经典力学体系的主要内容
牛顿三定律及其应用
牛顿三定律及其应用牛顿三定律是经典力学体系中最基本的定律之一，由英国科学家艾萨克·牛顿于17世纪提出。
这三个定律揭示了物体运动的规律，对于我们理解和解释自然界中的各种现象有着重要的作用。
本文将介绍牛顿三定律的基本内容以及其在现实生活中的应用。
一、牛顿第一定律：惯性定律牛顿第一定律也被称为惯性定律，它表明一个物体如果没有受到外力的作用，将保持静止或匀速直线运动的状态。
换句话说，物体会沿着原来的运动状态继续运动，称为惯性。
只有外力的作用才能改变物体的状态。
例如，当我们骑自行车行驶时，如果突然停车，我们会因为惯性而向前倾斜。
同样地，当汽车突然加速或刹车时，我们身体会有不同程度的向前或向后倾斜。
牛顿第一定律的应用不仅存在于日常生活中，也在工程和科学研究中得到广泛应用。
例如，航天器在外层空间中的自由飞行就是基于牛顿第一定律的应用，太空船的轨道或者航向可以根据物体的惯性来计算和决定。
此外，遵循惯性定律，我们设计和制造各种工具和装置，如惯性导航系统、惯性测量设备等，使它们能够准确地感知和反馈自身位置和方向。
二、牛顿第二定律：力的作用定律牛顿第二定律是力学中的核心定律，它描述了力对物体运动产生的影响。
根据牛顿第二定律，物体的加速度与作用在物体上的力成正比，反比于物体的质量。
这可以用数学公式表示为 F=ma，其中 F表示作用在物体上的力，m表示物体的质量，a表示物体的加速度。
牛顿第二定律的应用非常广泛。
例如，当我们使用力量推动或拉动物体时，可以根据牛顿第二定律来计算所需的力量大小。
在交通工具的设计中，我们可以根据物体的质量和期望的加速度来确定所需的引擎功率。
此外，牛顿第二定律在运动学、力学、航天工程等领域都有广泛的应用，帮助我们预测和解决各种物体运动和相互作用的问题。
三、牛顿第三定律：作用反作用定律牛顿第三定律也称为作用反作用定律，它表明所有的力都是成对出现的，且大小相等、方向相反。
换句话说，对于每一个作用力都有一个与之大小相等、方向相反的反作用力。
第九讲 拉格朗日-哈密顿力学
牛顿世界观
牛顿的困惑：为什么行星能够保持圆周运动？什么是第一推动？
这个问题带着他走向了神学。
“牛顿一脚把上帝踢出了
太阳系，但还让他临走前 推了太阳系一把。”
康德，“星云假说”
“在这个世界上只有两种 东西最能震撼人们的心 灵，一是我们内心崇高 的道德；二便是我们头 顶上灿烂的星空。”
S + H (q, p,t) = 0 t
简化的偏微分方程
经典力学达到巅峰
牛顿世界观
➢18世纪后整个自然科学都走上牛顿指引的道路。 ➢“自然哲学的全部任务看来就在于从各种现象来研究各种自然之
力，而后用这些力去论证其他的现象” ➢不同领域均发生了力学化：天体力学、流体力学、电动力学。 ➢直到19世纪末，整个自然科学可以说就是力学。
哈密顿力学
经典力学体系：拉格朗日-哈密顿力学
标准模型的拉格朗日量
哈密顿力学
经典力学体系：拉格朗日-哈密顿力学
哈密顿作用量 S = t2 Ldt t1
哈密顿量 H (q, p,t) = T +U
H ( p, q,t) = piqi − L
i
哈密顿方程
q=
H p
p
=
−
H
两个常微分方程
q
哈密顿-雅可比方程
小时绕地球一周会变成常识？ • 有没有可能，我们目前的世界观也是错误的？或者在我们的子
孙看来，我们的观念是陈旧而且诡异的？
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19世纪末
伽利略：《两门新科学的对话》
运动学
材料的强度
一般力学 牛顿运动定律
胡克定律
牛顿流体
电磁场
2021-2022版老教材历史人民版必修三学案：专题七一近代物理学的奠基人和革命者含答案
一近代物理学的奠基人和革命者学习目标时空坐标1.了解经典力学的主要内容。
2.认识经典力学在近代自然科学理论发展中的历史地位。
3.知道相对论、量子论的主要内容,认识现代物理学发展的重大意义。
