第3篇 力學(xué)發(fā)展史

章經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生的背景

節(jié)近代科學(xué)產(chǎn)生的搖籃—文藝復(fù)興運動2021/6/271一、近代科學(xué)產(chǎn)生的社會條件好象資本主義生產(chǎn)的發(fā)展僅僅對科學(xué)技術(shù)提出了需要和科學(xué)研究的課題。實際上，資本主義生產(chǎn)的發(fā)展不僅提供了大量的科學(xué)發(fā)展所需要的材料，而且也創(chuàng)造了制作實驗儀器的物質(zhì)和技術(shù)條件。實驗儀器隨著生產(chǎn)的發(fā)展而提高和完善，這就給科學(xué)實驗帶來系統(tǒng)性和廣泛性，并形成了實驗科學(xué)。2021/6/272二、文藝復(fù)興運動的興起文藝復(fù)興，實質(zhì)就是資產(chǎn)階級新文化運動。新興的資產(chǎn)階級發(fā)現(xiàn)在古代希臘、羅馬文化中，可以找到用來反對封建統(tǒng)治和封建文化的武器，這就是自然哲學(xué)及以人為中心的文學(xué)藝術(shù)。隨著資產(chǎn)階級政治活動開展，竟然掀起了一個反對封建思想統(tǒng)治和束縛的強大運動，這就是以恢復(fù)古代文化面目出現(xiàn)的“文藝復(fù)興運動”。2021/6/273列奧那多·達·芬奇物理學(xué)的研究方面

用虛速度原理，證明了杠桿原理；他第一次企圖測定摩擦系數(shù)；他在分析鳥類飛行時，描述過合力的平行四邊形，也曾將重物沿斜面的運動分解為兩個分量。他對流體力學(xué)的研究很多，例如，他發(fā)現(xiàn)下部連通的諸容器中的靜止液體有同一表面高度。他所設(shè)計的機械裝置和發(fā)明據(jù)說有上千項。隨身攜帶的筆記手稿現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的約有7000頁。2021/6/274三、文藝復(fù)興精神的代表——列奧那多

意大利人列奧那多·達·芬奇（公元1452－1519年）他蔑視教會的權(quán)利，敢于觸犯教會的禁令。教會規(guī)定人死了不允許解剖，可是達·芬奇不管這些，弄到了許多尸體，一一進行解剖。他認為，只有進行解剖，才能探查人體的機器運行的奧秘。力求成為“認識自然和模仿（改造）自然的巨匠”。2021/6/275達·芬奇的座右銘列奧那多·達·芬奇非常重視觀察和實驗的方法，他把觀察和實驗當作科學(xué)研究獨一無二的真正方法。“實驗是我的老師”；“理智是實驗的女兒”。同樣重視數(shù)學(xué)和理論的作用。2021/6/276第二節(jié)近代科學(xué)的宣言----日心說

哥白尼日心體系的新學(xué)說，是自然科學(xué)向神學(xué)的第一次嚴正挑戰(zhàn)，標志著自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來的一次革命。恩格斯稱它為“自然科學(xué)的獨立宣言”。2021/6/277一、哥白尼的生平與他創(chuàng)立的日心說

著名的天文學(xué)家尼古拉·哥白尼（公元1473－1543年）于1473年2月9日生于波蘭托倫城的一個商人家庭。哥白尼的偉大著作《天體運行論》哥白尼是這個時代的真正英雄。天文學(xué)是觀察和記載天象、描述天體運動、探索規(guī)律并預(yù)測其位置以便于制定歷法、辨明方位的一門最早的科學(xué)。2021/6/278哥白尼的基本思想

①太陽是宇宙的中心，行星都圍繞著太陽運轉(zhuǎn)。②地球是運動的，它是繞著太陽運轉(zhuǎn)的普通行星，它本身還在自轉(zhuǎn)。③月亮是地球的衛(wèi)星，一個月繞地球一周，就象衛(wèi)士一樣，地球帶著月亮一起繞太陽運動。2021/6/279哥白尼的基本思想④行星在太陽系中排列的順序是：離太陽最遠的是土星，三十年繞太陽一周；其次是木星，十二年繞太陽一周；然后是火星，兩年繞太陽一周；第四是地球和月亮，一年繞太陽一周；第五是金星，九個月繞太陽一周，離太陽最近的是水星，八十天繞太陽一周。恒星在遠離太陽的一個天球面上靜止不動。2021/6/2710哥白尼是怎樣創(chuàng)立“日心體系”說的呢？

