經(jīng)典力學(xué)(上)緒論.ppt

1、經(jīng)典力學(xué)（上）電子課件,易凡 ,緒 論,一、物理學(xué)研究的對(duì)象與任務(wù),3,物理學(xué)的研究對(duì)象,物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量和它們的相互作用的學(xué)科。,第23屆國(guó)際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）大會(huì)（99.3.1621）通過(guò)的“決議五”中指出：,4, 空間尺度 （相差1045 1046） 1026 m（約150億光年）（宇宙） 1020 m（夸克）, 時(shí)間尺度 （相差1045） 1018s（宇宙年齡150億年） 10-27s （ 硬 射線周期）, 速率范圍 0 （靜止） 3 108 m/s （光速）,物理學(xué)的研究對(duì)象（十分廣泛）,5,6,不同尺度和速度范圍的對(duì)象要用不同的物理學(xué)研究：,隨著科學(xué)的發(fā)展

2、，從物理學(xué)中不斷地分化出諸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚態(tài)物理、激光物理、電子物理、等離子體物理等名目繁多的新分支，以及從物理學(xué)和其它學(xué)科的雜交中生長(zhǎng)出來(lái)的。諸如天體物理、地球物理、化學(xué)物理、生物物理等眾多交叉學(xué)科。,物理學(xué)的任務(wù)和目的,用一系列盡可能簡(jiǎn)明的概念和方程（定律），去統(tǒng)一概括物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律 物理學(xué)依賴(lài)于一種基本的信念：物理世界存在著完整的因果鏈條，即自然界是統(tǒng)一的。 縱觀從牛頓力學(xué)的創(chuàng)建至今的三百多年物理學(xué)發(fā)展史，可以看到一條鮮明的主線，這就是執(zhí)著地追求整個(gè)宇宙的統(tǒng)一，找尋支配宇宙萬(wàn)物的最基本最統(tǒng)一的規(guī)律。,統(tǒng)一的自然界,相信存在統(tǒng)一，努力尋求統(tǒng)一，這是人類(lèi)

3、一種自然觀。 老子的道德經(jīng)中寫(xiě)有：“道生一、一生二、二生三、三生萬(wàn)物。”這是中國(guó)古代的一種統(tǒng)一觀。就是它完全可以與古希臘的哲學(xué)相媲美。 無(wú)論在古代中國(guó)或古希臘，統(tǒng)一觀都只是一種哲學(xué)思辨,統(tǒng)一的自然界,與古代的哲學(xué)不同，牛頓的力學(xué)發(fā)展了尋找統(tǒng)一的有效的物理方法。他在其最重要的著作自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中闡明了采用的方法。他在前言中寫(xiě)道：“我奉獻(xiàn)這一作品，作為哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，因?yàn)檎軐W(xué)的全部責(zé)任似乎在于從運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象去研究自然界中的力，然后從這些力去說(shuō)明其它的現(xiàn)象?！边@就是說(shuō)，尋求統(tǒng)一的出發(fā)點(diǎn)不是思辨而應(yīng)是運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。自然界中的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象是多種多樣的，物理學(xué)的責(zé)任就在于尋找支配這些現(xiàn)象的統(tǒng)一的力。,統(tǒng)一的自然

4、界,今天的物理學(xué)，仍然大體地沿襲著牛頓所開(kāi)創(chuàng)的研究途徑：尋找統(tǒng)一的力，或統(tǒng)一的相互作用。因此，幾乎所有基本的物理理論都稱(chēng)做某種力學(xué)，如牛頓力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等等。 每一種新的力學(xué)的確立，都標(biāo)志著我們?cè)谧非蠼y(tǒng)一的途程上達(dá)到了一個(gè)新的水平,統(tǒng)一的自然界,牛頓的力學(xué)和萬(wàn)有引力定律，是物理學(xué)上第一次大的統(tǒng)一。在牛頓之前，傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為支配天體運(yùn)行和支配地面物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是不相同的，有所謂天界和世俗兩個(gè)世界之分。然而，牛頓發(fā)現(xiàn)，天上行星和月亮的運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上和地面落體運(yùn)動(dòng)遵從相同的規(guī)律，它們都是由引力引起的。這樣，牛頓就用他的力學(xué)打破了天界和世俗的界限，找到了兩個(gè)世界的統(tǒng)一。牛頓稱(chēng)引力為萬(wàn)有引力，就

