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第一章第一章 经典物理学产生经典物理学产生背景背景 第一节 近代科学产生摇篮 文艺复兴运动第1页一、近代科学产生社会条件一、近代科学产生社会条件 好象资本主义生产发展仅仅对科学技术提出了需要和科学研究课题。实际上，资本主义生产发展不但提供了大量科学发展所需要材料，而且也创造了制作试验仪器物质和技术条件。试验仪器伴随生产发展而提升和完善，这就给科学试验带来系统性和广泛性，并形成了试验科学。第2页二、文艺复兴运动兴起二、文艺复兴运动兴起 文艺复兴，实质就是资产阶级新文化运动。新兴资产阶级发觉在古代希腊、罗马文化中，能够找到用来反对封建统治和封建文化武器，这就是自然哲学及以人为中心文学艺术。伴随资产阶级政治活动开展，竟然掀起了一个反对封建思想统治和束缚强大运动，这就是以恢复古代文化面目出现“文艺复兴运动”。第3页列奥那多列奥那多达达芬奇物理学研究方面芬奇物理学研究方面 用虚速度原理，证实了杠杆原理；他第一次企图用虚速度原理，证实了杠杆原理；他第一次企图测定摩擦系数；他在分析鸟类飞行时，描述过协测定摩擦系数；他在分析鸟类飞行时，描述过协力平行四边形，也曾将重物沿斜面运动分解为两力平行四边形，也曾将重物沿斜面运动分解为两个分量。他对流体力学研究很多，比如，他发觉个分量。他对流体力学研究很多，比如，他发觉下部连通诸容器中静止液体有同一表面高度。下部连通诸容器中静止液体有同一表面高度。他所设计机械装置和创造听说有上千项。他所设计机械装置和创造听说有上千项。随身携带笔记手稿现已发觉约有随身携带笔记手稿现已发觉约有70007000页。页。第4页三、文艺复兴精神代表三、文艺复兴精神代表列奥那多列奥那多 意大利人列奥那多达芬奇（公元145215）他蔑视教会权利，勇于触犯教会禁令。教会要求人死了不允许解剖，可是达芬奇不论这些，弄到了许多尸体，一一进行解剖。他认为，只有进行解剖，才能探查人体机器运行奥秘。力争成为“认识自然和模仿（改造）自然巨匠”。第5页达达芬奇座右铭芬奇座右铭 列奥那多达芬奇非常重视观察和试验方法，他把观察和试验看成科学研究独一无二真正方法。“试验是我老师”；“理智是试验女儿”。一样重视数学和理论作用。第6页第二节第二节 近代科学宣言近代科学宣言-日日心说心说 哥白尼日心体系新学说，是自然科学向神学第一次严正挑战，标志着自然科学从神学中解放出来一次革命。恩格斯称它为“自然科学独立宣言”。第7页一、哥白尼生平与他创建日心说一、哥白尼生平与他创建日心说 著名天文学家尼古拉哥白尼（公元14731543年）于1473年2月9日生于波兰托伦城一个商人家庭。哥白尼伟大著作天体运行论 哥白尼是这个时代真正英雄。天文学是观察和记载天象、描述天体运动、探索规律并预测其位置方便于制订历法、辨明方位一门最早科学。第8页哥白尼基本思想哥白尼基本思想 太阳是宇宙中心，行星都围绕着太阳运转。地球是运动，它是绕着太阳运转普通行星，它本身还在自转。月亮是地球卫星，一个月绕地球一周，就象卫士一样，地球带着月亮一起绕太阳运动。第9页哥白尼基本思想哥白尼基本思想行星在太阳系中排列次序是：离太阳最远是土星，三十年绕太阳一周；其次是木星，十二年绕太阳一周；然后是火星，两年绕太阳一周；第四是地球和月亮，一年绕太阳一周；第五是金星，九个月绕太阳一周，离太阳最近是水星，八十天绕太阳一周。恒星在远离太阳一个天球面上静止不动。第10页哥白尼是怎样创建哥白尼是怎样创建“日心体系日心体系”说呢？说呢？在天体运行论第一卷中，哥白尼明确地把地球从宇宙中心位置推除开去，把它降为普通行星一员。他断言，地球本身有三种运动：第一个是“地球自西向东绕轴昼夜自转”；第二种是“地心同地球上一切周年旋转，在金星与火星轨道间黄道上从西向东运行”；第三种是“倾斜面运动”，即赤道面或自转轴相对于日地联线运动。第11页哥白尼学说影响之深远哥白尼学说影响之深远 恩格斯称它为“自然科学独立宣言”就可想而知了。