在《天體運行論》的第一卷中，哥白尼明確地把地球從宇宙中心位置推除開去，把它降為普通行星的一員。他斷言，地球自身有三種運動：第一種是“地球自西向東繞軸晝夜自轉(zhuǎn)”；第二種是“地心同地球上的一切的周年旋轉(zhuǎn)，在金星與火星軌道間的黃道上從西向東運行”；第三種是“傾斜面的運動”，即赤道面或自轉(zhuǎn)軸相對于日——地聯(lián)線的運動。2021/6/2711哥白尼學(xué)說影響之深遠

恩格斯稱它為“自然科學(xué)的獨立宣言”就可想而知了。哥德說：“哥白尼學(xué)說撼動人類意識之深，自古以來無一種創(chuàng)見、無一種發(fā)明可與倫比，當大地是球形被哥倫布證明以后不久，地球為宇宙主宰尊號也被剝奪了，自古以來沒有這樣天翻地覆地把人類意識倒轉(zhuǎn)來過，如果地球不是宇宙中心，無數(shù)古人相信的事將成為一場空事，誰還相信伊甸的樂園、贊美詩的頌歌和宗教的故事呢？”2021/6/2712二、天文學(xué)的新成就——開普勒三定律

第谷把天文觀測精確度提高到一個新的水平，遠遠超過前人的幾十倍到幾百倍，并積累了大量的觀察數(shù)據(jù)資料。開普勒從這些浩若煙海的據(jù)數(shù)中總結(jié)出規(guī)律，提出了開普勒三定律。2021/6/2713第谷·布拉赫第谷·布拉赫（公元1546－1601年）是丹麥天文學(xué)家，天文觀測的大師。第谷出身于一個貴族家庭，少年時代就對天文的精確觀測產(chǎn)生了濃厚的興趣和愛好。第谷成了當時罕見的天文觀測家。有“星學(xué)之王”的美稱。第谷善于觀測而不善于思索，開普勒則善思索而不善于觀測，他們各有所長各有所短，結(jié)合起來，取長補短，就導(dǎo)致科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重大突破。2021/6/2714約翰·開普勒約翰·開普勒（公元1571——1630年）是德國偉大的天文學(xué)家。天文學(xué)上兩大傳統(tǒng)觀念：一是地球位于宇宙中心。二是天體必然是球形的，它的運動軌道必然也是圓的。哥白尼推翻了前一個傳統(tǒng)觀念，但是他始終堅持后一個傳統(tǒng)觀念，開普勒卻大膽地沖破了這后一個傳統(tǒng)觀念。2021/6/2715開普勒行星運動的三定律

1609年開普勒在《新天文學(xué)》一書中，正式提出了行星運動的兩條定律：第一定律是“軌道定律”；行星沿橢圓軌道繞日運行，太陽位于橢圓的一個焦點上；2021/6/2716開普勒行星運動的三定律第二定律是“面積定律”：行星與太陽之間所聯(lián)直線在相等時間內(nèi)掃過橢圓的面積相等。這就是說行星在近日點附近的速度要快一些。過了九年，開普勒又發(fā)現(xiàn)了第三定律，即“周期定律”：行星繞日一周所需時間（公轉(zhuǎn)周期）的平方，與其和太陽平均距離的立方成正比。2021/6/2717開普勒的發(fā)現(xiàn)的偉大價值開普勒的發(fā)現(xiàn)不僅對天文學(xué)的發(fā)展有著重大意義，而且對自然科學(xué)的發(fā)展也有它偉大價值。開普勒從第谷的準確數(shù)據(jù)出發(fā)，否定了主觀的幾何模式和托氏地心體系。他的第一定律否定了圓形軌道論；第二定律否定了勻速運動；第三定律建立了各行星之間的聯(lián)系。2021/6/2718愛因斯坦的評價“開普勒的驚人成就，是證實下面這條真理的一個特別美妙的例子，這條真理是：知識不能單從經(jīng)驗得出，而只能從理智的發(fā)明同觀察到的事實兩者的比較中得出?！边@就是說，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的兩大武器，即觀察實驗和抽象思維的理論創(chuàng)造是缺一不可的，必須把兩者結(jié)合起來才行。

2021/6/2719開普勒的功績開普勒是用數(shù)學(xué)公式表達物理定律最早獲得成功的人之一。從他的時代開始，數(shù)學(xué)方程就成為表達物理學(xué)定律的基本方式，為經(jīng)典力學(xué)的建立，立下了不可磨滅的功勛。

