物理与人类文明.doc

牛顿三大定律是力学中重要的定律，它是研究经典力学的基础。 1牛顿第一定律 内容：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到其它物体的作用力迫使它改变这种状态为止。 说明：物体都有维持静止和作匀速直线运动的趋势，因此物体的运动状态是由它的运动速度决定的，没有外力，它的运动状态是不会改变的。物体的这种性质称为惯性。所以牛顿第一定律也称为惯性定律。第一定律也阐明了力的概念。明确了力是物体间的相互作用，指出了是力改变了物体的运动状态。因为加速度是描写物体运动状态的变化，所以力是和加速度相联系的，而不是和速度相联系的。在日常生活中不注意这点，往往容易产生错觉。 注意：牛顿第一定律并不是在所有的参照系里都成立，实际上它只在惯性参照系里才成立。因此常常把牛顿第一定律是否成立，作为一个参照系是否惯性参照系的判据。 2牛顿第二定律 内容：物体在受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小与物体的惯性质量成反比。 第二定律定量描述了力作用的效果，定量地量度了物体的惯性大小。它是矢量式，并且是瞬时关系。 要强调的是：物体受到的合外力，会产生加速度，可能使物体的运动状态或速度发生改变，但是这种改变是和物体本身的运动状态有关的。 真空中，由于没有空气阻力，各种物体因为只受到重力，则无论它们的质量如何，都具有的相同的加速度。因此在作自由落体时，在相同的时间间隔中，它们的速度改变是相同的。 3牛顿第三定律 内容：两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。 说明：要改变一个物体的运动状态，必须有其它物体和它相互作用。物体之间的相互作用是通过力体现的。并且指出力的作用是相互的，有作用必有反作用力。它们是作用在同一条直线上，大小相等，方向相反。 另需要注意： （1）作用力和反作用力是没有主次、先后之分。同时产生、同时消失。 （2）这一对力是作用在不同物体上，不可能抵消。 （3）作用力和反作用力必须是同一性质的力。 （4）与参照系无关。世界著名的网络科普作家塔米姆安萨利（Tamim Ansary）在其新著（10 Great Scientific Discoveries）中总结了对人类社会发展有重大影响的、最伟大的十个科学发现。这之中，我们有的了如指掌，有的似熟悉的陌生人，但不管怎样，这些跨越了漫长历史时空的科学人物、科学故事，实实在在地能给予我们深刻的感动与启示。本站将陆续推出这十大科学发现的故事，它们分别是勾股定理、微生物的存在、三大运动定律、物质结构、血液循环、电流、物种进化、基因、热力学四大定律、光的波粒二相性，敬请关注。 三大运动定律人类最伟大的十个科学发现之三塔米姆安萨利在牛顿以前，天文学是最显赫的学科。但是为什么行星一定按照一定规律围绕太阳运行？天文学家无法圆满解释这个问题。牛顿（Isaac Newton，16431727）（如右图）是物理学家、天文学家和数学家，经典力学理论的集大成者。他系统地总结了伽利略、开普勒和惠更斯等人的工作，提出了著名的万有引力定律和牛顿运动三定律。万有引力的发现说明，天上星体运动和地面上物体运动都受到同样的规律力学规律的支配。在牛顿发现万有引力定律以前，已经有许多科学家严肃认真的考虑过这个问题。比如德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家约翰开普勒（Johanns Kepler,1571-1630）（如左图）认识到，要维持行星沿椭圆轨道运动必定有一种力在起作用，他认为这种力类似磁力，就像磁石吸铁一样。1659年，荷兰物理学家、天文学家、数学家克里斯蒂安惠更斯（Christian Huygens 1629-1695）（如下左图）从研究摆的运动中发现，保持物体沿圆周轨道运动需要一种向心力。