《第1節(jié) 牛頓眼中的世界》講義

《第1節(jié)牛頓眼中的世界》講義牛頓眼中的世界同學(xué)們，咱們現(xiàn)在開(kāi)始學(xué)習(xí)高中魯科版選修3-4第六章相對(duì)論與天體物理的第一節(jié)，牛頓眼中的世界。這就像是我們要去探索一位科學(xué)巨匠腦海里的奇妙宇宙呢！咱們先來(lái)講講牛頓這個(gè)人。牛頓啊，就像是科學(xué)界的超級(jí)英雄。他在樹(shù)下被蘋果砸了腦袋然后就開(kāi)始思考重力的事兒，這事兒大家可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)。但這可不是一個(gè)簡(jiǎn)單的被砸事件哦。想象一下，牛頓當(dāng)時(shí)坐在蘋果樹(shù)下，可能正做著自己的小美夢(mèng)呢，突然“咚”的一下，一個(gè)蘋果就砸到他腦袋上了。這要是一般人啊，可能就罵罵咧咧幾句，然后把蘋果吃了就完事兒了?？墒桥ｎD不一樣啊，他就開(kāi)始想，這蘋果為什么是往下掉，而不是往上飛或者橫著走呢？這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，就像一把鑰匙，打開(kāi)了牛頓探索力學(xué)世界的大門。在牛頓眼中的世界里，時(shí)間和空間那可是絕對(duì)的。啥叫絕對(duì)的呢？就是說(shuō)時(shí)間就像一個(gè)超級(jí)穩(wěn)定的節(jié)拍器，“滴答滴答”地走著，不管你在干什么，不管你是在慢悠悠地散步，還是坐著火箭在太空里飛，時(shí)間的流逝速度都是一樣的。就好比咱們學(xué)校的上課鈴，不管你在操場(chǎng)的哪個(gè)角落，不管你是在開(kāi)心地踢球還是在發(fā)呆，上課鈴都是在那個(gè)固定的時(shí)間響起。這就是牛頓認(rèn)為的時(shí)間的絕對(duì)性?？臻g呢，在牛頓看來(lái)就像一個(gè)巨大無(wú)比的空盒子。這個(gè)盒子有固定的大小，固定的形狀，而且不管里面有沒(méi)有東西，它都是那樣。比如說(shuō)咱們的教室，在牛頓的概念里，教室的長(zhǎng)寬高是固定不變的，不管里面坐滿了學(xué)生還是空蕩蕩的，它的空間大小都不會(huì)改變。這就是牛頓的絕對(duì)空間觀念。那牛頓眼中的運(yùn)動(dòng)又是怎樣的呢？他提出了著名的牛頓運(yùn)動(dòng)定律。第一定律說(shuō)的是，如果一個(gè)物體沒(méi)有受到外力的作用，那么這個(gè)物體就會(huì)保持靜止或者勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。這就像在一個(gè)超級(jí)光滑的冰面上，如果沒(méi)有風(fēng)啊、別人推你啊這些外力，你就會(huì)一直保持原來(lái)的狀態(tài)，要么靜靜地待著，要么就一直以一個(gè)速度直線滑下去。咱們來(lái)舉個(gè)例子。我小時(shí)候啊，有一次在冰面上滑冰。那冰面可滑溜了，我一開(kāi)始慢慢滑著，后來(lái)不小心摔了一跤，就停了下來(lái)。這時(shí)候我就在想啊，如果沒(méi)有我摔跤這個(gè)外力（其實(shí)就是摩擦力啦），我是不是就會(huì)一直滑下去呢？這就很符合牛頓第一定律啦。牛頓第二定律就更有趣了。它說(shuō)的是力等于質(zhì)量乘以加速度，F(xiàn)=ma。這個(gè)定律可以解釋很多生活中的現(xiàn)象。比如說(shuō)，我們要推動(dòng)一個(gè)很重的箱子和一個(gè)很輕的箱子。如果我們用同樣大小的力去推，很明顯，輕的箱子會(huì)更容易被推動(dòng)，而且它的速度會(huì)更快地改變，也就是加速度更大。這就是因?yàn)檩p箱子的質(zhì)量小，根據(jù)牛頓第二定律，在同樣的力的作用下，質(zhì)量小的物體加速度大。再講講牛頓第三定律，它說(shuō)的是作用力和反作用力大小相等，方向相反。就像你用力推墻的時(shí)候，你會(huì)感覺(jué)到墻也在用力推你。我記得有一次我和小伙伴們玩拔河比賽。我在這邊用力拉繩子，我就感覺(jué)到對(duì)面小伙伴的拉力，這其實(shí)就是牛頓第三定律在起作用。我拉繩子的力和小伙伴拉繩子的力大小是相等的，方向是相反的。在牛頓眼中的力學(xué)世界里，這些定律就像魔法一樣，可以解釋很多很多現(xiàn)象。比如說(shuō)天體的運(yùn)動(dòng)。牛頓就用他的力學(xué)理論解釋了行星為什么會(huì)繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。他認(rèn)為是太陽(yáng)對(duì)行星有一個(gè)引力，這個(gè)引力就使得行星沿著橢圓軌道繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。