《經(jīng)典力學的發(fā)展》PPT課件.ppt

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第二章 經(jīng)典力學的發(fā)展,第一節(jié) 開普勒行星運動定律 一、 新芽破土 （一）、資本主義萌芽帶來的契機(15世紀后半期開始) 1、社會物質(zhì)條件 歐洲社會生產(chǎn)力迅速發(fā)展，農(nóng)耕得到改進，風力水力得到普遍使用。特別是我國的四大發(fā)明經(jīng)蒙古，絲綢之路傳入歐洲，更為其發(fā)展推波助瀾。 哥倫布1492年發(fā)現(xiàn)美洲，麥哲倫1519年環(huán)游世界，這些都刺激了資產(chǎn)階級對生產(chǎn)技術的興趣，科學的發(fā)展有了社會物質(zhì)條件。,2.社會文化思想方面:出現(xiàn)了以文藝復興和宗教改革為標志的思想解放運動。 但丁的神曲，米開朗基諾的雕塑，莎氏比亞的“羅米歐與朱麗葉”的出現(xiàn)，代表了人們要求思想自由，科學要求擺脫神學附庸地位，反對迷信和權威的心聲。 3.代表人物及其觀點 1)羅吉爾培根:“證明前人說法的唯一方法，只有觀察和實踐?！?2)達芬奇（1452-1519）：“實驗在任何情況下都是我的老師?！?有道是“山雨欲來風滿樓”，一場科學革命的風暴已經(jīng)不可避免了。,（二）、哥白尼與“天體運行論” 1、地心說與日心說的主要觀點 地心說:地球是絕對靜止的，一切運動都是相對于地球而運動的。地心說受到宗教的吹捧與肯定。 日心說:如果是地心說，這樣的觀點來描述行星的運動時，行星有無法解釋的忽快、忽慢、逆行及留的現(xiàn)象。 地動日心說可以對天體的運動給予完滿的解釋。 “天穹的周轉是一種視運動，實際是地球運動的反映?！?,托密勒（公元100？-170？）在公元2世紀提出的。他發(fā)展了亞里斯多德的地心說，在歷史上第一次用模型得出了宇宙結構模型。使古代天文學達到了最高峰。,2.“天體運行論”于1543年完成，它被譽為自然科學的獨立宣言。所以1543年在科學史上被稱為科學革命的一年。,布魯諾（1548-1600）：因宣揚日心說，1592年被捕。1600年，面對宗教法庭的審判，他說： “我希望你們到大庭廣眾中去把我點燃，這是我最大的快樂，因為我可以以自身燃起的大火，去照亮后人的道路?！?布魯諾英勇就義于羅馬的鮮花廣場。 總之，16世紀中期，日心說與地心說的血與火的斗爭，是自然科學從宗教桎梏下解放的標志，教會的權威受到挑戰(zhàn)，自然科學在批判經(jīng)院哲學的斗爭中開創(chuàng)著自己的道路。,（三）、舍生取義的布魯諾,1.丹麥著名天文學家第谷(1546-1601)，經(jīng)過20年的反復的天文觀測，積累了大量準確的星體運動觀測資料，被人譽為“星學之王”。,（四）、第谷與開普勒,他的貢獻有： （1）在丹麥國王的支持下，在哥本哈根海峽的一個小島上修建了一座完善的天文臺。 （2）經(jīng)過二十余年的觀察，各個行星的角位置的誤差僅為2’。 （3）1560-1597年邀請開普勒到身邊工作，1600年2月3號收他為助手。 （4）1601.10.24去世，把所有的天文觀測資料留給了開普勒。,2.德國天文學家開普勒(1571-1630)是第谷的學生與助手，從第谷對火星的觀測資料與他理論計算的8弧分之差入手，發(fā)表了開普勒三定律。寫出“宇宙和諧論”，使我們對天穹星空的認識，由雜亂到有序。