5、是強(qiáng)調(diào)這種統(tǒng)一。,統(tǒng)一的自然界,第二次大的統(tǒng)一，是十九世紀(jì)的麥克斯韋建立了電磁理論，使電、磁及光學(xué)現(xiàn)象得到統(tǒng)一，這就是電動(dòng)力學(xué)。 但是牛頓的力學(xué)和麥克斯韋的電磁學(xué)在時(shí)空觀上并不不協(xié)調(diào)，前者認(rèn)為各種勻速運(yùn)動(dòng)是平權(quán)的，但卻假定有絕對(duì)空間或絕對(duì)速度存在。相反，在后者中，有一個(gè)地位特殊的速度，即光速，但卻始終測(cè)不出這個(gè)特殊的速度是相對(duì)于哪一個(gè)絕對(duì)空間而言的。,統(tǒng)一的自然界,愛(ài)因斯坦拋棄了絕對(duì)空間觀念，使電磁學(xué)、力學(xué)在新的時(shí)空觀的基礎(chǔ)上達(dá)到了協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。 愛(ài)因斯坦還曾企圖把引力和電磁力二者統(tǒng)一起來(lái)，但他的努力沒(méi)有成功。然而，他卻找到了能與麥克斯韋電磁理論相協(xié)調(diào)的引力理論廣義相對(duì)論。 作為引力理論的廣義相

6、對(duì)論和作為電磁理論的麥克斯韋理論構(gòu)成了我們今天稱(chēng)為經(jīng)典物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。,統(tǒng)一的自然界,與經(jīng)典物理相對(duì)的是量子論。量子力學(xué)最初是作為原子、分子的統(tǒng)一的力學(xué)而發(fā)展起來(lái)的。這種新的力學(xué)統(tǒng)一地解釋了原子、分子的各種光譜現(xiàn)象，統(tǒng)一地解釋了元素周期表，統(tǒng)一地解釋了各種分子的鍵合。 在將量子力學(xué)擴(kuò)展到電磁場(chǎng)時(shí)，遇到了困難，這本質(zhì)上是由于電磁場(chǎng)是相對(duì)論性的。直到二十世紀(jì)四十年代未，發(fā)展了所謂重整化方法才巧妙地解決了上述的困難，使量子論與電磁理論能得以統(tǒng)一，產(chǎn)生了量子電動(dòng)力學(xué),物理學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn),物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)理論正確與否的仲裁者 物理學(xué)定律是很多（有限）個(gè)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象的總結(jié)和概括，是

7、相對(duì)真理，會(huì)不斷被新的定律修正。 由物理學(xué)定律出發(fā)，經(jīng)過(guò)合適的邏輯推演而得的結(jié)論，我們稱(chēng)之為“定理”。物理學(xué)的理論是物理學(xué)定律和定理的集合。 自然科學(xué)各領(lǐng)域和工程技術(shù)都建立在物理學(xué)定理的基礎(chǔ)上,物理學(xué)的研究方法,提出命題,物理學(xué)研究方法可概括為：,物理的直覺(jué)和想象力及洞察力也常常產(chǎn)生重大突破和發(fā)現(xiàn),對(duì)稱(chēng)性分析 守恒量的利用 簡(jiǎn)化模型的選取 概念和方法的類(lèi)比,從方法論上講，物理學(xué)的研究方法可分為：,演繹法：,歸納法：,基本定律,推理、演算,新理論,歸納實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)事實(shí),假設(shè)、模型,新理論,具體地說(shuō)，物理學(xué)還有許多有特色的方法，比如：,定性和半定量分析 量綱分析 能量分析 ,二、物理學(xué)是自然科學(xué)與技

8、術(shù)的基礎(chǔ),2004年6月10日，聯(lián)合國(guó)通過(guò)決議，規(guī)定2005年為“世界物理年”。決議確認(rèn)： 物理學(xué)是認(rèn)識(shí)自然界的基礎(chǔ)； 物理學(xué)是當(dāng)今眾多技術(shù)發(fā)展的基石； 物理教育為培養(yǎng)人的發(fā)展提供了必要的科學(xué)基礎(chǔ)。,物理學(xué)極大地推動(dòng)了科學(xué)、技術(shù)的發(fā)展 歷史上物理與技術(shù)的關(guān)系大致有兩種模式 技術(shù)物理技術(shù)(以第一次工業(yè)革命為標(biāo)志) 物理技術(shù)物理(以電氣化進(jìn)程為標(biāo)志),物理學(xué)與技術(shù),20世紀(jì)兩種模式并存、交叉，但幾乎所有重大新技術(shù)的創(chuàng)立，都是以物理學(xué)的發(fā)展為先導(dǎo)的。,工業(yè)革命推動(dòng)了熱學(xué)的發(fā)展,技術(shù)物理學(xué)技術(shù),電磁學(xué)將人類(lèi)社會(huì)帶進(jìn)了電器化時(shí)代,物理學(xué)技術(shù)物理學(xué),20世紀(jì)核物理迎來(lái)了原子能時(shí)代,激光是物理學(xué)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的