必备知识·自主学习一、认识史上的飞跃1.背景:近代科学的诞生以及伽利略自由落体定律的创立,冲击了亚里士多德学说的统治地位。
2.牛顿力学三定律:(1)时间:17世纪末。
(2)内容:牛顿在研究伽利略自由落体定律的基础上,得出了惯性定律和加速度定律,又在笛卡尔等人对碰撞运动的研究基础上总结出作用力和反作用力定律。
(3)地位:牛顿的运动三定律构成了近代力学体系的基础,成为整个近代物理学的重要支柱。
3.万有引力定律:从研究地球对月球的引力入手,综合了开普勒等人有关天体力学方面的研究成果,并运用他自己创立的微积分做计算工具,成功地导出了万有引力定律。
4.著作:《自然哲学的数学原理》,总结了他的力学体系以及在数学、天文学方面的研究成果。
5.意义:(1)牛顿力学体系对自然界的力学现象做出了系统的、合理的说明,从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。
(2)它的确立使力学和天文学在理论上达到了相当完备的程度,同时也在生产和科学实验中得到广泛的应用和验证。
二、驱走乌云的太阳1.背景:19世纪的物理学领域,在牛顿力学的基础上,形成了完整的理论体系,19世纪末,物理学界的重大研究课题是黑体辐射问题。
2.量子理论的诞生:1900年,德国物理学家普朗克提出了量子概念,《关于正常光谱能量分布定律的理论》的发表,标志着量子理论的诞生。
3.量子力学的建立:(1)1905年德国科学家爱因斯坦利用量子理论成功解释了光电效应,得出光具有波粒二象性的结论。
(2)1923年法国物理学家德布罗意提出物质波理论,将量子论发展到一个新的高度。
(3)奥地利、德国的物理学家建立了量子力学。
4.意义:(1)量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系,指导着人们向物质运动的各个层面进行深入探讨。
经典力学体系
经典力学体系
经典力学是物理学的基础,由牛顿力学、万有引力定律和三大运
动定律等基本理论组成。
牛顿力学是经典力学体系的基础,是基于质点运动定律和运动三
定律建立的。
牛顿力学给出了物体在力的作用下的运动规律,包括运
动速度、加速度、作用力和反作用力等概念。
牛顿力学的基本假设是物体是质点,没有体积和质量,因此力的大小和方向是与物体之间的
距离和角度相关的。
牛顿力学的应用广泛,包括经典力学、量子力学
和相对论等领域。
万有引力定律是经典力学体系的重要里程碑,是牛顿力学的补充
和发展。
万有引力定律研究了物体间的引力作用规律,描述了物体间
引力与它们的质量和距离的平方成反比。
这个定律在天体物理学和工程学等领域中得到了广泛应用。
三大运动定律是牛顿力学的补充和发展,包括运动定律、作用力
和反作用力定律和物体的惯性定律等。
它们描述了物体在力的作用下的运动规律,并且指出了物体的惯性是物体保持原有运动状态的性质。
三大运动定律的应用包括工程设计、天体物理学和动力学等领域。
经典力学体系是物理学的基础,对于理解自然现象和宇宙结构的
形成有着重要的贡献。
经典力学的建立和发展
经典⼒学的建⽴和发展第⼆章经典⼒学的建⽴和发展⽜顿在“原理”⼀书中⼀开始便说:我把这部著作叫做《⾃然哲学的数学原理》，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种⾃然之⼒，⽽后⽤这些⼒去论证其他的现象。
本章主要四⽅⾯内容:1.近代科学诞⽣是从天⽂学的突破开始 —— 哥⽩尼⽇⼼说。
2.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。
3.⽜顿的哲学思想、科学研究⽅法和⼒学机械观。
4.具体知识 —— 着重⼏个守恒定律。
§2.1 坐标系、位置⽮量、速度先介绍在⼒学中的基本物理量:1.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。
2. 在⽜顿⼒学中，坐标和时间是独⽴的，且测量长度的尺在不同参考系中“长度是不变的”和所⽤的钟测得的是“绝对时间”（即不同参考系中钟的快慢⼀样）。
