科学技术史-2.2经典力学体系的建立

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2.1近代力学学问的积累

一．伽利略的力学贡献

近代力学产生之前，亚里士多德关于运动学的自然哲学理论占据统治地位达1900年之久。而亚里士多德的运动学大多属于哲学猜想与常识的混合物．特殊是由于中世纪后期托马斯·阿奎那等人把他的著作奉为经典，而使他的错误的运动学理论成为严峻束缚力学进展的桎梏。伽利略是在力学上第—个向亚里士多德提出挑战的科学革命家。

首先，伽利略驳斥了亚里士多德的落体理论。亚里士多德认为物体运动的快慢与运动物体自身的重量有关，并把这个思想用于落体运动。他指出，体积相等而重量不同的两个物体认同—高度自由落下时其速度比等于这些物体的重量比；比如，两物体重量比为1：10，则其下落速度比也是1：10。伽利略运用思想试验和归谬法反对了这些错误理论。他指出，若两个重量、大小不同的物体捆在一起，其下落速度有两种相反的可能：(1)由于两物体总重量均大于其中任何一物重量，故捆在一起时下落速度比两物体中较重的物体单独下落时速度要快；(2)由于两物体一轻一重，捆在—起时较轻者牵制较重者的下落速度，因此联合体下落速度大于较轻者而小于较重者。通过分析相同比重物体在同一介质(如空气)中下落的种种状况和介质密度对物体下落的影响，以及经过“冲淡重力”斜面试验，伽利略最终得出三个结论：第一比重相同而重量不同的物体在空气中以同样的速度运动(下落)；其次．在完全没有阻力的介质(即真空)中全部物体以同样速度作自由落体运动；第三，物体均以匀加速运动自由下落，而下落距离与时间的平方成比例地增加。据传伽利略作过比萨斜塔试验，但没有原始记录作证据。但在1586年以前，斯台文(SimonStevin，1548—1620)的确做过反对亚里士多德观点的落体试验：从30英尺的高处，同时让两只铅球自由下落，其中一只是另-一只重量的10倍，而到达地面上发出的清楚响声似乎是一个声音。

伽利略在《关于两种新科学的对话》(Thedialoguesconcerningtwonewsciences)中不仅反对了亚里士多德的运动观念，而且争论了匀速运动、加速运动、单摆和抛射体运动的规律。关于匀速运动，他给出了以下定义：“我们称运动是匀速的，是指在任何相等的时间间隔内通过相等的距离。”关于匀加速运动，则是指“运动质点在相等的时间间隔里获得相等的速率增量”。在这两个概念的基础上，再引入“合成速度”的概念，就可以简单地解释抛物体的运动。伽利略将抛物体运动分解为水平方向的匀速运动和垂直方向的匀加速运动，从而证明白意大利数学家塔尔塔利亚(NiccoloTartaglia，1499～1557)早期的发觉：抛物体仰角为45。时可有最大射程。他第一个胜利地证明白炮弹的运动轨迹是一条抛物线。

伽利略在单摆试验和小球在相对的两斜面上滚下与滚上运动的试验中发觉类似机械能守恒定律的思想，由此得出惯性的概念，从而否定了亚里士多德“力是运动缘由”的错误，建立了“力是转变运动的缘由”的思想。这些思想连同他对匀速和匀加速运动的定义—起，为牛顿的运动第一和其次定律的最终表述奠定了基础。

伽利略通过对单摆的讨论发觉：单摆的摇摆周期与振幅无关。传奇这是1582—1583年他在比萨高校学习时，在比萨教堂观看吊灯时发觉的。但据考证，比萨教堂的吊灯是1587年制造的，此时伽利略早已离开了比萨。但在1602年信件中他的确提到了单摆试验，而在《关于两种新科学的对话》中他具体地描述了这些试验及其结果，证明单摆周期不依靠于摆的重量和材料，而和摆的长度的平方根成比例。不过，单摆周期严格的表达式二．开普勒三定律的发觉

