经典力学的建立和发展复旦大学精品课程
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§2.1 坐标系、位置矢量、速度
力学是定量的科学，为了描写物体运动，必须引入基 本量位置、时间、速度。
在牛顿力学中，坐标和时间是独立的，且用在不同参 考系中 “长度不变的尺”和“绝对时 间”（即不同参考系中钟的快慢一 样）。
一、牛顿简历
伟大的英国物理学家，1642年12月25日生于林 肯郡伍尔索普村的一个农民家庭．1669年，年仅27 岁，就担任了剑桥的数学教授．1672年当选为英国 皇家学会会员．
1685～1687年，在天文学家哈雷的鼓励和赞助 下，牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》， 完成了具有历史意义的发现——运动定律和万有引 力定律，对近代自然科学的发展，作出了重大贡 献．1703年，当选为英国皇家学会会长．
《自然哲学的数学原理》
值得思考：牛顿在这里不仅讲了研究的目的，还讲了科学
研究方法。即从特殊（现象）到一般（规律），再从一般回
到特殊。前者是英国哲学家培根强调的“归纳法”，它以实
验为基础；后者是被数学家兼哲学家的笛卡儿所强调的“演
绎法”，它要用数学工具。
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牛顿的研究方法：归纳-演绎法 归纳法：从实验出发，由特殊到一般 演绎法：以理论为主，由一般到特殊
用思想实验和斜面实验驳斥了亚里 士多德的“重物下落快”的错误观 点，发现自由落体定律。
伽利略斜面实验
经典力学的建伽立和利发略展复与旦大斜学塔精品
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三、对科学方法的贡献
斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物 理实验之一。从斜面实验看伽利略的研究方法：
对现象的观察 提出假设（匀加速运动假设） 进行数学和逻辑的推理
速度是矢量，速度合成用平行四边 形法则。
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在数学和物理中，作图法很重要，可帮助我们理解。 希望同学们在学习中重视图形的用处，体会用图来分 析说明问题的重要性和必要性。
z y
O
x
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§2.2 从哥白尼到开普勒
一、向地心说挑战——哥白尼创立日心说
简单性原理：除那些真实而已足够说明其现象者外， 不必再去寻求自然界事物的其他原因。 因果性原理：对于自然界中同一类结果，必须尽可能 归之于同一种原因。 统一性原理：物体的属性，凡是既不能增强也不能减 弱者，又为我们实验所能及的范围的一切物体所具有者， 就应视为所有物理的普遍属性。（在此法则中，牛顿明 确提出了万有引力思想：“我们必须普遍承认，无论哪 种物体都只赋有一个原则，即他们能够互相吸引。”）
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真理性原理：在实验哲学中，我们必须把那些从各 种现象中运用一般归纳而导出的命题看作是完全正确 的或很接近于真实的，虽然可以想象出任何相反的假 说，但是在没有出现其他现象足以使之更为正确或者 出现例外之前，仍然应当给予如此的对待。
牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合， 模型和数学相结合的科学研究方法，不仅使他成功地建 立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合， 而且推动了近代科学的大发展。
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六、牛顿物理学的局限性
当物体运动速率很高时（接近光速），当所描写的 体系很小时（微观体系），当所描述的物质系统很大， 或引力很强时，牛顿的万有引力、运动定律和牛顿的时 空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。
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§2.5 动量守恒定律 机械能守恒定律
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2．万有引力公式的建立 牛顿将第二、第三定律和开普勒定律相结合，建立
了万有引力公式
其中引力常数G的测定是100多年以后由卡文迪许利 用扭秤实验测得。此实验也被评为历史上“最美丽” 的十大实验之一。
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卡文迪许测得： 目前的国际公认值：
晚年伽利略在被软 禁期间，直到逝世前，一 直未中断过研究工作
罗马教庭对伽利略的审判 经典力学的建立和发展复旦大学精品 课程
