04-经典力学的建立解析.ppt

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1、经典力学的建立和发展经典力学的建立和发展1.1.运动定律的建立运动定律的建立2.2.万有引力定律的发现万有引力定律的发现3.3.牛顿和他的牛顿和他的4.4.分析力学的发展分析力学的发展12哥哥白白尼尼（Mikolaj Kopernik,14731543）完完成成了了科科学学巨巨著著天天体体运运行行论论。哥哥白白尼尼的的日日心心说说彻彻底底动动摇摇了了中中世世纪纪宗宗教教世世界界观观的的基基础础，把把科科学学从从神神学学和和经经院院哲哲学学中中解解放放了了出出来来，导导致致了自然科学的变革。了自然科学的变革。3伽利略的运动理论是经典力学的开创性工作伽利略的运动理论是经典力学的开创性工作:2 2

2、运运动的描述和分类动的描述和分类 定义了匀速运动；定义了匀速运动；给出了匀加速运动的定义给出了匀加速运动的定义 伽伽利利略略（公公元元1564156416421642年年）是是意意大大利利天天文文学学家家、哲哲学学家家、数数学学家家和和物物理理学学家家。16421642年年1 1月月8 8日日凌凌晨晨4 4时时离离开开了了人人世世，享享年年7878岁。岁。3 3 自自由落体定律由落体定律 自自由由落落体体问问题题:在在相相等等的的时时间间间间隔隔内内物物体体下下落落的的距距离离呈呈从从1 1开始的奇数序列的规律。开始的奇数序列的规律。提出了加速度的概念提出了加速度的概念 ABE匀加速运动图示匀

3、加速运动图示(一一)伽利略的运动理论伽利略的运动理论1 1 单摆等时性单摆等时性4 提提出出了了力力学学相相对对性性原原理理。即即在在惯惯性性系系中中做做任任何何力力学学实实验验都都无无法测定惯性系运动的速度。法测定惯性系运动的速度。利用斜面实验利用斜面实验推理出物体运动并不需要外力维持的结论。推理出物体运动并不需要外力维持的结论。4 4 惯惯性原理性原理6 6 相相对性原理对性原理5 5 抛抛体运动轨迹体运动轨迹 伽伽利利略略在在两两门门新新科科学学中中详详细细研研究究了了抛抛射射体体的的运运动动，并并提提出出运动的独立进行原理。运动的独立进行原理。伽利略的上述工作为经典力学的形成打下了基础

4、。伽利略的上述工作为经典力学的形成打下了基础。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。7 7 材料力学研究材料力学研究8 8 温度计的发明温度计的发明5 伽伽利利略略对对物物理理规规律律的的论论证证过过程程是是：一一般般观观察察-假假说说-数数学学分分析析、推推论论-实实验验验验证证，这这种种论论证证思思想想方方法法为为后后人人揭揭开开物物理理学学的的各种规律提供了范例。各种规律提供了范例。伽利略的研究方法伽利略的研究方法伽利略

5、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。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设提出工作假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对推论进行通过物理的或思想的实验对推论进行检验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逻辑推理数学和逻辑推理实验检实验检验。验。后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了

6、单摆的周期公式和向后来，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。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，得到了牛顿运动三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。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，是人伽利略的发现，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！”6（二）（二）笛卡儿的运动理论笛卡儿的运动理论近近代代科科学学的的始始祖

7、祖笛笛卡卡儿儿（Descartes）,生生于于法法国国土土伦伦省省，西西方方近近代代资资产产阶阶级级哲哲学学奠奠基基人人之之一一。他他的的哲哲学学与与数数学学思思想想对对历历史史的的影影响响是是深深远远的的。人人们们在在他他的的墓墓碑碑上上刻刻下下了了这这样样一一句句话话：“笛笛卡卡儿儿，欧欧洲洲文文艺艺复复兴兴以以来来，第第一一个个为为人人类类争争取取并并保保证证理理性权利的人。性权利的人。”1644年，笛卡尔著哲学原理：年，笛卡尔著哲学原理：1.每每一一单单独独的的物物质质微微粒粒将将继继续续保保持持同同一一状状态态，直直到到与与其其他他微微粒相碰被迫改变状态为止。粒相碰被迫改变状态为止。

