經(jīng)典力學(上)緒論.ppt

1、經(jīng)典力學（上）電子課件,易凡 ,緒 論,一、物理學研究的對象與任務,3,物理學的研究對象,物理學是研究物質(zhì)、能量和它們的相互作用的學科。,第23屆國際純粹物理與應用物理聯(lián)合會（IUPAP）大會（99.3.1621）通過的“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）,物理學的研究對象（十分廣泛）,5,6,不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理學研究：,隨著科學的發(fā)展

2、，從物理學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，以及從物理學和其它學科的雜交中生長出來的。諸如天體物理、地球物理、化學物理、生物物理等眾多交叉學科。,物理學的任務和目的,用一系列盡可能簡明的概念和方程（定律），去統(tǒng)一概括物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運動的基本規(guī)律 物理學依賴于一種基本的信念：物理世界存在著完整的因果鏈條，即自然界是統(tǒng)一的。 縱觀從牛頓力學的創(chuàng)建至今的三百多年物理學發(fā)展史，可以看到一條鮮明的主線，這就是執(zhí)著地追求整個宇宙的統(tǒng)一，找尋支配宇宙萬物的最基本最統(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

3、一種自然觀。 老子的道德經(jīng)中寫有：“道生一、一生二、二生三、三生萬物。”這是中國古代的一種統(tǒng)一觀。就是它完全可以與古希臘的哲學相媲美。 無論在古代中國或古希臘，統(tǒng)一觀都只是一種哲學思辨,統(tǒng)一的自然界,與古代的哲學不同，牛頓的力學發(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的數(shù)學原理中闡明了采用的方法。他在前言中寫道：“我奉獻這一作品，作為哲學的數(shù)學原理，因為哲學的全部責任似乎在于從運動的現(xiàn)象去研究自然界中的力，然后從這些力去說明其它的現(xiàn)象。”這就是說，尋求統(tǒng)一的出發(fā)點不是思辨而應是運動現(xiàn)象。自然界中的運動現(xiàn)象是多種多樣的，物理學的責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，仍然大體地沿襲著牛頓所開創(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做某種力學，如牛頓力學、電動力學、量子力學等等。 每一種新的力學的確立，都標志著我們在追求統(tǒng)一的途程上達到了一個新的水平,統(tǒng)一的自然界,牛頓的力學和萬有引力定律，是物理學上第一次大的統(tǒng)一。在牛頓之前，傳統(tǒng)的觀念認為支配天體運行和支配地面物體運動的規(guī)律是不相同的，有所謂天界和世俗兩個世界之分。然而，牛頓發(fā)現(xiàn)，天上行星和月亮的運動，實際上和地面落體運動遵從相同的規(guī)律，它們都是由引力引起的。這樣，牛頓就用他的力學打破了天界和世俗的界限，找到了兩個世界的統(tǒng)一。牛頓稱引力為萬有引力，就

5、是強調(diào)這種統(tǒng)一。,統(tǒng)一的自然界,第二次大的統(tǒng)一，是十九世紀的麥克斯韋建立了電磁理論，使電、磁及光學現(xiàn)象得到統(tǒng)一，這就是電動力學。 但是牛頓的力學和麥克斯韋的電磁學在時空觀上并不不協(xié)調(diào)，前者認為各種勻速運動是平權(quán)的，但卻假定有絕對空間或絕對速度存在。相反，在后者中，有一個地位特殊的速度，即光速，但卻始終測不出這個特殊的速度是相對于哪一個絕對空間而言的。,統(tǒng)一的自然界,愛因斯坦拋棄了絕對空間觀念，使電磁學、力學在新的時空觀的基礎上達到了協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。 愛因斯坦還曾企圖把引力和電磁力二者統(tǒng)一起來，但他的努力沒有成功。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論。 作為引力理論的廣義相

6、對論和作為電磁理論的麥克斯韋理論構(gòu)成了我們今天稱為經(jīng)典物理學的理論基礎。,統(tǒng)一的自然界,與經(jīng)典物理相對的是量子論。量子力學最初是作為原子、分子的統(tǒng)一的力學而發(fā)展起來的。這種新的力學統(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。 在將量子力學擴展到電磁場時，遇到了困難，這本質(zhì)上是由于電磁場是相對論性的。直到二十世紀四十年代未，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)生了量子電動力學,物理學的理論與實驗,物理學是一門實驗科學，物理學實驗是物理學理論正確與否的仲裁者 物理學定律是很多（有限）個實驗或現(xiàn)象的總結(jié)和概括，是