哥德说：“哥白尼学说撼感人类意识之深，自古以来无一个创见、无一个创造可与伦比，当大地是球形被哥伦布证实以后很快，地球为宇宙主宰尊号也被剥夺了，自古以来没有这么天翻地覆地把人类意识倒转来过，假如地球不是宇宙中心，无数古人相信事将成为一场空事，谁还相信伊甸乐园、赞美诗颂歌和宗教故事呢？”第12页二、天文学新成就二、天文学新成就开普勒三定律开普勒三定律 第谷把天文观察准确度提升到一个新水平，远远超出前人几十倍到几百倍，并积累了大量观察数据资料。开普勒从这些浩若烟海据数中总结出规律，提出了开普勒三定律。第13页第谷第谷布拉赫布拉赫第谷布拉赫（公元154616）是丹麦天文学家，天文观察大师。第谷出身于一个贵族家庭，少年时代就对天文准确观察产生了浓厚兴趣和兴趣。第谷成了当初罕见天文观察家。有“星学之王”美称。第谷善于观察而不善于思索，开普勒则善思索而不善于观察，他们各有所长各有所短，结合起来，取长补短，就造成科学发觉重大突破。第14页约翰约翰开普勒开普勒约翰开普勒（公元 15711630年）是德国伟大天文学家。天文学上两大传统观念：一是地球位于宇宙中心。二是天体必定是球形，它运动轨道必定也是圆。哥白尼推翻了前一个传统观念，不过他一直坚持后一个传统观念，开普勒却大胆地冲破了这后一个传统观念。第15页开普勒行星运动三定律开普勒行星运动三定律 16开普勒在新天文学一书中，正式提出了行星运动两条定律：第一定律是“轨道定律”；行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆一个焦点上；第16页开普勒行星运动三定律开普勒行星运动三定律第二定律是“面积定律”：行星与太阳之间所联直线在相等时间内扫过椭圆面积相等。这就是说行星在近日点附近速度要快一些。过了九年，开普勒又发觉了第三定律，即“周期定律”：行星绕日一周所需时间（公转周期）平方，与其和太阳平均距离立方成正比。第17页开普勒发觉伟大价值开普勒发觉伟大价值开普勒发觉不但对天文学发展有着重大意义，而且对自然科学发展也有它伟大价值。开普勒从第谷准确数据出发，否定了主观几何模式和托氏地心体系。他第一定律否定了圆形轨道论；第二定律否定了匀速运动；第三定律建立了各行星之间联络。第18页爱国斯坦评价爱国斯坦评价“开普勒惊人成就，是证实下面这条真理一个尤其美妙例子，这条真理是：知识不能单从经验得出，而只能从理智创造同观察到事实二者比较中得出。”这就是说，科学发觉两大武器，即观察试验和抽象思维理论创造是缺一不可，必须把二者结合起来才行。第19页开普勒功劳开普勒功劳开普勒是用数学公式表示物理定律最早取得成功人之一。从他时代开始，数学方程就成为表示物理学定律基本方式，为经典力学建立，立下了不可磨灭功勋。第20页三、伽利略在天文学上功劳三、伽利略在天文学上功劳 伽利略是在16用自制垂轴放大率达32倍天文望远镜指向天空进行观察，发觉了月球表面有象火山口那样环形山，同地面结构相同。他发觉了金星周相改变，木星有四个卫星，银河是无数发光体总汇，土星有多变椭圆外形等等。他并发觉月球与其它星球所发光都是太阳反射光。太阳表面上存在着黑子，黑子还有规律地改变着。他判断太阳以二十七天左右周期转动（太阳在自转）。第21页三、伽利略在天文学上功劳三、伽利略在天文学上功劳伽利略所观察到木星有四颗卫星和金星周相改变有主要意义，它否定了古代关于游动天体只有七个断言，这是对哥白尼主要支持。第22页伽利略主要功劳伽利略主要功劳伽利略主要功劳之一，是把哥白尼、开普勒所开创新世界观加以证实和普遍宣传，并以自己在教庭下牺牲唤起了人们对日心说公认。第23页第三节第三节 新科学特征新科学特征 一、批判经院哲学，崇尚科学真理 所谓经院哲学如前章所述，是基督教哲学，它严重地束缚着人们思想。英国出色哲学家弗兰西斯 培根（公元15611626）首先树立起了批判经院哲学旗帜，向经院哲学发起战斗。培根提出了“知识就是力量”口号。培根认为：经验试验是真理起源和检验标准。第24页一、批判经院哲学，崇尚科学真理一、批判经院哲学，崇尚科学真理因为天文学、力学、光学成就，使一些先进思想家已经认识到必须否定宗教教义是真理起源，提倡思想自由，提倡科学实际目标，提倡试验研究方法。