第篇力学发展史课件.ppt

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1、第一章 经典物理学产生的背景,第一节 近代科学产生的摇篮 文艺复兴运动,1,t课件,一、近代科学产生的社会条件,好象资本主义生产的发展仅仅对科学技术提出了需要和科学研究的课题。实际上，资本主义生产的发展不仅提供了大量的科学发展所需要的材料，而且也创造了制作实验仪器的物质和技术条件。实验仪器随着生产的发展而提高和完善，这就给科学实验带来系统性和广泛性，并形成了实验科学。,2,t课件,二、文艺复兴运动的兴起,文艺复兴，实质就是资产阶级新文化运动。新兴的资产阶级发现在古代希腊、罗马文化中，可以找到用来反对封建统治和封建文化的武器，这就是自然哲学及以人为中心的文学艺术。 随着资产阶级政治活动开展，竟然

2、掀起了一个反对封建思想统治和束缚的强大运动，这就是以恢复古代文化面目出现的“文艺复兴运动”。,3,t课件,列奥那多达芬奇物理学的研究方面,用虚速度原理，证明了杠杆原理；他第一次企图测定摩擦系数；他在分析鸟类飞行时，描述过合力的平行四边形，也曾将重物沿斜面的运动分解为两个分量。他对流体力学的研究很多，例如，他发现下部连通的诸容器中的静止液体有同一表面高度。 他所设计的机械装置和发明据说有上千项。 随身携带的笔记手稿现已发现的约有7000页。,4,t课件,三、文艺复兴精神的代表列奥那多,意大利人列奥那多达芬奇（公元14521519年） 他蔑视教会的权利，敢于触犯教会的禁令。教会规定人死了不允许解剖

3、，可是达芬奇不管这些，弄到了许多尸体，一一进行解剖。他认为，只有进行解剖，才能探查人体的机器运行的奥秘。 力求成为“认识自然和模仿（改造）自然的巨匠”。,5,t课件,达芬奇的座右铭,列奥那多达芬奇非常重视观察和实验的方法，他把观察和实验当作科学研究独一无二的真正方法。 “实验是我的老师”；“理智是实验的女儿”。 同样重视数学和理论的作用。,6,t课件,第二节 近代科学的宣言-日心说,哥白尼日心体系的新学说，是自然科学向神学的第一次严正挑战，标志着自然科学从神学中解放出来的一次革命。恩格斯称它为“自然科学的独立宣言”。,7,t课件,一、哥白尼的生平与他创立的日心说,著名的天文学家尼古拉哥白尼（公

4、元14731543年）于1473年2月9日生于波兰托伦城的一个商人家庭。 哥白尼的伟大著作天体运行论 哥白尼是这个时代的真正英雄 。天文学是观察和记载天象、描述天体运动、探索规律并预测其位置以便于制定历法、辨明方位的一门最早的科学。,8,t课件,哥白尼的基本思想,太阳是宇宙的中心，行星都围绕着太阳运转。地球是运动的，它是绕着太阳运转的普通行星，它本身还在自转。月亮是地球的卫星，一个月绕地球一周，就象卫士一样，地球带着月亮一起绕太阳运动。,9,t课件,哥白尼的基本思想,行星在太阳系中排列的顺序是：离太阳最远的是土星，三十年绕太阳一周；其次是木星，十二年绕太阳一周；然后是火星，两年绕太阳一周；第四

5、是地球和月亮，一年绕太阳一周；第五是金星，九个月绕太阳一周，离太阳最近的是水星，八十天绕太阳一周。恒星在远离太阳的一个天球面上静止不动。,10,t课件,哥白尼是怎样创立“日心体系”说的呢？,在天体运行论的第一卷中，哥白尼明确地把地球从宇宙中心位置推除开去，把它降为普通行星的一员。他断言，地球自身有三种运动：第一种是“地球自西向东绕轴昼夜自转”；第二种是“地心同地球上的一切的周年旋转，在金星与火星轨道间的黄道上从西向东运行”；第三种是“倾斜面的运动”，即赤道面或自转轴相对于日地联线的运动。,11,t课件,哥白尼学说影响之深远,恩格斯称它为“自然科学的独立宣言”就可想而知了。哥德说：“哥白尼学说撼

