《经典力学的建立》PPT课件.ppt

1.哥白尼、第谷、开普勒 2.运动学的奠基人伽利略 3. 牛顿的伟大综合和理论飞跃 4.牛顿后力学的发展（略）,第三章 经典力学的建立,1.哥白尼、第谷、开普勒 一.哥白尼与“天体运行论” 二.第谷与开普勒,新 芽 破 土 ：二. 哥 白 尼 与 “天 体 运 行 论”,一.哥白尼与“天体运行论” 哥白尼(14731543 )：波兰伟大的天文学家，日心体系的提出，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独立出来。 18岁进入克拉科夫大学学习数学和天文学； 23岁(1496年)到文艺复兴的意大利留学。,1503年，哥白尼回到波兰后，在担任牧师职务期间坚持进行天文学观测和新的宇宙体系的研究。,对其影响人物： 1）诺瓦拉(Novara，波伦亚大学天文学教授)：认为托勒密体系过于复杂、不符合数的谐和原则。 2）阿里斯塔克：留学期间，他还阅读了大量古希腊学者的著作，受到了其中有关地球运动思想的启发，为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础。,1）托勒密的地心体系存在的问题：由于观测技术的进步,原来的八十个左右的均轮和本轮已不能满足日益增加的观测数据，必须增加更多的小轮。 2）发现：哥白尼发现，在托勒密体系中，每个行星都有三种共同的周期运动,即:一天一周、一年一周和相当于岁差的周期运动。 3）他认为：如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球身上，托勒密体系就一下简单了很多。只有月球绕地球转动。恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动。 4）日心体系的提出：这样，哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙体系。在这个体系中，天体从远到近的顺序是：恒星不动；土星，30年转一周；木星，12年一周；火星，2年一周；地球和月亮一年一周；金星，9个月一周；水星，80天一周等。,由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。1530年，哥白尼才将他的学说写成一个小册子纲要，以手稿形式在友人中流传。直到1542年，在他生命垂危之际，才同意将他的主要著作天体运行论交付印行。并且在书的序中写明，将他的著作献给教皇保罗三世。他认为，在这位比较开明的教皇的庇护下，天体运行论也许可以问世。 除了这篇序之外，天体运行论还有另外一篇奥塞安德尔写的前言。前言中说，书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动，不过是为编算星表、预推行星的位置而想出来的一种人为的设计。,天体运行论在出版后七十年间，虽然遭到马丁路德的斥责，但未引起罗马教廷的注意。后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说，危及天主教会的思想统治，罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害，并于公元1616年把天体运行论列为禁书。 哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识，而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。“从此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前进”,二.第谷与开普勒 1.第谷(Tycho Brahe,1546-1601，丹麦人，贵族家庭) 1)新天文台修建：1576年，在丹麦国王腓特烈二世资助下，在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台，测量精度较前人提高了几十倍。 2)天文观测：21年持之以恒的观测中，各行星角位置的误差仅为2(即0.033，1=60)。 3)观点：他将托勒密的地心体系和哥白尼的日心体系进行了折中，认为：除地球和围绕它的月亮外，其他天体都绕太阳运转，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。被人誉为“星学之王”。 腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。1599年，他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到了布拉格。在这里，他得到了一个青年助手开普勒。他们共同进行观察，直到1601年第谷去世。,第谷像,新 芽 破 土 ：三. 第 谷 与 开 普 勒,第谷使用的天文仪器,第谷的墙壁象限仪,德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。被后世的科学史家称为“天上的立法者”。 开普勒出生在一个贫民家庭，由于生病 身有残疾。1587年进入蒂宾根大学，遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林，并很快成为哥白尼学说的忠实拥护者。大学毕业后，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来，由于学校被天主教会控制，开普勒离开神学院前往布拉格，与第谷一起专心从事天文观测工作。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为皇室的数学家。 第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒，于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行星表，并于1627年出版了卢道夫行星表，一边进行着对行星轨道特点的研究。,2.德国天文学家开普勒(1571-1630),1)发现问题：开普勒用正圆编制火星的运行表时，发现火星老是出轨。后改为偏心圆，但依照这个方法来预测火星的位置，跟第谷的观测数据仍然不符，产生8的误差。 