第25页培根培根培根 在16出版论科学进展中，他指出：印刷、火药和指南针这三种东西创造“改变了世界面貌”，“没有一个帝国，没有一个宗教教派，没有一个显赫人物能比这三种创造在人类事业中产生更大力量和影响”。第26页笛卡儿笛卡儿第二位向宗教宣战就是法国出色数学家和哲学家笛卡儿（公元15961650），他继续向经院哲学展开了斗争。他反对信仰先于知识宗教教义，认为必须创建为实践服务世俗科学来代替经院哲学。他提出了 “怀疑标准”作为创建真正科学出发点。第27页二、理论概括方法确定二、理论概括方法确定 培根、笛卡儿他们方法论都带有一定片面性。笛卡儿强调演绎法弱点在于前提错了，结论就错了；归纳法弱点在于结论，它很轻易带有不足与或然性。第28页笛卡儿笛卡儿笛笛卡卡儿儿从从与与培培根根不不一一样样方方面面发发展展了了自自然然科科学学方方法法论论，在在16371637年年出出版版方方法法论论中中，他他提提出出了了他他唯唯理理论论学学说说。他他认认为为，在在发发展展认认识识过过程程中中，起起主主要要作作用用不不是是经经验验，而而是是理理论论思思维维，即即理理性性。在在方方法法论论中中笛笛卡卡儿儿说说明明了了对对培培根根归归纳纳法法所所作作一一些些补补充充演演绎绎法法原原理理。即即由由普普遍遍原原理理得得出出局局部部结结论论方方法法本本身身就称为演绎法。就称为演绎法。笛笛卡卡儿儿对对物物理理学学中中发发展展起起来来数数学学方方法法很很赞赞赏赏，认认为为一一切切科科学学都都应应该该按按照照数数学学形形式式建建立立起起来来，把把理理论论思思维维作作为为出出发发点点。笛笛卡卡儿儿创创建建以以数数学学为为基基础础演演绎法，成为以后理论物理学主要方法。绎法，成为以后理论物理学主要方法。第29页笛卡儿笛卡儿笛卡儿也认为试验能够提供“原始前提必要素材”，还能检验所得结论正确性。伽利略一样认为。真正科学就在“经常展示在我们眼前这部最伟大书中”，即宇宙、自然界。人们必须经过试验去阅读这部“自然之书”。第30页伽利略很重视进行观察和试验伽利略很重视进行观察和试验伽利略很重视进行观察和试验。他创建了一整套科学方法，这是无价之宝。爱因斯坦曾精辟分析道：“常听人说，伽利略之所以成为科学之父，是因为他以经验试验方法来代替思维、演绎方法。但我认为这种了解是经不起严格审查。把经验态度与演绎态度截然对立起来，那是错误，而且也不代表伽利略思想”。这就是说，应该全方面认识伽利略所首创试验、物理思维和数学演绎三者巧妙结合科学方法。第31页伽利略非常重视观察和试验伽利略非常重视观察和试验伽利略非常重视观察和试验，在观察和试验基础上提出假说，再用数学分析和逻辑推理证实假说，最终用试验验证理论正确。概括起来就是试验数学推理方法，这一方法，在伽利略以后很多年代里为很多人所重视。爱因斯坦和英费尔德在物理学进化一书中评论说：“伽利略发觉以及他所应用科学推理方法是人类思想史上最伟大成就之一，而且标志着物理学真正开端”。第32页惠更斯指出惠更斯指出荷兰物理学家惠更斯以后指出：培根不了解科学方法中数学所起作用，而笛卡儿则忽略了试验和经验作用。实际上，这两种方法是相互补充只有把这两种方法以及其它科学方法结合起来，才能最有效地促进科学认识健康发展。第33页第二章第二章 经典力学体系建立经典力学体系建立 第一节第一节 伽利略力学贡献伽利略力学贡献 一、斯台文力学研究一、斯台文力学研究 比利时力学家斯台文（公元比利时力学家斯台文（公元1548154816201620）于）于15861586年出版了静力学原理一书。在这本书中对阿年出版了静力学原理一书。在这本书中对阿基米德杠杆原理作了简化数学证实，提出了平行基米德杠杆原理作了简化数学证实，提出了平行力平衡完整理论，研究了滑轮组平衡问题和机械力平衡完整理论，研究了滑轮组平衡问题和机械效率问题。效率问题。斯台文对斜面平衡问题进行了深入研究，在两个斯台文对斜面平衡问题进行了深入研究，在两个力互成直角情况下，引进了三角形（或平行四边力互成直角情况下，引进了三角形（或平行四边形）法则，提出了力分解初步思想。形）法则，提出了力分解初步思想。第34页二、伽利略运动理论二、伽利略运动理论 1运动描述和分类方面 为了赋予“速度”这一概念以确切含义从而定义匀速运动和变速运动，他首先确切地表述了时间和空间概念，使时间和空间概念在物理学中含有了主要意义。