9、又一重大貢獻(xiàn),以半導(dǎo)體物理為基礎(chǔ)的的電子信息技術(shù)對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生了最大的沖擊,物理學(xué)的基礎(chǔ)性和成熟性對(duì)其它學(xué)科如化學(xué)、生命科學(xué)或醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科產(chǎn)生影響和促進(jìn)； 使用物理學(xué)的理論、概念和方法解決其它學(xué)科的問(wèn)題； 用物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段解決其它學(xué)科的問(wèn)題； 物理學(xué)所體現(xiàn)的科學(xué)精神（實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)）和方法（理論演繹，建立模型）對(duì)科學(xué)工作者的啟示和影響。,物理學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系,三、 學(xué)習(xí)物理學(xué)的目的,打好學(xué)習(xí)其它學(xué)科的基礎(chǔ),提高科學(xué)素質(zhì)和能力,以適應(yīng)高新技術(shù)和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,學(xué)習(xí)物理對(duì)提高科學(xué)素質(zhì)有重要作用：,（1）培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀,（2）學(xué)會(huì)掌握科學(xué)的方法,（3）培養(yǎng)科學(xué)思維能力、發(fā)展智力,

10、（4）培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神,學(xué)習(xí)的方法 注意觀察，勤于思考 大膽假設(shè)，嚴(yán)謹(jǐn)求證 學(xué)好數(shù)學(xué)，重視外語(yǔ) 堅(jiān)持真理，老實(shí)做人,四、經(jīng)典力學(xué)體系建立,早在(公元前287212)古希臘阿基米德著的論比重就奠定了靜力學(xué)基礎(chǔ)。 意大利的達(dá)芬奇(14521519)研究滑動(dòng)摩擦、平衡、力矩。 波蘭的哥白尼(14731543)創(chuàng)立宇宙“日心說(shuō)”。 德國(guó)的開(kāi)普勒(15711630)提出行星運(yùn)動(dòng)三定律。 意大利的伽利略(15641642)自由落體規(guī)律、慣性定律及加速度的概念。 英國(guó)偉大科學(xué)家牛頓(16431727) 提出動(dòng)力學(xué)的三個(gè)基本定律，萬(wàn)有引力定律，天體力學(xué)等。是力學(xué)奠基人。,伽利略（Galileo , 1564

11、1642）意大利科學(xué)家。 運(yùn)動(dòng)的描寫(xiě)與分類(lèi) 自由落體定理 慣性 拋體運(yùn)動(dòng) 相對(duì)性原理,伽利略對(duì)力學(xué)貢獻(xiàn),伽利略的研究方法 觀察假設(shè)推論實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)假設(shè)的修正和推廣 愛(ài)因斯坦對(duì)伽利略的評(píng)價(jià)： “伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類(lèi)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(kāi)端?！?萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn),胡克（Robert Hooke，16351703）英國(guó)科學(xué)家 哈雷（Edmund Halley，16561742） 對(duì)引力問(wèn)題做了研究,開(kāi)普勒（Johannes Kepler，15711630）德國(guó)天文學(xué)家 行星運(yùn)動(dòng)三定律,牛頓（Isaac Newton，16421727）他據(jù)開(kāi)普勒三定律

12、證明了： 據(jù)面積速度得出物體受中心力作用 由軌道定律可得中心力是吸引力 由周期定律得出吸引力與半徑的平方成反比 在這種平方力作用下，物體的軌道是圓錐曲線：圓、橢圓、雙曲線質(zhì)量 引進(jìn)了萬(wàn)有引力定律,牛頓引力定律的檢驗(yàn) 關(guān)于地球形狀是橢球的驗(yàn)證； 哈雷彗星的預(yù)言； 1846年，海王星的發(fā)現(xiàn)。,牛頓力學(xué)體系的建立,1687年，自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理發(fā)表 質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)的量； 絕對(duì)時(shí)空觀； 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本定律； 萬(wàn)有引力定律和有心運(yùn)動(dòng)問(wèn)題； 物體在有阻力的介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)； 天體力學(xué)理論等。,牛頓力學(xué)的建立是物理學(xué)第一次偉大的綜合 用數(shù)學(xué)方法來(lái)系統(tǒng)地整理物理理論，并發(fā)展了數(shù)學(xué)，成為微積分的發(fā)明人 為經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ),牛頓力學(xué)的完善,經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展表現(xiàn)為科學(xué)家用新的、更簡(jiǎn)潔的形式重新表述牛頓定律，如拉格朗日方程組、哈密頓方程組等； 瑞士的伯努利(16671748)確立了虛位移原理 瑞士的歐拉(17071783)著出力學(xué)用微分方程研究。 法國(guó)達(dá)朗伯(17171785)名著動(dòng)力學(xué)專(zhuān)論達(dá)朗伯原理 法國(guó)拉格朗日(17361813)提出第二類(lèi)拉格朗日方程,牛頓定律推廣到