第1章 牛顿力学与机械观-2014版

物理学史和物理学方法论剡文杰Instructor:YanWenjieyanwj@10/18/20231物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编E-mail：y_wenjie@主讲教师：剡文杰1985，毕业于北京师范大学物理专业；1991－1992，意大利米兰工学院，微电子；2006，西北工业大学计算机专业硕士学位；主要研究方向：低维物理；光伏材料与器件物理；研究项目：国家自然科学基金项目“基于量子结构的髙效太阳电池光电转换机理”10/18/20232物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编参考书目基本教材：郭奕玲、沈慧君编著，物理学史（第二版），北京，清华大学出版社，2005年8月。陈毓芳、邹延肃编,物理学史简明教程，北京，北京师范大学出版社，1994年12月。吴国盛著，科学的历程（第二版），北京，北京大学出版社，2002年10月10/18/20233物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编成绩评定平时成绩：50%考勤：15％作业：20％课程论文（1篇，期刊格式，手写，5000字）：15％期末考试（开卷，笔试）：50％10/18/20234物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编科学思想、科学精神、科学的历程10/18/20235物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1.0导论研究对象对自然界各种物理现象的认识史。物理学发生和发展的基本规律、物理学概念和思想的发展和变革。10/18/20236物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编几个关系1．物理学和其它自然科学和技术的关系物理学从来都是自然科学的基础许多新技术源自物理学的基础研究。2．物理学中理论与实验的关系物理学是以实验为本，物理理论源于实验但高于实验。1.0导论10/18/20237物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编3．物理学与数学的关系数学是物理学家的思维工具，只有通过数学才能抓住错综复杂的变化过程，找到最基本、最普遍的规律，最终以精确形式表达自然规律。4．物理学与哲学的关系几百年前，物理学叫自然哲学，被看成是哲学的一部分。许多物理学的新发现与哲学思潮有联系。物理学的进展往往给哲学提供新鲜例证，而哲学也常对自然科学指出前进的方向。1.0导论10/18/20238物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编毕达哥拉斯：约前580年－前500年数乃万物之源1.0导论10/18/20239物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编亚里士多德（前384年－前322年）著作涉及几乎所有领域：190种(传世49种)修辞、逻辑、哲学、天文、地理、物理、生物、矿物、气象、医学、营养……1.0导论10/18/202310物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编阿基米德：前287年—前212年1.0导论10/18/202311物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编古人对宇宙的认识地心说：地球是宇宙的中心，其它星球环绕地球运行。托勒密：“本轮”、“均轮”理论：星体除绕地轨道外，还会沿着一些小轨道运转。托勒密的理论能初步的解释从地球上所看到的现象。天主教教会接纳为世界观的“正统理论”。1.0导论10/18/202312物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编托勒密（Ptolemy,A.D.90-168）提出了“本轮”、“均轮”理论1.0导论对伊斯兰世界和欧洲颇大影响的三部著作：《天文学大成》、《地理学指南》、《四书》10/18/202313物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编科学革命和新科学观的诞生欧洲资本主义兴起：14、15，欧洲经典物理学诞生：16世纪－17世纪中叶，近代科学革命，文艺复兴运动1.0导论10/18/202314物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编新文化精神的代表LeonardodaVinci,1452~1519近代欧洲实验科学的先驱者之一多才多艺。人体解剖、动植物、力学、光学、地质学、数学等。画家、雕刻家、音乐家、工程师、物理学家、数学家、生物学家和哲学家。遗留手稿多达七千余页。1.0导论10/18/202315物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编达芬奇发明设计的带刀战车、火炮、弩车和飞行器10/18/202316物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编近代自然科学的诞生

自然科学证明了物质世界有其自身的客观规律，受到教会镇压。布鲁诺（意，约1548~1600）因地动说遭监禁、活活烧死西班牙医生塞尔维特：即将发现血液循环过程时，火刑；意大利思想家康帕内拉：三十年死牢；伽利略（GalileoGalilei,1564~1642）：宣传哥白尼学说，终身监禁1.0导论10/18/202317物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编天文学的突破与科学革命的发生