英国实验物理学家罗伯特胡克（Robert Hooke，16351703）（如下右图）等人认为是引力，并且试图推到引力和距离的关系。1664年，胡克发现彗星靠近太阳时轨道弯曲是因为太阳引力作用的结果；1673年，惠更斯推导出向心力定律；1679年，胡克和英国天文学家、数学家哈雷（Edmond Halley，16561742）（如右图）从向心力定律和开普勒第三定律，推导出维持行星运动的万有引力和距离的平方成反比。1666年前后，牛顿在老家居住时考虑过万有引力的问题。最有名的一个说法是：在假期里，牛顿常常在花园里小坐片刻。有一次，像以往屡次发生的那样，一个苹果从树上掉了下来，引起他的沉思：究竟是什么原因使一切物体都受到差不多总是朝向地心的吸引呢？牛顿思索着。终于，他发现了对人类具有划时代意义的万有引力（如左图）。牛顿三大运动定律人类最伟大的十个科学发现之三作者：塔米姆安萨利 文章来源：科技园 点击数：3466 更新时间：2006-11-141674年，胡克发表了试证地球的运动(Attempt to Prove the Motion of the Earth)。胡克在这篇著作中，阐述了自己的行星运动理论:一切天体都具有倾向其中心的吸引力或重力；天体在未受其他使其倾斜的作用力前保持直线运动不变；离吸引中心越近，吸引力越大；行星的运动是惯性、外在引力和自身引力共同作用的结果。胡克研究重力学的历史长达20年，但因他不擅长数学，计算不出行星的运行轨道。1679年，胡克曾经写信问牛顿，能不能根据向心力定律和引力同距离的平方成反比的定律，来证明行星沿椭圆轨道运动。牛顿没有回答这个问题。1685年，哈雷登门拜访牛顿时，牛顿已经发现了万有引力定律：两个物体之间有引力，引力和距离的平方成反比，和两个物体质量的乘积成正比，他解决了胡克等人没有能够解决的数学论证问题。当时已经有了地球半径、日地距离等精确的数据可以供计算使用。牛顿向哈雷证明地球的引力是使月亮围绕地球运动的向心力，也证明了在太阳引力作用下，行星运动符合开普勒运动三定律。1684年1月，哈雷、胡克、克里斯托弗雷恩 (Christopher Wren)（如右图）等人在一起作了一次有意义的讨论。他们当时已认识到起吸引作用的向心力是和距离的平方成反比的，但还缺乏数学的论证。特别是无法证明服从此定律的天体的运动轨迹应为椭圆 (更普遍地说，应为圆锥曲线)。哈雷由于这个问题得不到解决，于8月到剑桥大学去请教牛顿。他一开始就向牛顿提出问题：假定重力随距离的平方而减少，那么行星遵循的轨道应是什么样的曲线？牛顿立即回答说应是一个椭圆。使哈雷更惊奇的是，牛顿说他对这个问题已经作过计算，当时就开始找计算草稿，但没有找到，最后他答应把稿子找出来后再寄给哈雷。牛顿后来还是没有找到计算草稿，于是他重新作了计算，并进一步认真推敲了这个问题。1684年11月，牛顿给哈雷寄去了一篇论运动(De motu) 的论文手稿，并在1684-1685年间在剑桥作了一系列名为论天体运动的演讲。哈雷把牛顿寄给他的重要论文呈报皇家学会登记备案。在哈雷的敦促下，牛顿着手写自然哲学的数学原理(Principia) 这一巨著（如左图），并于1686年4月把原稿交给皇家学会。由于经费问题以及牛顿和胡克间为万有引力定律发明权的争执，皇家学会未能安排该书的付印。最后，哈雷决定由自己出钱替牛顿出版此书。这样，牛顿的这一巨著才于1687年问世。牛顿在这部书中，从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力)和基本定律(运动三定律)出发，运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景，这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族！物理学的发展引发了一次又一次的产业革命，推动着社会和人类文明的发展。可以说社会的每一次大的进步都与物理学的发展紧密相连。可以说社会的每一次巨大的进步都是在物理学发展的基础上完成