經(jīng)典力學(xué)的建立和發(fā)展演示文稿

經(jīng)典力學(xué)的建立和發(fā)展演示文稿當(dāng)前第1頁\共有50頁\編于星期一\12點（優(yōu)選）經(jīng)典力學(xué)的建立和發(fā)展當(dāng)前第2頁\共有50頁\編于星期一\12點近代自然科學(xué)的誕生是從天文學(xué)的突破開始的。

我們知道，在人類歷史上起源最早的科學(xué)實際只有三種，也就是最古老的科學(xué)，只有三種，這就是天文學(xué)，數(shù)學(xué)和力學(xué)，這三種科學(xué)為什么古老呢？因為它們都和古代人的生活是有關(guān)系的，它都是一種實用的科學(xué)。1）人們需要居住，他就要建設(shè)自己的房屋，因此力學(xué)就發(fā)展起來；2）人們要為適時地從事農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，為了適時地去舉行祭祀和慶典、觀天象，決定時間就是一個首要的工作，所以天文學(xué)就發(fā)展起來了；3）天文學(xué)、力學(xué)發(fā)展到一定程度就需要精確化，因此數(shù)學(xué)就發(fā)展起來了。在中國古代從他們的傳統(tǒng)認(rèn)識考慮，數(shù)學(xué)更側(cè)重于和天文學(xué)的關(guān)系，因此在中國古代天數(shù)是不分的。經(jīng)典力學(xué)是從伽利略和開普勒時代開始的，到牛頓時代到達(dá)成熟階段。當(dāng)前第3頁\共有50頁\編于星期一\12點§2.1坐標(biāo)系、位置矢量、速度力學(xué)是定量的科學(xué)，為了描寫物體運動，必須引入基本量位置、時間、速度。在牛頓力學(xué)中，坐標(biāo)和時間是獨立的，且在不同參考系中用“長度不變的尺”和“絕對時間”（即不同參考系中鐘的快慢一樣）。速度v=Δx/Δt

加速度：a=Δv/Δt當(dāng)前第4頁\共有50頁\編于星期一\12點速度是矢量，速度合成用平行四邊形法則。例如：船渡河當(dāng)前第5頁\共有50頁\編于星期一\12點§2.2從哥白尼到開普勒一、向地心說挑戰(zhàn)——哥白尼創(chuàng)立日心說為什么近代科學(xué)誕生是從天文學(xué)的突破開始的？托勒密地心說體系

托勒密當(dāng)前第6頁\共有50頁\編于星期一\12點托勒密地心說（公元150年,第一次提出完整宇宙模型）恒星天地球月亮水星金星太陽火星木星土星太陽東升西落太陽繞著地球轉(zhuǎn)地心說原動天當(dāng)前第7頁\共有50頁\編于星期一\12點波蘭天文學(xué)家哥白尼(1473-1543)日心說提出的科學(xué)根源、哲學(xué)根源和歷史根源是什么？科學(xué)根源：隨著天文學(xué)觀察數(shù)據(jù)越來越多，為了給予解釋，托勒密的地心說不斷修補，越來越復(fù)雜，難以使人信服。哲學(xué)根源：他接受畢達(dá)哥拉斯學(xué)派提出的“宇宙是和諧的，可用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系來表達(dá)宇宙規(guī)律”的基本思想。他也贊同柏拉圖哲學(xué)，同柏拉圖一樣，高度贊美太陽，給予太陽“宇宙正中”的位置。歷史根源：在意大利留學(xué)10年，受到文藝復(fù)興運動影響，思想解放，投身科學(xué)革命。當(dāng)前第8頁\共有50頁\編于星期一\12點哥白尼哥白尼日心說示意圖日心說的創(chuàng)立和《天體運行論》的出版

當(dāng)前第9頁\共有50頁\編于星期一\12點二、開普勒行星三定律哥白尼和畢達(dá)哥拉斯的哲學(xué)思想強烈吸引開普勒。與第谷（丹麥天文學(xué)家）合作，使他從第谷處獲得了大量精確的天文學(xué)數(shù)據(jù)。

