第三章经典力学的建立优秀课件.ppt

第三章经典力学的建立第1页，本讲稿共39页1.1.哥白尼、第谷、开普勒哥白尼、第谷、开普勒一一.哥白尼与哥白尼与“天体运行论天体运行论”二二.第谷与开普勒第谷与开普勒第2页，本讲稿共39页新新 芽芽 破破 土土 ：二：二.哥哥 白白 尼尼 与与 “天天 体体 运运 行行 论论”一一.哥白尼与哥白尼与“天体运行论天体运行论”哥白尼哥白尼(14731543)：波兰伟大的天文学家，日心体系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，的提出，是自然科学向神学的第一次严正挑战，标志着标志着自然科学从神学中独立出来。自然科学从神学中独立出来。1818岁进入克拉科夫大学学习数学和天文学；岁进入克拉科夫大学学习数学和天文学；23 23岁岁(1496(1496年年)到到文艺复兴文艺复兴的意大利留学。的意大利留学。1503 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。观测和新的宇宙体系的研究。对其影响人物：对其影响人物：1 1）诺瓦拉诺瓦拉(Novara(Novara，波伦亚大学天文学教授，波伦亚大学天文学教授)：认为托勒密体系过于复认为托勒密体系过于复杂、不符合数的谐和原则。杂、不符合数的谐和原则。2 2）阿里斯塔克：阿里斯塔克：留学期间，他还阅读了大量古希腊学者的著留学期间，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。体系奠定了思想基础。第3页，本讲稿共39页1 1）托勒密的地心体系存在的问题：）托勒密的地心体系存在的问题：由于观测技术的进步由于观测技术的进步,原来的八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。多的小轮。2 2）发现：）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期运动,即即:一天一周、一年一周和相当于岁差的周期运动。一天一周、一年一周和相当于岁差的周期运动。3 3）他认为：）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。离太阳很远的一个天球面上静止不动。4 4）日心体系的提出：）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；体系。在这个体系中，天体从远到近的顺序是：恒星不动；土星土星，3030年转一周；年转一周；木星木星，1212年一周；年一周；火星火星，2 2年一周；年一周；地球和月亮地球和月亮一年一周；一年一周；金星金星，9 9个月一周；个月一周；水星水星，8080天一周等。天一周等。第4页，本讲稿共39页 由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。15301530年，哥年，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。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。直到直到15421542年，在他生命垂危之际，才同意将他的主要著作天体运行论年，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。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除了这篇序之外，天体运行论还有另外一篇奥塞安德尔奥塞安德尔写的写的前言。前言中说，书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动，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。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。第5页，本讲稿共39页天体运行论在出版后七十年间，虽然遭到马丁天体运行论在出版后七十年间，虽然遭到马丁路德的斥责，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，并于公元迫害，并于公元16161616年把天体运行论列为禁书。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。从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。“从此自然从此自然科学便开始从神学中解放出来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科学的发展从此便大踏步前进”第6页，本讲稿共39页二二.第谷与开普勒第谷与开普勒 1.1.第谷第谷(Tycho Brahe,1546-1601(Tycho Brahe,1546-1601，丹麦人，贵族家庭，丹麦人，贵族家庭)1)1)新天文台修建新天文台修建：15761576年，在丹麦国王年，在丹麦国王腓特烈腓特烈二世资助下，在哥二世资助下，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。较前人提高了几十倍。2)2)天文观测：天文观测：2121年持之以恒的观测中，各行星角位置的误差仅为年持之以恒的观测中，各行星角位置的误差仅为2 2(即即0.0330.033，1=60)1=60)。3)3)观点：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。众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。被人誉为被人誉为“星学之王星学之王”。腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。15991599年，他在布拉年，他在布拉格得到了奥皇格得到了奥皇卢道夫卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到了布拉格。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16011601年第谷去世。年第谷去世。第7页，本讲稿共39页第第谷谷像像新新 芽芽 破破 土土 ：三：三.第第 谷谷 与与 开开 普普 勒勒第第谷谷使使用用的的天天文文仪仪器器第谷的墙壁象限仪第谷的墙壁象限仪第8页，本讲稿共39页 德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以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世的科学史家称为“天上的立法者天上的立法者”。开普勒出生在一个贫民家庭，由于生病开普勒出生在一个贫民家庭，由于生病 身有残疾。身有残疾。15871587年进入蒂年进入蒂宾根大学，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。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，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16271627年出版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。了卢道夫行星表，一边进行着对行星轨道特点的研究。2.2.德国天文学家开普勒德国天文学家开普勒(1571-1630)(1571-1630)第9页，本讲稿共39页1)1)发现问题：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。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，产生仍然不符，产生8的误差。的误差。2)2)对轨道的怀疑：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有将这一误差视为“观测范围内的允许误差观测范围内的允许误差”，而是认为，而是认为“匀速匀速圆周运动圆周运动”的假设可能存在错误。