《第1節(jié) 牛頓眼中的世界》講義

《第1節(jié)牛頓眼中的世界》講義牛頓眼中的世界同學(xué)們，咱們現(xiàn)在開始學(xué)習(xí)高中魯科版選修3-4第六章相對論與天體物理的第一節(jié)，牛頓眼中的世界。這就像是我們要去探索一位科學(xué)巨匠腦海里的奇妙宇宙呢！咱們先來講講牛頓這個人。牛頓啊，就像是科學(xué)界的超級英雄。他在樹下被蘋果砸了腦袋然后就開始思考重力的事兒，這事兒大家可能都聽說過。但這可不是一個簡單的被砸事件哦。想象一下，牛頓當(dāng)時坐在蘋果樹下，可能正做著自己的小美夢呢，突然“咚”的一下，一個蘋果就砸到他腦袋上了。這要是一般人啊，可能就罵罵咧咧幾句，然后把蘋果吃了就完事兒了?？墒桥ｎD不一樣啊，他就開始想，這蘋果為什么是往下掉，而不是往上飛或者橫著走呢？這個看似簡單的問題，就像一把鑰匙，打開了牛頓探索力學(xué)世界的大門。在牛頓眼中的世界里，時間和空間那可是絕對的。啥叫絕對的呢？就是說時間就像一個超級穩(wěn)定的節(jié)拍器，“滴答滴答”地走著，不管你在干什么，不管你是在慢悠悠地散步，還是坐著火箭在太空里飛，時間的流逝速度都是一樣的。就好比咱們學(xué)校的上課鈴，不管你在操場的哪個角落，不管你是在開心地踢球還是在發(fā)呆，上課鈴都是在那個固定的時間響起。這就是牛頓認(rèn)為的時間的絕對性?？臻g呢，在牛頓看來就像一個巨大無比的空盒子。這個盒子有固定的大小，固定的形狀，而且不管里面有沒有東西，它都是那樣。比如說咱們的教室，在牛頓的概念里，教室的長寬高是固定不變的，不管里面坐滿了學(xué)生還是空蕩蕩的，它的空間大小都不會改變。這就是牛頓的絕對空間觀念。那牛頓眼中的運動又是怎樣的呢？他提出了著名的牛頓運動定律。第一定律說的是，如果一個物體沒有受到外力的作用，那么這個物體就會保持靜止或者勻速直線運動的狀態(tài)。這就像在一個超級光滑的冰面上，如果沒有風(fēng)啊、別人推你啊這些外力，你就會一直保持原來的狀態(tài)，要么靜靜地待著，要么就一直以一個速度直線滑下去。咱們來舉個例子。我小時候啊，有一次在冰面上滑冰。那冰面可滑溜了，我一開始慢慢滑著，后來不小心摔了一跤，就停了下來。這時候我就在想啊，如果沒有我摔跤這個外力（其實就是摩擦力啦），我是不是就會一直滑下去呢？這就很符合牛頓第一定律啦。牛頓第二定律就更有趣了。它說的是力等于質(zhì)量乘以加速度，F(xiàn)=ma。這個定律可以解釋很多生活中的現(xiàn)象。比如說，我們要推動一個很重的箱子和一個很輕的箱子。如果我們用同樣大小的力去推，很明顯，輕的箱子會更容易被推動，而且它的速度會更快地改變，也就是加速度更大。這就是因為輕箱子的質(zhì)量小，根據(jù)牛頓第二定律，在同樣的力的作用下，質(zhì)量小的物體加速度大。再講講牛頓第三定律，它說的是作用力和反作用力大小相等，方向相反。就像你用力推墻的時候，你會感覺到墻也在用力推你。我記得有一次我和小伙伴們玩拔河比賽。我在這邊用力拉繩子，我就感覺到對面小伙伴的拉力，這其實就是牛頓第三定律在起作用。我拉繩子的力和小伙伴拉繩子的力大小是相等的，方向是相反的。在牛頓眼中的力學(xué)世界里，這些定律就像魔法一樣，可以解釋很多很多現(xiàn)象。比如說天體的運動。牛頓就用他的力學(xué)理論解釋了行星為什么會繞著太陽轉(zhuǎn)。他認(rèn)為是太陽對行星有一個引力，這個引力就使得行星沿著橢圓軌道繞著太陽轉(zhuǎn)。就好比你用一根繩子拴著一個小球，然后你甩動繩子，小球就會繞著你的手做圓周運動一樣。太陽就像我們的手，引力就像那根繩子，行星就像小球。