6、动人类意识之深，自古以来无一种创见、无一种发明可与伦比，当大地是球形被哥伦布证明以后不久，地球为宇宙主宰尊号也被剥夺了，自古以来没有这样天翻地覆地把人类意识倒转来过，如果地球不是宇宙中心，无数古人相信的事将成为一场空事，谁还相信伊甸的乐园、赞美诗的颂歌和宗教的故事呢？”,12,t课件,二、天文学的新成就开普勒三定律,第谷把天文观测精确度提高到一个新的水平，远远超过前人的几十倍到几百倍，并积累了大量的观察数据资料。开普勒从这些浩若烟海的据数中总结出规律，提出了开普勒三定律。,13,t课件,第谷布拉赫,第谷布拉赫（公元15461601年）是丹麦天文学家，天文观测的大师。第谷出身于一个贵族家庭，少年

7、时代就对天文的精确观测产生了浓厚的兴趣和爱好。第谷成了当时罕见的天文观测家。有“星学之王”的美称。第谷善于观测而不善于思索，开普勒则善思索而不善于观测，他们各有所长各有所短，结合起来，取长补短，就导致科学发现的重大突破。,14,t课件,约翰开普勒,约翰开普勒（公元 15711630年）是德国伟大的天文学家。天文学上两大传统观念：一是地球位于宇宙中心 。二是天体必然是球形的，它的运动轨道必然也是圆的 。哥白尼推翻了前一个传统观念，但是他始终坚持后一个传统观念，开普勒却大胆地冲破了这后一个传统观念。,15,t课件,开普勒行星运动的三定律,1609年开普勒在新天文学一书中，正式提出了行星运动的两条定

8、律：第一定律是“轨道定律”；行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦点上；,16,t课件,开普勒行星运动的三定律,第二定律是“面积定律”：行星与太阳之间所联直线在相等时间内扫过椭圆的面积相等。这就是说行星在近日点附近的速度要快一些。过了九年，开普勒又发现了第三定律，即“周期定律”：行星绕日一周所需时间（公转周期）的平方，与其和太阳平均距离的立方成正比。,17,t课件,开普勒的发现的伟大价值,开普勒的发现不仅对天文学的发展有着重大意义，而且对自然科学的发展也有它伟大价值。开普勒从第谷的准确数据出发，否定了主观的几何模式和托氏地心体系。他的第一定律否定了圆形轨道论；第二定律否定了匀速运动；第三

9、定律建立了各行星之间的联系。,18,t课件,爱因斯坦的评价,“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”这就是说，科学发现的两大武器，即观察实验和抽象思维的理论创造是缺一不可的，必须把两者结合起来才行。,19,t课件,开普勒的功绩,开普勒是用数学公式表达物理定律最早获得成功的人之一。从他的时代开始，数学方程就成为表达物理学定律的基本方式，为经典力学的建立，立下了不可磨灭的功勋。,20,t课件,三、伽利略在天文学上的功绩,伽利略是在1610年用自制的垂轴放大率达32倍的天文望远镜指向天空进行观测

10、，发现了月球表面有象火山口那样的环形山，同地面结构相似。他发现了金星的周相变化，木星有四个卫星，银河是无数发光体的总汇，土星有多变的椭圆外形等等。他并发现月球与其他星球所发的光都是太阳反射的光。太阳的表面上存在着黑子，黑子还有规律地变化着。他判断太阳以二十七天左右的周期转动（太阳在自转）。,21,t课件,三、伽利略在天文学上的功绩,伽利略所观测到木星有四颗卫星和金星的周相变化有重要意义，它否定了古代关于游动的天体只有七个的断言，这是对哥白尼的重要支持。,22,t课件,伽利略的主要功绩,伽利略的主要功绩之一，是把哥白尼、开普勒所开创的新世界观加以证实和普遍宣传，并以自己在教庭下的牺牲唤起了人们对

11、日心说的公认。,23,t课件,第三节 新科学的特征,一、批判经院哲学，崇尚科学真理 所谓经院哲学如前章所述，是基督教哲学，它严重地束缚着人们的思想。 英国杰出的哲学家弗兰西斯 培根（公元15611626）首先树立起了批判经院哲学的旗帜，向经院哲学发起战斗。 培根提出了“知识就是力量”的口号。培根认为：经验实验是真理的来源和检验标准。,24,t课件,一、批判经院哲学，崇尚科学真理,由于天文学、力学、光学的成就，使一些先进的思想家已经认识到必须否定宗教的教义是真理的来源，提倡思想自由，提倡科学的实际目的，提倡实验研究方法。,25,t课件,培根,培根 在1605年出版的论科学的进展中，他指出：印刷、