8、2.所有的运动，本身都是沿直线的。所有的运动，本身都是沿直线的。他把运动的终极原因归因于上帝，得到了他把运动的终极原因归因于上帝，得到了运动量运动量守恒的结论。守恒的结论。笛卡儿认为物体之间的相互作用只能通过挤压和碰撞发生，笛卡儿认为物体之间的相互作用只能通过挤压和碰撞发生，所以关于碰撞的研究在他的物理学中占有重要的地位。所以关于碰撞的研究在他的物理学中占有重要的地位。7（三）惠更斯的力学理论（三）惠更斯的力学理论 惠惠惠惠更更更更斯斯斯斯 (Christian(Christian HaygenHaygen，1629-16951629-1695)：荷荷荷荷兰兰兰兰物物物物理理理理学学学学家家家

9、家、数数数数学学学学家家家家、天天天天文文文文学学学学家家家家。1629162916291629年年年年出出出出生生生生于于于于海海海海牙牙牙牙。1655165516551655年年年年获获获获得得得得法法法法学学学学博博博博士士士士学学学学位位位位。1663166316631663年年年年成为伦敦皇家学会的第一位外籍会员。成为伦敦皇家学会的第一位外籍会员。成为伦敦皇家学会的第一位外籍会员。成为伦敦皇家学会的第一位外籍会员。惠更斯的惠更斯的关于论碰撞作用下物体的运动关于论碰撞作用下物体的运动：（1 1）“运运动动起起来来的的物物体体，在在未未受受到到阻阻碍碍作作用用时，将以不变的速度沿直线继续

10、运动时，将以不变的速度沿直线继续运动”。（2 2）“两两个个具具有有相相同同质质量量的的物物体体，以以相相同同的的速速度度相相向向作作对对心心碰撞后，两者都以相同的速度向相反方向运动。碰撞后，两者都以相同的速度向相反方向运动。”（3 3）“物物体体的的运运动动以以及及它它们们的的速速度度，必必须须看看作作是是相相对对于于另另一一些些我我们们以以为为是是静静止止的的物物体体而而言言的的，而而不不必必考考虑虑这这些些物物体体是是否否还还参参与与另另外外的的共共同同运运动动。因因此此，当当两两个个物物体体相相碰碰撞撞时时，即即使使它它们们同同时时参参与与另另一一匀匀速速运运动动，在在也也具具有有这这

11、个个共共同同运运动动的的观观察察者者看看来来，两个物体的相互作用就好象不存在这个共同运动一样。两个物体的相互作用就好象不存在这个共同运动一样。”8 根根据据这这些些假假设设，惠惠更更斯斯作作出出断断言言：两两个个质质量量相相同同并并以以相相同同的的速速度度相相向向运运动动的的物物体体，在在发发生生刚刚性性的的对对心心碰碰撞撞之之后后，都都保保留留碰碰撞前的速度而相互弹开。撞前的速度而相互弹开。动动量量守守恒恒律律的的表表述述：“两两个个物物体体所所具具有有的的运运动动量量在在碰碰撞撞中中都都可可以以增增多多或或减减少少，但但是是它它们们的的量量值值在在同同一一个个方方向向的的总总和和却却保保持

12、持不不变变，如如果果减减去去反反方方向向的的运运动动量量的的话话。”他他还还指指出出：“两两个个，三三个个或或任任意意多多个个物物体体的的共共同同重重心心，在在碰碰撞撞前前后后总总是是朝朝着着同同一一方方向作匀速直线运动。向作匀速直线运动。”引入引入矢量概念：矢量概念：强调动量数值的变化又强调了方向的问题。强调动量数值的变化又强调了方向的问题。“活活力力定定律律”：“在在两两个个物物体体的的碰碰撞撞中中，它它们们的的质质量量和和速速度度平平方方乘乘积积的的总总和和，在在碰碰撞撞前前后后保保持持不不变变。”完完全全弹弹性性碰碰撞撞中机械能守恒定律中机械能守恒定律。碰碰撞撞问问题题的的研研究究和和