3. 速度是⽮量，速度合成⽤平⾏四边形法则。
4.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，体会⽤图形来分析说明问题的重要性和必要性。
§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1.为什么近代科学诞⽣是从天⽂学的突破开始的？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。
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。
2. ⽇⼼说提出的科学根源、哲学根源和历史根源是什么？(1) 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。
(2) 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。
牛顿经典力学体系
四、相对论的建立--爱因斯坦
狭义相对论 理论建立标志：1905年《论动体的电动力学》
原理： 时间和空间都与物质的运动有关， 随着物质运动速度的变化而变化。 （E=mc2）
意义： 打破经典力学的绝对时空观；
为原子能的利用奠定了理论基础。
探究：狭义相对论与牛顿力学的关系：
相对论否定牛顿力学的绝对时空观， 但并非全盘否定牛顿力学
3、信息时代（第三次科技革命）：20世纪40、50年代——至今
文艺复兴 思想解放
科 科学勃兴 进展辉煌
技
经典力学、相对论和
历
量子论、进化论
程
转化生产 科技革命
三次科学技术革命
近代物理学的奠基人和革命者
课标要求 • 了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科
学理论发展中的历史地位。 • 知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。
背景： 微观粒子运动无法用经典力学解释。
诞生பைடு நூலகம்发展：
意义：标志人类对客观规律的认识深入到微观世界；
间接影响第三次科技革命。
量子力学是为描述远离我们的日常生活经验的抽象 原子世界而创立的，但它对日常生活的影响无比巨 大。没有量子力学就没有全球经济可言，因为作为 量子力学的产物的电子学革命将我们带入了计算机 时代。同时，光子学的革命也将我们带入信息时代。 量子物理的杰作改变了我们的世界。
—《大—国—崛《起世•界工文业明先史声》》
牛顿说：天体之所以会运动， 是因为上帝创造了万物以后， 也设定了各种自然规律， 比 如运动定律等等。上帝先把 它们一推，然后天体就按 “动者恒动”的定律一直运 动下去，事物都就按照自然 规律和概率顺其自然的发生。 上帝不再作任何事情。
英国西敏寺的牛顿墓 墓志铭：Nature and Nature'
牛顿的经典力学体系
牛顿的经典力学体系1. 说起牛顿的经典力学体系，那可真是个有意思的故事！就像是一个聪明绝顶的大厨，把整个世界的运动规律都给炖成了一锅美味的大汤！2. 牛顿提出了三个重要的定律，就像是三根擎天柱一样支撑起了整个经典力学大厦。
这三个定律简单得让人直呼神奇，却又包含了天地万物运动的真理。
3. 第一个定律说的是惯性定律，说白了就是：物体要么就躺平不动，要么就一直走直线。
除非有人来推它踹它，不然它就这么懒洋洋地保持原状。
就像我们躺在沙发上，要是没人喊，谁也不想动弹！4. 第二定律可有意思了！说的是力和加速度的关系。
力越大，加速度就越大；质量越大，加速度反而越小。
就像推购物车，使劲推跑得快，装得太满反而跑不动，简单吧？5. 第三定律讲的是作用力和反作用力。
你推我一下，我就会推你一下，力的大小还完全一样！这就跟我们打乒乓球一样，球拍打球，球也在"打"球拍呢！6. 牛顿还研究了万有引力，发现宇宙中所有物体都在相互吸引。