2)对轨道的怀疑：开普勒知道第谷观测数据的准确性，所以他没有将这一误差视为“观测范围内的允许误差”，而是认为“匀速圆周运动”的假设可能存在错误。 3)新轨道的研究：此后，开普勒转向了用第谷的观测数据去确定行星的运行轨道。从而发现火星轨道是一种椭圆，并进而发现每个行星都沿椭圆轨道运动，太阳就在一个焦点上；接着又发现面积定律。上述两定律发表在1609年出版的新天文学上。在1619年出版的世界的和谐中公布了周期定律。 4)意义：开普勒的上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠定了基础。,一.伽利略生平 二.伽利略的贡献 二.伽利略在科学史上的地位,2.运动学的奠基人伽利略,一.伽利略(1564-1642, Galileo Galilei )生平,出生于意大利比萨，卒于意大利比萨。运动学的奠基人。 12岁时，进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院，接受古典教育。 17岁时，他进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。未毕业辍学。 离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的著作。写了天平论重力，受到高度重视。 25岁（1589年）被聘为比萨大学的数学教授。 两年后，伽利略因为著名的比萨斜塔实验，触怒了教会，失去工作。 1592年，伽利略来到威尼斯的帕多瓦大学任教，开始了科学黄金期：研究了斜面运动、力的合成、抛射体运动等，取得了累累硕果。他还对液体与热学作了研究，发明了温度计。 1609年5月，制成望远镜。几个星期内，伽利略使用这台望远镜便获得几项重大发现，当年出版星界信使。并轰动了欧洲，也为伽利略赢得了崇高的荣誉。被称为“天空的哥伦布”。伽利略被聘为“宫廷哲学家”和“宫廷首席数学家”。 1611年到罗马并担任林嗣科学院的院士。,1613年，他发表论太阳黑子，明确指出了哥白尼学说是正确的，触怒了教会，开始受到宗教裁制所的审讯。 1632年1月，出版关于托勒密和哥白尼的两大世界体系的对话。宣告托勒密地心说破产，动摇了教会的最高权威。 1633年2月以“反对教皇,宣扬邪学”被罗马宗教裁判所判处终身监禁。 1636年，伽利略在监禁中偷偷地完成关于两种新科学的对话。1638年在荷兰出版。 1638年以后，双目逐渐失明，晚景凄凉。 1642年1月8日逝世。 1979年11月10日，罗马教皇才宣布：1633年对伽利略的宣判是不公正的。 1980年10月重审这一案件，研究科学同宗教的关系，研究伽利略学说的科学价值及其对现代科学思想的贡献。 1992年10月31日，获得梵蒂冈教皇的平反。 为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名为伽利略卫星。,二.伽利略的贡献 主要有三个方面：力学、天文学（略）和哲学（略）。 1.发现了摆的等时性 1582年（18岁），一次去教堂做礼拜，注意到教堂里吊灯在摆动，他按自己脉博的跳动来计时，发现它们往复运动的时间总是相等。从而发现了摆的等时性。后来荷兰物理学家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟，人们称之为“伽利略钟“。 2.自由落体定律 首先从思想实验得出的一个佯谬入手，否定了亚里士多德的落体学说：重物比轻物下落速度快？ 通过数学推到出自由落体为匀加速运动：利用三角形面积和一对应的矩形面积相等确定 s/t2=常量 设计了“冲淡重力”实验，即著名的“斜面实验” 为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动，提出了“等末速度假设”，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速度假设得到了沿斜面下滑的加速度g1和重力加速度g之间的关系。,3. 加速度概念的提出 加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。 4.惯性原理 伽利略通过另一个理想实验，非正式提出惯性原理。谈话：“当一个物体在水平面上运动，没有碰到任何阻碍时它的运动将是匀速的，并将无限继续进行下去，假如平面是在空间无限延伸的话。” 5.运动的独立进行原理-抛体运动轨迹 在两门新科学的第四天谈话中，详细研究了抛体运动，指出：假设物体以水平初速度抛出，这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动这两个运动既不彼此影响、干扰，也不互相妨碍”。并得出仰角为=45时射程最大，以及两个仰角等于=45下射程相等得结论。,6.相对性原理 在批驳“倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到后面去”的谬论时，伽利略指出，从行驶的航船的桅杆上落下的石子，仍会落在桅杆脚下；只要船的运动是均匀的，也不忽左忽右摆动，人们所观察到的现象同船静止时完全一样，人们跳向船尾不会比跳向船头更远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四处飞行，决不会向船尾集中，或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子。这些现象表明，在船里所做的任何观察和实验，都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动。” 这一原理的发现，是人类科学史上的一个重大飞跃，对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。 7.材料力学研究：正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。他指出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。 8.温度计的发明。,运 动 学 的 奠 基 人伽 利 略：二. 意 义,三. 伽利略在科学史上的地位 1.纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，动摇了宗教教会的统治。 2.