§2.4 牛顿和经典力学的成熟
英国著名诗人Pope写道： 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是一切成为光明。
牛顿发明反射望远镜
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自制望远镜（1609年） 为纪念他首先用望远镜观察星空这
一壮举，2009年为国际天文年。 发现木星的4颗卫星 发现太阳黑子 定出太阳自转周期
伽利略
伽利略望远镜
木星卫星
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二、在力学方面的贡献：提出落体定律和惯性运 动概念
勇敢地否定了亚里士多德把运动划分为“自然运动” 和“强迫运动”，而是抓住了运动基本特征量——速 度和加速度，把运动分为“匀速”和“变速”。
第二定律：运动定律—— 定律。
, 是动力学的最基本
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牛顿第三定律：作用和反作用定律——一物体对另一物体 的作用力同时引起另一物体对该物体的大小相等、方向相反的 反作用力，作用力和反作用力在同一条直线上。
三、万有引力定律的创立
1．思想突破 问题的提出 —— 月亮为什么不掉到地球上来？ 别人只看到了天上和地上的运动 不同，牛顿看到了它们的相似性， 把它们统一起来。这正是牛顿 哲学思想——统一性原理的体现。
这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、 周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇 宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达 1300余年。
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日心说提出的科学根源、哲学根源和历史根源是什么？
科学根源：随着天文学观察数据越来越多，为了给予 解释，托勒密的地心说不断修补，越来越复杂，难以 使人信服。
哥白尼
哥白尼日心说示意图
日心说的创立和《天体运行论》的出版
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二、开普勒行星三定律
哥白尼和毕达哥拉斯的哲学思想强烈吸引开普勒。 1600年与第谷合作，使他从第谷处
获得了大量精确的天文学数据。 于1609和1619年，他先后提出了 行星运动三定律。
第谷用过的望远镜
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二、牛顿力学三定律
牛顿创建了力学模型，把物体视为质点（理想模型）， 将模型与数学相结合研究了物体运动规律，使物理学成为 定量的学科。模型方法不仅是物理学，而且已成为现代科 学研究的基本方法之一。
第一定律：惯性定律——一个不受外力作用的物体将保 持它的静止或匀速直线运动状态。这定律首先归功于伽利 略和笛卡儿的贡献，牛顿将它作为力学定律提出，并引入 “质点”来描写物体惯性的大小。
哲学根源：他接受毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和 谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的基本 思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样，高度赞 美太阳，给予太阳“宇宙正中”的位置。
历史根源：在意大利留学10年，受到文艺复兴运动影 响，思想解放，投身科学革命。
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化为其他不同形式的能量。
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实验验证（s~t2） 形成理论
开创了科学实验方法，并将实 验、观察和理论思维相结合。
提出了思想实验。
经伽典利力学略的建在立解和发释展复其旦大观学察精品结论
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爱因斯坦评价他说：“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 标志着物理学真正的开端。”
伽利略被后人称为“现代物理之父”。
动量： 冲量引起动量的变化：
动量守恒：在一个封闭 （不受外力）的体系内， 在内力作用下总动量保 持守恒。
压缩弹簧使两车分开——动量守恒
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二、描述机械运动的两个量——动量和动能
这两个量互不相同，有本质区别，都很重要。 动量是矢量，它的变化与冲量有关。 动能是标量，它的变化与力做功有关，而且它可以转