1609～1619间，德国天文学家开普勒(JohannesKepler，1571～1630)利用他的老师、丹麦天文学家第谷·布拉赫(TychoBrahe，1546～1601)遗赠的大量精确     的观测数据讨论行星运动的规律，先后发觉了行星运动的三条定律，科学史上习称为开普勒三定律。

开普勒第肯定律亦称行星轨道定律。这肯定律指出，行星运行的轨道不是正圆形而是椭圆形，它们围绕各自椭圆轨道的一个焦点运行(椭圆有两个焦点)，而这些焦点又都重合在一起，那就是太阳之所在。

开普勒其次定律又称行星运动面积定律，它指出在相等时间内行星与太阳联线所扫过的面积相等。

开普勒第三定律即行星运动周期定律，它指出任何两颗行星公转周期的平方与它们轨道长半径的立方成正比。

开普勒的工作以精确     的观测数据为依据，他的结论无可争议。在西方流行了两千年的行星必定沿圆形轨道匀速运行的传统观念最终被打破了。开普勒因此被誉为“天空的立法者”。行星三定律的发觉是天文学上又一重大突破。同时，它更进一步把天体运动的物理机制问题摆在人们面前：行星的运动轨道为什么是椭圆形?维持这些运动的力是什么?如此等等。开普勒的同辈人中曾有人猜想，太阳和行星可能是由于磁力作用而联系在一起的。在他们的启发下，开普勒提出了天体磁性引力假说。他考虑，既然地球是一块大磁石，太阳以及其他行星很可能也是大磁石，是太阳和行星之间的磁力作用使它们联系起来并且使行星围绕太阳沿椭圆形轨道运行。开普勒的假说虽然并不正确，但他揭开了天体力学讨论的序幕。

三．惠更斯、胡克等人的贡献

同一个科学问题往往会由来自不同侧面的讨论而得到解决，这种现象在科学史上很是常见。天体力学的问题得到了有关地面上的物体运动的讨论成果的启发，这就是惠更斯和胡克等人的工作。惠更斯(ChristianHuygens，1629～1695)是荷兰科学家，他对物体围绕一个中心旋转的问题进行了讨论，于1673年确认：一个围绕中心作匀速圆周运动的物体之所以不会沿切线方向飞去，是由于有一个向心力作用于该物体。这个向心力的大小与该物体的运动速率的平方成正比而与圆周的半径成反比，即向心力2.2牛顿力学体系的建立

一．近代最宏大的科学家——牛顿

伊萨克·牛顿(IsaacNewton，1642一1727)诞生在一个农夫家庭，幼年身体很弱。他12岁进入文科中学读书时就显示出制造机械工具及其模型的天才。中学毕业后，在舅父推举下他进入剑桥高校三一学院深造。在念文学士学位过程中，他完全依靠自修而攻读了数学与光学的名著以及天文学和力学等方面的最新成果，并于1665～1666年在家乡躲避伦敦一带的瘟疫期间创造了二项式定理的流数法，实现了对光的分解，并向万有引力定律的建立迈出了头几步。鉴于他的数学天才，他的老师巴罗于39岁就毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授的职位而让牛顿接替。不久他制造了反射式望远镜。这促使天文学家瓦尔德于1671年提议选牛顿为皇家学会会员，并当即被通过人选。但牛顿的光微粒说却受到主见波动说的胡克的批判，由此引发了科学史上闻名的波动说与微粒说之争。在此期间，他还进展了流数法，同时花费巨大精力讨论引力问题，并于1684年将证明引力平方反比定律的手稿交给哈雷。在哈雷和皇家学会的推动下，他从今进入了对理论力学进行紧急讨论的时期，并以1687年7月他的《自然哲学的数学原理》一书的出版而达到高潮。此后，牛顿还做过一些化学试验，惋惜他的化学手稿于1692年的一次大火中与他的光学手稿一起被全部焚毁。加之他的《自然哲学的数学原理》不提上帝和蕴涵“反神创论”倾向受到宗教界和部分科学家的抨击和反对，以及胡克1692年向皇家学会提出万有引力定律发觉权问题，导致性格孤僻而内向的牛顿因过度苦恼而神经哀弱以致失常。以后的牛顿除了从事货币改革、讨论炼金术和解释圣经外，从1703年当选皇家学会主席至去世，还做过一个时期的议员。但近40年当中，他几乎没有什么突出的科学成就。牛顿以85岁高龄在主持一次皇家学会会议时突然发病，两周之后去世。他是英国历史上第一个获得国葬待遇的科家家。1731年牛顿的亲友在安葬牛顿的威斯敏斯特教堂建立了一座纪念碑，碑上刻着一首诗：“这里躺着牛顿爵土，他以超人的智力首先证明白行星的运动和图形、彗星的轨道和海洋的潮汐。他孜孜不倦地讨论光线的各种折射率及其所产生颜色的种种性质。对于自然、考古和圣经是—位前所未有的勤奋、敏锐而忠实的诠释者。他的哲学中确认了上帝的尊严，他的行为中呈现了真正的纯朴。让人类欢呼曾经生存过这样宏大的一位人类之光吧！”