他给匀速运动下定义是：“在任何相等时间间隔内经过距离相等”，他还提出了瞬时速度概念，瞬时速度概念提出，扩展了速度概念。第35页2 2对自由落体研究对自由落体研究伽利略还提出并证实落体运动是匀加速运动。伽利略还提出了“等末速度假设”，即物体在同一高度下落，不论是沿竖直方向还是沿不一样斜面，抵达末端时速度都是相同。反之，以一样速度上升，沿任何斜面上升高度都相同。第36页3 3惯性运动研究惯性运动研究 伽利略并没有完成这些推论，没有概括成普遍自然规律。而且伽利略认为惯性运动只能是绕地球圆周运动，使他结论带来不足，所以惯性定律完成仍需归功于牛顿。第37页4抛物运动研究抛物运动研究 伽利略用几何方法证实了，一个平抛物体能够分解为两种运动，一个是水平上匀速运动，它使物体一直保持水平速度不变；另一个是引力作用自由落体运动，这是匀加速运动。这两种运动同时存在于一个物体上，彼此互不干扰，合成一个运动，使物体沿一抛物线运动。这就是运动独立进行原理。第38页5 5伽利略相对性原理伽利略相对性原理 精彩地描述了匀速直线运动船舱里所观察到现象。他精彩地描述了匀速直线运动船舱里所观察到现象。他指出在这么船舱里所观察到现象将同船静止时完全一指出在这么船舱里所观察到现象将同船静止时完全一样：人们跳向船尾不会比跳向船头来得远；从挂着水样：人们跳向船尾不会比跳向船头来得远；从挂着水瓶中滴下水滴仍会滴进正下方罐子里；蝴蝶和苍蝇继瓶中滴下水滴仍会滴进正下方罐子里；蝴蝶和苍蝇继续随便地四处飞行，绝不会向船尾集中，或者为赶上续随便地四处飞行，绝不会向船尾集中，或者为赶上船运动而显出疲累样子船运动而显出疲累样子这些现象表明，在封闭船这些现象表明，在封闭船舱里所作任何观察和试验，都不能判断船终究是在运舱里所作任何观察和试验，都不能判断船终究是在运动还是停顿不动。这就是著名伽利略相对性原理，这动还是停顿不动。这就是著名伽利略相对性原理，这个原理发觉，是人类科学认识史上一个重大飞跃。个原理发觉，是人类科学认识史上一个重大飞跃。第39页第二节第二节伽伽利略至牛顿时代科学家利略至牛顿时代科学家 一、十七世纪中叶科学活动特点。哥白尼日心说经过布鲁诺、开普勒和伽利略等人工作，到了十七世纪几乎被全部科学家所接收。伽利略试验一数学推理方法为广大科学家所接收和发展。涌现出大批科学家和大批试验室。第40页牛顿所说牛顿所说“巨人巨人”法国笛卡儿（公元15961650）、费马（公元 1601一 1665）、帕 斯 卡（公 元 16231662）、马略特（公元1620一1684）、荷兰惠更斯（公元16291695）、德国莱布尼茨（公元1646一1716）、格里凯（公元1602一1686）、英国玻意耳（公元16271691）、胡克（公元16351703）和哈雷（公元1656一1742）等等。第41页2.科学团体出现科学团体出现 1662年国王查理二世正式同意成立“促进自然知识为宗旨皇家学会。”1663年建立了巴黎皇家科学院。第42页3.科学国际联络加强科学国际联络加强 法国尤其是英国成为自然科学活动中心。科学交流便不停地加强，先是个人间通信交流，以及学者们互访、讲学等活动。一批国际性学术杂志出现了。1665年英国皇家学会出版了哲学学报，法国科学院同年也出版了学人杂志，1682年莱比锡出版了博学者杂志。第43页笛卡儿笛卡儿笛卡儿差不多是伽利略同时代人。在哲学上，笛卡儿主张二元论，一方面他认为物质运动是客观存在，其次又认为精神也是实体。他机械宇宙观，数学演绎方法和某些物理规律对后来都有较大影响。提出了动量守恒定律。第44页笛卡儿笛卡儿明确地叙述了惯性定律，并尤其强调了方向：“假如物体处于运动之中，那么如无其它原因作用话，它将继续以一样速度在同一直线方向上运动，即不停顿也不偏离原来方向”。对于碰撞问题，他提出了七条规律。第45页英国物理学家和天文学家胡克英国物理学家和天文学家胡克在物理学史上是法拉第以前最伟大试验物理学家。16771683年任皇家学会秘书，1665年出版显微图集，1676年在论刀具切削一书中首次提出了固体弹性胡克定律。