2021/6/2720三、伽利略在天文學(xué)上的功績伽利略是在1610年用自制的垂軸放大率達32倍的天文望遠鏡指向天空進行觀測，發(fā)現(xiàn)了月球表面有象火山口那樣的環(huán)形山，同地面結(jié)構(gòu)相似。他發(fā)現(xiàn)了金星的周相變化，木星有四個衛(wèi)星，銀河是無數(shù)發(fā)光體的總匯，土星有多變的橢圓外形等等。他并發(fā)現(xiàn)月球與其他星球所發(fā)的光都是太陽反射的光。太陽的表面上存在著黑子，黑子還有規(guī)律地變化著。他判斷太陽以二十七天左右的周期轉(zhuǎn)動（太陽在自轉(zhuǎn)）。2021/6/2721三、伽利略在天文學(xué)上的功績伽利略所觀測到木星有四顆衛(wèi)星和金星的周相變化有重要意義，它否定了古代關(guān)于游動的天體只有七個的斷言，這是對哥白尼的重要支持。2021/6/2722伽利略的主要功績伽利略的主要功績之一，是把哥白尼、開普勒所開創(chuàng)的新世界觀加以證實和普遍宣傳，并以自己在教庭下的犧牲喚起了人們對日心說的公認。2021/6/2723第三節(jié)新科學(xué)的特征一、批判經(jīng)院哲學(xué)，崇尚科學(xué)真理所謂經(jīng)院哲學(xué)如前章所述，是基督教哲學(xué)，它嚴重地束縛著人們的思想。英國杰出的哲學(xué)家弗蘭西斯培根（公元1561—1626）首先樹立起了批判經(jīng)院哲學(xué)的旗幟，向經(jīng)院哲學(xué)發(fā)起戰(zhàn)斗。培根提出了“知識就是力量”的口號。培根認為：經(jīng)驗實驗是真理的來源和檢驗標準。2021/6/2724一、批判經(jīng)院哲學(xué)，崇尚科學(xué)真理由于天文學(xué)、力學(xué)、光學(xué)的成就，使一些先進的思想家已經(jīng)認識到必須否定宗教的教義是真理的來源，提倡思想自由，提倡科學(xué)的實際目的，提倡實驗研究方法。2021/6/2725培根培根在1605年出版的《論科學(xué)的進展》中，他指出：印刷、火藥和指南針這三種東西的發(fā)明“改變了世界的面貌”，“沒有一個帝國，沒有一個宗教教派，沒有一個顯赫的人物能比這三種發(fā)明在人類的事業(yè)中產(chǎn)生更大的力量和影響”。2021/6/2726笛卡兒第二位向宗教宣戰(zhàn)的就是法國杰出的數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家笛卡兒（公元1596—1650），他繼續(xù)向經(jīng)院哲學(xué)展開了斗爭。他反對信仰先于知識的宗教教義，認為必須創(chuàng)立為實踐服務(wù)的世俗科學(xué)來代替經(jīng)院哲學(xué)。他提出了“懷疑原則”作為創(chuàng)立真正的科學(xué)出發(fā)點。2021/6/2727二、理論概括方法的確定

培根、笛卡兒他們的方法論都帶有一定的片面性。笛卡兒強調(diào)的演繹法的弱點在于前提錯了，結(jié)論就錯了；歸納法的弱點在于結(jié)論，它很容易帶有局限性與或然性。

2021/6/2728笛卡兒笛卡兒從與培根不同的方面發(fā)展了自然科學(xué)的方法論，在1637年出版的《方法論》中，他提出了他的唯理論學(xué)說。他認為，在發(fā)展認識過程中，起主要作用的不是經(jīng)驗，而是理論思維，即理性。在方法論中笛卡兒闡明了對培根的歸納法所作的一些補充的演繹法的原理。即由普遍原理得出局部結(jié)論的方法本身就稱為演繹法。笛卡兒對物理學(xué)中發(fā)展起來的數(shù)學(xué)方法很贊賞，認為一切科學(xué)都應(yīng)該按照數(shù)學(xué)形式建立起來，把理論思維作為出發(fā)點。笛卡兒創(chuàng)立的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的演繹法，成為后來的理論物理學(xué)的主要方法。2021/6/2729笛卡兒笛卡兒也認為實驗可以提供“原始前提的必要素材”，還能檢驗所得結(jié)論的正確性。伽利略同樣認為。真正的科學(xué)就在“經(jīng)常展示在我們眼前的這部最偉大的書中”，即宇宙、自然界。人們必須通過實驗去閱讀這部“自然之書”。