尼古拉·哥白尼（NikolausCopernicus，波兰，1473~1543）任牧师期间观测天文、研究宇宙体系未敢公开发表见解1530年，写成小册子《纲要》，以手稿形式在友人中流传。1542年，生命垂危之际，才同意将《天体运行论》付印。1543年，在病床上，他看到了这部巨著的印刷本。1.0导论10/18/202318物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编第谷·布拉赫（TychoBrahe，丹麦，1546~1601）早期最重要的天文观测者1599年起，与青年助手开普勒共同进行观测，直到1601年第谷逝世。1.0导论10/18/202319物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编约翰·开普勒（1571~1630，德）支持哥白尼，最终完成日心说接受第谷全部观测资料1609年出版《新天文学》，两个定律1619年出版《世界的谐和》，第三个定律。坚信上帝是按数的原则创造世界的1.0导论10/18/202320物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略(1564~1642，意)1609年，自制望远镜观测。发现：月亮表面是粗糙不平的；天空的任何部分都可看到无数的星体；银河由千千万万的星星组成的。1610年，《星界信使》出版，公布了发现。1632年，《关于两大世界体系的对话》，对哥白尼学说作出了理性论证。1.0导论10/18/202321物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1633年，罗马宗教裁判所，长达几个月的审讯，强迫在“悔罪书”上签字，当众表示“公开放弃、诅咒和痛恨地动说的异端邪说”。禁止出版《关于两大世界体系的对话》，被关监，后改判在家终身监禁。后花3年时间写成《关于力学和局部运动两门新科学的谈话和数学证明》，秘密送往荷兰于1638年出版。1979年，罗马教皇提出为伽利略恢复名誉。1.0导论10/18/202322物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1.1历史概述古代亚里士多德（前384—322）：物体运动速度与外力成正比、重物下落比轻物快。形成比重和重心的概念，出现杠杆原理；阿基米德：浮力原理（公元前二百多年）。墨家：总结了大量力学知识，如杠杆平衡。10/18/202323物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编16世纪以后航海、战争和生产的需要→钟表、水磨机、火炮、天文观测。第谷·布拉赫：以毕生精力采集了大量观测数据。开普勒：行星运动的三规律。伽利略为代表：落体定律。1.1历史概述10/18/202324物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略(1564～1642)：自由落体，为力学奠定了思想基础。牛顿(1642～1727)：运动三定律、引力定律。牛顿力学的发展：伯努利、拉格朗日、达朗贝尔等，形成了系统的理论，发展出流体力学、弹性力学和分析力学等分支1.1历史概述10/18/202325物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略和牛顿的研究方法：科学思维和实验研究相结合。以牛顿力学为代表的科学精神和方法的传播→18世纪英国工业革命、法国政治革命和德国哲学革命，形成了“技术机械化和人类理性化”的时代。1.1历史概述10/18/202326物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1.2伽利略的运动学研究伽利略（1639）：“我声明我想要探讨的是物体从静止开始，速度随时间均匀增加的这样一种运动的本质。我证明这样一个物体经过的空间（距离）与时间的平方成正比。⋯⋯”10/18/202327物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编亚里士多德万物由四种元素—土、水、空气及火组成。运动分自然运动和强迫运动：重物下落自然运动。物体越重，趋向自然位置的倾向性就越大，所以下落速度也越大。亚里士多德的理论基本上是错误的，但被宗教利用，至16世纪，仍被敬为圣贤之言。批驳亚里士多德的理论，涉及自然哲学基础问题。伽利略的重要贡献：认识到通过自由落体的研究打开的缺口，会导致一门广博的新科学出现。1.2伽利略的运动学研究10/18/202328物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略的前驱哥白尼弗兰西斯·培根（英1561—1626）：宣传实验的重要性，反对经院哲学。1.2伽利略的运动学研究10/18/202329物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略的落体实验伽利略在《两门新科学》中，没有提到他在比萨斜塔做过实验。有关这个实验的说法大概来自他晚年的学生维维安尼在《伽利略传》中的一段不准确的回忆。这篇传记是在伽利略死后十几年即1657年出版的。1.2伽利略的运动学研究10/18/202330物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略的斜面实验斜面实验对伽利略落体定律的形成，起重要作用。《两门新科学》中十分具体地描述了这个实验。人们一直对伽利略所述的实验方案深信不疑。但是，重复伽利略实验，很难得到如此高的精确度。一种见解认为,伽利略的斜面实验和他在书上描述的其它许多实验一样，都是虚构的，伽利略的运动定律源于逻辑推理和理想实验。1.2伽利略的运动学研究10/18/202331物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编有没有亲自做过斜面实验？一页手稿画着一幅草图，两个小球正沿不同斜度的斜面向下运动，说明曾思考过斜面实验。可判定这页数据大约记于1604年。此时看来伽利略还没有确定时间平方关系，因为记录上的第一列数据1、4、9、16..64显然是后来加上去的。结论：伽利略的时间平方关系并不是直接从实验得到，而是先有了设想，再用实验加以验证。1.2伽利略的运动学研究10/18/202332物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编10/18/202333物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略推证落体定律伽利略的科学研究方法：实验和数学相结合，逻辑推理和实验检验相结合。1.2伽利略的运动学研究10/18/202334物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编结论认为伽利略靠落体实验就奠定了运动学基础的说法不符合历史。认为他没有实际做过他所描述的实验，仅靠推理思辨的说法也不符合历史。伽利略创立运动学理论依靠的是思辨和实验的相互印证、相互补充。1.2伽利略的运动学研究10/18/202335物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略的研究方法