1680年初，在写给牛顿信中，胡克提出了引力反比于距离平方猜测。第46页法国物理学家马略特法国物理学家马略特法国试验物理学奠基者之一。马略特研究了热、光、视觉、颜色及气体性质。提出了一定质量气体，在温度不变时，体积跟压强成反比结论，与玻意耳十四年前提出结论相一致，这便是著名“玻意耳马略特”定律。主要著作有；空气性质试验、热和冷试验、颜色性质试验、水和其它液体运动等。第47页帕斯卡帕斯卡 他与费马、惠更斯共同建立了概率论和组合论基础。1658年完成了摆线论。1653年发觉了液体压强“帕斯卡定律”。第48页 玻意耳玻意耳 证实了空气是有重量物质，研究了压强对水沸点影响，以及空气传声作用、比重及折射率等。1662年经过试验得出了著名“被意耳马略特”定律。1661年出版了化学史上一部划时代著作怀疑派化学家，使化学从药剂师和炼金术士那里解脱出来，成为真正科学。第49页惠更斯惠更斯 荷兰数学家、物理学家和天文学家。惠更斯首先把几何学带进了力学领域。1678年在法国科学院发表了反对牛顿微粒说讲演，提出了光波动说，指出了在“以太”中传输光，像波一样，即著名惠更斯原理。其关键点是：波阵面上每一点都能够看作一个新波源，各向发出次波；各次波包络面即为下一时刻新波阵面。第50页惠更斯惠更斯他在力学方面主要工作是碰撞理论，摆和向心力。惠更斯还研究了离心力，他引入了向心加速度概念。为牛顿推证万有引力定律提供了依据。第51页第三节第三节 牛顿伟大综合牛顿伟大综合 一、牛顿取得成功历史条件和个人工作特点。在自然科学史上，牛顿完成了理论上第一次大综合，他借助于万有引力定律，创建了天体力学；借助于光色散等方面研究创建了光学；借助于流数而创建了微分学；借助于牛顿运动三定律创建了经典物理学。在自然科学史上，没有一个人开创了这么多学科。第52页牛顿取得成就客观条件主要有：牛顿取得成就客观条件主要有：1“商业革命”后，英国资本主义有很大发展。2新航路开辟以后，发生了“商业革命”，位于大西洋交通要道上英国，处于国际贸易枢纽地位，在1588年战胜西班牙后，取得了海上霸权。3牛顿曾说：“假如我所见比笛卡儿远一点，因为我是站在巨人们肩膀上缘故”。第53页巨人们巨人们 开普勒行星运动三定律和惠更斯向心加速度公式开普勒行星运动三定律和惠更斯向心加速度公式及胡克平方反比猜测为牛顿发觉万有引力做了准及胡克平方反比猜测为牛顿发觉万有引力做了准备；伽利略、笛卡儿、惠更斯等人对力学研究为备；伽利略、笛卡儿、惠更斯等人对力学研究为牛顿建立三定律及一些重大推论做了准备；牛顿牛顿建立三定律及一些重大推论做了准备；牛顿创建微积分就是在研究笛卡儿解析几何时受到了创建微积分就是在研究笛卡儿解析几何时受到了启发，斯涅耳和笛卡儿发觉了光折射定律，格里启发，斯涅耳和笛卡儿发觉了光折射定律，格里马第发觉了衍射现象和干涉现象，玻意耳、笛卡马第发觉了衍射现象和干涉现象，玻意耳、笛卡儿和胡克等人对物体颜色理论都做了许多工作，儿和胡克等人对物体颜色理论都做了许多工作，这些为牛顿光学理论作了准备。上述各项结果极这些为牛顿光学理论作了准备。上述各项结果极需给以总结，形成统一科学体系，牛顿顺应形势，需给以总结，形成统一科学体系，牛顿顺应形势，完成了人类对自然科学第一次大综合。完成了人类对自然科学第一次大综合。第54页牛顿个人工作特点牛顿个人工作特点 1重视试验，从归纳入手，这是牛顿科学方法论基础。2牛顿善于思索，含有清楚逻辑头脑，对错综复杂事物能够抓住要害，看清本质属性。3牛顿有着巨大数学才能，他第一个大量地利用数学方法系统地整理物理理论。第55页牛顿巨大成就，使他占有里程碑牛顿巨大成就，使他占有里程碑式独特地位式独特地位 牛顿对科学迷恋和献身精神，勤于思索和善于思索品格，透彻地系统地处理关键性问题志向和毅力，尊重其它科学家结果并善于吸收他人成就，也是牛顿取得成功内在原因。第56页牛顿巨大成就，使他占有里程碑式牛顿巨大成就，使他占有里程碑式独特地位独特地位牛顿提出了两个关健概念：“力”和“质量”，并把“力”与引力相联络，把“质量”与惯性相联络，从而把伽利略、笛卡儿和惠更斯等人对力学研究系统化，并把它们提出位移、速度、加速度、动量等科学概念纳入统一力学体系，建立了三定律。