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2020/12/12
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近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。 经典力学是从伽利略和开普勒时代开始的，到牛顿时
代到达成熟阶段。 从科学方法上看，它的建立和发展离不开科学实验方
法和数学的引入，也就是离不开归纳法（以实验为基 础）和演绎法（依靠数学）两者的结合。
第谷在天文台工作
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开普勒发现利用哥白尼模型火星轨道数据与第谷观测 的数据有8ˊ偏差，促使他改进理论模型。他曾说： “这8弧分是不允许忽略的，它使我走上改革整个天文 学的道路。”
1.椭圆定律：每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一 个焦点上。
开普勒第一定律
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为什么近代科学诞生是从天文学的突破开始的？
托勒密
托勒密地心说体系
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早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提 出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140 年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文 学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心 说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止 不动，其他天体都绕着地球转动。
2．等面积定律：在行星与太阳间作一条直线，则此直线 在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。
开普勒第二定律
3．和谐定律：行星运动周期T 的平方正比于行星与太阳 平均距离R 的三次方，记为：
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04 经典力学的建立
伽利略的研究方法 伽利略对物理规律的论证过程是：一般观察--假说--数学分 析、推论 -- 实验验证，这种论证思想方法为后人揭开物理学的 各种规律提供了范例。 伽利略在科学史上的地位
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 会的统治。 2.创立了研究自然科学的新方法：对现象的一般观察→提出工作假设→ 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 检验→对假设进行修正和推广。即：观察—假设—数学和逻辑推理—实验检 验。 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。 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。 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 6 人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！”
16
（四） 牛顿引力理论的检验
1）关于地球的形状： 牛顿指出：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
哈雷和伦恩在 1679 年按照圆形轨道和开普勒第三定律以及 圆周运动的向心力公式，导出了作用于行星的引力与它们到太 阳距离的平方成反比。但他们还无法证明行星在椭圆轨道下也 是如此。哈雷为此专程于1684年去剑桥向牛顿求教，并于当年 年底得到牛顿的证明结果。哈雷非常高兴，鼓励并资助牛顿出 15 版他的名著《自然哲学的数学原理》。
开普勒精心整理第谷的记录，编制出了当时有史以来最精 12 确的天文表《鲁道夫天文表》。
第 谷 使 用 的 天 文 仪 器
经典力学发展简史
经典力学发展简史经典力学是物理学中的一个重要分支，它研究物体在力的作用下的运动规律。
本文将介绍经典力学的发展历程，从古代到现代，逐步展示了经典力学的演变过程。
古代经典力学的雏形可以追溯到古希腊时期。
古希腊哲学家亚里士多德提出了一种自然哲学体系，包括力的概念。
然而，直到16世纪，经典力学的真正奠基者伽利略·伽利莱才出现。
伽利略通过实验和观察，提出了许多重要的力学原理，如惯性原理和斜面上滑动物体的规律。
他的工作为经典力学的发展打下了坚实的基础。
17世纪，英国科学家艾萨克·牛顿进一步发展了经典力学。