1609—1619年，他先后提出了行星運動三定律。第谷在天文臺工作第谷用過的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)前第10頁\共有50頁\編于星期一\12點1.橢圓定律：每個行星的軌道是一個橢圓，太陽位于一個焦點上。開普勒第一定律當(dāng)前第11頁\共有50頁\編于星期一\12點2．等面積定律：在行星與太陽間作一條直線，則此直線在行星運動時于相同時間內(nèi)掃過相等的面積。3．和諧定律：行星運動周期T的平方正比于行星與太陽平均距離R的三次方，記為：開普勒第二定律當(dāng)前第12頁\共有50頁\編于星期一\12點開普勒已經(jīng)認(rèn)識到：他的定律強烈地暗示了太陽對行星有一種吸引力，這個力隨距離之增大而減弱。這樣才能理解例如為什么水星（離太陽最近）的運動速度比金星的快，因而周期最短的事實。但這是什么樣的力呢？開普勒還想不出來，揭示這一自然奧秘的任務(wù)是后來牛頓完成的，但開普勒的理論為牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立提供了重要基礎(chǔ)。從開普勒起，天文學(xué)真正成為一門精確科學(xué)，成為近代科學(xué)的開路先鋒。開普勒當(dāng)前第13頁\共有50頁\編于星期一\12點§2.3伽利略和近代力學(xué)的誕生一、伽利略在天文學(xué)方面的貢獻(xiàn)：（36頁）自制望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星的4顆衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)太陽黑子定出太陽自轉(zhuǎn)周期約27天伽利略伽利略望遠(yuǎn)鏡

木星衛(wèi)星

當(dāng)前第14頁\共有50頁\編于星期一\12點二、在力學(xué)方面的貢獻(xiàn)：提出落體定律和慣性運動概念

勇敢地否定了亞里士多德把運動劃分為“自然運動”和“強迫運動”，而是抓住了運動基本特征量——速度和加速度，把運動分為“勻速”和“變速”。用思想實驗和斜面實驗駁斥了亞里士多德的“重物下落快”的錯誤觀點，發(fā)現(xiàn)自由落體定律。伽利略與斜塔

伽利略斜面實驗所謂自然運動，應(yīng)該是不受人的干預(yù)，不準(zhǔn)附加任何人為條件的運動，比如自由落體、自組織系統(tǒng)的變化和行星運轉(zhuǎn)等（下文稱絕對運動）；所謂的強迫運動當(dāng)指人為增添了特設(shè)條件的運動，比如將物體抬高、擺鐘和日常生活中經(jīng)常發(fā)生的許多運動。當(dāng)前第15頁\共有50頁\編于星期一\12點三、對科學(xué)方法的貢獻(xiàn)伽利略的研究方法

伽利略在解釋其觀察結(jié)論

對現(xiàn)象的觀察提出假設(shè)進(jìn)行數(shù)學(xué)和邏輯的推理實驗驗證形成理論開創(chuàng)了科學(xué)實驗方法，并將實驗、觀察和理論思維相結(jié)合。提出了思想實驗。當(dāng)前第16頁\共有50頁\編于星期一\12點愛因斯坦評價他說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)真正的開端?！辟だ员缓笕朔Q為“現(xiàn)代物理之父”。羅馬教庭對伽利略的審判當(dāng)前第17頁\共有50頁\編于星期一\12點§2.4牛頓和經(jīng)典力學(xué)的成熟英國著名詩人Pope寫道：自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧！”于是一切成為光明。牛頓發(fā)明反射望遠(yuǎn)鏡

一、牛頓簡歷（39頁）當(dāng)前第18頁\共有50頁\編于星期一\12點牛頓第一定律--慣性定律:一個不受外力作用的物體，將保持它的靜止或者勻速直線運動狀態(tài)。牛頓第二定律—運動定律:

牛頓第三定律又稱作用和反作用定律：一物體對另一物體的作用力同時引起另一物體對該物體的大小相等、方向相反的反作用力，作用力和反作用力在同一條直線上。二、牛頓三定律：當(dāng)前第19頁\共有50頁\編于星期一\12點1．思想突破問題的提出——月亮為什么不掉到地球上來？別人只看到了天上和地上的運動不同，牛頓看到了它們的相似性，把它們統(tǒng)一起來。這正是牛頓哲學(xué)思想——統(tǒng)一性原理的體現(xiàn)。三、萬有引力定律的創(chuàng)立過程100年后卡文迪許測得：目前的國際公認(rèn)值：N?m2/kg2N?m2/kg22.萬有引力公式的建立當(dāng)前第20頁\共有50頁\編于星期一\12點卡文迪許扭稱卡文迪許旋吊線懸吊在半空中可以自由轉(zhuǎn)動的木桿小鉛球大鉛球1798年，卡文迪許利用實驗測得的重力加速度計算出了地球的質(zhì)量約為60萬億億噸，成為第一個稱量地球質(zhì)量的人。當(dāng)前第21頁\共有50頁\編于星期一\12點3．理論預(yù)言的實踐檢驗——哈雷彗星和海王星的發(fā)現(xiàn)哈雷彗星