的假设可能存在错误。3)3)新轨道的研究：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。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。上述两定律发表在表在16091609年出版的新天文学上。在年出版的新天文学上。在16191619年出版的世界的和谐中年出版的世界的和谐中公布了周期定律。公布了周期定律。4)4)意义：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。础。第10页，本讲稿共39页一一.伽利略生平伽利略生平二二.伽利略的贡献伽利略的贡献二二.伽利略在科学史上的地位伽利略在科学史上的地位 2.2.运动学的奠基人运动学的奠基人伽利略伽利略第11页，本讲稿共39页一一.伽利略伽利略(1564-1642,Galileo Galilei)生平生平 出生于意大利比萨，卒于意大利比萨。出生于意大利比萨，卒于意大利比萨。运动学的奠基人运动学的奠基人。1212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。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 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。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。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。写了天平论重力，受到高度重视。25 25岁（岁（15891589年）被聘为比萨大学的数学教授。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。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 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。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 1609年年5 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。被称为为“天空的哥伦布天空的哥伦布”。伽利略被聘为。伽利略被聘为“宫廷哲学家宫廷哲学家”和和“宫廷首席数学家宫廷首席数学家”。1611 1611年到罗马并担任林嗣科学院的院士。年到罗马并担任林嗣科学院的院士。第12页，本讲稿共39页 16131613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，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。开始受到宗教裁制所的审讯。16321632年年1 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。勒密地心说破产，动摇了教会的最高权威。1633 1633年年2 2月以月以“反对教皇反对教皇,宣扬邪学宣扬邪学”被罗马宗教裁判所判处终身监禁。被罗马宗教裁判所判处终身监禁。1636 1636年，伽利略在监禁中偷偷地完成关于两种新科学的对话。年，伽利略在监禁中偷偷地完成关于两种新科学的对话。16381638年在荷兰出年在荷兰出版。版。1638 1638年以后，双目逐渐失明，晚景凄凉。年以后，双目逐渐失明，晚景凄凉。1642 1642年年1 1月月8 8日逝世。日逝世。1979 1979年年1111月月1010日，罗马教皇才宣布：日，罗马教皇才宣布：16331633年对伽利略的宣判是不公正的。年对伽利略的宣判是不公正的。1980 1980年年1010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。其对现代科学思想的贡献。1992 1992年年1010月月3131日，获得梵蒂冈教皇的平反。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。略卫星。第13页，本讲稿共39页二二.伽利略的贡献伽利略的贡献 主要有三个方面：力学、天文学（略）和哲学（略）。主要有三个方面：力学、天文学（略）和哲学（略）。1.1.发现了摆的等时性发现了摆的等时性 1582 1582年（年（1818岁），一次去教堂做礼拜，注意到教堂里吊灯在岁），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，人们称之为这个原理制成挂摆时钟，人们称之为 伽利略钟伽利略钟。2.2.自由落体定律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？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矩形面积相等确定 s/t s/t2 2=常量常量设计了设计了“冲淡重力冲淡重力”实验，即著名的实验，即著名的“斜面实验斜面实验”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“等等末速度假设末速度假设”，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速度假设，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得到了沿斜面下滑的加速度g g1 1和重力加速度和重力加速度g g之间的关系。之间的关系。第14页，本讲稿共39页3 3.加速度概念的提出加速度概念的提出 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。之前，只有静力学部分有定量的描述。4.4.惯性原理惯性原理 伽利略通过另一个理想实验，非正式提出惯性原理。谈话：伽利略通过另一个理想实验，非正式提出惯性原理。谈话：“当当一个物体在水平面上运动，没有碰到任何阻碍时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，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。并将无限继续进行下去，假如平面是在空间无限延伸的话。”5.5.运动的独立进行原理运动的独立进行原理-抛体运动轨迹抛体运动轨迹 在两门新科学的第四天谈话中，详细研究了抛体运动，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这两个运动既不彼此影响、干扰，也不互相妨碍响、干扰，也不互相妨碍”。并得出仰角为。并得出仰角为=45=45时射程最大，时射程最大，以及两个仰角等于以及两个仰角等于=45=45下射程相等得结论。下射程相等得结论。第15页，本讲稿共39页6.6.相对性原理相对性原理 在批驳在批驳“倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到后面去倘若地球运动，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；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；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。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。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，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对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。