開普勒的一生，雖多病貧窮，但都未動搖他破解天體奧秘的決心，他把他的一生都貢獻給了科學事業(yè)。,1587年進入杜賓根大學，在校中遇到一位秘密宣傳哥白尼學說的教授麥斯特林。受其影響，很快成為哥白尼的忠實維護者。 1591年獲文學碩士學位后，受大學的推薦，到奧地利格拉次的一所中學做數(shù)學教師。在格拉次，他開始研究天文學，把哥白尼的日心說和托密勒的地心說進行比較。他孜孜不倦地研究行星的軌跡及其成因。寫成了一本書《神秘的宇宙》。這本書雖然宣傳了哥白尼學說，但充滿了神秘色彩。 第谷就是通過這本書了解開普勒的數(shù)學才華。,第谷去世后，開普勒開始整理他的觀察資料，于1627年《魯?shù)婪蛱煳谋怼愤@份比以往的任何表都精確。直到18世紀中葉，這份表仍然被看作天文學上的標準星表，天文學家和航海家們都把它當作指南。 開普勒的研究首先從火星開始，他發(fā)現(xiàn)這個行星的運動與哥白尼的理論出入最大。 開普勒想從火星的觀測數(shù)據(jù)中找出它的運動軌跡，并用曲線來表示，他經(jīng)過70次嘗試，他找到的最佳方案還與觀測資料相差8角分，即0.133弧度。,后來他經(jīng)過4年的艱苦計算，斷定火星的軌跡不是正圓，改用其他卵形曲線軌道計算，也不對，后來改用橢圓，結果很滿意，與觀測資料完全相符。 火星的運動之謎揭開后，開普勒又進一步研究了其他幾個行星的運動，證明了他們的運動軌跡都是橢圓，這就推翻了傳統(tǒng)的天體必定做勻速圓周運動的偏見。用開普勒的話說：“就憑這8角分的差異，引起了天文學的全部革新”。,3.開普勒行星運動定律,第一定律：行星繞太陽作橢圓軌道的運動，太陽在橢圓的一個焦點上； 第二定律：在相同的時間內(nèi)，行星和太陽的連線在橢圓平面內(nèi)掃過的面積相等； 這兩條定律在1609年公布在《新天文學》一書中。 第三定律：行星運動的周期的平方和其距太陽距離的立方成正比。 這條定律開普勒在1619年出版的《宇宙和諧論》中公布,“開普勒的驚人成就，是證實下面兩條真理中的一個特別美妙的例子，這條真理是：知識不能單從經(jīng)驗得出，而只能從理智的發(fā)明同觀察到的事實兩者的比較中得出”----------愛因斯坦 開普勒宣傳和發(fā)展日心說，受到宗教裁判所的迫害，到處不得安身，他的書被列為禁書，他所有被收走的書籍都付之一炬。1630年，他死于貧病交困之中。,第二節(jié) 運動學奠基人 伽利略,一、伽利略捍衛(wèi)哥白尼學說 伽利略(1564-1642)，又是一位獻身于哥白尼學說的偉人。他出生于意大利比薩，17歲入比薩大學學醫(yī)。1589-1592年在比薩大學任數(shù)學教師，膾炙人口的比薩斜塔實驗可能就在這期間進行的。 他和開普勒是同時代的天文學家，哲學家、數(shù)學家、物理學家。他們是好朋友。 就在1609年，伽利略制作成了歷史上放大倍數(shù)32的天文望遠鏡，獲得了一系列重大的發(fā)現(xiàn)。,1610年他出版了《星空信使》，書中介紹了的發(fā)現(xiàn)： （1）月球表面凹凸不平，有大山和平原，有象火山口那樣的環(huán)行山； （2）他發(fā)現(xiàn)木星有四個衛(wèi)星圍繞它旋轉，像個小太陽系，這表明在地球外存在著不以地球為中心的天體； （3）他發(fā)現(xiàn)了土星的光環(huán)； （4）他發(fā)現(xiàn)了太陽黑子周期性地重復出現(xiàn)； （5）他發(fā)現(xiàn)銀河是有無數(shù)星星組成。 這一系列的發(fā)現(xiàn)，引起了社會的極大轟動。