13、动动量量守守恒恒原原理理的的发发现现，为为建建立立作作用用和和反反作作用用准准备备了了一一定定的的条条件件，从从而而完完成成了了伽伽利利略略以以来来为为建建立立力力学学体体系而作的奠基性工作。系而作的奠基性工作。9（三）牛顿的总结（三）牛顿的总结牛牛顿顿（公公元元1642164217271727年年）是是英英国国数数学学家家、天天文文学学家家和和物物理理学学家家。17031703年年当当选选皇皇家家学学会会会会长长，并并连连选选连连任任，直到逝世。直到逝世。16871687年年，牛牛顿顿出出版版了了自自然然哲哲学学的的数数学学原原理理，从从力力学学的的基基本本概概念念（质质量量、动动量量、惯惯

14、性性、力力）和和基基本本定定律律（运运动动三三定定律律）出出发发，运运用用微微积积分分这这一一数数学学工工具具，建建立立了了经经典典力力学学的的完完整整而而严严密密的的体体系系，把把天天体体力力学学和和地地面面上上的的物物体体力力学学统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。共共有有两两大大部部分分，第第一一部部分分仿仿照照欧欧几几里里德德的的方方法法，首首先先提提出出了了定定义义和和动动力力学学原原理理，为为建建立立力力学学的的逻逻辑辑体体系系提提供供前前提提；第第二二部部分分是是这些基本原理的应用。这些基本原理的应用。101.运动第一定律运动第一定

15、律(惯性定律惯性定律);2.运动第二定律；运动第二定律；3.运动第三定律。运动第三定律。11二二 万有引力定律的发现万有引力定律的发现（一）（一）第谷的贡献第谷的贡献 丹丹麦麦科科学学家家第第谷谷(Tycho Brahe)()(1546-1601)观观察察天天体体的的运运动动，特别是行星的运动；记录了大量的数据。特别是行星的运动；记录了大量的数据。开开普普勒勒精精心心整整理理第第谷谷的的记记录录，编编制制出出了了当当时时有有史史以以来来最最精精确的天文表确的天文表鲁道夫天文表鲁道夫天文表。1)1)新天文台修建新天文台修建：15761576年，在丹麦国王腓特烈二世资助下，在年，在丹麦国王腓特烈二

16、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，测量精度较前人提高了几十倍。度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年持之以恒的观测中，各行星角位置的误差仅为仅为2 2。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，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。转，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止

17、不动的。被人被人誉为誉为“星学之王星学之王”。12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13（二）（二）开普勒的工作开普勒的工作约约翰翰 开开普普勒勒(Johanns Kepler,1571-1630)，德德国国近近代代著著名名的的天天文文学学家家、数数学学家家、物物理理学学家家和和哲哲学学家家。他他以以数数学学的的和和谐谐性性探探索索宇宇宙宙，在在天天文文学学方方面面做做出出了了巨巨大大的的贡贡献献。开开普普勒勒是是继继哥哥白白尼尼之之后后第第一一个个站站出出来来捍捍卫卫太太阳阳中中心心说说、并并在在天天文文学学方方面面有有突突破破性性成成就就的的人人物物，被被

18、后后世世的的科科学学史史家家称称为为“天天上上的立法者的立法者”。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。后改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，跟第谷的观测数据仍然不符，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，所以他没有将这一误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“匀速圆周运动匀速圆周运

19、动”的假设存在的假设存在错误。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行此后，开普勒转向了用第谷的观测数据去确定行星的运行轨道。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轨道运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。上述两定律发表在动，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16091609年年出版的出版的新天文学新天文学上。在上。在16191619年出版的年出版的世界的和谐世界的和谐中公布了周期定律。中公布了周期定律。4)4)意义：意义：开普勒的

20、上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠定了基础。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。14（三）（三）万有引力定律的建立万有引力定律的建立 开开普普勒勒三三定定律律问问世世后后，人人们们又又关关心心着着一一个个新新的的课课题题：是是什什么么原因使天体具有这样一个和谐的结构？原因使天体具有这样一个和谐的结构？16741674年年，胡胡克克在在一一次次演演讲讲中中提提出出引引力力随随离离吸吸引引中中心心的的距距离离而而变变化化。16801680年年初初，在在给给牛牛顿顿的的信信中中正正式式提提出出了了引引力力与与距距离离平平方方成成反反比比的的观观点点，但但他他并并没没有有将将自