他在其著作《自然哲学的数学原理》中提出了三大运动定律，即牛顿定律。
这些定律揭示了物体运动的基本规律，成为经典力学的核心内容。
牛顿还提出了万有引力定律，解释了天体运动的规律。
这些成果使得牛顿成为经典力学的奠基人之一，他的理论被广泛应用于物理学的各个领域。
18世纪，瑞士数学家欧拉和拉格朗日等人进一步完善了经典力学的数学体系。
欧拉提出了欧拉方程，用于描述刚体的运动规律。
拉格朗日则发展了拉格朗日力学，通过引入广义坐标和拉格朗日方程，将力学问题转化为求解变分问题。
这些数学工具为经典力学的研究提供了更加便捷和高效的方法。
19世纪，法国科学家亨利·勒贝格和奥古斯特·庞加莱等人对经典力学进行了进一步的发展。
勒贝格提出了勒贝格方程，用于描述刚体的运动。
庞加莱则研究了三体问题，提出了庞加莱回归定理，为天体力学的研究提供了重要的理论基础。
20世纪初，爱因斯坦提出了相对论，对经典力学进行了革命性的改进。
相对论修正了牛顿力学中的时间和空间观念，提出了质能关系和光速不变原理。
这些理论对于高速运动和引力场中物体的运动规律具有重要意义。
此外，量子力学的发展也对经典力学产生了深远的影响。
量子力学揭示了微观世界的奇特规律，对经典力学的精细结构和微观尺度的物体的运动提出了新的挑战。
总结起来，经典力学是物理学中的重要分支，经历了从古代到现代的演变过程。
高中物理第6章经典力学与现代物理6.1经典力学的巨大成就和局限性教案沪科版必修2
6.1 经典力学的巨大成就和局限性教研中心教学指导一、课标要求1.了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献；2.了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响；3.认识经典力学的局限性和适用范围.4.通过对以牛顿为代表的经典力学的总结与回顾，体会前人的研究途径与方法，认识到经典力学的巨大成就以及对人类的影响.5.从认识论和方法论的角度介绍经典力学的局限性，培养学生的思想、方法.二、教学建议1.怎样介绍《原理》的产生背景、内容，怎样对《原理》进行评价？教材中安排了《原理》这部分内容目的是让学生了解在当时的社会背景、知识背景下，牛顿等科学家是怎样得到对整个物理学产生巨大影响的包括运动三定律的物理规律.教学中应该把重点放在让学生感受前人坚忍不拔的探索精神、科学严谨的思维方法和谦虚的态度，不要过多地介绍《原理》中的其他内容，对一些感兴趣的学生可以推荐其通过阅览室、互联网查阅更多的相关资料.2.对经典力学的巨大成就的教学，不能变成知识的总结和规律的整理，应该把重点放在让学生知道经典力学的重要地位、对人类产生的积极影响，他们的方法论对自然科学甚至社会科学都有重大的意义.3.经典力学的局限性的教学，应该在充分肯定经典力学的重要地位的前提下，从认识论的角度去引导学生，注意通过教学活动以达到培养学生科学的思想方法、正确的世界观.4.本节的教学应该自始至终地渗透科学观点和思维方法的培养，激发学生发现问题的兴趣，敢于向困难挑战的精神，能客观地、科学地对自己的研究成果进行评价.5.教学中可以结合牛顿、伽利略的杰出贡献，从他们超人的智慧、坚强的毅力的角度适时、适当地介绍一点物理学史.6.建议认真组织并评价课后作业3：撰写一篇题为“关于伽利略、牛顿的科学研究方法对物理学发展的意义”的小论文，鼓励学生通过各种渠道获取相关的信息.资源参考牛顿的绝对时空观在牛顿力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的.在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体无关的，然而运动状态及其改变则与参考物体有密切关系.牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态.牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事.不过，他还是提出了判据.譬如，用绳子将两个球系在一起，让它们保持在一定距离上，绕共同的质心旋转，从绳子的张力可以得知其绝对运动角速度的大小.“水桶实验”是牛顿提出的另一个更著名的实验.实验的大意如下：一个盛水的桶挂在一条扭得很紧的绳子上，然后放手，于是如图所示：牛顿“水桶实验”（1）开始时，桶旋转得很快，但水几乎静止不动.在粘滞力经过足够的时间使它旋转起来之前，水面是平的，完全与水桶转动前一样.（2）水和桶一起旋转，水面变成凹的抛物面.（3）突然使桶停止旋转，但桶内的水还在转动，水面仍然保持凹的抛物面.牛顿就此分析道，在第（1）（3）阶段里，水和桶都有相对运动，而在前者水是平的，后者水面凹下；在（2）（3）阶段里，无论水和桶有无相对运动，水面都是凹下的.牛顿由此得到结论，桶和水的相对运动不是水面凹下的原因.这个现象的根本原因是水在空间里绝对运动的加速度.绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方.他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间.从现今的观点来看，牛顿的绝对时空观是不对的.