他认为天上物体和地上物体都恪守一样规律，因而综合天上月亮和地下自由落体运动而得出了万有引力定律。第57页二、万有引力定律发觉二、万有引力定律发觉 在牛顿发觉万有引力定律之前，经过哥白尼、吉尔伯特、开普勒、伽利略、惠更斯和胡克等人研究，思想准备已经基本成熟，但在数学上还碰到不少困难，在物理上还缺乏明确严格概念体系，完成万有引力定律发觉重担就落到了有着巨大教学才能和综合能力牛顿肩上。第58页主要贡献主要贡献第一是观念上，必定了地球上重力与天体间引力同一性，打破了亚里士多德“月上”与“月下”两个世界划分，所谓“万有”，就是贯天彻地无所不包意思。第二个贡献，是用数学方法表示出万有引力，证实了物体受平方反比力，其轨道一定是园维曲线，即园、椭园和双曲线。第59页主要贡献主要贡献牛顿经过磁石吸铁试验，发觉了力等于质量乘加速度这条运动第二定律，把这一定律用到引力中去，得出月球受地球引力和月球质量成正比，又依据他发觉运动第三定律，月球受地球引力等于地球受月球引力，所以这一引力也应与地球质量成正比。这么终于在1684年到1685年春季之间发觉了万有引力定律。第60页主要贡献主要贡献牛顿对万有引力研究，有很多光芒科学思想，首先 他是从建立统一力学体系出发而不是孤立地处理万有引力，所以就把力学中主要概念：力、质量、惯性、向心力、加速度及运动定律有机地组成一个整体;第二，从方法上他抓住引力问题主要原因，从地月两体问题出发，引入新数学方法研究变量问题；第61页主要贡献主要贡献第三，他把引力与运动第二定律及第三定律结合起来，推广为引力与两体质量乘积成正比与距离平方成反比定律；第四，牛顿用积分方法处理了球形物体相互吸引能够看做质量集中到球心，并在“地月检验”中得到证实，当新地球半径一经公布，马上得出了满意结果。第62页万有引力定律考验万有引力定律考验对牛顿万有引力定律理论第一个重大考验是关于地球形状“桔子”和“柠檬”之争。万有引力思想第二个辉煌胜利是彗星轨道、周期计算。海王星发觉是万有引力定律最伟大胜利。第63页 三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理 牛顿（公元16421727）于164212月25日生于英国林肯郡沃尔斯京索普村。1661年5月，牛顿以“减费生”身份考上了著名剑桥大学三一学院，在“卢卡斯讲座”第一任教授巴洛引导下，走上了自然科学研究道路。自然哲学数学原理于1687年问世。这部书出版，标志着经典力学体系建立。第64页三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理牛顿自然哲学数学原理是自然科学划时代著作。在科学史上，只有象欧几里得几何原本、达尔文物种起源等名著才能与之相比。原理共分两部分，第一部分仿照欧几里得方法，首先提出了定义和原理。以空间、时间、质量和力四个绝对化概念为基础，以运动三定律为关键。第二部分是这些基本原理应用，包含三篇。第65页三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理第一个定义是：“物质量是经过正比于密度和体积总和来确定量度单位。”牛顿把质量称为“物质量”，这是关于质量第一个定义。牛顿还显著地把质量与重量区分开来，前者是物体固有属性，后者决定于一定位置所受地球引力。第二个定义是关于动量：“动量是经过正比于速度和质量总和来确定量度单位。”牛顿把动量看成运动，并指出动量是一个可加量。第66页三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理第三个定义含有质量作为物质惯性量度内容，第四个定义给出了力严格和科学定义：“施加力是能使物体改变它静止状态或匀速直线运动状态一个作用。”其它四个定义是关于向心力。绝对时间、绝对空间、绝对运动、绝对静止四个概念。第67页三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理在三定律之后，牛顿结出了六个推伦。第一条推论是力平行四边形法则：一个物体同时受到两个力作用，所受力就与以这两力为边平行四边形对角线一个力作用相同。