21、自己己的的引引力力思思想想如如牛牛顿顿所所作作的的那那样样用用数数学学式式子子表表示示出出来来，并并用用太太阳阳、地地球球、月月亮亮、行行星星和和地地球球上上物物体体的的运运动动实实例例来来加加以以验验证证。因因此此，把把发发现现万万有有引引力力定定律律的的殊殊荣荣让让给给了了牛牛顿顿，但但胡胡克克的的某某些些想想法法对对牛牛顿顿完完成成万万有有引引力力的的研究是起着积极的启示作用的。研究是起着积极的启示作用的。哈哈雷雷和和伦伦恩恩在在16791679年年按按照照圆圆形形轨轨道道和和开开普普勒勒第第三三定定律律以以及及圆圆周周运运动动的的向向心心力力公公式式，导导出出了了作作用用于于行行星星的

22、的引引力力与与它它们们到到太太阳阳距距离离的的平平方方成成反反比比。但但他他们们还还无无法法证证明明行行星星在在椭椭圆圆轨轨道道下下也也是是如如此此。哈哈雷雷为为此此专专程程于于16841684年年去去剑剑桥桥向向牛牛顿顿求求教教，并并于于当当年年年年底底得得到到牛牛顿顿的的证证明明结结果果。哈哈雷雷非非常常高高兴兴，鼓鼓励励并并资资助助牛牛顿顿出出版他的名著版他的名著自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理。15 16841684年年8 81010月，牛顿作了月，牛顿作了论运动论运动的演讲，明确叙述的演讲，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。后来了向心力定律，证明了椭圆轨道运

23、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，才把他引向万有引力定律的发现。向万有引力定律的发现。在在原理原理中，牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球中，牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的思想实验，我们称为的思想实验，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，从而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。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，论证了证了“使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称使月球保

24、持在它轨道上的力，就是我们通常称为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体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，从而得出宇关系。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。所宙间所有物体之间的引力遵循的规律都相同的结论。所以称为以称为万有引力万有引力。（略）（略）16（四）（四）牛顿引力理论的检验牛顿引力理论的检验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

25、的旋转运动，赤道部分应该隆起，使行星成为两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，它们受到的引力作用不同，使太阳和月亮的引力摄动作用不通过和月亮，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种缓慢的圆周运动，造成二分点的岁差现地球中心，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

26、牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长雅克雅克卡西尼卡西尼（Jacques Cassini,1677-1756）等人的强烈反对，他们根等人的强烈反对，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。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，分派出两个测量远征队，分赴赤道地区的秘鲁和高

27、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。从而使拉普兰德队的领队莫泊丢和成员克雷洛成为牛顿的支持者。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。172)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，它将年以前，人们认为彗星出现时，它将给人类带来灾难。给人类带来灾难。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。计算出了彗星的运动轨迹

28、。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，根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出一步计算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，因此应是同一彗星。由此预言这彗星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对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于星的摄动作用，指出它将推迟于1759175

29、9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。183)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，绕一亿公里，绕一周要周要8484年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还年。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。应该存在另一颗星。柏林天文学家伽勒柏林天文学家伽勒(Johann Gottfried Galle,1812-(Johann Gottfried Galle,1812-1910)1910)于于1846

30、1846年年9 9月月2323日，在距离勒威尔推算出的位置误差不日，在距离勒威尔推算出的位置误差不到到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。1843-18451843-1845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年法国天文学家年法国天文学家勒勒威尔威尔(LeverrierLeverrier)各自分别独立地根据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。牛顿的理论计算出了该未知行星的质量、轨道和位置。194)卡文迪什测定万有引力常数卡文迪什测定万有引力常数 从

31、牛顿于从牛顿于16871687年出版年出版自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理，整整，整整一百年时间，还没有任何实验或事实能证明在任意的一百年时间，还没有任何实验或事实能证明在任意的两个两个物体之间确实存在引力物体之间确实存在引力，以及引力大小。直到，以及引力大小。直到1797年，卡年，卡文迪什在实验室条件下，用扭秤实验文迪什在实验室条件下，用扭秤实验 测量了两个物体间微测量了两个物体间微小引力和万有引力常数，才最终解决了定律的验证问题。小引力和万有引力常数，才最终解决了定律的验证问题。万有引力定律建立的意义万有引力定律建立的意义1.1.人类第一次完成了天体运动与地面物体运动的统一。人类第一次

