物理与文化 第二章经典力学的建立与发展

两岸青山相对出，孤帆一片日边来。——李白《望天门山》大自然及其法则在黑暗中隐藏上帝说：“派牛顿去吧”于是，一切豁然开朗。——蒲柏（18世纪英国著名诗人）

经典力学？◎¤◎

质点匀变速直线运动动量守恒机械能守恒……第二章经典力学的建立与发展§1运动的描述§2从哥白尼到开普勒§3伽利略与近代科学§4牛顿与经典力学§5守恒定律和航天原理§1运动的描述微观介观宏观宇观量子力学经典力学天体物理42个数量级10-7m以上的客体，其下限相当于有机大分子的尺寸.我们日常生活中所接触到的都属于宏观世界。§1.1宏观物体的运动规律最简单，但又是最普遍的运动形式——机械运动定义：物体的位置随时间发生变化的运动，称为机械运动。伽利略

为了研究运动变化的规律，首先要对运动状态进行描述参考系坐标系§1.2运动的描述坐标系直角坐标系自然坐标系极坐标系惯性系:惯性定律在其中成立的参考系，反之称为

非惯性系日心系ZXY地心系o地面系惯性系:参考系坐标系§1.2运动的描述你的位置运动方程——位置随时间变化运动快慢v加速度a一个好的物理学家，往往就是善于提出物理模型的科学家。1.2运动的描述物理模型“建模”是物理学认识物质世界的基本策略，离开了模型，物理学将寸步难行，陷入一种不可知论。质点、质点系、刚体惯性系……§2从哥白尼到开普勒2.1哥白尼革命

早在两千多年前古希腊哲学家

亚里士多德（Aristotle，384BC–322BC）等人最先提出了“宇宙以地球为中心”的观点。古代人们对宇宙天体结构认识的两种不同见解：

宇宙以地球为中心

地球不是宇宙的中心中国古代1.盖天说我国古代最早的宇宙结构学说。盖天说最早在西周时期已经出现，当时认为天尊地卑，天圆地方“天圆如张盖，地方如棋局”，——这一学说认为天是圆形的，像一把张开的大伞覆盖在地上；地是方形的，像一个棋盘，日月星辰则像爬虫一样过往天空，因此这一学说又被称为“天圆地方说”。由于圆盖形的天与正方形的大地边缘无法吻合。于是又有人提出，天并不与地相接，而是像一把大伞一样高高悬在大地之上，地的周边有八根柱子支撑着，天和地的形状犹如一座顶部为圆穹形的凉亭。共工怒触不周山和女娲补天的神话正是以此为依据的。2.浑天说可能始于战国时期。代表人物是东汉的张衡，《张衡浑仪注》中说：“浑天如鸡子。天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。

浑天说认为，天和地的关系就像鸡蛋中蛋白和蛋黄的关系一样，地被天包在当中。浑天说中天的形状，不像盖天说所说的那样是半球形的，而是一个南北短东西长的椭圆球。大地也是一个球，这个球浮在水上，回旋漂荡,后来又有人认为地球是浮于气上的。

3.宣夜说——《晋书·天文志》说：“宣夜之书亡，惟汉秘书郎郄萌记先师相传云，天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀（mào，音冒）精绝，故苍苍然也。。。宣夜说认为宇宙是无限的，宇宙中充满着气体，所有天体都在气体中漂浮运动。星辰日月的运动规律是由它们各自的特性所决定的，决没有坚硬的天球或是什么本轮、均轮来束缚它们，宣夜说打破了固体天球的观念，这在古代众多的宇宙学说中是非常难得的。

宣夜说主张“日月众星，自然浮生于虚空之中，其行其上，皆须气焉”，创造了天体漂浮于气体中的理论，并且在它的进一步发展中认为连天体自身，包括遥远的恒星和银河都是由气体组成的。这种十分令人惊异的思想，竟和现代天文学的许多结论相一致。古代西方1米利都学派——泰勒斯（古希腊七贤，科学之祖，泰勒斯在埃及时曾利用日影及比例关系算出金字塔的高。泰勒斯最早开始了数学命题的证明，泰勒斯拒绝倚赖玄异或超自然因素来解释自然现象）认为地象一个圆盘或圆桶浮在水上。2毕达哥拉斯学派企图用“数的和谐”来建立关于宇宙的理论。他们认为球体是最完美的几何形体，所以他们断言，宇宙是球形的，当中是中心火团，各种物体都围绕中心火团做均匀圆周运动；