海王星

當(dāng)前第22頁\共有50頁\編于星期一\12點4．牛頓在科學(xué)研究方法上的貢獻(xiàn)

“我把這部著作叫做《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，因為哲學(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各種運動現(xiàn)象來研究各種自然之力，而后用這些力去論證其他的現(xiàn)象?！?/p>

牛頓的研究方法：歸納-演繹法歸納法：從實驗出發(fā)，由特殊到一般演繹法：以理論為主，由一般到特殊《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》當(dāng)前第23頁\共有50頁\編于星期一\12點三、牛頓的自然哲學(xué)思想牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，提出了4條《哲學(xué)中的推理法則》：簡單性原理：除那些真實而已足夠說明其現(xiàn)象者外，不必再去尋求自然界事物的其他原因。簡單性原理實際上是緣于古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派，哥白尼、開普勒、伽利略及牛頓的研究中都貫穿了自然界是簡單和諧的指導(dǎo)思想。

因果性原理：對于自然界中同一類結(jié)果，必須盡可能歸之于同一種原因。因果性原理實質(zhì)是決定論。直到二十世紀(jì)量子理論誕生，對因果決定論提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)前第24頁\共有50頁\編于星期一\12點

統(tǒng)一性原理：物體的屬性，凡是既不能增強也不能減弱者，又為我們實驗所能及的范圍的一切物體所具有者，就應(yīng)視為所有物理的普遍屬性。實際上統(tǒng)一性原理是承認(rèn)物質(zhì)世界具有共同的物質(zhì)性。真理性原理：在實驗哲學(xué)中，我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運用一般歸納而導(dǎo)出的命題看作是完全正確的或很接近于真實的，雖然可以想象出任何相反的假說，但是在沒有出現(xiàn)其他現(xiàn)象足以使之更為正確或者出現(xiàn)例外之前，仍然應(yīng)當(dāng)給予如此的對待。牛頓的自然哲學(xué)思想以及歸納法和演繹法相結(jié)合，模型和數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究方法，不僅使他成功地建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合，而且推動了近代科學(xué)的大發(fā)展。當(dāng)前第25頁\共有50頁\編于星期一\12點恩格斯：“不管自然科學(xué)家采取什么樣的態(tài)度，他們還是得受哲學(xué)的支配。”玻恩：“真正的科學(xué)是富于哲學(xué)理性的，尤其是物理學(xué)，它不僅是走向技術(shù)的第一步，而且還是通向人類思想的最深層的途徑?！碑?dāng)前第26頁\共有50頁\編于星期一\12點四、站在巨人肩膀上的牛頓“如果說我比其他人看得遠(yuǎn)一點的話，那是因為我站在巨人的肩上?！薄拔也恢廊藢⑷绾慰创遥窃谖铱磥恚也贿^像一個在海濱玩耍的孩子，為時而發(fā)現(xiàn)一塊比平常光滑的石子或美麗的貝殼而感到高興；但那浩瀚的真理之海洋，卻還在我的面前未曾發(fā)現(xiàn)呢?！碑?dāng)前第27頁\共有50頁\編于星期一\12點五、牛頓物理學(xué)的局限性當(dāng)物體運動速率很高時（接近光速），當(dāng)所描寫的體系很小時（微觀體系），當(dāng)所描述的物質(zhì)系統(tǒng)很大時，或引力很強時，牛頓的萬有引力、運動定律和牛頓的時空觀就不完全正確了，將由新的理論來代替。當(dāng)前第28頁\共有50頁\編于星期一\12點§2.5動量守恒定律機械能守恒定律動量守恒定律和機械能守恒定律以及下一節(jié)要講的角動量守恒定律，揭示了在物體運動變化過程中保持不變的東西。這些守恒定律常被人們用作處理動力學(xué)問題的出發(fā)點，使問題的處理簡單、方便，而不必知道物理過程的細(xì)節(jié)，就可以由初始條件推演出過程結(jié)束時的運動情況。當(dāng)前第29頁\共有50頁\編于星期一\12點一、動量、力的沖量動量守恒定律動量：沖量引起動量的變化：動量守恒：在一個封閉（不受外力）的體系內(nèi)，在內(nèi)力作用下總動量保持守恒。壓縮彈簧使兩車分開——動量守恒例如：在平滑的冰面上兩個人推手當(dāng)前第30頁\共有50頁\編于星期一\12點二、描述機械運動的兩個量——動量和動能這兩個量互不相同，有本質(zhì)區(qū)別，都很重要。動量是矢量，它的變化與沖量有關(guān)。動能是標(biāo)量，它的變化與力做功有關(guān)，而且它可以轉(zhuǎn)化為其他不同形式的能量。當(dāng)前第31頁\共有50頁\編于星期一\12點三、重力勢能、功、機械能守恒舉重物體，要先克服地球引力做功物體下落，勢能轉(zhuǎn)化為動能在保守場中，機械能（動能和勢能之和）保持不變功是力與位移的標(biāo)積當(dāng)做功與路徑無關(guān)時，稱這種力為保守力。種力、彈力、萬有引力是保守力。當(dāng)前第32頁\共有50頁\編于星期一\12點§2.6彈性和振動下面討論另一種保守力——彈性力作用下物體運動的描述。以彈簧振子為例，設(shè)彈簧振子質(zhì)量為m，彈簧的勁度系數(shù)為k。彈簧施加在物體上的力振子動能與勢能之和為常量，即機械能守恒當(dāng)前第33頁\共有50頁\編于星期一\12點守恒定律的應(yīng)用舉例：1.火箭飛行原理“長征”