32、完成了天体运动与地面物体运动的统一。2.2.建立了天体力学；建立了天体力学；3.3.是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。20牛顿取得成功的历史条件牛顿取得成功的历史条件 1.1.生产力发展的需要生产力发展的需要 航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究；航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究；对机械加工运输对机械加工运输 作物理原理的解释。作物理原理的解释。2.2.站在巨人的肩上站在巨人的肩上 数学：欧几里德数学：欧几里德笛卡尔笛卡尔莱布尼兹；莱布尼兹；力学：达力学：达.芬奇芬奇伽里略伽里略惠更斯；惠更斯；天文学：哥白尼天文学：哥白尼第谷第谷开普勒；开普勒

33、；引力思想：吉尔伯特引力思想：吉尔伯特布里阿德布里阿德玻列利。玻列利。3.3.在英国，政局比较稳定，开始注重科学研究。在英国，政局比较稳定，开始注重科学研究。4.4.科学的国际研究联系加强科学的国际研究联系加强 英法成立了英法成立了“皇家学会皇家学会”及及“皇家科学院皇家科学院”21牛顿的方法论牛顿的方法论 牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿系，提

34、出了几条方法论原理。在牛顿原理原理一书中集中体现了以下几种一书中集中体现了以下几种科学方法：科学方法：实验实验理论理论应用应用的方法：牛顿在的方法：牛顿在原理原理序言中说：序言中说：“哲学的全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，而后用这些方去部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方去论证其他的现象。论证其他的现象。”科学史家科学史家 I.B.CohenI.B.Cohen正确地指出，牛顿正确地指出，牛顿“主要是将实主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较际世界与其简化数学表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实际材。牛顿是从事实验和归纳实际材料的

35、巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。分析分析综合综合方法：牛顿在方法：牛顿在原理原理中说过：中说过：“在自然科学里，应在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法后才用综合的方法。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原

36、因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性发生的现象，并证明这些解释的正确性”。22 归纳归纳演绎演绎方法：上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。方法：上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得

37、到证实。预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。物理物理数学数学方法：牛顿将物理学范围中的概念和定律都方法：牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数尽量用数学演出学演出”。爱因斯坦说：。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发，他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范述的基础，从这个基础出发，他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合围很广的现象并且同经验相符合”，牛顿把他的书称为，牛顿把他的书称为自然哲学的数学自然哲学的数学原理原理正好说明这一点。正好说明这一点。牛顿的方法论原理牛顿的方法论

38、原理集中表述在集中表述在原理原理第三篇第三篇“哲学中的推理法则哲学中的推理法则”中的四条法则中。概括起来，可以称之为简单性原理（法则中的四条法则中。概括起来，可以称之为简单性原理（法则1 1），因果性原），因果性原理（法则理（法则2 2），普遍性原理（法则），普遍性原理（法则3 3），否证法原理（法则），否证法原理（法则4 4：即无反例证明：即无反例证明者即成立）。者即成立）。23 牛顿的成就总结牛顿的成就总结 1.1.在力学方面，在力学方面，牛顿总结出机械运动的三个基本定律，并牛顿总结出机械运动的三个基本定律，并独立发现了万有引力定律。他把地球上物体的力学和天体力学独立发现了万有引力定律。他

39、把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中，创立了经典力学体系。统一到一个基本的力学体系中，创立了经典力学体系。2.2.在光学方面，在光学方面，牛顿曾致力于色的现象和光的本性的研究。牛顿曾致力于色的现象和光的本性的研究。16661666年他用三棱镜分析日光，发现白光是由不同颜色的光构成年他用三棱镜分析日光，发现白光是由不同颜色的光构成的，成为光谱分析的基础。他创立了光的的，成为光谱分析的基础。他创立了光的“微粒说微粒说”。3.3.在数学方面，在数学方面，牛顿提出了牛顿提出了“流数法流数法”，建立了二项式定理，建立了二项式定理，并和莱布尼茨同时创立了微积分学，开辟了数学史上的一个新并

40、和莱布尼茨同时创立了微积分学，开辟了数学史上的一个新纪元。纪元。4.4.在天文学方面，在天文学方面，发现万有引力定律，并于发现万有引力定律，并于16711671年创制了年创制了反射望远镜。他解释了潮汐现象，预言地球不是正球体。反射望远镜。他解释了潮汐现象，预言地球不是正球体。24 牛顿的局限牛顿的局限1)1)绝对时空：绝对时空：在承认时间和空间的客观性质上是正确的，但把在承认时间和空间的客观性质上是正确的，但把时间和空间看作与物质运动无关。时间和空间看作与物质运动无关。2 2）绝对质量：）绝对质量：他认为物体的他认为物体的“质量质量”具有客观性和永恒性，具有客观性和永恒性，但同时认为物体的质量