创立了研究自然科学的新方法：对现象的一般观察提出工作假设运用数学和逻辑的手段得出特殊结论通过物理的或思想的实验对推论进行检验对假设进行修正和推广。即：观察假设数学和逻辑推理实验检验。,后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。 牛顿在系统地总结了伽利略、开普勒等人的工作后，得到了牛顿运动三定律和万有引力定律。 爱因斯坦的评价：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，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的开端！”,伽利略视频,3.牛顿的伟大综合和理论飞跃 一.牛顿简介 二.牛顿的自然哲学数学原理的内容和意义（1687年发表） 三.万有引力定律的建立、检验和意义 四.牛顿取得成功的历史条件 五.牛顿的方法论 六.牛顿的成就总结 七.牛顿的局限,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,一.牛顿简介 1642年的12月25日出生于英格兰的伍尔索普，出生三个月前，父亲去世。 2岁时母亲改嫁给一位史密斯牧师，牛顿由外祖母抚养。给牛顿心理和性格上造成了巨大影响。 6岁上学，性格怯弱，常受同学欺负。学习也不太用功，但善于观察和动手。 12岁时，在格兰瑟姆中学读书。住在克拉克夫人家里。期间，母亲的后夫去世。 14岁，在母亲的要求下，牛顿辍学回家，在家帮助维持生计。但干活心不在焉，一心看书学习，思考问题。后被舅舅发现，牛顿又重新回到学校读书。 19岁（1661年）进入剑桥大学三一学院。 1664年牛顿被选为巴罗的助手； 1665年大学毕业获学士学位。在这段学习过程中，牛顿掌握了算术、三角，学习了欧几里得的几何原理，开普勒的光学，笛卡儿的几何学和哲学原理，以及伽利略的两大世界体系的对话，胡克的显微图集和早期的哲学学报等。,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,16651666年伦敦大疫。学校停课。牛顿于1665年6月回到故乡乌尔索普。 牛顿在家躲避瘟疫的18个月内，对力学、天文学、数学和光学等方面进行了伟大的基础性研究工作，几乎孕育了他一生作出重大贡献的所有思想基础。 他在自转中写到：“1665年初，我发现了把任意指数（幂次）的二项式简化为级数的法则。同年5月我发现了正切方法11月发现了直接流数法（即微分学）。次年1月发现了色彩理论。接着5月着手研究流数法的逆运算（积分）。同年我开始考虑如何把重力推广到月球轨道以及将维持月球在其轨道上运动所需要的力与地球表面上的重力加以比较”。“在这些日子里，我正处在发现力最旺盛的时期。” 1667年重返剑桥大学； 1668年7月获硕士学位； 1669年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲座教授， 同年发表运用无限多项方程； 1671年发表流数术与无穷级数，并发明反射式望远镜； 1672年成为皇家学会会员； 1676年发表曲线求积术三篇论文；,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,1687年出版旷世之作自然哲学的数学原理。 1689:国会议员。 1699:造币厂长； 1701年辞去剑桥大学工作； 1703年任英国皇家学会终身会长。 1704年出版他的另一本科学经典著作光学； 1705年被英国女王授予爵士称号。 1727.3.20去世(85岁).隆重国葬，葬于威斯敏斯特教堂。,二.牛顿自然哲学的数学原理,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,序言:“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象 ，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。”,(一) 内容 （牛顿三定律，略）,牛顿的绝对时空观： 时间是绝对的，空间是绝对的，运动是绝对的，而静止则是相对的 “绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；(绝对时间) “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；(绝对空间) “绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所的移动”；(绝对运动) “真正的、绝对的静止，是指这一物体继续保持在不动的空间中的同一个部分而不动”。(静止是相对的),为给“绝对空间和运动”寻找证据，提出著名的“水桶实验”,马赫对绝对时空的批判,17世纪后期，牛顿设计了一个水桶实验,说明水面的平凹与桶之间的相对运动无关，而与水相对绝对空间的运动有关，从而试图证明存在一个绝对空间(绝对惯性系),(二) 意义: 1.自然哲学的数学原理的出版，标志着经典力学体系的建立；是当时力学规律的伟大综合； 2.绝对时空观的形成； 3.机械决定论的形成；,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,三.万有引力定律的建立、检验和意义 （一）万有引力定律的建立 胡克的工作：胡克最早觉察到引力与重力有同样本质，他曾在山顶和矿井下进行实验，以确定重力随离地心的距离而变化的关系，但没得出结果。1680年初，在给牛顿的信中，胡克提出了引力反比距离的平方的猜想； 伦恩和哈雷的工作：1679年哈雷和伦恩导出了作用于圆形轨道运动的行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比，但他们还不能证明行星在椭圆轨道下也是如此。 牛顿：1684年810月，牛顿作了论运动的演讲，明确叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动的平方反比关系。后来又定义了质量的概念，探讨了引力和质量的关系，才把他引向万有引力定律的发现。 在原理中，牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的思想实验，我们称为牛顿月亮或小月球思想实验，从而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。