12、火药和指南针这三种东西的发明“改变了世界的面貌”，“没有一个帝国，没有一个宗教教派，没有一个显赫的人物能比这三种发明在人类的事业中产生更大的力量和影响”。,26,t课件,笛卡儿,第二位向宗教宣战的就是法国杰出的数学家和哲学家笛卡儿（公元15961650），他继续向经院哲学展开了斗争。他反对信仰先于知识的宗教教义，认为必须创立为实践服务的世俗科学来代替经院哲学。他提出了 “怀疑原则”作为创立真正的科学出发点。,27,t课件,二、理论概括方法的确定,培根、笛卡儿他们的方法论都带有一定的片面性。笛卡儿强调的演绎法的弱点在于前提错了，结论就错了；归纳法的弱点在于结论，它很容易带有局限性与或然性。,28

13、,t课件,笛卡儿,笛卡儿从与培根不同的方面发展了自然科学的方法论，在1637年出版的方法论中，他提出了他的唯理论学说。他认为，在发展认识过程中，起主要作用的不是经验，而是理论思维，即理性。在方法论中笛卡儿阐明了对培根的归纳法所作的一些补充的演绎法的原理。即由普遍原理得出局部结论的方法本身就称为演绎法。笛卡儿对物理学中发展起来的数学方法很赞赏，认为一切科学都应该按照数学形式建立起来，把理论思维作为出发点。笛卡儿创立的以数学为基础的演绎法，成为后来的理论物理学的主要方法。,29,t课件,笛卡儿,笛卡儿也认为实验可以提供“原始前提的必要素材”，还能检验所得结论的正确性。伽利略同样认为。真正的科学就在

14、“经常展示在我们眼前的这部最伟大的书中”，即宇宙、自然界。人们必须通过实验去阅读这部“自然之书”。,30,t课件,伽利略很重视进行观察和实验,伽利略很重视进行观察和实验。他创建了一整套科学方法，这是无价之宝。爱因斯坦曾精辟分析道：“常听人说，伽利略之所以成为科学之父，是由于他以经验的实验的方法来代替思维的、演绎的方法。但我认为这种理解是经不起严格审查的。把经验的态度与演绎的态度截然对立起来，那是错误的，而且也不代表伽利略的思想”。这就是说，应该全面认识伽利略所首创的实验、物理思维和数学演绎三者巧妙结合的科学方法。,31,t课件,伽利略非常重视观察和实验,伽利略非常重视观察和实验，在观察和实验的

15、基础上提出假说，再用数学分析和逻辑推理证明假说，最后用实验验证理论的正确。概括起来就是实验数学推理方法，这一方法，在伽利略以后很多年代里为很多人所重视。爱因斯坦和英费尔德在物理学的进化一书中评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”。,32,t课件,惠更斯指出,荷兰物理学家惠更斯后来指出：培根不了解科学方法中数学所起的作用，而笛卡儿则忽视了实验和经验的作用。实际上，这两种方法是互相补充的只有把这两种方法以及其它科学方法结合起来，才能最有效地促进科学认识的健康发展。,33,t课件,第二章 经典力学体系的建立,第一节 伽利略的力学贡

16、献 一、斯台文的力学研究 比利时力学家斯台文（公元15481620）于1586年出版了静力学原理一书。在这本书中对阿基米德的杠杆原理作了简化的数学证明，提出了平行力平衡的完整理论，研究了滑轮组平衡问题和机械效率问题。 斯台文对斜面平衡问题进行了深入的研究，在两个力互成直角的情况下，引进了三角形（或平行四边形）法则，提出了力的分解的初步思想。,34,t课件,二、伽利略的运动理论,1运动的描述和分类方面 为了赋予“速度”这一概念以确切的含义从而定义匀速运动和变速运动，他首先确切地表述了时间和空间的概念，使时间和空间的概念在物理学中具有了重要意义。他给匀速运动下的定义是：“在任何相等的时间间隔内通过