2021/6/2730伽利略很重視進行觀察和實驗伽利略很重視進行觀察和實驗。他創(chuàng)建了一整套科學(xué)方法，這是無價之寶。愛因斯坦曾精辟分析道：“常聽人說，伽利略之所以成為科學(xué)之父，是由于他以經(jīng)驗的實驗的方法來代替思維的、演繹的方法。但我認為這種理解是經(jīng)不起嚴格審查的?！呀?jīng)驗的態(tài)度與演繹的態(tài)度截然對立起來，那是錯誤的，而且也不代表伽利略的思想”。這就是說，應(yīng)該全面認識伽利略所首創(chuàng)的實驗、物理思維和數(shù)學(xué)演繹三者巧妙結(jié)合的科學(xué)方法。2021/6/2731伽利略非常重視觀察和實驗伽利略非常重視觀察和實驗，在觀察和實驗的基礎(chǔ)上提出假說，再用數(shù)學(xué)分析和邏輯推理證明假說，最后用實驗驗證理論的正確。概括起來就是實驗—數(shù)學(xué)推理方法，這一方法，在伽利略以后很多年代里為很多人所重視。愛因斯坦和英費爾德在《物理學(xué)的進化》一書中評論說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學(xué)的真正開端”。2021/6/2732惠更斯指出荷蘭物理學(xué)家惠更斯后來指出：培根不了解科學(xué)方法中數(shù)學(xué)所起的作用，而笛卡兒則忽視了實驗和經(jīng)驗的作用。實際上，這兩種方法是互相補充的．只有把這兩種方法以及其它科學(xué)方法結(jié)合起來，才能最有效地促進科學(xué)認識的健康發(fā)展。2021/6/2733第二章經(jīng)典力學(xué)體系的建立第一節(jié)伽利略的力學(xué)貢獻一、斯臺文的力學(xué)研究比利時力學(xué)家斯臺文（公元1548～1620）于1586年出版了《靜力學(xué)原理》一書。在這本書中對阿基米德的杠桿原理作了簡化的數(shù)學(xué)證明，提出了平行力平衡的完整理論，研究了滑輪組平衡問題和機械效率問題。斯臺文對斜面平衡問題進行了深入的研究，在兩個力互成直角的情況下，引進了三角形（或平行四邊形）法則，提出了力的分解的初步思想。2021/6/2734二、伽利略的運動理論1．運動的描述和分類方面為了賦予“速度”這一概念以確切的含義從而定義勻速運動和變速運動，他首先確切地表述了時間和空間的概念，使時間和空間的概念在物理學(xué)中具有了重要意義。他給勻速運動下的定義是：“在任何相等的時間間隔內(nèi)通過的距離相等”，他還提出了瞬時速度的概念，瞬時速度概念的提出，擴展了速度概念。2021/6/27352．對自由落體的研究伽利略還提出并證明落體運動是勻加速運動。伽利略還提出了“等末速度假設(shè)”，即物體在同一高度下落，無論是沿豎直方向還是沿不同斜面，到達末端時的速度都是相同的。反之，以同樣速度上升，沿任何斜面上升的高度都相同。

2021/6/27363．慣性運動的研究

伽利略并沒有完成這些推論，沒有概括成普遍的自然規(guī)律。而且伽利略認為慣性運動只能是繞地球的圓周運動，使他的結(jié)論帶來局限性，因此慣性定律的完成仍需歸功于牛頓。2021/6/27374．拋物運動的研究

伽利略用幾何方法證明了，一個平拋的物體可以分解為兩種運動，一種是水平上的勻速運動，它使物體始終保持水平速度不變；另一種是引力作用的自由落體運動，這是勻加速運動。這兩種運動同時存在于一個物體上，彼此互不干擾，合成一個運動，使物體沿一拋物線運動。這就是運動的獨立進行原理。2021/6/27385．伽利略相對性原理

精彩地描述了勻速直線運動的船艙里所觀察到的現(xiàn)象。他指出在這樣的船艙里所觀察到的現(xiàn)象將同船靜止時完全一樣：人們跳向船尾不會比跳向船頭來得遠；從掛著的水瓶中滴下的水滴仍會滴進正下方的罐子里；蝴蝶和蒼蠅繼續(xù)隨便地四處飛行，絕不會向船尾集中，或者為趕上船的運動而顯出疲累的樣子……這些現(xiàn)象表明，在封閉的船艙里所作的任何觀察和實驗，都不能判斷船究竟是在運動還是停止不動的。這就是著名的伽利略相對性原理，這個原理的發(fā)現(xiàn)，是人類科學(xué)認識史上的一個重大飛躍。2021/6/2739第二節(jié)伽利略至牛頓時代的科學(xué)家

一、十七世紀中葉科學(xué)活動的特點。哥白尼的日心說經(jīng)過布魯諾、開普勒和伽利略等人的工作，到了十七世紀幾乎被所有的科學(xué)家所接受。伽利略的實驗一數(shù)學(xué)推理方法為廣大的科學(xué)家所接受和發(fā)展。涌現(xiàn)出大批科學(xué)家和大批實驗室。2021/6/2740牛頓所說的“巨人”法國的笛卡兒（公元1596—1650）、費馬（公元1601一1665）、帕斯卡（公元1623—1662）、馬略特（公元1620一1684）、荷蘭的惠更斯（公元1629－1695）、德國的萊布尼茨（公元1646一1716）、格里凱（公元1602一1686）、英國的玻意耳（公元1627—1691）、胡克（公元1635—1703）和哈雷（公元1656一1742）等等。2021/6/27412.科學(xué)團體的出現(xiàn)