恒星紧系在天的最高圆顶，这个圆顶三万六千年绕中心火团转一周，下面是同心运动的球体（水、金、火、木、土星、太阳、月亮和地球）。3柏拉图学派柏拉图（前427-前347）认为永恒神圣的天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者是沿着复合的圆周运动。他的学生欧多克索和亚里士多德提出了同心球层模型：太阳、月亮和行星都在以地球为中心的同心球壳中运动。4地心说古希腊后期的阿波罗尼（约公元前247-205）为了克服同心球层模型的困难，提出了“本轮-均轮”结构模型：行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心有在一地球为中心的均匀轮上做圆周运动。5太阳中心说阿里斯塔克（约前310-前230）提出了与众不同的见解，认为地球不是宇宙的中心，太阳才是宇宙的中心地球和行星都围绕太阳作圆周运动，恒星在远处，是不动的。公元二世纪亚历山大城的托勒密集大成，提出了历史上著名的“托勒密地心说”，使古代天文学的发展达到了高峰。他写下的一部十三卷巨著《天文集》被看作古代天文学的百科全书。6、托勒密（Ptolemy,A.D.90-168）托勒密的宇宙结构◎¤◎

宇宙有“九重天”，这是九个运转着的同心的晶莹球壳。最底的一重天是月亮天，其次是水星天和金星天；太阳居于第四重天球上，它是宇宙的主宰，世界的灵魂，它以巨大的光辉照亮宇宙；第五到第七重天依次是火星天、木星天和土星天；第八重是恒星天，全部恒星象宝石一般镶嵌在这层天上；在恒星天上，还有一重最高天，即“原动天”，那里是神灵居住的天堂。地球坐落在宇宙中心。“人的天职在于踊跃探索真理。”

--哥白尼7、哥白尼◎¤◎

（Copernicus,1473-1543）是波兰人的后裔，出生在靠近波兰国界的普鲁士的托恩（Thorn）。他从事于三重职业达十三年之久：履行教会职务、行医和研究天文学。哥白尼对地心说的怀疑：1504年的木、土相会，相差10天。信念：宇宙是和谐的；太阳是圣神的。1543年，被认为是近代科学的诞生年代。1543年5月24日，当这部巨著印好并送到弗隆堡时，久病的哥白尼已危在旦夕。御医梭尔法把书放到被子上，并把哥白尼的手放到书上，哥白尼用他的无力的手痉挛地抓住书本。哥白尼已到弥留的时刻，一小时以后他就与世长辞了哥白尼的基本观点是：㈠

太阳是宇宙的中心，行星围绕着太阳运转；㈡

地球作为一颗行星绕着太阳运转，它本身还在自转；㈢

月亮是地球的卫星，地球带着月亮一起绕太阳运转；㈣

行星在太阳系中排列的秩序是：离太阳最远的是土星（30年绕太阳一周）；其次是木星（12年一周）；然后是火星（2年一周）；第四是地球和月亮（1年一周）；第五是金星（9个月一周）；离太阳最近的是水星（80天一周）。恒星在远离太阳的一个天球面上静止不动。一直以反基督教著称的思想家罗素也这么评价哥白尼，说：

“哥白尼是一位波兰教士，抱着真纯无暇的正统信仰……他的正统信仰很真诚，他不认为他的学说与《圣经》相抵触。”（《西方哲学史》）布鲁诺的殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验

布鲁诺于1548年1月出生在意大利那不勒斯附近诺拉镇的一个贫苦家庭，受文艺复兴思想的影响，他极力倡导思想自由，宣扬无神说。哥白尼学说的革命精神强烈地感染了他，布鲁诺的激进思想使天主教会暴跳如雷、恼羞成怒，1600年2月17日被活活烧死在罗马鲜花广场上。据说，当教会判他火刑，在听到判词后，布鲁诺说：“你们心中的恐惧甚于我走向火堆，我愿为殉道而死!”1600年，开普勒和第谷合作，当了第谷的助手。这是科学史上一件美妙结合的范例。1601年，第谷去世，他把极其珍贵的全部天文观测资料都留给了开普勒，使得开普勒的理论创造工作就有了坚实的基础。第谷（Tycho，1546--1601）丹麦天文学家,是一个实干家，他几十年如一日，精确地观测和记录了行星的位置和运动情况。2.2开普勒（德国）的贡献第谷像第谷与开普勒第谷使用的天文仪器新芽破土：三.第谷与开普勒第谷的墙壁象限仪开普勒行星运动定律：第一定律：行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。第二定律：行星和太阳之间的连线在相等时间内扫过的椭圆面积相等。第三定律：行星绕日一周所需要时间的平方，与其和太阳平均距离的立方成正比。爱因斯坦：

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。开普勒定律的意义：1、在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。2、彻底摧毁了托勒密的地心理论，解放了哥白尼理论（30多个圆），开只用了7个椭圆。3、使人们对行星运动的认识明晰了。结论：