17、的距离相等”，他还提出了瞬时速度的概念，瞬时速度概念的提出，扩展了速度概念。,35,t课件,2对自由落体的研究,伽利略还提出并证明落体运动是匀加速运动。 伽利略还提出了“等末速度假设”，即物体在同一高度下落，无论是沿竖直方向还是沿不同斜面，到达末端时的速度都是相同的。反之，以同样速度上升，沿任何斜面上升的高度都相同。,36,t课件,3惯性运动的研究,伽利略并没有完成这些推论，没有概括成普遍的自然规律。而且伽利略认为惯性运动只能是绕地球的圆周运动，使他的结论带来局限性，因此惯性定律的完成仍需归功于牛顿。,37,t课件,4抛物运动的研究,伽利略用几何方法证明了，一个平抛的物体可以分解为两种运动，一

18、种是水平上的匀速运动，它使物体始终保持水平速度不变；另一种是引力作用的自由落体运动，这是匀加速运动。这两种运动同时存在于一个物体上，彼此互不干扰，合成一个运动，使物体沿一抛物线运动。这就是运动的独立进行原理。,38,t课件,5伽利略相对性原理,精彩地描述了匀速直线运动的船舱里所观察到的现象。他指出在这样的船舱里所观察到的现象将同船静止时完全一样：人们跳向船尾不会比跳向船头来得远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进正下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇继续随便地四处飞行，绝不会向船尾集中，或者为赶上船的运动而显出疲累的样子这些现象表明，在封闭的船舱里所作的任何观察和实验，都不能判断船究竟是在运动还是停止不动的

19、。这就是著名的伽利略相对性原理，这个原理的发现，是人类科学认识史上的一个重大飞跃。,39,t课件,第二节伽利略至牛顿时代的科学家,一、十七世纪中叶科学活动的特点 。哥白尼的日心说经过布鲁诺、开普勒和伽利略等人的工作，到了十七世纪几乎被所有的科学家所接受。 伽利略的实验一数学推理方法为广大的科学家所接受和发展 。涌现出大批科学家和大批实验室。,40,t课件,牛顿所说的“巨人”,法国的笛卡儿（公元15961650）、费马（公元1601一1665）、帕斯卡（公元16231662）、马略特（公元1620一1684）、荷兰的惠更斯（公元16291695）、德国的莱布尼茨（公元1646一1716）、格里凯

20、（公元1602一1686）、英国的玻意耳（公元16271691）、胡克（公元16351703）和哈雷（公元1656一1742）等等。,41,t课件,2.科学团体的出现,1662年国王查理二世正式批准成立“促进自然知识为宗旨的皇家学会。”1663年建立了巴黎皇家科学院。,42,t课件,3.科学的国际联系加强,法国特别是英国成为自然科学活动的中心。 科学交流便不断地加强，先是个人间的通信交流，以及学者们的互访、讲学等活动。 一批国际性的学术杂志出现了。1665年英国皇家学会出版了哲学学报，法国科学院同年也出版了学人杂志，1682年莱比锡出版了博学者杂志。,43,t课件,笛卡儿,笛卡儿差不多是伽利略

21、的同时代人。在哲学上，笛卡儿主张二元论，一方面他认为物质运动是客观存在的，另一方面又认为精神也是实体。 他的机械宇宙观，数学演绎方法和某些物理规律对后来都有较大影响。 提出了动量守恒定律 。,44,t课件,笛卡儿,明确地叙述了惯性定律，并特别强调了方向：“如果物体处在运动之中，那么如无其他原因的作用的话，它将继续以同样速度在同一直线方向上运动，即不停止也不偏离原来的方向”。对于碰撞问题，他提出了七条规律。,45,t课件,英国的物理学家和天文学家胡克,在物理学史上是法拉第以前最伟大的实验物理学家。 16771683年任皇家学会秘书，1665年出版显微图集，1676年在论刀具切削一书中首次提出了固

22、体弹性的胡克定律。1680年初，在写给牛顿的信中，胡克提出了引力反比于距离平方的猜测。,46,t课件,法国的物理学家马略特,法国实验物理学的奠基者之一。 马略特研究了热、光、视觉、颜色及气体的性质。 提出了一定质量的气体，在温度不变时，体积跟压强成反比的结论，与玻意耳十四年前提出的结论相一致，这便是著名的“玻意耳马略特”定律。 主要著作有；空气性质的实验、热和冷的实验、颜色性质的实验、水和其它液体的运动等。,47,t课件,帕斯卡,他与费马、惠更斯共同建立了概率论和组合论的基础。1658年完成了摆线论。 1653年发现了液体压强的“帕斯卡定律” 。,48,t课件,玻意耳,证明了空气是有重量的物质