41、是不变的，因而具有历史局限性。但同时认为物体的质量是不变的，因而具有历史局限性。3 3）机械决定论：）机械决定论：牛顿所总结的运动定律，确立了严格的因果牛顿所总结的运动定律，确立了严格的因果关系。根据初始条件，就可以准确确定体系以往和未来任关系。根据初始条件，就可以准确确定体系以往和未来任一时刻的运动状态。所以他认为一切自然现象只能按照机一时刻的运动状态。所以他认为一切自然现象只能按照机械的必然性发生和进行。械的必然性发生和进行。4)4)上帝决定论：上帝决定论：原理原理之后，牛顿一直致力于之后，牛顿一直致力于圣经圣经的研的研究，并开始写这方面的著作究，并开始写这方面的著作,手稿达手稿达1501

42、50万字之多，绝大部万字之多，绝大部分未发表。关于牛顿在分未发表。关于牛顿在1692169216931693年间答复本特莱大主教年间答复本特莱大主教 4 4封信论造物主（上帝）之存在，最为后人所诟病。所谓封信论造物主（上帝）之存在，最为后人所诟病。所谓神神臂臂就是第一推动出于第四封信中。就是第一推动出于第四封信中。25 牛牛顿顿完完成成了了他他的的前前辈辈们们开开始始的的科科学学革革命命，实实现现了了物物理理学学史史上上第第一一次次大大综综合合。他他的的科科学学成成果果对对尔尔后后两两个个多多世世纪纪自自然然科科学学的的发发展展产产生生了了重重大大影影响响，他他在在近近代代自自然然科科学学发发

43、展展史史上上占占有有里里程程碑碑式式的独特地位。的独特地位。恩格斯对牛顿作了高度评价：恩格斯对牛顿作了高度评价：“牛牛顿顿由由于于发发明明了了万万有有引引力力定定律律而而创创立立了了科科学学的的天天文文学学；由由于于进进行行光光的的分分解解而而创创立立了了科科学学的的光光学学；由由于于创创立立了了二二项项式式定定理理和和无无限限理理论论而而创创立立了了科科学学的的数数学学；由由于于认认识识了了力力的的本本性性而而创创立立了科学的力学。了科学的力学。”诗人亚历山大诗人亚历山大 波普在牛顿出生的屋子里题词：波普在牛顿出生的屋子里题词：“大自然与它的规律被夜色掩盖，大自然与它的规律被夜色掩盖，上帝说

44、：让牛顿出来吧，上帝说：让牛顿出来吧，于是一切现出光明。于是一切现出光明。”264.4.分析力学的发展分析力学的发展 牛牛顿顿力力学学体体系系建建立立以以后后，很很快快就就在在自自然然科科学学领领域域占占据据了了支支配配的的地地位位。但但其其本本身身还还存存在在很很多多缺缺陷陷：一一些些概概念念还还存存在在多多种种歧歧义义；数数学学表表述述和和逻逻辑辑上上还还不不够够完完善善；对对多多质质点点系系和和约约束束较较多多的的问问题题，直直接接利利用用牛牛顿顿定定律律十十分分繁繁难难。经经典典力力学学不不仅仅需需要要形形式式更更加加严严密密的的数数学学体体系系，而而且且对对实实际际问问题题的的解解决

45、决，需需要要寻寻找找更更为为简简便便的的方方法。法。（一）关于（一）关于“运动的量度运动的量度”的争论的争论 1717至至1818世世纪纪，由由于于“力力”的的概概念念不不是是完完全全清清晰晰，人人们们在在不不同同的的意意义义上上使使用用这这一一概概念念描描述述力力的的各各种种效效应应，从从而而引引起起了了笛笛卡卡儿儿学学派派和和莱莱布布尼尼兹兹学学派派关关于于物物体体“运运动动的的力力”的的一一场场旷旷日日持持久久的争论。的争论。27 笛笛卡卡儿儿学学派派从从运运动动量量守守恒恒的的基基本本定定律律出出发发，认认为为把把mvmv作作为为“力力”或者物体的或者物体的“运动量运动量”的量度。的量