其余几个推论，提出了运动叠加原理，动量守恒定律和力学相对性原理。第68页三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理原理第二部分分三篇。第一篇讨论了万有引力定律和有心运动问题，提出了严谨天体力学理论，。第二篇讨论了物体在有阻力介质中运动。第三篇阐述了他天体力学理论，介绍了许多研究结果。原理以其宏大篇幅、精湛思想、严谨体系和丰富内容成为物理学发展史上一部光芒经典著作。第69页三、牛顿和他原理三、牛顿和他原理一方面牛顿以其自然科学巨大成就，对人类科学思想影响远远超过同时代其他人；其次，他坚信上帝存在，这同文艺复兴以来反对宗教潮流相违背。此外，牛顿绝对时间、绝对空间和绝对运动观念以及质量不变观念，也表明牛顿自然观带有明显形而上学特点。第70页 第四节第四节 力学深入发展力学深入发展 一、试验基础发展。在这一时期，国际单位得以确立，进行了一些著名物理试验，材料力学和流体力学研究取得了很多突破性结果。凡此种种，都促进物理试验朝着通用化、准确化和适用化方向发展。第71页一、试验基础发展一、试验基础发展1851年，法国物理学家佛科（公元18191868）在巴黎名人公墓处圆顶大教堂，为证实地球自转而做演出，轰动了巴黎，是物理学史上一件大事。他把28千克摆悬挂在67米高教堂圆顶上。周期为16.5秒“佛科摆”每振动一次，人们就能够亲眼看到摆尖在直径为6米沙盘移动约3毫米，使试验观众“确实以为自己脚下地球在转动”。第72页18741874年成立了卡文迪许试验室年成立了卡文迪许试验室麦克斯韦出任第一位主任，他创建了电磁场理论。试验室第二任主任是瑞利（公元1842一1919）任期为1879一1884年，获19诺贝尔奖。第三任约汤姆逊（公元1856一1940）任期1884年一19。获19诺贝尔奖，他除了自己出色科学研究结果外，还培养了一大批诺贝尔奖金取得者。第73页18741874年成立了卡文迪许试验室年成立了卡文迪许试验室卢瑟福（公元1871一1937）于19接任第四任主任，直到逝世。这位终生从事物理研究伟大物理学家获19诺贝尔化学奖。第五位主任是威廉劳伦斯布拉格（公元18901971）；19与其父同获诺贝尔奖。1954年莫特出任第六任主任。他于1977年获诺贝尔奖。1971年皮帕德接任第七任主住，1979年起，原主任之职由库克分担。第74页二、关于二、关于“运动量度运动量度”争论争论 在十六、十七世纪，物理学家们对于力学中一些基本概念如“力”，“运动”、“动量”、“功”和“能量”等等都没有一致公认准确定义，所以含义混同不清。为了从量方面去研究机械运动，科学家们试图寻找一个普遍物理量来做为运动量度，从而引发了笛卡儿学派和莱布尼茨学派关于“运动量度”争论。第75页二、关于二、关于“运动量度运动量度”争论争论笛卡儿依据伽利略由重量和速度乘积来量度运动主张，提出了用质量和速度乘积来量度运动，这种量度标准对于碰撞问题研究非常方便、牛顿接收了笛卡儿主张，并把这一乘积定义为动量。第76页二、关于二、关于“运动量度运动量度”争论争论1686年莱布尼茨在他论文对可纪念笛卡儿和其它人关于使上帝都希望永远保持运动量守恒自然定律错误之简短证实中，对笛卡儿学派这个量度提出了批判，他认为运动不能用质量和速度乘积来量度，他用落体运动为例，指出笛卡儿量度与落体定律矛盾同时，也发觉笛卡儿量度在一些情况下是适用，所以提出了“死力”和“活力”。第77页二、关于二、关于“运动量度运动量度”争论争论许多著名物理学家和哲学家都参加这场争论。赞同莱布尼茨有约翰伯努力和雅可比伯努利及欧勒等，赞同笛卡儿有马克劳林、卡特兰、克拉克等人。第78页二、关于二、关于“运动量度运动量度”争论争论1743年达兰贝尔（公元17171783）在动力学论一书中指出，两种量度都是有效。当物体平衡时，力用质量与物体虚速度乘积来量度；当物体受妨碍而停顿，则能够用质量与物体速度平方来量度，也就是说力能够表示为单位时间动量改变，也能够表示单位距离内质量与物体速度平方改变。