23、，研究了压强对水的沸点的影响，以及空气的传声作用、比重及折射率等。1662年通过实验得出了著名的“被意耳马略特”定律。1661年出版了化学史上的一部划时代著作怀疑派化学家，使化学从药剂师和炼金术士那里解脱出来，成为真正的科学 。,49,t课件,惠更斯,荷兰的数学家、物理学家和天文学家。惠更斯首先把几何学带进了力学领域 。1678年在法国科学院发表了反对牛顿的微粒说的讲演，提出了光的波动说，指出了在“以太”中传播的光，像波一样，即著名的惠更斯原理。其要点是：波阵面上的每一点都可以看作一个新的波源，各向发出次波；各次波的包络面即为下一时刻的新的波阵面。,50,t课件,惠更斯,他在力学方面的主要工作

24、是碰撞理论，摆和向心力。 惠更斯还研究了离心力，他引入了向心加速度概念 。为牛顿推证万有引力定律提供了根据。,51,t课件,第三节 牛顿的伟大综合,一、牛顿取得成功的历史条件和个人工作特点 。在自然科学史上，牛顿完成了理论上的第一次大综合，他借助于万有引力定律，创立了天体力学；借助于光的色散等方面的研究创立了光学；借助于流数而创立了微分学；借助于牛顿运动三定律创立了经典物理学。在自然科学史上，没有一个人开创了这么多学科。,52,t课件,牛顿取得成就的客观条件主要有：,1“商业革命”后，英国的资本主义有很大发展。 2新航路开辟以后，发生了“商业革命”，位于大西洋交通要道上的英国，处在国际贸易的枢

25、纽地位，在1588年战胜西班牙后，取得了海上霸权。 3牛顿曾说：“如果我所见的比笛卡儿远一点，因为我是站在巨人们的肩膀上的缘故”。,53,t课件,巨人们,开普勒的行星运动三定律和惠更斯向心加速度公式及胡克平方反比的猜测为牛顿发现万有引力做了准备；伽利略、笛卡儿、惠更斯等人对力学的研究为牛顿建立三定律及一些重大的推论做了准备；牛顿创立的微积分就是在研究笛卡儿解析几何时受到了启发，斯涅耳和笛卡儿发现了光的折射定律，格里马第发现了衍射现象和干涉现象，玻意耳、笛卡儿和胡克等人对物体的颜色理论都做了许多工作，这些为牛顿的光学理论作了准备。上述各项成果极需给以总结，形成统一的科学体系，牛顿顺应形势，完成了

26、人类对自然科学的第一次大综合。,54,t课件,牛顿个人的工作特点,1重视实验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论的基础。 2牛顿善于思考，具有清晰的逻辑头脑，对错综复杂的事物能够抓住要害，看清本质属性。 3牛顿有着巨大的数学才能，他第一个大量地运用数学方法系统地整理物理理论。,55,t课件,牛顿的巨大成就，使他占有里程碑式的独特的地位,牛顿对科学的迷恋和献身的精神，勤于思考和善于思考的品格，透彻地系统地解决关键性问题的志向和毅力，尊重其他科学家的成果并善于吸取别人的成就，也是牛顿取得成功的内在因素。,56,t课件,牛顿的巨大成就，使他占有里程碑式的独特的地位,牛顿提出了两个关健的概念：“力”和“质

27、量”，并把“力”与引力相联系，把“质量”与惯性相联系，从而把伽利略、笛卡儿和惠更斯等人对力学的研究系统化，并把它们提出的位移、速度、加速度、动量等科学概念纳入统一的力学体系，建立了三定律。他认为天上的物体和地上的物体都遵守同样的规律，因而综合天上的月亮和地下的自由落体运动而得出了万有引力定律。,57,t课件,二、万有引力定律的发现,在牛顿发现万有引力定律之前，通过哥白尼、吉尔伯特、开普勒、伽利略、惠更斯和胡克等人的研究，思想准备已经基本成熟，但在数学上还遇到不少困难，在物理上还缺乏明确的严格的概念体系，完成万有引力定律的发现的重任就落到了有着巨大教学才能和综合能力的牛顿的肩上。,58,t课件,

