：約·湯姆遜第四任：盧瑟福；第五任：威廉·勞倫斯·布拉格第六任：莫特；第七任：皮帕德和庫(kù)克。2、關(guān)于“運(yùn)動(dòng)量度”的爭(zhēng)論笛卡兒：提出了用質(zhì)量和速度的乘積來(lái)量度運(yùn)動(dòng)，牛頓接受了笛卡兒的主張，并把這一乘積定義為動(dòng)量萊布尼茨：1686年提出了用質(zhì)量和速度平方的乘積來(lái)量度運(yùn)動(dòng)，1743年達(dá)蘭貝爾（公元1717－1783）在《動(dòng)力學(xué)論》一書(shū)中指出，兩種量度都是有效的。說(shuō)力可以表示為單位時(shí)間動(dòng)量的改變，也可以表示單位距離內(nèi)質(zhì)量與物體速度的平方的改變。3、三大守恒定律的確立：1)動(dòng)量守恒定律：笛卡兒首先提出的，惠更斯進(jìn)一步指出動(dòng)量的矢量性，準(zhǔn)確地表述了碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒原理2)動(dòng)量矩守恒定律：1609年開(kāi)普勒首次提出，牛頓推廣到一切有心力運(yùn)動(dòng)丹尼爾·伯努利和歐勒總結(jié)為：合外力矩等于總動(dòng)量矩的變化率。3)能量守恒：1696年萊布尼茨引進(jìn)了“活力”的概念，認(rèn)為宇宙中“活力守恒”，并且提出力和路程的乘積等于活力的增加。1724年，約翰·伯努利提出，活力變化時(shí)，做功的本領(lǐng)并不消失?？评飱W利（公元1792一1843）用代替，并且準(zhǔn)確地表述了萊布尼茨的發(fā)現(xiàn)：對(duì)物體做的功，等于物體動(dòng)能的增加?，F(xiàn)在我們稱(chēng)之為動(dòng)能定理。三、分析力爭(zhēng)的發(fā)展1、概述：分析力學(xué)：以應(yīng)用分析數(shù)學(xué)為工具的力學(xué)—。原理：虛功原理、最小作用原理形式：微分形式和積分形式2、建立過(guò)程：1）于1715年伯努利提出了“虛速度原理”伯努利：（JohannBernoulli，公元1667～1748年）1）數(shù)學(xué)世家：三代出現(xiàn)8位科學(xué)家，3位杰出，后代中有一半成為杰出人物,120位被人們系統(tǒng)地追溯過(guò)2）貢獻(xiàn)：懸鏈線(xiàn)問(wèn)題、提出洛必達(dá)法則、最速降線(xiàn)和測(cè)地線(xiàn)問(wèn)題，給出求積分的變量替換法、研究弦振動(dòng)問(wèn)題、出版《積分學(xué)教程》3）名師：培養(yǎng)包括歐拉、克萊姆、洛必達(dá)，以及他自己的兒子丹尼爾和侄子尼古拉二世等。2）