1662年國王查理二世正式批準成立“促進自然知識為宗旨的皇家學(xué)會?！?663年建立了巴黎皇家科學(xué)院。2021/6/27423.科學(xué)的國際聯(lián)系加強

法國特別是英國成為自然科學(xué)活動的中心?？茖W(xué)交流便不斷地加強，先是個人間的通信交流，以及學(xué)者們的互訪、講學(xué)等活動。一批國際性的學(xué)術(shù)雜志出現(xiàn)了。1665年英國皇家學(xué)會出版了《哲學(xué)學(xué)報》，法國科學(xué)院同年也出版了《學(xué)人雜志》，1682年萊比錫出版了《博學(xué)者雜志》。2021/6/2743笛卡兒笛卡兒差不多是伽利略的同時代人。在哲學(xué)上，笛卡兒主張二元論，一方面他認為物質(zhì)運動是客觀存在的，另一方面又認為精神也是實體。他的機械宇宙觀，數(shù)學(xué)演繹方法和某些物理規(guī)律對后來都有較大影響。提出了動量守恒定律。2021/6/2744笛卡兒明確地敘述了慣性定律，并特別強調(diào)了方向：“如果物體處在運動之中，那么如無其他原因的作用的話，它將繼續(xù)以同樣速度在同一直線方向上運動，即不停止也不偏離原來的方向”。對于碰撞問題，他提出了七條規(guī)律。2021/6/2745英國的物理學(xué)家和天文學(xué)家胡克在物理學(xué)史上是法拉第以前最偉大的實驗物理學(xué)家。1677—1683年任皇家學(xué)會秘書，1665年出版《顯微圖集》，1676年在《論刀具切削》一書中首次提出了固體彈性的胡克定律。1680年初，在寫給牛頓的信中，胡克提出了引力反比于距離平方的猜測。2021/6/2746法國的物理學(xué)家馬略特法國實驗物理學(xué)的奠基者之一。馬略特研究了熱、光、視覺、顏色及氣體的性質(zhì)。提出了一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時，體積跟壓強成反比的結(jié)論，與玻意耳十四年前提出的結(jié)論相一致，這便是著名的“玻意耳—馬略特”定律。主要著作有；《空氣性質(zhì)的實驗》、《熱和冷的實驗》、《顏色性質(zhì)的實驗》、《水和其它液體的運動》等。2021/6/2747帕斯卡

他與費馬、惠更斯共同建立了概率論和組合論的基礎(chǔ)。1658年完成了《擺線論》。1653年發(fā)現(xiàn)了液體壓強的“帕斯卡定律”。2021/6/2748

玻意耳

證明了空氣是有重量的物質(zhì)，研究了壓強對水的沸點的影響，以及空氣的傳聲作用、比重及折射率等。1662年通過實驗得出了著名的“被意耳—馬略特”定律。1661年出版了化學(xué)史上的一部劃時代著作《懷疑派化學(xué)家》，使化學(xué)從藥劑師和煉金術(shù)士那里解脫出來，成為真正的科學(xué)。2021/6/2749惠更斯

荷蘭的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和天文學(xué)家?；莞故紫劝褞缀螌W(xué)帶進了力學(xué)領(lǐng)域。1678年在法國科學(xué)院發(fā)表了反對牛頓的微粒說的講演，提出了光的波動說，指出了在“以太”中傳播的光，像波一樣，即著名的惠更斯原理。其要點是：①波陣面上的每一點都可以看作一個新的波源，各向發(fā)出次波；②各次波的包絡(luò)面即為下一時刻的新的波陣面。2021/6/2750惠更斯他在力學(xué)方面的主要工作是碰撞理論，擺和向心力?；莞惯€研究了離心力，他引入了向心加速度概念。為牛頓推證萬有引力定律提供了根據(jù)。2021/6/2751第三節(jié)牛頓的偉大綜合一、牛頓取得成功的歷史條件和個人工作特點。在自然科學(xué)史上，牛頓完成了理論上的第一次大綜合，他借助于萬有引力定律，創(chuàng)立了天體力學(xué)；借助于光的色散等方面的研究創(chuàng)立了光學(xué)；借助于流數(shù)而創(chuàng)立了微分學(xué)；借助于牛頓運動三定律創(chuàng)立了經(jīng)典物理學(xué)。在自然科學(xué)史上，沒有一個人開創(chuàng)了這么多學(xué)科。2021/6/2752牛頓取得成就的客觀條件主要有：