科学的发现必须是“观察实验”和“抽象思维的理论创造”两者结合的产物。（第谷观测）++++（开普勒计算）1609年，伽利略自制了放大30倍的天文望远镜。通过观察，①发现月球表面并非完美无缺，而是有大山和平原，有类似火山口的环形山，与地球表面结构相同；②发现了木星的卫星；③发现了太阳的黑子及其移动的变化，证明了太阳的自转；④发现了银河是由无数星星组成，揭开了这个千古哑迷。人们传诵着：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。§3

伽利略与近代科学伽利略另外：1.单摆周期性质的发现伽利略由观察到教堂悬灯的摆动对摆进行实验研究，发现单摆的周期与摆长的平方根成正比，而与振幅大小和摆锤重量无关。这个规律的发现为此后的振动理论和机械计时器件的设计方案建立了基础。2.光速有限及其测量3.几种基本物理实验仪器的研制浮力天平，温度计，望远镜等6.伽利略的研究方法

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。伽利略把实验和数学逻辑结合起来的方法，有力推进了人类科学认识活动的进展。值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的。比如在实际的下落实验中，重球和轻球并不是同时落地，伽利略认为这是空气阻力造成的；又如在单摆实验中，摆球并不能完全回到原来的高度等等，能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响，而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论，这就是伽利略的伟大之处。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，标志着物理学的开端。——爱因斯坦

用数学方法研究物理问题，原非伽利略首倡，可以追溯到公元前3世纪的阿基米德，14世纪的牛津学派和巴黎学派，以及15、16世纪的意大利学术界等，但他们并未将实验方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。

伽利略重视实验的思想可见于1615年他写给克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的话：“我要请求这些聪明细心的神父们认真考虑一下臆测性的原理和由实验证实了的原理二者之间的区别。要知道，做实验工作的教授们的主张并不是只凭主观愿望来决定的。”﹃两大世界体系的对话﹄封面

伽利略（Galilei,1564-1642）于1564年2月15日出生在意大利的比萨城。

落体的加速度与其重量无关！

十大经典物理实验落体实验的思想实验：设：

重物下落时间为t1

轻物下落时间为t2亚里斯多德认为：

t2>t1把两物体捆绑在一起，情况如何呢？按亚里斯多德的观点会有两种答案：①

重物带动轻物下落得快，轻物影响重物落得慢:t1<t<t2②

两个物体作为整体，重于单个物体:t<t1

t<t2矛盾！伽利略有名的“斜面实验”实验一：vf实验二：伽利略把实验和逻辑推理和谐地结合在一起，构成了一套完整的科学研究方法。

爱因斯坦说：“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。”

十大经典物理实验对现象的一般观察提出假设进行数学和逻辑的推理实验检验形成理论伽利略的科学研究方法：§4牛顿与经典力学“如果说我比多数人看得远一些的话，那是因为我站在巨人们的肩上。”我已经把哲学的原理

确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。——牛顿

伊萨克·

牛顿（IsaacNewton）于1642年12月25日出生于英国的沃尔斯脱小镇的一个农民家庭。

牛顿的一生在数学、力学、光学、天文学等方面都作出了杰出的贡献。1687年7月，牛顿出版了他光辉的科学名著《自然哲学的数学原理》，在这本著作里，牛顿提出了经典力学的各种基本概念和原理，叙述了“万有引力理论”。并根据这个理论提出了组成太阳系的行星、卫星和彗星的动力学理论。1704年，牛顿还出版了另一本重要著作《光学》.伽利略如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。牛顿生前有两句名言：我不知道世人怎么看，但我自己看来，我只不过是一个在海滨玩耍的小孩，不时地比别人找到一块更光滑、更美丽的鹅卵石和贝壳而感到高兴，而在我面前的真理的海洋却是个迷。4.1牛顿力学的建立

1牛顿确定了力学的三条基本定律（牛顿运动三定律）和万有引力定律。为了表述力学运动，他与莱布尼兹同时发明了微积分.在光学中，他发现了太阳光的光谱。他的名著《自然哲学的数学原理》是科学史上最伟大的著作.4.2牛顿运动三定律

伽利略对接斜面的理想实验结论：若将对接斜面放平，球将永远滚下去。

牛顿第一定律（惯性定律）

任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到其他物体所作用的力迫使它改变这种状态为止。数学形式：惯性：

任何物体保持其运动状态不变的性质。惯性演示实验当锤子敲击在一大铁块上时，铁块下的手不会感到有强烈的冲击；而当用一块木头取代铁块时，木块下的手会感到明显的撞击。牛顿第二定律（牛顿运动方程）

物体受到外力作用时:它所获得的加速度的大小与合外力的大小成正比，

与物体的质量成反比，

加速度的方向与合外力的方向相同。数学形式：或说明：（1）牛顿运动方程只适用于质点的运动。（2）牛顿第二定律中

和

的关系为瞬时关系。三．牛顿建立万有引力定律从苹果到月亮

月亮为什么不砸到我的头呢？(c)月亮轨道(a)牛顿的炮弹（预见第1、2宇宙速度）(b)不断下落的月亮

（发明微积分）

开普勒定律暗示——引力存在。2.从行星的太阳引力到“万有引力”