不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来.爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”.当代的物理教科书在讲牛顿力学时，为避免“绝对空间”的提法，都采用“惯性参考系”的概念.据考证，这想法是德国物理学家朗格（nge）提出的.在牛顿力学的框架中，给惯性系下的定义是惯性定律在其中成立的一类参考系，即在此类参考系中，一个不受外力作用的物体总是做匀速直线运动的.若要再问，怎样知道一个物体没有受到外力呢？回答说，此物体离开别的物体都足够远，它在惯性系中做匀速直线运动.这里似乎出现了一个逻辑循环.然而，仔细推敲我们的表述，是可在教科书中避免这种逻辑循环的.实验表明，在一个参考系中，只要某个物体符合惯性定律，则惯性定律将对其他物体成立.我们把惯性参考系定义为“对某一特定物体惯性定律成立的参考系”，这时再说惯性定律成立的条件是惯性系，就不构成逻辑循环了.从这里我们再次看到，惯性不是个别物体的性质，而是参考系，或者说，时空的性质.下文即将论述，用“惯性参考系”替代“绝对空间”，只是回避了牛顿力学的困难，作为阶段性的教学考虑是可取的，但是并没有真正解决问题.这样，在牛顿力学的框架里，我们必须严格地区分“惯性”和“非惯性”两类参考系，在惯性参考系内，惯性定律和其他牛顿力学定律成立；在非惯性参考系内，牛顿三定律不成立.在所有惯性参考系之间，伽利略相对性原理成立，从而它们都是平权的.在非惯性参考系内则会出现一些“反常”现象.请看下面这段描述.上文提到，惯性定律是不能直接用实验严格地验证的.设想有一位很严格的科学家，他相信惯性定律是可以用实验来证明或推翻的.他在水平的桌面上推动一个小球，并设法尽量消除摩擦（现代可以用气桌相当好地实现这一点），他观察到，小球确实相当精确地做匀速直线运动.正当他要宣布验证惯性定律成功时，忽然发现一切突然变得反常了.原来沿直线运动的小球偏向了一边，朝房子的墙壁滚去，他自己也感到有一种奇怪的力把他推向墙去.究竟发生了什么事？原来有人和他开玩笑.这位科学家的实验室没有窗户，与外界完全隔绝.开玩笑的人安装了一种机械，可以使整个房子旋转起来.旋转一开始，就出现上述各种反常现象，于是惯性定律被推翻了.我们都看到，在非惯性参考系内的“反常”现象，是出现了一些莫名其妙的“力”，即“惯性力”.在通常的教科书中对“惯性力”的解释大意是这样的，如果在非惯性系中的观察者要坚持用牛顿定律来解释他所观察到的力学现象，他必须假想有某种“惯性力”存在.惯性力是惯性在非惯性系里的表现，它与“真实力”有区别.“真实的”力是物体间的相互作用，施力的物体必受到受力物体给它的反作用.我们说惯性力是“虚假的”，因为不存在施加此力的物体，从而也就不存在反作用力.我们在形容词“真实的”和“虚假的”上打了引号.是因为这只是牛顿力学的说法，在广义相对论的理论中，这种说法就不那么绝对了.在平动的加速参考系中，质点所受的惯性力f惯=-ma，在转动的参考系中静止的原点受到惯性离心力，以速度v运动的质点除受到惯性离心力外，还受到一个科里奥利力f c=2mv×ω.例如，上面谈到牛顿的两球和水桶实验，涉及的是惯性离心力，使傅科摆摆面运动的是因地球自转引起的科里奥利力.。
经典力学的建立、发展及其在日常生活中的应用
d2z dt 2
圆周运动
四、
1. 圆周运动的角速度和角加速度
角坐标 (t) 角速度 (t) d (t)
dt
速率
vltim0st rltim0t
v ddst , v(t) r(t) 角加速度 d
dt
y
B
r A
o
x
2.切向加速度和法向加速度
切向加速度（速度大小变化引起）
at ddvt
i
dy
j
dz
k
o
x
dt dt dt
瞬时速率：速度 v 的大小称为速率
v
ds dt
et
v v (dx )2 (dy )2 (dz )2 v ds
dt dt dt
dt
平均速率 v s t
瞬时速率 v ds dt
v合
y r(t t)
B s r
r (t)
A
o
x
v1
速度是矢量，速度合成用平行四边形法则
《天体运行论》共有6卷。在书中，哥白尼大胆地 提出：“太阳是宇宙的中心，所有行星都围绕太阳运 转；地球不是宇宙的中心，而是绕太阳运转的一颗普 通行星。”
哥白尼建立起一个新的宇宙体系，即太阳居于宇 宙的中心静止不动，而包括地球在内的行星都围绕太 阳转动的日心体系。离太阳最近的是水星，其次是金 星、地球、火星、木星和土星。只有月球绕地球转动。 恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动。哥白 尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体 则都有其自然的运动。他系统而明晰地批判了地球中 心说，并且从物理学的角度对日心说可能遭到的责难 提出了答复。
平均距离R 的三次方，记为： T 2 kR3
开普勒第二定律
物 理 与 文 化 教学大纲