1．“商業(yè)革命”后，英國的資本主義有很大發(fā)展。

2．新航路開辟以后，發(fā)生了“商業(yè)革命”，位于大西洋交通要道上的英國，處在國際貿(mào)易的樞紐地位，在1588年戰(zhàn)勝西班牙后，取得了海上霸權(quán)。

3．牛頓曾說：“如果我所見的比笛卡兒遠一點，因為我是站在巨人們的肩膀上的緣故”。2021/6/2753巨人們開普勒的行星運動三定律和惠更斯向心加速度公式及胡克平方反比的猜測為牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力做了準備；伽利略、笛卡兒、惠更斯等人對力學(xué)的研究為牛頓建立三定律及一些重大的推論做了準備；牛頓創(chuàng)立的微積分就是在研究笛卡兒解析幾何時受到了啟發(fā)，斯涅耳和笛卡兒發(fā)現(xiàn)了光的折射定律，格里馬第發(fā)現(xiàn)了衍射現(xiàn)象和干涉現(xiàn)象，玻意耳、笛卡兒和胡克等人對物體的顏色理論都做了許多工作，這些為牛頓的光學(xué)理論作了準備。上述各項成果極需給以總結(jié)，形成統(tǒng)一的科學(xué)體系，牛頓順應(yīng)形勢，完成了人類對自然科學(xué)的第一次大綜合。2021/6/2754牛頓個人的工作特點1．重視實驗，從歸納入手，這是牛頓科學(xué)方法論的基礎(chǔ)。2．牛頓善于思考，具有清晰的邏輯頭腦，對錯綜復(fù)雜的事物能夠抓住要害，看清本質(zhì)屬性。3．牛頓有著巨大的數(shù)學(xué)才能，他第一個大量地運用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)地整理物理理論。2021/6/2755牛頓的巨大成就，使他占有里程碑式的獨特的地位牛頓對科學(xué)的迷戀和獻身的精神，勤于思考和善于思考的品格，透徹地系統(tǒng)地解決關(guān)鍵性問題的志向和毅力，尊重其他科學(xué)家的成果并善于吸取別人的成就，也是牛頓取得成功的內(nèi)在因素。2021/6/2756牛頓的巨大成就，使他占有里程碑式的獨特的地位牛頓提出了兩個關(guān)健的概念：“力”和“質(zhì)量”，并把“力”與引力相聯(lián)系，把“質(zhì)量”與慣性相聯(lián)系，從而把伽利略、笛卡兒和惠更斯等人對力學(xué)的研究系統(tǒng)化，并把它們提出的位移、速度、加速度、動量等科學(xué)概念納入統(tǒng)一的力學(xué)體系，建立了三定律。他認為天上的物體和地上的物體都遵守同樣的規(guī)律，因而綜合天上的月亮和地下的自由落體運動而得出了萬有引力定律。2021/6/2757二、萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)在牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律之前，通過哥白尼、吉爾伯特、開普勒、伽利略、惠更斯和胡克等人的研究，思想準備已經(jīng)基本成熟，但在數(shù)學(xué)上還遇到不少困難，在物理上還缺乏明確的嚴格的概念體系，完成萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)的重任就落到了有著巨大教學(xué)才能和綜合能力的牛頓的肩上。2021/6/2758主要貢獻第一是觀念上的，肯定了地球上的重力與天體間引力的同一性，打破了亞里士多德“月上”與“月下”兩個世界的劃分，所謂“萬有”，就是貫天徹地無所不包的意思。第二個貢獻，是用數(shù)學(xué)方法表示出萬有引力，證明了物體受距離平方反比的力，其軌道一定是圓維曲線，即圓、橢圓和雙曲線。

2021/6/2759主要貢獻牛頓通過磁石吸鐵的實驗，發(fā)現(xiàn)了力等于質(zhì)量乘加速度這條運動第二定律，把這一定律用到引力中去，得出月球受地球的引力和月球的質(zhì)量成正比，又根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的運動第三定律，月球受地球的引力等于地球受月球的引力，因此這一引力也應(yīng)與地球質(zhì)量成正比。這樣終于在1684年到1685年春季之間發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。2021/6/2760主要貢獻牛頓對萬有引力的研究，有很多光輝的科學(xué)思想，首先他是從建立統(tǒng)一的力學(xué)體系出發(fā)而不是孤立地處理萬有引力，因此就把力學(xué)中的重要概念：力、質(zhì)量、慣性、向心力、加速度及運動定律有機地構(gòu)成一個整體;第二，從方法上他抓住引力問題的主要因素，從地月兩體問題出發(fā)，引入新的數(shù)學(xué)方法研究變量的問題；2021/6/2761主要貢獻第三，他把引力與運動第二定律及第三定律結(jié)合起來，推廣為引力與兩體質(zhì)量乘積成正比與距離平方成反比的定律；第四，牛頓用積分方法解決了球形物體相互吸引可以看做質(zhì)量集中到球心，并在“地月檢驗”中得到證實，當新地球半徑一經(jīng)公布，立即得出了滿意的結(jié)果。2021/6/2762萬有引力定律的考驗對牛頓萬有引力定律理論第一個重大考驗是關(guān)于地球形狀的“桔子”和“檸檬”之爭。萬有引力思想的第二個輝煌勝利是彗星軌道、周期的計算。海王星的發(fā)現(xiàn)是萬有引力定律最偉大的勝利。2021/6/2763