28、主要贡献,第一是观念上的，肯定了地球上的重力与天体间引力的同一性，打破了亚里士多德“月上”与“月下”两个世界的划分，所谓“万有”，就是贯天彻地无所不包的意思。 第二个贡献，是用数学方法表示出万有引力，证明了物体受距离平方反比的力，其轨道一定是圆维曲线，即圆、椭圆和双曲线。,59,t课件,主要贡献,牛顿通过磁石吸铁的实验，发现了力等于质量乘加速度这条运动第二定律，把这一定律用到引力中去，得出月球受地球的引力和月球的质量成正比，又根据他发现的运动第三定律，月球受地球的引力等于地球受月球的引力，因此这一引力也应与地球质量成正比。这样终于在1684年到1685年春季之间发现了万有引力定律。,60,t课

29、件,主要贡献,牛顿对万有引力的研究，有很多光辉的科学思想，首先 他是从建立统一的力学体系出发而不是孤立地处理万有引力，因此就把力学中的重要概念：力、质量、惯性、向心力、加速度及运动定律有机地构成一个整体;第二，从方法上他抓住引力问题的主要因素，从地月两体问题出发，引入新的数学方法研究变量的问题；,61,t课件,主要贡献,第三，他把引力与运动第二定律及第三定律结合起来，推广为引力与两体质量乘积成正比与距离平方成反比的定律；第四，牛顿用积分方法解决了球形物体相互吸引可以看做质量集中到球心，并在“地月检验”中得到证实，当新地球半径一经公布，立即得出了满意的结果。,62,t课件,万有引力定律的考验,对

30、牛顿万有引力定律理论第一个重大考验是关于地球形状的“桔子”和“柠檬”之争。 万有引力思想的第二个辉煌胜利是彗星轨道、周期的计算。 海王星的发现是万有引力定律最伟大的胜利。,63,t课件,三、牛顿和他的原理,牛顿（公元16421727）于164212月25日生于英国林肯郡的沃尔斯京索普村。1661年5月，牛顿以“减费生”的身份考上了著名的剑桥大学三一学院，在“卢卡斯讲座”第一任教授巴洛的引导下，走上了自然科学研究的道路。 自然哲学的数学原理于1687年问世。这部书的出版，标志着经典力学体系的建立。,64,t课件,三、牛顿和他的原理,牛顿的自然哲学的数学原理是自然科学划时代的著作。在科学史上，只有

31、象欧几里得的几何原本、达尔文的物种起源等名著才能与之相比。 原理共分两部分，第一部分仿照欧几里得的方法，首先提出了定义和原理。以空间、时间、质量和力四个绝对化的概念为基础，以运动三定律为核心。第二部分是这些基本原理的应用，包括三篇。,65,t课件,三、牛顿和他的原理,第一个定义是：“物质的量是通过正比于密度和体积的总和来确定的量度单位。”牛顿把质量称为“物质的量”，这是关于质量的第一个定义。牛顿还明显地把质量与重量区分开来，前者是物体的固有属性，后者决定于一定位置所受的地球引力。 第二个定义是关于动量的：“动量是通过正比于速度和质量的总和来确定的量度单位。”牛顿把动量看成运动，并指出动量是一个

32、可加量。,66,t课件,三、牛顿和他的原理,第三个定义含有质量作为物质惯性量度的内容，第四个定义给出了力的严格和科学的定义：“施加的力是能使物体改变它的静止状态或匀速直线运动状态的一种作用。”其他四个定义是关于向心力的。 绝对时间、绝对空间、绝对运动、绝对静止四个概念。,67,t课件,三、牛顿和他的原理,在三定律之后，牛顿结出了六个推伦。第一条推论是力的平行四边形法则：一个物体同时受到两个力的作用，所受的力就与以这两力为边的平行四边形的对角线的一个力的作用相同。其余几个推论，提出了运动的叠加原理，动量守恒定律和力学的相对性原理。,68,t课件,三、牛顿和他的原理,原理第二部分分三篇。第一篇讨论