,1.牛顿通过靠近地面的“小月亮”运动的思想实验，论证了“使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称为重力的力”。,2.通过“月地检验”说明了月球所受引力与地面上物体所受引力遵循相同的规律：引力与半径的平方成反比关系。并将此结果推广到行星的运动上去，从而得出宇宙间所有物体之间的引力遵循的规律都相同的结论。所以称为万有引力。（略）,（二）万有引力定律的检验,1)关于地球的形状 2)哈雷彗星 3)“海王星”的发现 4)卡文迪什测定万有引力常数,1）关于地球的形状： 牛顿指出：行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆起，使行星成为两极扁平的扁球体。隆起部分将一部分接近太阳和月亮，另一部分远离太阳和月亮，它们受到的引力作用不同，使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心，从而使地球的轴作一种缓慢的圆周运动，造成二分点的岁差现象，牛顿近似估算出地球的扁率为1/230。 反对声：18世纪30年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长雅克卡西尼（Jacques Cassini,1677-1756）等人的强烈反对，他们根据笛卡儿的旋涡理论假说和错误的纬度长度的测量，说地球使两极凸出的椭球体。 验证：为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于1735-1736年先后派出两个测量远征队，分赴赤道地区的秘鲁和高纬度地区的拉普兰德，分别在两地的经度圈上测量等角的一段弧长。测量结果基本证实了牛顿的结论。从而使拉普兰德队的领队莫泊丢和成员克雷洛成为牛顿的支持者。,2)哈雷彗星 早期对彗星的认识：1682年以前，人们认为彗星出现时，它将给人类带来灾难。 牛顿的计算：牛顿根据天文资料，应用万有引力定律，说明和计算出了彗星的运动轨迹。 哈雷的工作：英国天文学家哈雷(1656-1742)，根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出1531年、1607年、1682年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。由此预言这彗星1758年还将出现。 克雷洛的工作：1743年，克雷洛曾计算了木星和土星对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于1759年4月附近经过近日点。 验证：1759年3月12日，这颗星出现了。,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,3)海王星的发现 1781年，赫舍尔发现天王星，踞太阳约28亿公里，绕一周要84年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还应该存在另一颗星。,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,柏林天文学家伽勒(Johann Gottfried Galle,1812-1910)于1846年9月23日，在距离勒威尔推算出的位置误差不到1的地方发现了这颗星海王星。,1843-1845年英国青年大学生亚当斯(John Couch Adams)、1845年法国天文学家勒威尔(Leverrier)各自分别独立地根据牛顿的理论计算出了该未知行星的质量、轨道和位置。,4)卡文迪什测定万有引力常数 从牛顿于1687年出版自然哲学的数学原理，整整一百年时间，还没有任何实验或事实能证明在任意的两个物体之间确实存在引力，以及引力大小。直到1797年，卡文迪什在实验室条件下，用扭秤实验 测量了两个物体间微小引力和万有引力常数，才最终解决了定律的验证问题。,（三）万有引力定律建立的意义 1.人类第一次完成了天体运动与地面物体运动的统一。 2.建立了天体力学； 3.是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,四.牛顿取得成功的历史条件 1.生产力发展的需要 航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究； 对机械加工运输 作物理原理的解释。 2.站在巨人的肩上 数学：欧几里德笛卡尔莱布尼兹； 力学：达.芬奇伽里略惠更斯； 天文学：哥白尼第谷开普勒； 引力思想：吉尔伯特布里阿德玻列利。 3.在英国，政局比较稳定，开始注重科学研究。 4.科学的国际研究联系加强 英法成立了“皇家学会”及“皇家科学院”,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,五.牛顿的方法论 牛顿的几种科学方法： 实验理论应用法 分析综合法 归纳演绎方法 物理数学方法 牛顿的方法论原理： 牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理，主要集中表述在原理第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中。 法则1. 简单性原理 法则2. 因果性原理 法则3. 普遍性原理 法则4. 否证法原理（即无反例证明者即成立）,牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃,六.牛顿的成就总结 1.在力学方面，牛顿总结出机械运动的三个基本定律，并独立发现了万有引力定律。他把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中，创立了经典力学体系。 2.在光学方面，牛顿曾致力于色的现象和光的本性的研究。 1666年他用三棱镜分析日光，发现白光是由不同颜色的光构成的，成为光谱分析的基础。他创立了光的“微粒说”。 3.在数学方面，牛顿提出了“流数法”，建立了二项式定理，并和莱布尼茨同时创立了微积分学，开辟了数学史上的一个新纪元。 4.在天文学方面，发现万有引力