三、牛頓和他的《原理》

牛頓（公元1642—1727）于1642—12月25日生于英國林肯郡的沃爾斯京索普村。1661年5月，牛頓以“減費生”的身份考上了著名的劍橋大學(xué)三一學(xué)院，在“盧卡斯講座”第一任教授巴洛的引導(dǎo)下，走上了自然科學(xué)研究的道路。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》于1687年問世。這部書的出版，標志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立。

2021/6/2764三、牛頓和他的《原理》牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是自然科學(xué)劃時代的著作。在科學(xué)史上，只有象歐幾里得的《幾何原本》、達爾文的《物種起源》等名著才能與之相比。

《原理》共分兩部分，第一部分仿照歐幾里得的方法，首先提出了定義和原理。以空間、時間、質(zhì)量和力四個絕對化的概念為基礎(chǔ)，以運動三定律為核心。第二部分是這些基本原理的應(yīng)用，包括三篇。2021/6/2765三、牛頓和他的《原理》第一個定義是：“物質(zhì)的量是通過正比于密度和體積的總和來確定的量度單位?！迸ｎD把質(zhì)量稱為“物質(zhì)的量”，這是關(guān)于質(zhì)量的第一個定義。牛頓還明顯地把質(zhì)量與重量區(qū)分開來，前者是物體的固有屬性，后者決定于一定位置所受的地球引力。第二個定義是關(guān)于動量的：“動量是通過正比于速度和質(zhì)量的總和來確定的量度單位。”牛頓把動量看成運動，并指出動量是一個可加量。2021/6/2766三、牛頓和他的《原理》第三個定義含有質(zhì)量作為物質(zhì)慣性量度的內(nèi)容，第四個定義給出了力的嚴格和科學(xué)的定義：“施加的力是能使物體改變它的靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的一種作用?！逼渌膫€定義是關(guān)于向心力的。絕對時間、絕對空間、絕對運動、絕對靜止四個概念。2021/6/2767三、牛頓和他的《原理》在三定律之后，牛頓結(jié)出了六個推倫。第一條推論是力的平行四邊形法則：一個物體同時受到兩個力的作用，所受的力就與以這兩力為邊的平行四邊形的對角線的一個力的作用相同。其余幾個推論，提出了運動的疊加原理，動量守恒定律和力學(xué)的相對性原理。2021/6/2768三、牛頓和他的《原理》《原理》第二部分分三篇。第一篇討論了萬有引力定律和有心運動問題，提出了嚴謹?shù)奶祗w力學(xué)理論，。第二篇討論了物體在有阻力的介質(zhì)中的運動。第三篇闡述了他的天體力學(xué)理論，介紹了許多研究成果?！对怼芬云浜甏蟮钠⒕康乃枷?、嚴謹?shù)捏w系和豐富的內(nèi)容成為物理學(xué)發(fā)展史上一部光輝的經(jīng)典著作。2021/6/2769三、牛頓和他的《原理》一方面牛頓以其自然科學(xué)的巨大成就，對人類的科學(xué)思想的影響遠遠超過同時代的其他人；另一方面，他堅信上帝的存在，這同文藝復(fù)興以來反對宗教的潮流相違背。此外，牛頓的絕對時間、絕對空間和絕對運動的觀念以及質(zhì)量不變的觀念，也表明牛頓的自然觀帶有明顯的形而上學(xué)特點。2021/6/2770