这就像是给万物之间都系上了看不见的橡皮筋，越近拉得越紧，越远拉得越松。
7. 有了这些定律，牛顿就像是个神算子，能算出星星月亮怎么转，炮弹怎么飞，钟摆怎么摇。
这些计算准得吓人，就跟他亲自指挥了宇宙万物似的！8. 牛顿的力学体系还给我们留下了一个重要思想：世界是可以用数学来描述的。
这就像是发现了宇宙的密码本，让我们能读懂大自然的语言。
9. 这套理论厉害到什么程度？直接统治了物理学界三百多年！就像是一位不倒的皇帝，直到爱因斯坦带着相对论来踢馆，才让人发现原来还有更深的奥秘。
10. 虽然现在我们知道在超高速或者超微观的世界里，牛顿力学有点力不从心，但在我们日常生活中，它依然是最实用的理论。
开车、盖房子、打篮球，都离不开这些基本定律。
11. 牛顿的经典力学就像是一把打开自然界的钥匙，帮助人类理解了许多自然现象。
从此以后，科学家们不用再靠猜测和迷信，而是可以用严谨的数学公式来解释世界了。
12. 说到底，牛顿给我们留下的不只是几个公式，更是一种认识世界的方法。
牛顿力学体系
牛顿力学体系
3、意义 、 ）、牛顿运动三大定律构成了近代力 （1）、牛顿运动三大定律构成了近代力 ）、 学体系的基础， 学体系的基础，成为整个近代物理学的 重要支柱。 重要支柱。 ）、经典力学是近代自然科学理论体 （2）、经典力学是近代自然科学理论体 ）、 系中最先成熟和完善的核心理论体系。 系中最先成熟和完善的核心理论体系。 ）、牛顿力学体系是近代自然科学形 （3）、牛顿力学体系是近代自然科学形 成的标志。 成的标志。
达尔文、 达尔文、赫胥黎进化论
生物学家 达尔文 著作 主顿力学体系主要内容： 牛顿力学体系主要内容： 牛顿力学三大定律（惯性定律、 牛顿力学三大定律（惯性定律、加速度的比例 定律、作用力和反作用力定律） 定律、作用力和反作用力定律）和万有引力定 律。这些理论将天体的运动和地球上物体的运 动概括在同一理论之中， 动概括在同一理论之中，成为经典力学的集大 成者。 成者。 1687年，牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》 年 牛顿撰写的《自然哲学的数学原理》 出版，书中总结了他的力学体系及及在数学、 出版，书中总结了他的力学体系及及在数学、 天文学方面的研究成果。 天文学方面的研究成果。
牛顿力学体系
4、牛顿力学理论的预见性与科学性 、 准确算出了地球的平均密度和扁平率。 ①准确算出了地球的平均密度和扁平率。 正确地解释了潮汐的成因。 ②正确地解释了潮汐的成因。 发现了海王星。 ③发现了海王星。
爱因斯坦相对论
1、1905年，爱因斯坦发表了《论动体的电动 、 年 爱因斯坦发表了《 力学》一文， 力学》一文，在相对性原理和光速不变原理的 基础上，创立了狭义相对论。 基础上，创立了狭义相对论。 2、狭义相对论 、 （1）内容 ） （2）是对牛顿力学的继承和发展。 ）是对牛顿力学的继承和发展。 3、广义相对论 、 （1）内容 ） （2）意义 ） 4、相对论意义 、
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力学在量子力学出现前的总称，研究宏观物体的运动规律，包括以牛顿运动定律为基础的经典理论和狭义相对论。
I．牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》一书中提出的运动三定律和万有引力定律为经典力学奠定了基础。
L．欧拉，J．-L．拉格朗日、W．R．哈密顿等继牛顿之后，发展了不同的体系，推广了力学在自然科学和工程技术中的应用。
学者们根据经典力学的定律和万有引力定律曾经精确地预言彗星和小行星等的运动，并且得到了验证；还根据这些定律预言并发现了新的行星。
经典力学应用的成功以及麦克斯韦的电磁学理论预测电磁波的成功曾使19世纪末一些物理学家以为物理学在原则上已是完善的。
以牛顿定律为基础的力学理论是有它的局限性的。