二．牛顿经典力学体系的创立

牛顿经典力学体系，是以肯定化的四个基本概念空间、时间、质量、力为基础，以闻名的三大定律为核心，以万有引力定律为最高的综合，用微积分来描述物体运动的因果律的一个结构严谨、规律严密、以试验和观看对结果进行验证的科学体系。《自然哲学的数学原理》就是这个体系的集中表现。

牛顿发觉万有引力定律的过程前后历经20年之久。此间他受到当时一些闻名物理学家(如哈雷和胡克)的关心或启发；并借助了一些重要的天文观测结果，如皮卡特1679年关于纬度对应的地球表面长度的测定值，从而在伽利略地面力学和开普勒天体力学成就的基础上发觉了万有引力定律。

牛顿有一句名言：“假如我比别人看得远些，那是由于我站在巨人们的肩上。”的确如此。作为万有引力定律概念基础之一的“离心力”、“向心力”思想早在1632年伽利略的《对话》中就提出来了。不仅如此，1666年牛顿还从伽利略的抛射体运动中得到启发，去思索“月亮为什么不下落”的问题。而作为万有引力定律概念基础之二的“引力平方反比”思想也早在1645年就为布里阿德所提出。牛顿的探究是在上述思索基础上，以1665～1666年离心力定律(三．牛顿力学的重大历史意义

经典力学的成就在科学史上具有划时代的意义。它表明人类关于自然界的熟悉已推动到一个新的阶段，标志着自然科学已形成了自己单独的学问体系。

经典力学的科学意义

(1)经典力学彻底打破了亚里士多德学派严格区分月亮以上和月亮以下两个忖界的旧观念，杷天上和地上的运动统一了起夹．证明白万有引力辛律和活动三定律是宇宙间一切机械运动(即物体位置的变化)的普遍规律，从力学的角度论证了自然界的统一性，实现了人类对自然界熟悉的一次宏大的综合。

(2)经典力学把人们对机械运动的讨论从运动学提高到动力学的水平。运动学只考虑物体运动的速度、加速度、时间、距离等因素及其关系，只能描述物体运动的过程和状态。动力学的任务则在于揭示物体运动的力学缘由及其力学后果。在历史上，虽然亚里士多德曾经探讨过动力学的问题，但他走入了歧途。牛顿胜利地完成了建筑动力学的任务，从而使人们能够全面地把握机械运动的规律。

3)经典力学把对物体机械运动状态的描述与讨论提高到瞬时状态的水平。过去人们只能把握运动的某一个过程，这对于处理匀速运动、匀加速运动(如自由落体运动)或加速度的大小不变而方向匀称变化的运动(如圆周运动)这类比较简洁的运动尚可，对于加速度简单变化的运动便无能为力。如今牛顿引进了微积分的方法，原则上便可处理任何简单机械运动的过程与瞬时状态的问题。

(4)经典力学把原来只能孤立地讨论的力学大事联系了起来，使它们成为因果的链条。运用经典力学，只要我们知道某物体的运动状态以及它在某时刻所受的力，就可以得知这个物体的运动状耷所要发生的变化。反之，假如我们发觉某物体的运动状态发生变化以及它的变化状况，我们也就知道它受到一个