3型運載火箭當(dāng)前第34頁\共有50頁\編于星期一\12點時刻

tm時刻t+dtm+dmdm<0t時刻，總質(zhì)量為m，速度為經(jīng)過dt時間，火箭質(zhì)量變?yōu)閙+dm，速度增加為dt時間內(nèi)，噴出氣體質(zhì)量為-dm，其相對火箭的速度為根據(jù)動量守恒定律當(dāng)前第35頁\共有50頁\編于星期一\12點設(shè)初始質(zhì)量為M0，初速度為v0，燃料燒完后，火箭質(zhì)量為Mf，速度為vf，對上式積分上式表明火箭增加的速度和噴氣速度成正比，和火箭始末質(zhì)量比的自然對數(shù)成正比。一般的火箭的質(zhì)量比可達(dá)到6

左右。采用多級火箭可以獲得更高速度。為了使火箭獲得高速度，現(xiàn)在采用多級火箭。以三級火箭為例，設(shè)三級火箭質(zhì)量比分別為N1、N2、N3。第一級的初速度為零，第一級脫落時的末速度為v1，第二級脫落時末速度為v2，最后速度為v3，仍設(shè)火箭噴出的氣體相對火箭的速度為u，則有當(dāng)前第36頁\共有50頁\編于星期一\12點2.三個宇宙速度1）第一宇宙速度在地面上發(fā)射航天器，使之能繞地球圓軌道運行所需的最小發(fā)射速度，即發(fā)射人造衛(wèi)星所需的最小速度。三式相加，則當(dāng)前第37頁\共有50頁\編于星期一\12點美國的間諜衛(wèi)星據(jù)稱能看見地球上一份報紙的大標(biāo)題或汽車的車牌間諜衛(wèi)星２４小時監(jiān)視薩達(dá)姆的總統(tǒng)行宮當(dāng)前第38頁\共有50頁\編于星期一\12點間諜衛(wèi)星拍到“９.１１”事件發(fā)生后的情景2）第二宇宙速度在地面上發(fā)射航天器，使之能脫離地球引力場所需的最小發(fā)射速度，即對應(yīng)航天器逃離地球后速度為零的情況，此時系統(tǒng)機械能也為零。當(dāng)前第39頁\共有50頁\編于星期一\12點3）第三宇宙速度在地面上發(fā)射航天器，使之不但能脫離地球引力場，還要脫離太陽的引力場所需的最小發(fā)射速度。計算在地球公轉(zhuǎn)軌道上需以多大速度發(fā)射，才能脫離太陽的引力場。代入太陽質(zhì)量Me，地球到太陽的距離Re地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道速度為航天器沿地球軌道速度方向發(fā)射，所需要的發(fā)射速度為當(dāng)前第40頁\共有50頁\編于星期一\12點考慮地球引力場作用，在地球引力場中,系統(tǒng)機械能守恒。要使航天器脫離地球引力后的速度為v0

'

，那么在地球表面所需要的發(fā)射速度為當(dāng)前第41頁\共有50頁\編于星期一\12點1969年7月16日，美國宇航員奧德林完成人類首次登月壯舉當(dāng)前第42頁\共有50頁\編于星期一\12點長征四號乙火箭成功地將中國資源二號衛(wèi)星送入軌道中國“長征”

3型運載火箭多次將衛(wèi)星成功送入軌道當(dāng)前第43頁\共有50頁\編于星期一\12點航天飛機