在地球上，牛頓的力學(xué)理論也能很好地解釋很多事情。比如說建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。工程師們在設(shè)計高樓大廈的時候，就要考慮到各種力的作用。像大樓自身的重力，還有可能遇到的風(fēng)力等等。他們要根據(jù)牛頓的力學(xué)定律來計算大樓的結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，能不能承受這些力。就像我們搭積木一樣，如果我們搭得不合理，積木就會倒下來。而大樓要是設(shè)計得不合理，那可就危險了。還有汽車的設(shè)計呢。汽車在行駛過程中會受到各種力的作用，比如發(fā)動機(jī)的牽引力，地面的摩擦力，空氣的阻力等等。汽車工程師就要根據(jù)牛頓的力學(xué)理論來設(shè)計汽車的發(fā)動機(jī)功率，輪胎的摩擦力，車身的形狀（為了減少空氣阻力）等等。這樣才能讓汽車既跑得快，又安全可靠。牛頓的萬有引力定律也是非常重要的一部分。他發(fā)現(xiàn)任何兩個物體之間都存在著引力，這個引力的大小和兩個物體的質(zhì)量成正比，和它們之間距離的平方成反比，F(xiàn)=G*(m1*m2)/r2。這里的G就是萬有引力常量。這個定律可以解釋為什么蘋果會掉落到地球上，也能解釋為什么月亮?xí)@著地球轉(zhuǎn)。想象一下，我們把地球想象成一個大磁鐵（當(dāng)然這只是為了方便理解，引力和磁力還是有區(qū)別的哦），蘋果就像一個小鐵釘。地球這個大磁鐵對蘋果這個小鐵釘有吸引力，所以蘋果就會往地球上掉。而月亮呢，就像一個被地球這個大磁鐵吸引著，在一定距離上做圓周運動的小珠子。在航海方面，萬有引力定律也有著重要的作用。水手們可以根據(jù)月亮和星星的位置，利用萬有引力定律來計算自己的位置。這就像是在茫茫大海上有了一個導(dǎo)航儀一樣。牛頓眼中的世界是一個有規(guī)律、可預(yù)測的世界。只要我們知道了物體的初始狀態(tài)，以及作用在它上面的力，我們就可以預(yù)測這個物體在未來任何時刻的狀態(tài)。這在當(dāng)時是一個非常偉大的想法。不過呢，隨著科學(xué)的發(fā)展，后來愛因斯坦提出了相對論，對牛頓的理論有了一些修正。但這并不影響牛頓理論的偉大之處。牛頓的理論就像是一座大廈的基石，后來的科學(xué)理論都是在這個基石上不斷發(fā)展起來的。就好比我們現(xiàn)在用的手機(jī)，雖然它有很多很先進(jìn)的功能，但是它的發(fā)展也是建立在很多基礎(chǔ)的科技之上的。牛頓的理論就像那些基礎(chǔ)科技，雖然看起來可能有點古老，但卻是非常非常重要的。在科學(xué)研究方面，牛頓的理論給了科學(xué)家們一種研究的方法和思路?？茖W(xué)家們可以通過觀察現(xiàn)象，提出假設(shè)，然后用實驗來驗證假設(shè)，就像牛頓研究力學(xué)和萬有引力定律那樣。這種科學(xué)研究的方法一直影響到現(xiàn)在。在工程技術(shù)領(lǐng)域，牛頓的理論更是無處不在。從機(jī)械制造到航空航天，從橋梁建設(shè)到電子設(shè)備，都離不開牛頓力學(xué)的支持。比如說航天工程。當(dāng)火箭發(fā)射的時候，科學(xué)家們要精確計算火箭的質(zhì)量、推力、加速度等等，這些都要用到牛頓的運動定律?；鸺朔厍虻囊︼w向太空，這就涉及到萬有引力定律的應(yīng)用。在機(jī)械制造中，機(jī)床的設(shè)計、零件的加工精度等等都要依據(jù)牛頓力學(xué)原理來保證。如果沒有牛頓的理論，我們現(xiàn)在的很多工