理想实验＋数学逻辑推理推进了人类科学认识活动的进展10/18/202336物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编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10/18/202337物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编从古代到中世纪都有人在探索惯性问题1.3惯性定律的建立10/18/202338物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1.3惯性定律的建立从亚里士多德到牛顿，最深刻的变化就在于建立了惯性定律。亚里士多德：一切物体的运动都是由于其它物体的作用。10/18/202339物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编伽利略对惯性的研究“只要斜面延伸下去，球将无限地继续运动，而且在不断加速，因为运动着的重物的本性就是这样。——《对话》”“等速圆周运动也是惯性运动”，并论证行星正是由于按圆周轨道作等速运动才能永恒地运转，他并没有正确地表达惯性定律。1.3惯性定律的建立10/18/202340物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编笛卡儿的工作“除非物体受到外因的作用，物体将永远保持其静止或运动状态”——《哲学原理》（1644）最早把惯性定律作为原理，并视为整个自然观的基础，对牛顿有深远影响。只停留在概念的提出，没有解决力学体系问题。1.3惯性定律的建立10/18/202341物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编笛卡儿（Descar1596－1650）法国数学家，哲学家，物理学家《哲学原理》上帝(钟表匠)造物主确定了的运动量守恒原理(机器论)惯性定律（直线）神学→哲学(科学)的典型人物1.3惯性定律的建立10/18/202342物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编牛顿“每一个物体都会继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上，迫使它改变这种状态。”10/18/202343物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编牛顿的早期研究大学期间接触亚里士多德理论。1664年，摆脱亚里士多德影响，接受伽利略重视实验和数学的观念。从笛卡儿的著作中学习到：“自然的第一原因”的思想、惯性定律、碰撞规律和动量守恒、以及圆周运动的解析。1665—1666年已形成了理论框架。1.4万有引力定律的发现和牛顿的综合10/18/202344物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编牛顿研究天体问题1679年，创立微积分。胡克第一个正确地论述了圆周运动，建立了完整的概念。把圆周运动看成不平衡状态，认为有某种力持续地作用于作圆周运动的物体，破坏其直线运动，使之保持闭合路径。牛顿采用惠更斯的“向心力”一词，在1680年证明椭圆轨道中的物体必受指向焦点的力，该力与距焦点的距离的平方成反比。1.4万有引力定律的发现和牛顿的综合10/18/202345物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编《原理》的三步曲惠更斯1673年提出离心力公式，哈雷等人先后从开普勒第三定律推出了平方反比定律。第一阶段：《论运动》（1684年）。是牛顿答复哈雷关于平方反比定律的轨迹问题的一篇论文，讨论了在中心吸引力的作用下物体运动轨迹的理论，由此导出了开普勒的三个定律。1.4万有引力定律的发现和牛顿的综合10/18/202346物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编第二阶段：《论物体的运动》解决了惯性问题。证明了均匀球体吸引球外每个物体，吸引力都与球的质量直接成正比，与从球心的距离的平方成反比，提出可以把均匀球体看成是质量集中在球心；吸引力是相互的。1.4万有引力定律的发现和牛顿的综合10/18/202347物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1.4万有引力定律的发现和牛顿的综合10/18/202348物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编1687年，牛顿发表《原理》，到达科学顶峰。总结了伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯、胡克等人的研究成果以及他自己的创造。首次创立了一个地面力学和天体力学统一的严密体系。1.5《自然哲学的数学原理》10/18/202349物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编《自然哲学的数学原理》1.5《自然哲学的数学原理》10/18/202350物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编两大部分定义和动力学原理，为建立力学的逻辑体系提供前提。定义，三大运动定律，6个推论。基本原理的应用万有引力定律和有心运动问题。最后一章是牛顿光学的力学基础。物体在有阻力的介质中的运动。“论宇宙系统”，是牛顿的天体力学理论。1.5《自然哲学的数学原理》10/18/202351物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编如果我看得更远，那是因为站在巨人的肩上

1.5《自然哲学的数学原理》10/18/202352物理学史和物理学方法论物电学院剡文杰编IsaacNewton，1642－17271661，入剑桥大学三一学院。1665－1667，躲瘟疫，万有引力、微积分和光色散等发现。1667，剑桥大学研究生，次年获硕士学位。1669，剑桥大学卢卡斯数学讲座教授。1672，因制造反射望远镜，被接纳为伦敦皇家学会会员。1687，《自然哲学的数学原理》1689，国会议员。1696年，皇家造币厂监督，1699年任厂长。1703年，皇家学会会长到逝世。与胡克,莱布尼茨等人官司不断，脾气变坏。1705年，因科学研究和币制改革的功绩，被封为爵士。1727年3月20日去世(