33、了万有引力定律和有心运动问题，提出了严谨的天体力学理论，。第二篇讨论了物体在有阻力的介质中的运动。 第三篇阐述了他的天体力学理论，介绍了许多研究成果。原理以其宏大的篇幅、精湛的思想、严谨的体系和丰富的内容成为物理学发展史上一部光辉的经典著作。,69,t课件,三、牛顿和他的原理,一方面牛顿以其自然科学的巨大成就，对人类的科学思想的影响远远超过同时代的其他人；另一方面，他坚信上帝的存在，这同文艺复兴以来反对宗教的潮流相违背。此外，牛顿的绝对时间、绝对空间和绝对运动的观念以及质量不变的观念，也表明牛顿的自然观带有明显的形而上学特点。,70,t课件,第四节 力学的进一步发展,一、实验基础的发展 。在这

34、一时期，国际单位得以确立，进行了一些著名的物理实验，材料力学和流体力学的研究取得了很多突破性成果。凡此种种，都促进物理实验朝着通用化、精确化和适用化方向发展。,71,t课件,一、实验基础的发展,1851年，法国物理学家佛科（公元18191868）在巴黎名人公墓处的圆顶大教堂，为证明地球自转而做的表演，轰动了巴黎，是物理学史上的一件大事。他把28公斤的摆悬挂在67米高的教堂圆顶上。周期为16.5秒的“佛科摆”每振动一次，人们就可以亲眼看到摆尖在直径为6米的沙盘移动约3毫米，使实验的观众“确实觉得自己脚下的地球在转动”。,72,t课件,1874年成立了卡文迪许实验室,麦克斯韦出任第一位主任，他创立

35、了电磁场理论。实验室第二任主任是瑞利（公元1842一1919）任期为1879一1884年，获1904年诺贝尔奖。第三任约汤姆逊（公元1856一1940）任期1884年一1919年。获1906年诺贝尔奖，他除了自己杰出的科学研究成果外，还培养了一大批诺贝尔奖金获得者。,73,t课件,1874年成立了卡文迪许实验室,卢瑟福（公元1871一1937）于1919年接任第四任主任，直到逝世。这位终生从事物理研究的伟大物理学家获1908年诺贝尔化学奖。第五位主任是威廉劳伦斯布拉格（公元18901971）；1915年与其父同获诺贝尔奖。1954年莫特出任第六任主任。他于1977年获诺贝尔奖。1971年皮帕德

36、接任第七任主住，1979年起，原主任之职由库克分担。,74,t课件,二、关于“运动量度”的争论,在十六、十七世纪，物理学家们对于力学中的一些基本概念如“力”，“运动”、“动量”、“功”和“能量”等等都没有一致公认的精确定义，因此含义混淆不清。为了从量的方面去研究机械运动，科学家们试图寻找一个普遍的物理量来做为运动的量度，从而引起了笛卡儿学派和莱布尼茨学派关于“运动的量度”的争论。,75,t课件,二、关于“运动量度”的争论,笛卡儿根据伽利略由重量和速度的乘积来量度运动的主张，提出了用质量和速度的乘积来量度运动，这种量度标准对于碰撞问题的研究非常方便、牛顿接受了笛卡儿的主张，并把这一乘积定义为动量

37、。,76,t课件,二、关于“运动量度”的争论,1686年莱布尼茨在他的论文对可纪念的笛卡儿和其他人关于使上帝都希望永远保持运动的量守恒的自然定律的错误之简短证明中，对笛卡儿学派的这个量度提出了批判，他认为运动不能用质量和速度的乘积来量度，他用落体运动为例，指出笛卡儿的量度与落体定律矛盾的同时，也发现笛卡儿的量度在某些情况下是适用的，因此提出了“死力”和“活力”。,77,t课件,二、关于“运动量度”的争论,许多著名的物理学家和哲学家都参加这场争论。赞同莱布尼茨的有约翰伯努力和雅可比伯努利及欧勒等，赞同笛卡儿的有马克劳林、卡特兰、克拉克等人。,78,t课件,二、关于“运动量度”的争论,1743年达