人們傳誦：“哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙”。,他的代表作《關于托密勒和哥白尼兩大世界體系的對話》（簡稱《兩大世界體系的對話》）于1632年出版后 。1633年，69歲高齡時曾被羅馬宗教裁判所判處終身監(jiān)禁。仍致力于科研，于1638年又寫出了《關于兩門新科學對話》一書。1642.1.8 他被認為是教會的罪人含冤去世。 直到1979年11月10日，300多年后，羅馬教會才在公共集會上承認伽利略當時受到的教廷審判是不公平的。1980年10月，教皇又提出需要重新審理這個案子，一個包括楊振寧、丁肇中在內(nèi)的全都是諾貝爾獎獲得者的6名科學家組成的委員會在羅馬成立，科學巨人的冤案終于得到昭雪，這說明真理是不可抗拒的。,《兩大世界體系的對話》封面,二、落體運動的研究,對運動無知，也就對大自然無知。 ——西方諺語,伽利略對運動的研究主要的貢獻： （1）通過相對性原理，提出了運動與靜止的相對性，提出了對不同參考系運動的不同描述。----伽利略相對性原理 （2）他用數(shù)學方法分析了時間和空間的定量關系。定義了勻速運動，還明確提出和定義了加速度的概念。 （3）用實驗研究了自由落體的運動規(guī)律。,S=1/2gt2 伽利略由實驗得到g=981cm/s2 伽利略開辟了科學方法----實驗方法和數(shù)學方法的結合，這種方法到今天還有極大的生命力，這是伽利略的偉大功績。,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，標志著物理學的開端。 ——愛因斯坦,三、慣性定律,伽利略還發(fā)現(xiàn)了慣性定律，他確信，如果一個物體能夠沒有摩擦地在一個水平面上滑動的話，它將能保持自己的速度不變。 他用斜面實驗來進行證明。 他雖然得出了慣性定律，但他沒有能進行概括性的描述。以伽利略為代表的慣性觀念的改變，是古代與中世紀自然哲學過渡到經(jīng)典物理學的最重要的標志。,四、運動疊加原理,伽利略第一個證明拋射體的路徑是一條拋物線。 他用運動疊加原理把拋射運動分解為：垂直方向的上拋運動和水平方向的勻速運動。 他利用公式算出各拋射角時的曲線并證明與實驗相符。 他還證明了拋射角為45度射程最大。,五、意義 他的相對性原理、慣性定律和運動疊加原理等為力學理論奠定了基礎，他具體研究的自由落體、斜面、拋射體、擺的運動奠定了運動學和動力學的基礎。并提供了解決實際力學問題的第一批范例，特別是他的實驗方法、理想化方法、雄辯的推理與嚴格的數(shù)學推證方法等等，標志著物理新紀元的開始。,伽利略的預見 “一門廣博精深的科學已經(jīng)啟蒙，我在這方面的工作只是它的開始，那些比我更敏銳的人所用的方法和手段將會探索到各個遙遠的角落?！?一、牛頓簡介 1. 牛頓1642年生于英國。從小是一個苦命的孩子，還未出生，父親逝世，兩歲母親改嫁，在舅舅和姥姥家長大。 2.1661年考入劍橋大學31 學院。由于學習勤奮，受到巴羅教授的賞識，1664年成為研究生。 3. 1665年開始研究微分和積分及萬有引力定律。1665年倫敦大瘟疫，一個夏天病逝3萬人。牛頓回到家鄉(xiāng)，留下了膾炙人口的“蘋果落地”的故事。（據(jù)說是法國作家伏爾泰從牛頓侄女那兒聽來的。）,第三節(jié)、牛頓的經(jīng)典力學體系,4. 1687年出版曠世之作“自然哲學的數(shù)學原理”。由好朋友哈雷資助出版。人們爭相購閱。 5. 