7、相對真理，會不斷被新的定律修正。 由物理學定律出發(fā)，經(jīng)過合適的邏輯推演而得的結(jié)論，我們稱之為“定理”。物理學的理論是物理學定律和定理的集合。 自然科學各領(lǐng)域和工程技術(shù)都建立在物理學定理的基礎上,物理學的研究方法,提出命題,物理學研究方法可概括為：,物理的直覺和想象力及洞察力也常常產(chǎn)生重大突破和發(fā)現(xiàn),對稱性分析 守恒量的利用 簡化模型的選取 概念和方法的類比,從方法論上講，物理學的研究方法可分為：,演繹法：,歸納法：,基本定律,推理、演算,新理論,歸納實驗、觀測事實,假設、模型,新理論,具體地說，物理學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、物理學是自然科學與技

8、術(shù)的基礎,2004年6月10日，聯(lián)合國通過決議，規(guī)定2005年為“世界物理年”。決議確認： 物理學是認識自然界的基礎； 物理學是當今眾多技術(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基礎。,物理學極大地推動了科學、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)革命為標志) 物理技術(shù)物理(以電氣化進程為標志),物理學與技術(shù),20世紀兩種模式并存、交叉，但幾乎所有重大新技術(shù)的創(chuàng)立，都是以物理學的發(fā)展為先導的。,工業(yè)革命推動了熱學的發(fā)展,技術(shù)物理學技術(shù),電磁學將人類社會帶進了電器化時代,物理學技術(shù)物理學,20世紀核物理迎來了原子能時代,激光是物理學對人類社會的

9、又一重大貢獻,以半導體物理為基礎的的電子信息技術(shù)對人類社會產(chǎn)生了最大的沖擊,物理學的基礎性和成熟性對其它學科如化學、生命科學或醫(yī)學、經(jīng)濟學等學科產(chǎn)生影響和促進； 使用物理學的理論、概念和方法解決其它學科的問題； 用物理學的實驗設備和手段解決其它學科的問題； 物理學所體現(xiàn)的科學精神（實驗檢驗）和方法（理論演繹，建立模型）對科學工作者的啟示和影響。,物理學與其它學科的關(guān)系,三、 學習物理學的目的,打好學習其它學科的基礎,提高科學素質(zhì)和能力,以適應高新技術(shù)和市場經(jīng)濟的發(fā)展,學習物理對提高科學素質(zhì)有重要作用：,（1）培養(yǎng)辯證唯物主義的世界觀,（2）學會掌握科學的方法,（3）培養(yǎng)科學思維能力、發(fā)展智力,

10、（4）培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神,學習的方法 注意觀察，勤于思考 大膽假設，嚴謹求證 學好數(shù)學，重視外語 堅持真理，老實做人,四、經(jīng)典力學體系建立,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基礎。 意大利的達芬奇(14521519)研究滑動摩擦、平衡、力矩。 波蘭的哥白尼(14731543)創(chuàng)立宇宙“日心說”。 德國的開普勒(15711630)提出行星運動三定律。 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。 英國偉大科學家牛頓(16431727) 提出動力學的三個基本定律，萬有引力定律，天體力學等。是力學奠基人。,伽利略（Galileo , 1564

11、1642）意大利科學家。 運動的描寫與分類 自由落體定理 慣性 拋體運動 相對性原理,伽利略對力學貢獻,伽利略的研究方法 觀察假設推論實驗檢驗假設的修正和推廣 愛因斯坦對伽利略的評價： “伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！?萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),胡克（Robert Hooke，16351703）英國科學家 哈雷（Edmund Halley，16561742） 對引力問題做了研究,開普勒（Johannes Kepler，15711630）德國天文學家 行星運動三定律,牛頓（Isaac Newton，16421727）他據(jù)開普勒三定律

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 引進了萬有引力定律,牛頓引力定律的檢驗 關(guān)于地球形狀是橢球的驗證； 哈雷彗星的預言； 1846年，海王星的發(fā)現(xiàn)。,牛頓力學體系的建立,1687年，自然哲學的數(shù)學原理發(fā)表 質(zhì)量、運動的量； 絕對時空觀； 機械運動的三個基本定律； 萬有引力定律和有心運動問題； 物體在有阻力的介質(zhì)中的運動； 天體力學理論等。,牛頓力學的建立是物理學第一次偉大的綜合 用數(shù)學方法來系統(tǒng)地整理物理理論，并發(fā)展了數(shù)學，成為微積分的發(fā)明人 為經(jīng)典力學奠定了基礎,牛頓力學的完善,經(jīng)典力學的發(fā)展表現(xiàn)為科學家用新的、更簡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)著出力學用微分方程研究。 法國達朗伯(17171785)名著動力學專論達朗伯原理 法國拉格朗日(17361813)提出第二類拉格朗日方程,牛頓定律推廣到