了深刻的影响。7.7.材料力学研究：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。出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。8.8.温度计的发明。温度计的发明。第16页，本讲稿共39页运运 动动 学学 的的 奠奠 基基 人人伽伽 利利 略：二略：二.意意 义义三三.伽利略在科学史上的地位伽利略在科学史上的地位 1.1.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。教会的统治。2.2.创立了研究自然科学的新方法：创立了研究自然科学的新方法：对现象的一般观察对现象的一般观察提出工作假提出工作假设设运用数学和逻辑的手段得出特殊结论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通过物理的或思想的实验对推论进行检验对推论进行检验对假设进行修正和推广。即：对假设进行修正和推广。即：观察观察假设假设数学和数学和逻辑推理逻辑推理实验检验。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。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。牛顿运动三定律和万有引力定律。爱因斯坦的评价：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，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！标志着物理学的真正的开端！”伽利略视频伽利略视频第17页，本讲稿共39页3.3.牛顿的伟大综合和理论飞跃牛顿的伟大综合和理论飞跃一一.牛顿简介牛顿简介二二.牛顿的自然哲学数学原理的内容和意义牛顿的自然哲学数学原理的内容和意义（16871687年发表）年发表）三三.万有引力定律的建立、检验和意义万有引力定律的建立、检验和意义四四.牛顿取得成功的历史条件牛顿取得成功的历史条件五五.牛顿的方法论牛顿的方法论六六.牛顿的成就总结牛顿的成就总结七七.牛顿的局限牛顿的局限第18页，本讲稿共39页牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃一一.牛顿简介牛顿简介 16421642年的年的1212月月2525日日出生于英格兰的伍尔索普，出生三个月前，父亲去世。出生于英格兰的伍尔索普，出生三个月前，父亲去世。2 2岁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。上造成了巨大影响。6 6岁岁上学，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。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。1212岁岁时，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。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。1414岁岁，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，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。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岁岁（1661年）进入剑桥大学三一学院。年）进入剑桥大学三一学院。1664年年牛顿被选为巴罗的助手；牛顿被选为巴罗的助手；1665年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，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。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。第19页，本讲稿共39页牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃 16651666年伦敦大疫。学校停课。牛顿于年伦敦大疫。学校停课。牛顿于1665年年6月回到故乡乌尔索普。月回到故乡乌尔索普。牛顿在家躲避瘟疫的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。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：他在自转中写到：“1665年初，我发现了年初，我发现了把任意指数（幂次）的二项式简化为把任意指数（幂次）的二项式简化为级数的法则。同年级数的法则。同年5月我发现了正切方法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加以比较”。“在这些日子里，我正处在发现力最旺盛的时期。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；年重返剑桥大学；1668年年7月获硕士学位；月获硕士学位；1669年巴罗推荐年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲座教授，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；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；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；年成为皇家学会会员；1676年发表曲线求积术三篇论文；年发表曲线求积术三篇论文；第20页，本讲稿共39页牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃 1687年出版旷世之作自然哲学的数学原理。年出版旷世之作自然哲学的数学原理。1689:国会议员。国会议员。1699:造币厂长；造币厂长；1701年辞去剑桥大学工作；年辞去剑桥大学工作；1703年任英国皇家学会终身会长。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；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。年被英国女王授予爵士称号。1727.3.20去世去世(85岁岁).隆重国葬，葬于威斯敏斯特教堂。隆重国葬，葬于威斯敏斯特教堂。第21页，本讲稿共39页二二.牛顿自然哲学的数学原理牛顿自然哲学的数学原理牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃序言序言:“:“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为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种自然之力，而后用这些力去论证其他现象 ，我，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的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。其他现象。”(一一)内容内容 （牛顿三定律，略牛顿三定律，略）第22页，本讲稿共39页牛顿的绝对时空观：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均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；(绝对时间绝对时间)“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是相同的和不动的”；(绝对空间绝对空间)“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移动”；(绝对运动绝对运动)“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的同一个部分而不动”。