1703年 任英國皇家學會終身會長。 6. 1705年 被英國女王授予爵士稱號。 7. 1727年逝世，葬于威斯敏斯特教堂。 “伊薩克牛頓爵士安葬在這里…，讓我 們歡呼曾經(jīng)存在過這樣一位偉大的人類之光.” ——碑文,二、牛頓的力學體系,在伽利略之后，出現(xiàn)了大批物理學家，這些物理學家中，從方法論上大體分為：一類是主要從事實驗，崇尚實驗歸納方法。例如：格里克（1602-1682）、帕斯卡（1623-1662）、玻意耳（1627-1691）、馬略特（1620-1684）、胡克（1635-1703）等；另一類是崇尚理性的演繹。笛卡兒（1596-1650）、費馬（1601-1665）、萊布尼茲（1646-1716）等，他們大多數(shù)在數(shù)學上有杰出的成就。 （1）笛卡兒的力學貢獻主要是明確敘述了慣性定律，特別強調(diào)了方向性，還得出了動量守恒定律。 (2)惠更斯（1629-1695）荷蘭物理學家，研究對心碰撞及鐘擺擺動。他得出了擺動周期公式和向心加速度公式。,在1687年，他的《自然哲學的數(shù)學原理》的出版，標志著經(jīng)典力學體系的建立。 序言:“我把這部著作叫做自然哲學的數(shù)學原理，因為哲學的全部任務看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力，而后用這些力去論證其他現(xiàn)象……，我希望能用同樣的推理方法，從力學中推導出自然界的其他現(xiàn)象?！?所謂經(jīng)典力學體系，簡單說來，是以四個絕對化的概念：空間、時間、質(zhì)量、力為基礎，以三個基本定律為核心，以萬有引力為它的綜合，并用微積分來描述物體運動的因果律。,1.生產(chǎn)力發(fā)展的需要 航海的發(fā)展，需要對天體的運行規(guī)律進行研究，對機械加工作物理原理的解釋。 2.物理方面的進展 哥白尼的“日心說”，摧毀了附著在神學上的宇宙觀，得到了幾乎所有科學家的認同，教會的迫害反而使真理的聲音廣為傳播。 伽利略奠定了在運動觀上的正確理論，各種力正在被發(fā)現(xiàn)。 3.在英國，政局比較穩(wěn)定，商業(yè)發(fā)展使新興資產(chǎn)階級從自身的角度，開始注重科學研究。 4.科學的國際研究聯(lián)系加強。英法成立了“皇家學會”和“皇家科學院”。,三、牛頓取得成功的歷史條件,1.它將個別特殊的情況抽象概括為普遍理論，是當時力學規(guī)律的偉大綜合。 2.它成為當時科學上判斷正誤的準繩。 3.它向后來者提供了一種科學研究的方法。 4.它發(fā)揮了科學理論的預言作用，引導人們從已知的現(xiàn)象去預測未來。,四、牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》的意義,1)哈雷彗星 1682年彗星出現(xiàn)時，有人說，它是人類的罪惡造成的，因此人們紛紛跪地祈禱，驚恐萬分。,五、用牛頓力學解釋現(xiàn)象,牛頓根據(jù)天文資料，應用萬有引力定律，說明和計算了彗星的運動軌道。 牛頓的好朋友，英國天文學家哈雷(1656-1742)，根據(jù)牛頓理論進一步計算了大量彗星的運動軌道，得出1531年、1607年、1682年出現(xiàn)的彗星軌道相同，因此應是同一彗星。由此預言，1758年還將出現(xiàn)這一彗星。 1758年，這成了當時一件眾人十分矚目的大事。彗星到期未出現(xiàn)，科學家著急得很。