复旦大学通识教育核心课程教学大纲物理与文化课程代码: PHYS119001课程名称:物理与文化 (Physics and cultures )学分数: 2学分周学时: 2学时主讲教师:物理学系马世红教授，现代物理研究所王炎森教授，孔青副教授预修课程:高中物理和数学课程性质:是一门文理交融, 重视科学教育与人文教育融合的通识教育课程。
教学目的:本课程是以物理基础知识为载体, 突出物理学的文化内涵, 展现物理思想和人文精神的融合, 有利学生科学素养和终身学习能力的培养。
基本内容简介: 本课程是在较系统介绍(以定性介绍为主)物理学的一些基本知识(从宏观、微观到宇观)的基础上, 着重通过对物理学发展史上的一些具有里程碑意义的重大发现过程和一些著名物理学家的重大贡献的介绍，向学生展示物理学发展过程中所体现的丰富的科学思想、科学方法和科学精神, 以及著名物理学家的创新思维、高尚道德和人格魅力。
同时也对与物理学有关的一些社会性论题及这些重大发现在高科技中生动、有趣的应用作了适当介绍。
教材和教学参考资料:教材:倪光炯、王炎森《文科物理 --- 物理思想与人文精神的融合》高等教育出版社 2005年主要参考资料:倪光炯、王炎森、钱景华、方小敏《改变世界的物理学》(第二版)复旦大学出版社, 1999年阿特·霍布森《物理学:基本概念及其与方方面面的联系》秦克诚等译上海科学技术出版社, 2001年埃米里奧·赛格雷,《从落体到无线电波 --- 经典物理学家和他们的发现》上海科学技术文献出版社, 1984年《从X射线到夸克 --- 近代物理学家和他们的发现》上海科学技术文献出版社, 1984年基本要求: 要求学生了解: 本课程中所介绍的物理学中一些最基本的知识, 物理学发展史中一些重大发现的内容和意义, 一些著名物理学家的创新思维和突出贡献。
以及自然科学的一些研究方法。
在上述基础上深入思考“科学教育与人文教育融合”的重要意义，人文思想对科学发展的作用,自然科学中的研究方法在人文科学研究中的参考价值, 体会对真、善、美的追求是科学文化和人文文化的共同目标, 消除两种文化隔阂的重要性。
高中物理 第6章 经典力学与现代物理 6.1 经典力学的巨大成就和局限性学案 沪科版必修
高中物理第6章经典力学与现代物理 6.1 经典力学的巨大成就和局限性学案沪科版必修6、1 经典力学的巨大成就和局限性思维激活科学的理论对实践有巨大的指导作用，请你从经典物理中找到一例加以论证、提示牛顿的万有引力定律在人类认识自然指导实践的过程中起到过巨大的作用，1781年3月3日，英国天文学家威廉赫歇耳发现天王星以后，世界上一些天文学家根据牛顿引力理论计算天王星轨道时，发现计算的结果总与实际观测位置不符合、这就引起人们思索：是牛顿理论有问题，还是另外有一个天体引力施加在天王星上？1845年，一位年仅26岁的英国剑桥大学青年教师亚当斯，通过计算研究认为在天王星轨道外还有一颗大行星，正是这颗未知的大行星的引力，才使理论计算和实际观测的位置不符合，他通过计算预报了这颗未知大行星在天空中的位置、然而，他的预报没有引起有关天文学家的重视、同样，1845年夏季，法国天文工作者勒威烈，也独立地通过计算预报了天王星轨道外这颗未知大行星在天空中的位置、德国柏林天文台长伽勒，根据勒威烈的预报位置，于1846年9月23日果然发现了这颗大行星、海王星的发现又使太阳系的边界向外延展了约17亿公里、海王星的发现是牛顿奠定的天体力学的辉煌成果，是理论指导实践的典范、自主整理一、一座永垂不朽的纪念碑1、《自然哲学的数学原理》的产生：英国科学家牛顿的代表作、成书于1687年、2、《自然哲学的数学原理》介绍：全书共分两个部分、第一部分是“定义和注释”“运动的基本原理”、第二部分是定律的应用，其内容包括：万有引力定律和行星的运动；流体力学的开创性研究；天体力学和宇宙系统的开拓性研究（行星的运动、卫星的运动、地面上的落体运动、抛体运动、彗星轨道、岁差以及潮汐现象等）、全书贯穿了牛顿和莱布尼兹分别独立发明的数学方法微积分、它在科学史上占有非常重要的地位，因为它标志着经典力学的建立、二、经典力学的巨大成就1、把天体运动与地上物体的运动统一起来了、2、以经典力学为基础发展起来了天体力学、材料力学、3、力学与热学结合引发了第一次工业革命、4、经典力学是航天的理论基础、三、经典力学方法论的意义经典力学的研究方法以伽利略和牛顿最为典型、伽利略：理想实验法、牛顿：归纳演绎法，建立理论体系、四、经典力学的局限性1、经典力学对时间和空间的认识（1）把一切自然现象都归结为机械决定论、（2）把时间、空间割裂开来，认为它们与物质运动无关、2、经典力学的适用范围（1）只适用于低速运动，不适用于高速运动、（2）只适用于宏观世界，不适用于微观世界、（3）只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境、高手笔记亚里士多德、伽利略、牛顿的科学研究方法比较：科学家简介方法论意义科学成就亚里士多德Aristotle3841642意大利物理学家，开创近代自然科学研究方法的第一位学者观察提问、合理假设、数学变换、实验验证提出了新的研究方法数学推理和科学实验建立了摆的定律、惯性定律、自由落体定律，提出伽利略相对性原理，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想和经典力学的基础，他的工作使物理学成为独立的知识体系并从哲学中分化出来牛顿Newton1642—1727英国科学家，17世纪最伟大的科学巨匠重在分析与综合、归纳与演绎，强调论证要用实验验证更为深刻地实现了科学方法的丰富、发展与变革澄清了力和运动的观念，总结出万有引力定律和牛顿运动三定律，建立起完整的经典力学体系，从伽利略时代以来一个世纪的物理学工作，在牛顿手里得到了综合名师解惑1、经典力学有哪些成就？