(静止是相对的静止是相对的)为给为给“绝对空间和运动绝对空间和运动”寻找证据，提出著名的寻找证据，提出著名的“水桶实验水桶实验”第23页，本讲稿共39页马赫对绝对时空的批判马赫对绝对时空的批判 17 17世纪后期，牛顿设计了一个世纪后期，牛顿设计了一个水桶实验水桶实验,说明说明水面的平凹水面的平凹与桶之间与桶之间的相对运动无关，而的相对运动无关，而与水相对绝对空间的运动有关与水相对绝对空间的运动有关，从而试图证，从而试图证明存在一个绝对空间明存在一个绝对空间(绝对惯性系绝对惯性系)水绝对运动水绝对运动(b)(b)水桶同步水桶同步水绝对静止水绝对静止(a)(a)桶刚起转桶刚起转(c)(c)桶刚停转桶刚停转水绝对运动水绝对运动第24页，本讲稿共39页(二二)意义意义:1.1.自然哲学的数学原理的出版，标志着经典力学体系的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；建立；是当时力学规律的伟大综合；2.2.绝对时空观的形成；绝对时空观的形成；3.3.机械决定论的形成；机械决定论的形成；牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃第25页，本讲稿共39页三三.万有引力定律的建立、检验和意义万有引力定律的建立、检验和意义（一）万有引力定律的建立（一）万有引力定律的建立 胡克的工作：胡克的工作：胡克最早觉察到胡克最早觉察到引力与重力有同样本质引力与重力有同样本质，他曾在山顶和矿，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。没得出结果。16801680年初，在给牛顿的信中，胡克提出了引力反年初，在给牛顿的信中，胡克提出了引力反比距离的平方的猜想；比距离的平方的猜想；伦恩和哈雷的工作：伦恩和哈雷的工作：16791679年哈雷和伦恩导出了作用于圆形轨道运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。不能证明行星在椭圆轨道下也是如此。牛顿：牛顿：16841684年年810810月，牛顿作了论运动的演讲，明确叙述了月，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。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，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，我们称为我们称为牛顿月亮或小月球思想实验牛顿月亮或小月球思想实验，从而把地球上物体的重力，从而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。和天体之间的引力联系到一起。第26页，本讲稿共39页1.1.牛顿通过靠近地面的牛顿通过靠近地面的“小月亮小月亮”运动的思想实验运动的思想实验，论证了，论证了“使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称为使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称为重力重力的力的力”。2.2.通过通过“月月地检验地检验”说明了月球所受引力与地面上物体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。所以称为称为万有引力万有引力。（略）（略）第27页，本讲稿共39页（二）万有引力定律的检验（二）万有引力定律的检验1)1)关于地球的形状关于地球的形状2)2)哈雷彗星哈雷彗星3)“3)“海王星海王星”的发现的发现4)4)卡文迪什测定万有引力常数卡文迪什测定万有引力常数第28页，本讲稿共39页1）关于地球的形状：）关于地球的形状：牛顿指出：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：反对声：1818世纪世纪3030年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长雅克年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长雅克卡西卡西尼尼（Jacques Cassini,1677-1756）等人的强烈反对，他们根据笛卡儿的旋涡理论等人的强烈反对，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。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：验证：为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于1735-17361735-1736年先后派出两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。队的领队莫泊丢和成员克雷洛成为牛顿的支持者。第29页，本讲稿共39页2)哈雷彗星哈雷彗星早期对彗星的认识：早期对彗星的认识：16821682年以前，人们认为彗星出现时，它将给人类带年以前，人们认为彗星出现时，它将给人类带来灾难。来灾难。牛顿的计算：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。彗星的运动轨迹。哈雷的工作：哈雷的工作：英国天文学家哈雷英国天文学家哈雷(1656-1742)(1656-1742)，根据牛顿理论进一步计算，根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出了大量彗星的运动轨道，得出15311531年、年、16071607年、年、16821682年出现的彗星轨道相同，年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。由此预言这彗星因此应是同一彗星。由此预言这彗星17581758年还将出现。年还将出现。克雷洛的工作：克雷洛的工作：17431743年，克雷洛曾计算了年，克雷洛曾计算了木星木星和和土星土星对这颗彗星的摄对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于动作用，指出它将推迟于17591759年年4 4月附近经过近日点。月附近经过近日点。验证：验证：17591759年年3 3月月1212日，这颗星出现了。日，这颗星出现了。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃第30页，本讲稿共39页3)海王星的发现海王星的发现 17811781年，年，赫舍尔赫舍尔发现天王星，踞太阳约发现天王星，踞太阳约2828亿公里，绕一周要亿公里，绕一周要8484年。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。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。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃 柏林天文学家伽勒柏林天文学家伽勒(Johann Gottfried Galle,1812-1910)(Johann Gottfried Galle,1812-1910)于于18461846年年9 9月月2323日，日，在距离勒威尔推算出的位置误差不到在距离勒威尔推算出的位置误差不到11的地方发现了这颗星的地方发现了这颗星海王星。海王星。1843-1845 1843-1845年英国青年大学生年英国青年大学生亚当斯亚当斯(John Couch Adams)(John Couch Adams)、18451845年年法国天文学家法国天文学家勒威尔勒威尔(Leverrier)(Leverrier)各自分别独立地根据牛顿的理论计算出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。了该未知行星的质量、轨道