第四節(jié)力學(xué)的進一步發(fā)展一、實驗基礎(chǔ)的發(fā)展。在這一時期，國際單位得以確立，進行了一些著名的物理實驗，材料力學(xué)和流體力學(xué)的研究取得了很多突破性成果。凡此種種，都促進物理實驗朝著通用化、精確化和適用化方向發(fā)展。2021/6/2771一、實驗基礎(chǔ)的發(fā)展1851年，法國物理學(xué)家佛科（公元1819－1868）在巴黎名人公墓處的圓頂大教堂，為證明地球自轉(zhuǎn)而做的表演，轟動了巴黎，是物理學(xué)史上的一件大事。他把28公斤的擺懸掛在67米高的教堂圓頂上。周期為16.5秒的“佛科擺”每振動一次，人們就可以親眼看到擺尖在直徑為6米的沙盤移動約3毫米，使實驗的觀眾“確實覺得自己腳下的地球在轉(zhuǎn)動”。2021/6/27721874年成立了卡文迪許實驗室麥克斯韋出任第一位主任，他創(chuàng)立了電磁場理論。實驗室第二任主任是瑞利（公元1842一1919）任期為1879一1884年，獲1904年諾貝爾獎。第三任約·湯姆遜（公元1856一1940）任期1884年一1919年。獲1906年諾貝爾獎，他除了自己杰出的科學(xué)研究成果外，還培養(yǎng)了一大批諾貝爾獎金獲得者。2021/6/27731874年成立了卡文迪許實驗室盧瑟福（公元1871一1937）于1919年接任第四任主任，直到逝世。這位終生從事物理研究的偉大物理學(xué)家獲1908年諾貝爾化學(xué)獎。第五位主任是威廉·勞倫斯·布拉格（公元1890－1971）；1915年與其父同獲諾貝爾獎。1954年莫特出任第六任主任。他于1977年獲諾貝爾獎。1971年皮帕德接任第七任主住，1979年起，原主任之職由庫克分擔。2021/6/2774二、關(guān)于“運動量度”的爭論在十六、十七世紀，物理學(xué)家們對于力學(xué)中的一些基本概念如“力”，“運動”、“動量”、“功”和“能量”等等都沒有一致公認的精確定義，因此含義混淆不清。為了從量的方面去研究機械運動，科學(xué)家們試圖尋找一個普遍的物理量來做為運動的量度，從而引起了笛卡兒學(xué)派和萊布尼茨學(xué)派關(guān)于“運動的量度”的爭論。2021/6/2775二、關(guān)于“運動量度”的爭論笛卡兒根據(jù)伽利略由重量和速度的乘積來量度運動的主張，提出了用質(zhì)量和速度的乘積來量度運動，這種量度標準對于碰撞問題的研究非常方便、牛頓接受了笛卡兒的主張，并把這一乘積定義為動量。

2021/6/2776二、關(guān)于“運動量度”的爭論1686年萊布尼茨在他的論文《對可紀念的笛卡兒和其他人關(guān)于使上帝都希望永遠保持運動的量守恒的自然定律的錯誤之簡短證明》中，對笛卡兒學(xué)派的這個量度提出了批判，他認為運動不能用質(zhì)量和速度的乘積來量度，他用落體運動為例，指出笛卡兒的量度與落體定律矛盾的同時，也發(fā)現(xiàn)笛卡兒的量度在某些情況下是適用的，因此提出了“死力”和“活力”。2021/6/2777二、關(guān)于“運動量度”的爭論許多著名的物理學(xué)家和哲學(xué)家都參加這場爭論。贊同萊布尼茨的有約翰·伯努力和雅可比·伯努利及歐勒等，贊同笛卡兒的有馬克勞林、卡特蘭、克拉克等人。2021/6/2778二、關(guān)于“運動量度”的爭論1743年達蘭貝爾（公元1717－1783）在《動力學(xué)論》一書中指出，兩種量度都是有效的。當物體平衡時，力用質(zhì)量與物體虛速度的乘積來量度；當物體受阻礙而停止，則可以用質(zhì)量與物體速度的平方來量度，也就是說力可以表示為單位時間動量的改變，也可以表示單位距離內(nèi)質(zhì)量與物體速度的平方的改變。2021/6/2779二、關(guān)于“運動量度”的爭論這場“運動的量度”的爭論，掀起了對牛頓力學(xué)的深入研究，對物理學(xué)基本概念也逐漸統(tǒng)一起來，為物理學(xué)的進一步發(fā)展打好了基礎(chǔ)。2021/6/2780三、三大守恒定律的確立動量守恒定律的思想，是笛卡兒首先提出的，惠更斯進一步指出動量的矢量性，在《碰撞作用下物體的運動》中，準確地表述了碰撞過程中動量守恒原理，并發(fā)現(xiàn)在此過程中系統(tǒng)的共同質(zhì)心的運動速度為一常量。牛頓在《原理》一書中把“質(zhì)心運動守恒定律”作為運動定律的一個推論，作了明確的表述。2021/6/2781三、三大守恒定律的確立1609年開普勒第二定律，這一定律實質(zhì)上就是動量矩守恒定律。牛頓在《原理》一書中推廣到一切有心力運動的場合，指出一切在有心力作用下物體的運動，其矢徑在相等的時間內(nèi)掃過的面積都相等。丹尼爾·伯努利和歐勒等人也以不同的形式提出這一原理：合外力矩等于總動量矩的變化率。