第79页二、关于二、关于“运动量度运动量度”争论争论这场“运动量度”争论，掀起了对牛顿力学深入研究，对物理学基本概念也逐步统一起来，为物理学深入发展打好了基础。第80页三、三大守恒定律确立三、三大守恒定律确立 动量守恒定律思想，是笛卡儿首先提出，惠更斯深入指出动量矢量性，在碰撞作用下物体运动中，准确地表述了碰撞过程中动量守恒原理，并发觉在此过程中系统共同质心运动速度为一常量。牛顿在原理一书中把“质心运动守恒定律”作为运动定律一个推论，作了明确表述。第81页三、三大守恒定律确立三、三大守恒定律确立16开普勒第二定律，这一定律实质上就是动量矩守恒定律。牛顿在原理一书中推广到一切有心力运动场所，指出一切在有心力作用下物体运动，其矢径在相等时间内扫过面积都相等。丹尼尔伯努利和欧勒等人也以不一样形式提出这一原理：合外力矩等于总动量矩改变率。第82页三、三大守恒定律确立三、三大守恒定律确立惠更斯在研究完全弹性碰撞中得到质量与速度平方乘积总和不变结论。1696年莱布尼茨引进了“活力”概念，认为宇宙中“活力守恒”，而且提出力和旅程乘积等于活力增加。1724年，约翰伯努利提出，活力改变时，做功本事并不消失。第83页三、三大守恒定律确立三、三大守恒定律确立科里奥利（公元1792一1843）用代替，而且准确地表述了莱布尼茨发觉：对物体做功，等于物体动能增加。现在我们称之为动能定理。第84页四、分析力争发展四、分析力争发展 以应用分析数学为工具力学分析力学。分析力学应用了从虚功原理、最小作用原剪发展成变分法和引入了广义座标和代数方法，其基本理论体系可分为微分形式和积分形式两种完全等价形式。第85页四、分析力争发展四、分析力争发展分分析析力力学学微微分分形形式式，是是由由虚虚功功原原理理和和达达兰兰贝贝尔尔原原理理相相结结合合而而得得到到拉拉格格朗朗日日动动力力学学普普遍遍方方程程，进进而而推广为自由参数普通动力学方程（拉格朗日方程）。推广为自由参数普通动力学方程（拉格朗日方程）。丹尼尔丹尼尔 伯努利和欧勒开拓了偏微分方程，欧勒伯努利和欧勒开拓了偏微分方程，欧勒还发表了关于变分法第一部著作，包含至今仍在还发表了关于变分法第一部著作，包含至今仍在教科书中应用教科书中应用“欧勒方程欧勒方程”。约翰。约翰 伯努利（公伯努利（公元元1667166717481748）于）于1717提出了提出了“虚速度虚速度”概念，并概念，并断言假如诸力平衡，各力与力方向上虚速度乘积断言假如诸力平衡，各力与力方向上虚速度乘积之和等于零。之和等于零。第86页四、分析力争发展四、分析力争发展法籍意大利著名数学家和物理学家拉格朗目（公元17361813）于1788年出版了伟大著作分析力学完成了虚速度原理。他把数学分析全部应用到质点和刚体力学上，融合了欧勒、达朗贝尔等数学家结果，并把变分学应用到力学上，使“几何静力学”时期进入到“分析静力学”时期。这一原理就是以后称作“虚功原理”。第87页四、分析力争发展四、分析力争发展法国数学家、物理学家拉普拉斯（公元17491827）创造了有名拉普拉斯算符并修改了拉格朗日位函数方程，法国数学家泊松（公元17811840）于18给出了位函数普通方程。第88页四、分析力争发展四、分析力争发展分析力学积分形式是从莫泊丢最小作用原剪发展起来变分原理，这是以“最小”观念为基础开辟一个处理力学问题全新路径。他于1744年指出体系实际发生运动是使某一作用量取最小值运动，这就是“最小作用原理”。第89页四、分析力争发展四、分析力争发展1761年拉格朗日把这一原理称为变分原理，并推广到一切物体上运动，对原理中“作用”概念给予准确定义。爱尔兰数学家哈密顿（公元18051865）研究光学问题时在18341835年间发觉了力学上著名哈密顿原理，完成了由莫泊丢开始试尝，成为牛顿之后力学发展一个最大飞跃。第90页四、分析力争发展四、分析力争发展哈蜜顿原理将动力学问题转化为数学普通体系一部分，它更深刻地揭示了客观事物之间紧密联络。它正则方程，对力学研究非常方便，对统计力学、电动力学及当代相对论及量子力学研究也是非常方便。变分原理确实立，为自然科学发展提供了新思绪，并使整个力学理论建立在崭新基础上。对于推进物理学发展，起到了主要作用。第91页