伽利略断定——地面物体下落是由于引力。

牛顿——创造性地把天上和地上的引力统一为。。牛顿第二定律→月球的向心加速度开普勒第3定律→引力与距离平方成反比牛顿第二定律→猜测引力大小与质量成正比牛顿第3定律3.万有引力定律

任何两天体（包括物体）之间的引力大小与两个天体质量的乘积成正比，与两天体距离的平方成反比。4．万有引力常数G的测定

英国科学家卡文迪许（H.Cavendish，1731–1810）于1798年用扭秤实验第一个精确地测量了G的数值为：卡文迪许成为第一个“称”出地球质量的人！1986年，国际科学联盟理事会科技数据委员会（CODATA）推荐的数值为：卡文迪许扭秤◎¤◎

十大经典物理实验——6扭秤原理图：①证明了万有引力的存在，使万有引力定律进入了真正实用的时代；②开创了微小量测量的先河，使科学放大思想得到推广；③卡文迪许被称为“第一个称量地球质量的人”！卡文迪许扭称实验的意义在测得了G值后，卡文迪许利用实验测得的重力加速度g计算出了地球的质量（约60万亿亿吨），成为第一个“称”出地球质量的人。在地球上的实验室里测量几个铅球之间的相互作用力，就可以称出地球的质量，这不能不说是个奇迹。然而它的思想基础和牛顿是一致的，即相信天上人间服从共同的规律，引力常量的数值都是一样的。实验的成功，使牛顿万有引力定律更加完美，卡文迪许的扭秤实验被《物理学世界》评为历史上“最美丽”十大物理的实验之一。哈雷彗星海王星理论预言的实践检验——哈雷彗星和海王星的发现海王星的发现是对牛顿万有引力理论最有力的支持，被誉为“笔尖上的发现”3)“笔尖下的行星”—海王星

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。柏林天文学家伽勒(JohannGottfriedGalle,1812-1910)于1846年9月23日，在勒威尔推算出在相距不到1°的地方发现了这颗星——海王星，大大拓宽了天文科学家的视野。1843-1845年英国青年大学生亚当斯(JohnCouchAdams)、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。牛顿的伟大综合和理论飞跃海王星的发现海王星1781年确定天王星为太阳系行星1821年发现计算的轨道与观测资料有偏差1830年观测结果与计算值出现较大偏差1845年理论预见海王星的存在1846年观测到海王星天王星偏差产生的原因是什么？可能是因为天王星外有未知天体存在，通过万有引力对天王星的运动产生影响。预见并发现新的行星生动显示万有引力定律威力潮汐现象潮汐是海水的一种周期性的升降或涨落运动。海水的涨落平均以24小时50分为一个周期，在一个周期内一般发生两涨两落。太阳地球月亮月亮地球日月地球三个天体的位置成一直线时(初一或十五),引潮力较大,可发生大潮日月地球三个天体位置成直角时(初八或二十三),引力相消,引潮力较小,可发生小潮太阳引力月球引力太阳引力月球引力月亮引力起主要作用使海水加速离开地球风助水势钱塘江大潮卷起巨浪景象壮观潮汐涨落的形态与强度，在很大程度上取决于海岸线和海底地形，港口的潮汐强度较大。下图为我国杭州湾的钱塘江大潮。钱塘江大潮钱塘江大潮全世界潮汐能的理论蕴藏量约为3×109kw。我国海岸线曲折，全长约1.8×104km，沿海还有6000多个大小岛屿，组成1.4×104km的海岸线，漫长的海岸蕴藏着十分丰富的潮汐能资源。我国潮汐能的理论蕴藏量达1.1×108kw，其中浙江、福建两省蕴藏量最大，约占全国的80.9％，但这都是理论估算值，实际可利用的远小于上述数字。据现代科学发现太阳和月球引力还可能对人体或生物体中的液体等会发生作用，形成神秘的“生物潮”和“人体潮”，有日本科学家正对此问题在作研究。我国古代有一句谚语“逃过初一，也逃不过十五”也是对这种神秘的生物潮和人体潮可能会引发人或其它生物的病情加重，或精神上的变化的生动写照。航天发展1957年10月，原苏联发射第一颗人造地球卫星卫星重83.6kg，每96min绕地球飞行一圈请同学们根据所学知识计算这颗卫星的轨道半径是多少？卫星距地面的高度是多少？卫星的线速度是多少？世界航天几年之后，1961年4月12日苏联空军少校加加林进入了东方一号载人飞船。实现了人类第一次进入太空。他的非凡勇气，鼓舞了更多人为航天事业奋斗。火箭点火起飞，飞船绕地