46、度。1686年，莱莱布布尼尼兹兹对对笛笛卡卡儿儿学学派派的的这这个个量量度度提提出出了了批批判判。他他认认为为，动动力力不不能能用用mv来来衡衡量量，而而只只能能有有它它所所产产生生的的效效果果来来衡衡量量。应应该该用用mv2来量度物体运动的力。来量度物体运动的力。16961696年年他他又又指指出出，mv是是“死死力力”的的量量度度，即即相相对对静静止止的的物物体体之之间间的的力力的的量量度度；而而mv2则则是是“活力活力”的量度。的量度。17431743年年，达达朗朗贝贝尔尔在在动动力力学学这这部部书书里里对对十十七七到到十十八八世世纪纪运运动动量量度度的的争争论论提提出出了了自自己己的的

47、看看法法，他他认认为为两两种种量量度度是是等等价价的的，并并模模糊糊地地提提出出了了物物体体动动量量的的变变化化与与力力的的作作用用时时间间有有关关，活活力力的的变变化化和和力力的的作作用用距距离离有有关关。在在运运动动论论里里，达达朗朗贝贝尔尔不不仅仅阐阐述述了了他他的的力力学学观观点点，他他还还在在哲哲学学序序言言里里指指出出了了科科学学发发展展的的前前景景和分析科学的哲学观点。和分析科学的哲学观点。28（二）（二）三大守恒原理的确立三大守恒原理的确立 牛牛顿顿定定律律虽虽然然原原则则上上可可以以解解决决一一切切力力学学问问题题，但但对对多多质质点点、多多约约束束的的情情况况，直直接接应应

48、用用牛牛顿顿定定律律十十分分繁繁难难。为为了了解解决决这这个个困困难难，逐逐渐渐发发展展起起了了动动量量、动动量量矩矩和和活活力力的的三三个个运运动动定定理理以以及及在在特定条件下的三个守恒定律，使经典力学体系臻于完善。特定条件下的三个守恒定律，使经典力学体系臻于完善。1 1 质心运动守恒定律质心运动守恒定律 笛笛卡卡儿儿首首先先提提出出了了运运动动量量守守恒恒定定律律的的基基本本思思想想，惠惠更更斯斯认认识识到到动动量量的的矢矢量量性性，并并准准确确地地表表述述了了碰碰撞撞过过程程中中系系统统的的动动量量守守恒恒及系统共同质心的运动速度为常数的结论。及系统共同质心的运动速度为常数的结论。2

49、2 动量矩守恒定律动量矩守恒定律 17451745年年，伯伯努努利利（Daniel Bernoulli,1700-1782)和和欧欧拉拉等等以以不同的方式分别提出了这一原理。不同的方式分别提出了这一原理。293 3 活力守恒定律活力守恒定律惠更斯在完全弹性碰撞的研究中得到惠更斯在完全弹性碰撞的研究中得到莱布尼兹认为宇宙中莱布尼兹认为宇宙中“活力活力”守恒。守恒。科里奥利用科里奥利用 代替代替30（三）（三）分析力学的建立分析力学的建立 俄俄国国数数学学家家欧欧勒勒提提出出了了质质点点及及刚刚体体运运动动的的一一般般微微分分方方程程；法法国国科科学学家家达达朗朗贝贝尔尔提提出出了了达达朗朗贝贝尔

50、尔原原理理，这这个个原原理理有有可可能能把把动动力力学学问问题题化化为为平平衡衡问问题题来来处处理理；拉拉格格朗朗日日建建立立了了虚虚功功原原理理的的普普遍遍形形式式，并并与与达达朗朗贝贝尔尔原原理理相相结结合合，提提出出了了广广义义坐坐标标动动力力学学。这这些些科科学学家家的的贡贡献献为为经经典典力力学学逐逐步步向向一一门门严严密密而而完完整整的的科科学学发发展奠定了基础。展奠定了基础。17151715年，伯努利（年，伯努利（Johann Bernoulli,1667-1748)提出虚速度。提出虚速度。17881788年，年，拉格朗日提出虚功原理。拉格朗日提出虚功原理。31 达达朗朗贝贝尔尔