1759年3月12日，這顆星出現(xiàn)了，遲到的原因，是因為它受木星和土星的吸引而姍姍來遲了，這正說明了萬有引力定律的成功。,2)“筆尖下的行星”的發(fā)現(xiàn) 1781年，赫舍爾（1738-1822）發(fā)現(xiàn)天王星，距離太陽約28億公里，繞一周要84年。但根據(jù)牛頓理論，其運動有偏差，于是預言，還應該存在另一顆星。 列威爾(法)、亞當斯（英）根據(jù)牛頓的理論計算出了該星的軌道。 柏林天文家伽列于1846年9月23日，在列威爾推算處相距不到1的地方發(fā)現(xiàn)了這顆星——海王星，大大拓寬了天文科學家的視野。,總之《自然哲學數(shù)學原理》第一次顯示了科學理論所具有的知識飛躍和能動作用，它為后來的物理研究開拓了一條傳統(tǒng)思路，奠定了經(jīng)典力學的基礎，促進了物理學向前發(fā)展。,1.站在巨人的肩上，勤奮學習，積累知識 數(shù) 學---〉 歐幾里德——笛卡爾——萊布尼茲 力 學---〉 達.芬奇——伽里略——惠更斯 天文學---〉 哥白尼——第谷——開普勒 引力思想---〉 吉爾伯特——布里阿德——玻列利,六、牛頓的成功之路,1)分析綜合法 牛頓在“光學”一書中曾說：從結果到原因，從特殊原因到普遍原因，一直論證到最普遍的原因為止，這就是分析的方法;而綜合的方法則假定原因已經(jīng)找到，并已把他們立為原理，再用這些原理去解釋由他們發(fā)生的現(xiàn)象。 2)歸納與演繹相結合,2.講究科學研究方法,3)追求簡單、明白的公理體系 牛頓根據(jù)月球受地球吸引的現(xiàn)象，歸納出一切天體相互吸引的關系，進而得出了引力定律，再演繹出宇宙萬物間相互吸引的因果關系。 牛頓在原理中寫道：“自然界喜歡簡單化，而不愛用什么多余的原因以夸耀自己。”所以他努力尋找支配自然界的盡可能簡單的原理，總結其規(guī)律。 4)數(shù)學物理方法:原理是數(shù)學與物理的完美結晶 大自然追求的是一本用數(shù)學語言所寫的巨著，他追求的是一個精確的，完完本本用數(shù)學表示的定律。 ——牛頓,5)實驗----抽象方法 萬有引力定律既有觀測實驗的基礎，同時也是科學抽象的產(chǎn)物。 3.熱愛科學，追求真理 人們問:“你是怎么發(fā)現(xiàn)萬有引力的?” 牛頓說:“By thinking on it continually.” 牛頓終身沒娶。1727年，牛頓遺言:“我不知道世人對我是怎樣的看法，但是在我看來，我不過象一個在海邊玩耍的孩子，為時而發(fā)現(xiàn)一塊美麗的石子而高興，但那浩瀚的真理的海洋，卻還在我的面前未曾發(fā)現(xiàn)呢?！?1)絕對時空觀 牛頓說：“絕對的數(shù)學的時間與外界無關地流逝著……?！闭J為時間與空間無關，時空與運動無關，是絕對的物理量。 2)當一些問題牛頓解釋不了時，它就只好用上帝的萬能來解釋，為此牛頓花費了后半生的心血，這正是牛頓的悲劇。,七、牛頓的局限,西方：恩格斯說:“這是一次人類從來沒有經(jīng)歷的最偉大的進步的變革，是一個需要巨人而且產(chǎn)生了巨人——的時代?！?中國：由于封建統(tǒng)治，閉關鎖國，教育僵化，科技發(fā)展遲滯。 光緒時康有為的公車上書痛心疾首地指出：“姚燮xie謂：‘我之所為，彼皆知之，彼之所為，我獨不聞，安得不為所制乎！’學塾經(jīng)費少于兵餉數(shù)十倍，士人能通古今達中外者，郡縣乃或無人焉?！币舱f明了這一問題。,八、16世紀后，中國科技發(fā)展遲滯,