剖析：（1）把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，牛顿把天上的运动和地上的运动统一起来，实现了天上力学和地上力学的综合，从力学上证明了自然界的统一性，这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合，它开辟了一个新时代，并对学科发展的进程以及后代科学家们都产生了极其深刻的影响、（结合学生已学过的运动学动力学情况介绍）（2）经典力学的建立首次明确了一切自然科学理论应有的基本特征，这标志着近代理论自然科学的诞生，也成为其他各门自然科学的典范、牛顿运用归纳与演绎、综合与分析的方法，极其明晰地得出了完善的力学体系，被后人称为科学美的典范，显示出物理学家在研究物理时，都倾向于选择和谐与融洽的体系，追求最简洁、最理想的形式、（3）经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会进步具有深远影响、一是科学的研究方法推广应用到物理学的各个分支学科上，对经典物理学的建立意义重大；二是经典力学与其他基础科学相结合产生了许多交叉学科，促进了自然科学的进一步发展、三是经典力学在科学技术上有广泛的应用，促进了社会文明的发展、2、如何理解经典力学的局限性？剖析：（1）从低速到高速当物体运动速度远小于真空中光速时，经典力学处理这些运动完全适用、物体的质量m不随运动状态改变、而根据狭义相对论的观点，质量要随着物体运动速度的增大而增大、若物体的速度接近光速，物体的质量增大比较显著，不能忽略，经典力学不再适用、（2）由宏观到微观19世纪末和20世纪初，物理学研究深入到微观世界，发现了电子、质子、中子等微观粒子，而且发现它们不仅具有粒子性，同时还具有波动性，它们的运动规律在很多情况下不能用经典力学来说明、这说明经典力学一般不适用于微观粒子、。
经典力学发展简史
经典力学发展简史1. 引言经典力学是物理学的基础，它描述了物体在受力作用下的运动规律。
本文将介绍经典力学的发展历程，从古希腊的亚里士多德到牛顿的三大定律，再到拉格朗日和哈密顿的变分原理和正则方程。
2. 亚里士多德和古希腊的力学古希腊的亚里士多德是力学的奠基人之一。
他提出了自然哲学的观点，认为物体的运动是由四种元素（地、水、火、气）的属性决定的。
他的观点在几个世纪里向来占主导地位，直到伽利略的实验观察和理论分析。
3. 伽利略的实验与理论伽利略是现代力学的奠基人之一。
他通过实验观察和理论分析，否定了亚里士多德的观点，并提出了自由落体定律和斜面上滑动的规律。
他的观点和实验方法为后来的科学家提供了重要的启示。
4. 牛顿的三大定律牛顿是经典力学的奠基人，他的三大定律被广泛应用于物体的运动描述。
第一定律（惯性定律）指出物体在没有外力作用下保持匀速直线运动或者静止。
第二定律（运动定律）描述了力与物体质量和加速度之间的关系。
第三定律（作用-反作用定律）说明了任何两个物体之间都存在相互作用力，且大小相等、方向相反。
5. 拉格朗日力学拉格朗日力学是经典力学的重要分支，由意大利数学家拉格朗日提出。
它基于最小作用量原理，通过定义广义坐标和拉格朗日函数，推导出物体的运动方程。
拉格朗日力学在描述复杂系统的运动时非常有效，如多体问题和刚体的运动。
6. 哈密顿力学哈密顿力学是经典力学的另一个重要分支，由爱尔兰数学家哈密顿提出。
它基于哈密顿函数和正则方程，描述了物体在广义坐标和广义动量空间中的运动。
哈密顿力学在描述宏观和微观系统的运动时非常实用，如天体力学和量子力学。
7. 经典力学的应用经典力学在科学和工程领域有广泛的应用。
在天体力学中，经典力学可以描述行星、卫星和彗星的运动。
在工程学中，经典力学可以用于设计机械系统和建模材料的力学性质。
此外，经典力学还被应用于物理学、化学、生物学等学科的研究中。
8. 结论经典力学是物理学的基础，它的发展经历了从古希腊的亚里士多德到牛顿的三大定律，再到拉格朗日和哈密顿的变分原理和正则方程的过程。
04 经典力学的建立
9
（三）牛顿的总结
牛顿（公元1642～1727年）是英国数学家、天文学家和 物理学家。 1703年当选皇家学会会长，并连选连任， 直到逝世。
1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理 》，从力学的基本概念（质量、动量、惯性、 力）和基本定律（运动三定律）出发，运用微 积分这一数学工具，建立了经典力学的完整而 严密的体系，把天体力学和地面上的物体力学 统一起来，实现了物理学史上第一次大的综合。