就好比你用一根繩子拴著一個(gè)小球，然后你甩動(dòng)繩子，小球就會(huì)繞著你的手做圓周運(yùn)動(dòng)一樣。太陽(yáng)就像我們的手，引力就像那根繩子，行星就像小球。在地球上，牛頓的力學(xué)理論也能很好地解釋很多事情。比如說(shuō)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)高樓大廈的時(shí)候，就要考慮到各種力的作用。像大樓自身的重力，還有可能遇到的風(fēng)力等等。他們要根據(jù)牛頓的力學(xué)定律來(lái)計(jì)算大樓的結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，能不能承受這些力。就像我們搭積木一樣，如果我們搭得不合理，積木就會(huì)倒下來(lái)。而大樓要是設(shè)計(jì)得不合理，那可就危險(xiǎn)了。還有汽車的設(shè)計(jì)呢。汽車在行駛過(guò)程中會(huì)受到各種力的作用，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的牽引力，地面的摩擦力，空氣的阻力等等。汽車工程師就要根據(jù)牛頓的力學(xué)理論來(lái)設(shè)計(jì)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，輪胎的摩擦力，車身的形狀（為了減少空氣阻力）等等。這樣才能讓汽車既跑得快，又安全可靠。牛頓的萬(wàn)有引力定律也是非常重要的一部分。他發(fā)現(xiàn)任何兩個(gè)物體之間都存在著引力，這個(gè)引力的大小和兩個(gè)物體的質(zhì)量成正比，和它們之間距離的平方成反比，F(xiàn)=G*(m1*m2)/r2。這里的G就是萬(wàn)有引力常量。這個(gè)定律可以解釋為什么蘋果會(huì)掉落到地球上，也能解釋為什么月亮?xí)@著地球轉(zhuǎn)。想象一下，我們把地球想象成一個(gè)大磁鐵（當(dāng)然這只是為了方便理解，引力和磁力還是有區(qū)別的哦），蘋果就像一個(gè)小鐵釘。地球這個(gè)大磁鐵對(duì)蘋果這個(gè)小鐵釘有吸引力，所以蘋果就會(huì)往地球上掉。而月亮呢，就像一個(gè)被地球這個(gè)大磁鐵吸引著，在一定距離上做圓周運(yùn)動(dòng)的小珠子。在航海方面，萬(wàn)有引力定律也有著重要的作用。水手們可以根據(jù)月亮和星星的位置，利用萬(wàn)有引力定律來(lái)計(jì)算自己的位置。這就像是在茫茫大海上有了一個(gè)導(dǎo)航儀一樣。牛頓眼中的世界是一個(gè)有規(guī)律、可預(yù)測(cè)的世界。只要我們知道了物體的初始狀態(tài)，以及作用在它上面的力，我們就可以預(yù)測(cè)這個(gè)物體在未來(lái)任何時(shí)刻的狀態(tài)。這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)非常偉大的想法。不過(guò)呢，隨著科學(xué)的發(fā)展，后來(lái)愛(ài)因斯坦提出了相對(duì)論，對(duì)牛頓的理論有了一些修正。但這并不影響牛頓理論的偉大之處。牛頓的理論就像是一座大廈的基石，后來(lái)的科學(xué)理論都是在這個(gè)基石上不斷發(fā)展起來(lái)的。就好比我們現(xiàn)在用的手機(jī)，雖然它有很多很先進(jìn)的功能，但是它的發(fā)展也是建立在很多基礎(chǔ)的科技之上的。牛頓的理論就像那些基礎(chǔ)科技，雖然看起來(lái)可能有點(diǎn)古老，但卻是非常非常重要的。在科學(xué)研究方面，牛頓的理論給了科學(xué)家們一種研究的方法和思路?？茖W(xué)家們可以通過(guò)觀察現(xiàn)象，提出假設(shè)，然后用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證假設(shè)，就像牛頓研究力學(xué)和萬(wàn)有引力定律那樣。這種科學(xué)研究的方法一直影響到現(xiàn)在。在工程技術(shù)領(lǐng)域，牛頓的理論更是無(wú)處不在。從機(jī)械制造到航空航天，從橋梁建設(shè)到電子設(shè)備，都離不開(kāi)牛頓力學(xué)的支持。比如說(shuō)航天工程。當(dāng)火箭發(fā)射的時(shí)候，科學(xué)家們要精確計(jì)算火箭的質(zhì)量、推力、加速度等等，這些都要用到牛頓的運(yùn)動(dòng)定律?；鸺朔厍虻囊︼w向太空，這就涉及到萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用。在機(jī)械制造中，機(jī)床的設(shè)計(jì)、零件的加工精度等等都要依據(jù)牛頓力學(xué)原理來(lái)保證。如果沒(méi)有牛頓的理論，我們現(xiàn)在的很多工