当物体的运动速度可与光速比拟时，对运动的分析要求放弃绝对空间和时间的概念，A．爱因斯坦于1905年建立的狭义相对论对此作了彻底的改革。
在狭义相对论中，给出了长度收缩效应和时间膨胀效应，从而得出质点的质量是速度的函数，当质点速度接近光速时，质量趋于无限大。
在物体的速度比光速小得多的条件下，牛顿定律成为相对论的特殊情况。
在相对论动力学中也可应用拉格朗日和哈密顿的方法，但此时的拉格朗日函数和啥密顿函数不同于非相对论力学中的相应函数。
20世纪20年代，L．-V．德布罗意、E．薛定谔、W．K．海森伯、P．A．M．狄喇克等物理学家建立了研究电子、质子等微观粒子行为的量子力学。
量子力学的一个基本观点是微观粒子的行为不能以空间和时间的确定函数表达，故量子力学是非经典的。
由于牛顿力学和相对论力学在描述物体行为的观点上是一致的，现代的经典力学著作都把狭义相对论的知识作为经典力学的组成部分。
这些著作常包括牛顿力学和其重要发展体系——拉格朗日体系、哈密顿体系，以及狭义相对论等部分。
因此，经典力学可分为非相对论经典力学和相对论经典力学。
经典力学是力学的一个分支。
经典力学是以牛顿运动定律为基础，在宏观世界和低速状态下，研究物体运动的基要学术。
在物理学里，经典力学是最早被接受为力学的一个基本纲领。
经典力学又分为静力学（描述静止物体）、运动学（描述物体运动）和动力学（描述物体受力作用下的运动）。
在十六世纪，伽利略·伽利莱就已采用科学实验和数学分析的方法研究力学。
他为后来的科学家提供了许多豁然开朗的启示。
艾萨克·牛顿则是最早使用数学语言描述力学定律的科学家。
基本定律
牛顿第一定律
一切物体在没有受到外力作用或受到的合外力为零时，它们的运动保持不变，包括加速度始终等于零的匀速直线运动状态和静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。
牛顿第二定律
物体的加速度与所受外力成正比，与物体的质量成反比，加速度的方向与合外力的方向相同。
公式：F（合）=kma【当F（合）、m和a 采用国际单位制N、kg和m/s²时，k=1】
牛顿第三定律
两个物体之间的作用力与反作用力大小相等，方向相反，并且在同一条直线上。
万有引力定律
自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体（质点）的质量乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。
公式：
;
基本假定
第一个假定：假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关；物质间相互作用的传递是瞬时到达的。
由此可知，经典力学实际上只适用于与光速相比低速运动的情况。
在高速运动情况下，时间和长度不能再认为与观测者的运动无关。
第二个假定：一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。
由此可知，经典力学只适用于宏观物体。
在微观系统中，所有物理量在原则上不可能同时被精确测定。
因此经典力学的定律一般只是宏观物体低速运动时的近似定律。
应用范围
它在许多场合非常准确。
经典力学可用于描述人体尺寸物体的运动（如陀螺和棒球），许多天体（如行星和星系）的运动，以及一些微尺度物体（如有机分子）。
在低速运动的物体中，经典力学非常实用，虽然爱因斯坦提出了相对论，但是在生活中，我们几乎不会遇见高速运动（光速级别），因此，我们还是会以经典力学解释各种现象。
但是在高
速运动或极大质量物体之间，经典力学就“心有余而力不足”了。
这也正是现代物理学的范畴。
发展
古希腊
力学是物理学中发展较早的一个分支。
古希腊著名的哲学家亚里士多德曾
对“力和运动”提出过许多观点，例如“力是维持物体运动状态的原因”，“两个重物，较重的下落较快”等。
他的著作一度被当作古代世界学术的百科全书，在西方有着极大的影响，以致他的很多错误观点在长达2000年的岁月中被大多数人所接受。