3)观点：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 转，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。被人 誉为“星学之王”。
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。
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。
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！” 6
（二） 笛卡儿的运动理论
8
根据这些假设，惠更斯作出断言：两个质量相同并以相同的 速度相向运动的物体，在发生刚性的对心碰撞之后，都保留碰 撞前的速度而相互弹开。
动量守恒律的表述：“两个物体所具有的运动量在碰撞中都 可以增多或减少，但是它们的量值在同一个方向的总和却保持 不变，如果减去反方向的运动量的话。”他还指出：“两个， 三个或任意多个物体的共同重心，在碰撞前后总是朝着同一方 向作匀速直线运动。”
引入矢量概念：强调动量数值的变化又强调了方向的问题。
“活力定律”：“在两个物体的碰撞中，它们的质量和速 度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变。”——完全弹性碰 撞中机械能守恒定律。
经典力学的建立和发展
F G
m1 m 2 R
2
万有引力的实验验证—卡文迪许扭称
卡文迪许测得：
G 6.67261011 N•m2/kg2
目前的国际公认值： G 6.7541011 N•m2/kg2
旋吊线
悬吊在半空中可以 自由转动的木杆
小铅球
卡文迪许
大铅球
卡文迪许扭称
理论预言的实践检验——哈雷彗星和海王 星的发现（预言运行轨道，出现周期）
时间T（秒,
s）：
宇宙年龄：1018
地球年龄： 1017 出现古人类： 1014 人类文明史： 1011 人类寿命： 109 地球公转周期： 107 地球自转周期： 104 钟摆周期： 100 基本粒子的寿命： 10-6—10-25
§2.4 牛顿与经典力学
英国著名诗人Pope写道：
Nature and Nature’s law lay hid in night, God said “let Newton be” and all was light. 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，
《自然哲学的数学原理》
牛顿的研究方法：归纳 — 演绎法 归纳法：从实验出发，由特殊到一般
演绎法：以理论为主，由一般到特殊
值得思考：
牛顿不仅讲了研究目的，还讲了科学研究方法：特殊 （现象）到一般（规律），再从一般回到特殊。
•前者是英国哲学家培根强调的“归纳法”，它以实验为 基础；
•数学家兼哲学家的笛卡儿所强调的“演绎法”，它要用 数学工具。
因果性原理：对于自然界中同一类结果，必须尽可
能归之于同一种原因。 统一性原理：物体的属性，凡是既不能增强也不能 减弱者，又为我们实验所能及的范围的一切物体所具 有者，就应视为所有物理的普遍属性。 简单性原理：除那些真实而已足够说明其现象者外， 不必再去寻求自然界事物的其他原因。
课件3：第11课 物理学的重大进展
数学方面： 发明了二项式定理；与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学。
光学方面： 发现了太阳光的光谱，1704年出版了《光学》一书，创立了
光的“微粒说”。 天文学领域：
1671年创制了反射望远镜。
二、相对论的创立
——适用于宏观宇宙高速运动状态
1、背景：19世纪出现经典力学无法解释的新现象 2、提出：爱因斯坦 狭义相对论和广义相对论 3、历史意义：对物理学 对人类思想
1、背景：
（1）经典力学体系建立在日常生活中常见的低速运动 的物质之上，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任 何直接联系的。 (2)19世纪科学得到了飞速发展，物理学研究深入到物 质内部的微观世界，另一方面扩展到整个宇宙。物理学 研究中遇到了一些经典力学无法解释的新问题。
2、提出：
爱因斯坦提出“狭义相对论”和“广义相对论”
C
4、海王星的发现是根据
B A、哥白尼日心说的推算
B、牛顿理论的推测 C、法拉第演说计算 D、爱因斯坦对时间、空间属性的揭示
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③不仅推动了物理学自身的发展，而且还开阔了人们的 视野，改变了人们认识世界的角度和方式。
1、爱因斯坦相对论的提出是物理学领域的一场重大革命， 主要是因为
A ①否定了经典力学的绝对时空观
②揭示了时间、空间并非绝对不变的本质属性 ③打破了经典力学体系的局限性 ④使人类对客观世界的认识开始从宏观世界深入到微观世 界 A、①②③ B、②③④ C、①③④ D、①②④
三、量子论的诞生与发展
——适用于微观世界的粒子运动
1、背景：经典力学无法解释微观的粒子运动 2、诞生：1900年普朗克提出量子假说 3、发展：爱因斯坦 玻尔 4、意义：革命性进步 现代物理学基础 开阔视野