38、兰贝尔（公元17171783）在动力学论一书中指出，两种量度都是有效的。当物体平衡时，力用质量与物体虚速度的乘积来量度；当物体受阻碍而停止，则可以用质量与物体速度的平方来量度，也就是说力可以表示为单位时间动量的改变，也可以表示单位距离内质量与物体速度的平方的改变。,79,t课件,二、关于“运动量度”的争论,这场“运动的量度”的争论，掀起了对牛顿力学的深入研究，对物理学基本概念也逐渐统一起来，为物理学的进一步发展打好了基础。,80,t课件,三、三大守恒定律的确立,动量守恒定律的思想，是笛卡儿首先提出的，惠更斯进一步指出动量的矢量性，在碰撞作用下物体的运动中，准确地表述了碰撞过程中动量守恒原理，并

39、发现在此过程中系统的共同质心的运动速度为一常量。牛顿在原理一书中把“质心运动守恒定律”作为运动定律的一个推论，作了明确的表述。,81,t课件,三、三大守恒定律的确立,1609年开普勒第二定律，这一定律实质上就是动量矩守恒定律。牛顿在原理一书中推广到一切有心力运动的场合，指出一切在有心力作用下物体的运动，其矢径在相等的时间内扫过的面积都相等。丹尼尔伯努利和欧勒等人也以不同的形式提出这一原理：合外力矩等于总动量矩的变化率。,82,t课件,三、三大守恒定律的确立,惠更斯在研究完全弹性碰撞中得到质量与速度的平方乘积总和不变的结论。1696年莱布尼茨引进了“活力”的概念，认为宇宙中“活力守恒”，并且提出

40、力和路程的乘积等于活力的增加。1724年，约翰伯努利提出，活力变化时，做功的本领并不消失。,83,t课件,三、三大守恒定律的确立,科里奥利（公元1792一1843）用代替，并且准确地表述了莱布尼茨的发现：对物体做的功，等于物体动能的增加。现在我们称之为动能定理。,84,t课件,四、分析力争的发展,以应用分析数学为工具的力学分析力学。分析力学应用了从虚功原理、最小作用原理发展成的变分法和引入了广义座标和代数方法，其基本理论体系可分为微分形式和积分形式两种完全等价的形式。,85,t课件,四、分析力争的发展,分析力学的微分形式，是由虚功原理和达兰贝尔原理相结合而得到拉格朗日动力学普遍方程，进而推广为

41、自由参数的一般动力学方程（拉格朗日方程）。丹尼尔伯努利和欧勒开拓了偏微分方程，欧勒还发表了关于变分法的第一部著作，包含至今仍在教科书中应用的“欧勒方程”。约翰伯努利（公元16671748）于1715年提出了“虚速度”的概念，并断言如果诸力平衡，各力与力的方向上的虚速度的乘积之和等于零。,86,t课件,四、分析力争的发展,法籍意大利著名数学家和物理学家拉格朗目（公元17361813）于1788年出版了伟大著作分析力学完成了虚速度原理。他把数学分析全部应用到质点和刚体力学上，融合了欧勒、达朗贝尔等数学家的成果，并把变分学应用到力学上，使“几何静力学”时期进入到“分析静力学”时期。这一原理就是后来称

42、作的“虚功原理”。,87,t课件,四、分析力争的发展,法国数学家、物理学家拉普拉斯（公元17491827）创造了有名的拉普拉斯算符并修改了拉格朗日位函数方程，法国数学家泊松（公元17811840）于1813年给出了位函数的一般方程。,88,t课件,四、分析力争的发展,分析力学的积分形式是从莫泊丢的最小作用原理发展起来的变分原理，这是以“最小”观念为基础开辟的一个处理力学问题的全新途径。他于1744年指出体系实际发生的运动是使某一作用量取最小值的运动，这就是“最小作用原理”。,89,t课件,四、分析力争的发展,1761年拉格朗日把这一原理称为变分原理，并推广到一切物体上的运动，对原理中的“作用”概念给予准确的定义。爱尔兰数学家哈密顿（公元18051865）研究光学问题时在18341835年间发现了力学上著名的哈密顿原理，完成了由莫泊丢开始的试尝，成为牛顿之后力学发展的一个最大的飞跃。,90,t课件,四、分析力争的发展,哈密顿原理将动力学问题转化为数学的一般体系的一部分，它更深刻地揭示了客观事物之间的紧密联系。它的正则方程， 对力学研究非常方便，对统计力学、电动力学及现代相对论及量子力学的研究也是非常方便的。变分原理的确立，为自然科学的发展提供了新的思路，并使整个力学理论建立在崭新的基础上。对于推动物理学的发展，起到了重要的作用。,91,t课件,