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。
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。
G N
一个定律统一物理学？ 一个思想统一全人类？
• 物理定律适应条件与范畴 • 拓展的应用——
系统的稳定性结构 社会的和谐与稳定性 发展与变革 结构与作用力（地质，人体，建筑物）
牛顿在科学研究方法上的贡献
“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。”
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。
哥白尼体系与托勒密体系相比具有明显的优点：
内在的简单性——太阳在中心，五大行星和地球绕太阳 作大小不同的圆周运动，提供了用匀速圆周运动解释天 体现象的最简单的几何方案。 内在的和谐性——将行星轨道大小、运动速率和排列顺 序关联起来，形成紧密有序的整体，太阳位于中心，使 宇宙显示对称性。
• 古希腊哲学家亚里士多德提出 “地心说”，认为宇宙以地 球为中心
• 近代科学诞生是从天文学的突破开始的（研究方法） 公元140年，古希腊天文学家托勒密发表 巨著《天文学大成》，在总结前人工作 的基础上系统地确立了宇宙地心说 ： — 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。
“地心说” •表观上解释了日月星辰每天 东升西落、周而复始的现象 •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 流传长达1300余年。 欧洲教会以此作为上帝创造 世界的理论支柱，取得学术 界的统治地位
T kR
2
3
开普勒行星运动三定律的科学意义
•定律强烈暗示了太阳对行星有一种吸引力，这个 力随距离的增大而减弱。
•能解释例如为什么水星（离太阳最近）的运动速 度比金星的快，因而周期最短的事实。
•这是什么样的力呢？ •牛顿揭示这一自然奥秘 —— 万有引力 •开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要 基础。 •从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成 为近代科学的开路先锋。
伽利略斜面实验
伽利略与斜塔（自由落体实验）
三、对科学方法的贡献
伽利略的研究方法：
对现象的观察
实验验证
提出假设
形成理论
进行数学和逻辑的推理
开创科学实验方法，将实验、 观察和理论思维相结合。 提出思想实验。
出发点要可靠 推理要严谨
伽利略在解释其观察结论
“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”
•描述运动状态：时间，空间 （坐标，位移，速度，加速度）
牛顿（1642-1727）的绝对时空观：
坐标和时间是独立的，与运动无关， 在不同参考系中用“长度不变的尺”和“绝对时间”
运动是绝对的
运动的描述是相对的 例：
船在流水中前进
飞机上发射火箭
飞机逆风起飞与降落 火箭发射与地球自转同向
飞机空中加油； 宇宙飞船与空间站对接 （绝对速度0，相对速度=0）
第谷用过的望远镜
第谷在天文台工作
研究方法：实验观测 —— 归纳总结（归纳法）
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。
行星 太阳
开普勒第一定律
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（行星非匀速运动）
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：
重力：地球对物体的引力作用 失重，超重， 想象无重力作用情况（外空间） 弹性力：物体企图恢复形变时产生的力 摩擦力：物体具有相对运动（或趋势）时产生 f = N （滚动，滑动）
（汽车离合器，刹车，车轮与地面，纺织品） 电场力，磁力，分子、原子的作用力
牛顿第一定律——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。 惯性——物体固有运动特性（维持原有运动状态）。 力的含义——是改变物体运动状态的因素，而不是维 持物体运动状态的因素。
上帝说：“让牛顿去吧！”
于是一切成为光明。
牛顿的贡献：数学，天文学，
力学，光学，科学研究方法
牛顿发明反射望远镜
力—物体间的相互作用
万有引力：
定律的创立过程 问题的提出 ——苹果为什么从树上掉到地上？ 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。
惯性参照系与非惯性参照系（a 0） 汽车启动与刹车，电梯，转盘，地球
Why？
a
参照系与测量结果
• 使用的物理定律相同，结果不同 • 立场与结论——观点相同，但结论相对而异
物质世界的空间尺度和时标
• 长度L（米, m）：
宇宙引力半径：1026 地球到银河系中心距离： 1020 地球到太阳距离：1011 太阳半径： 109 地球半径：106 地球到月亮距离： 108 人的身高：100 人的头发直径： 10-4 细菌：10-5 原子：10-10 核子：10-15
哈雷彗星和海王星的发现（预言运行轨道，
出现周期）
请在你的学习与工作中有意识的学用归纳法和演绎法 去分析和认识一些自然科学现象 天气预报是如何形成的？
§2.2 伽利略和近代力学的诞生
一、伽利略在天文学方面的贡献：
自制望远镜（1609，光学对天文研究的贡献）— 远距离， 高灵敏，高分辨
发现木星的4颗卫星（1610）
在牛顿前，两种方法被认为是互相排斥的。牛顿在科学方法上的重 大贡献就是将两种方法结合起来。 从万有引力公式的建立到被世界公认的过程，体现牛顿将两种方法 成功结合起来，说明这两种方法是相辅相成的。这也是牛顿哲学思 想的体现。
三、牛顿的自然哲学思想
牛顿在《自然哲学的数学原理》中，提出了4条 《哲学中的推理法则》：
牛顿第三定律（作用力和反作用力定律）：
• 一物体对另一物体的作用力将引起另一物体对该物体的反作用力，
作用力与反作用力性质相同，大小相等、方向相反，沿同一条直线
分别作用于两物体。
F12 F21
例：汽车安全气囊
N
问题：拔河的胜负关键取决于什么？与地面的摩擦力！
拓展到其他领域：自然科学，经济型，社会学，国际关系 (相互作用过程的存在，反作用）
近代自然科学的诞生从天文学的突破开始。
经典力学从伽利略和开普勒时代开始(16-17世纪），
到牛顿时代达到成熟。
从科学方法上看，经典力学的建立和发展离不开科 学实验方法和数学的引入，离不开归纳法（需要实 验）和演绎法（需要数学）两者的结合。
§2.1 从哥白尼到开普勒——日心说的创立
一、向地心说挑战 — 哥白尼创立日心说
托勒密地心说体系
哥白尼（1473-1543）
提出新观点-日星说
哥白尼日心说示意图
日心说的创立和《天体运行论》的出版（1539） —— 科学史上的一次革命
日心说提出的科学根源、哲学根源和历史根源：
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。 哲学根源：哥白尼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，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。
发现太阳黑子（1612）
定出太阳自转周期（25天）
伽利略望远镜
木星卫星
伽利略（1564-1642）
Байду номын сангаас 二、在力学方面的贡献：
提出落体定律和惯性运动概念 伽利略自由落体实验否定了亚里士多德“重的物 体落地快，轻的物体落地慢”的错误理论，发现 自由落体定律。伽利略斜面实验表明：“保持物 体运动不需要力，物体运动的改变才需要力”— —观念上的重大更新。