江苏省启东中学高三物理校本课程《物理学史》第二讲：经典力学

第二讲 经典物理力学的发展

第一节　新芽破土

一、资本主义萌芽带来的契机(15世纪后半期开始)

　　1.社会物质条件

　　欧洲社会生产力迅速发展，农耕得到改进，风力水力得到普遍使用。特别是我国的四大发明经蒙古，丝绸之路传入欧洲，更为其发展推波助澜。

　　哥伦布1492年发现美洲，麦哲伦1519年环游世界，这些都刺激了资产阶级对生产技术的兴趣，科学的发展有了社会物质条件。

　　2.社会文化思想方面:出现了以文艺复兴和宗教改革为标志的思想解放运动。

　　但丁的神曲，米开朗基诺的雕塑，莎氏比亚的“罗米欧与朱丽叶”的出现，代表了人们要求思想自由，科学要求摆脱神学附庸地位，反对迷信和权威的心声。

　　3.代表人物及其观点

　　1)培根:“证明前人说法的唯一方法，只有观察和实践。”

　　2)达·芬奇（1452-1519）：“实验在任何情况下都是我的老师。”

　　　有道是“山雨欲来风满楼”，一场科学革命的风暴已经不可避免了。

二、哥白尼与“天体运行论”

　　1.地心说与日心说的主要观点

　　地心说:地球是绝对静止的，一切运动都是相对于地球而运动的。地心说受到宗教的吹捧与肯定。

　　日心说:

　　　如果是地心说，这样的观点来描述行星的运动时，行星有无法解释的忽快、忽慢、逆行及留的现象。

　　　地动日心说可以对天体的运动给予完满的解释。

　　　“天穹的周转是一种视运动，实际是地球运动的反映。”

　　2.“天体运行论”于1543年写成，它被誉为自然科学的独立宣言。

三、第谷与开普勒

　　1.丹麦人第谷(1546-1601)，经过20年的反复的天文观测，积累了大量准确的星体运动观测资料，被人誉为“星学之王”。

2.德国天文学家开普勒(1571-1630)是第谷的学生与助手，从第谷对火星的观测资料与他理论计算的8分之差入手，发表了开普勒三定律。写出“宇宙和谐论”，使我们对天穹星空的认识，由杂乱到有序。开普勒的一生，虽多病贫穷，但都未动摇他破解天体奥秘的决心，他把他的一生都贡献给了科学事业。

四、舍生取义的布鲁诺

　　布鲁诺（1548-1600）：因宣扬日心说，1592年被捕。1600年，面对宗教法庭的审判，他说： “我希望你们到大庭广众中去把我点燃，这是我最大的快乐，因为我可以以自身燃起的大火，去照亮后人的道路。”

　　布鲁诺英勇就义于罗马的鲜花广场。

总之，16世纪中期，日心说与地心说的血与火的斗争，是自然科学从宗教桎梏下解放的标志，教会的权威受到挑战，自然科学在批判经院哲学的斗争中开创着自己的道路。

第二节　运动学的奠基人---伽利略

一、伽利略对落体问题的研究

　　对运动无知，也就对大自然无知。　　　　——西方谚语

　　1.伽利略 (1564-1642)

　　出生于意大利比萨。奠定了经典力学中运动学的基础，改进了望远镜，使之能放大32倍。代表作《两大世界体系的对话》 。1633年，69岁高龄时曾被罗马宗教裁判所判处终身监禁。仍致力于科研，于1638年又写出了《关于两门新科学对话》一书。

　　直到1979年，300多年后，教会才宣布为伽利略平反。

　　　　　　　　　　　　　　　 《两大世界体系的对话》封面

　　伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的开端。　　　——爱因斯坦

　　2.对亚里士多德的观点的怀疑:

　　　怀疑:如果轻物体m下降的速度比重物M慢，那么用一根绳子把m、M栓在一起又怎样?

　　　“冲淡引力思想”——斜面理论：为了研究落体的情况，伽利略设计了著名的斜面实验以“冲淡引力”，延长落地时间，便于观测。

　　3.斜面实验:

二、意义

　　1.实验方法与数学方法结合的成功

　　不是单纯做实验，而是从明确的物理思想出发，进行数学推证，选典型实验，最后得出结论。

　　2.观察——假设——逻辑推理——实验检验的成功之路

　　实验物理思维和数学演绎的巧妙结合。

　　3.落体运动也是一种匀加速运动

　　1586年，斯蒂文和德哥罗在一所二层楼做实验，两个不同重量的铁球同时落地。

　　4.伽利略的预见

　　“一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。”

第三节　牛顿的伟大综合和理论飞跃

一、牛顿简介

　　1. 牛顿1642年生于英国。从小是一个苦命的孩子，还未出生，父亲逝世，两岁母亲改嫁，在舅舅和姥姥家长大。

　　2.1661年考入剑桥大学31 学院。由于学习勤奋，受到巴罗教授的赏识，1664年成为研究生。

　　3. 1665年开始研究微分和积分及万有引力定律。1665年伦敦大瘟疫，一个夏天病逝3万人。牛顿回到家乡，留下了脍炙人口的“苹果落地”的故事。（据说是法国作家伏尔泰从牛顿侄女那儿听来的。）

　　4. 1687年出版旷世之作“自然哲学的数学原理”。由好朋友哈雷资助出版。人们争相购阅。

　　5. 1703年 任英国皇家学会终身会长。

　　6. 1705年 被英国女王授予爵士称号。

　　7. 1727年逝世，葬于威斯敏斯特教堂。

　　“伊萨克·牛顿爵士安葬在这里…，让我们欢呼曾经存在过这样一位伟大的人类之光。” ——碑文

二、牛顿取得成功的历史条件

　　1.生产力发展的需要

　　航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究，对机械加工作物理原理的解释。

　　2.物理方面的进展

　　哥白尼的“日心说”，摧毁了附着在神学上的宇宙观，得到了几乎所有科学家的认同，教会的迫害反而使真理的声音广为传播。

　　伽利略奠定了在运动观上的正确理论，各种力正在被发现。

　　3.在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴资产阶级从自身的角度，开始注重科学研究。

　　4.科学的国际研究联系加强。英法成立了“皇家学会”和“皇家科学院”。

三、牛顿的《自然哲学数学原理》的意义（1687年发表）

　　序言:“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现象……，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。”

　　1.它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论，是当时力学规律的伟大综合。

　　2.它成为当时科学上判断正误的准绳。

　　3.它向后来者提供了一种科学研究的方法。

　　4.它发挥了科学理论的预言作用，引导人们从已知的现象去预测未来。

　　1)哈雷彗星

　　1682年彗星出现时，有人说，它是人类的罪恶造成的，因此人们纷纷跪地祈祷，惊恐万分。

　　牛顿根据天文资料，应用万有引力定律，说明和计算了彗星的运动轨道。

　　牛顿的好朋友，英国天文学家哈雷(1656-1742)，根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出1531年、1607年、1682年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。由此预言，1758年还将出现这一彗星。

　　1758年，这成了当时一件众人十分瞩目的大事。彗星到期未出现，科学家着急得很。1759年3月12日，这颗星出现了，迟到的原因，是因为它受木星和土星的吸引而姗姗来迟了，这正说明了万有引力定律的成功。

　　2)“笔尖下的行星”的发现

　　1781年，赫舍尔（1738-1822）发现天王星，踞太阳约28亿公里，绕一周要84年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还应该存在另一颗星。

　　列威尔(法)、亚当斯（英）根据牛顿的理论计算出了该星的轨道。

　　柏林天文家伽列于1846年9月23日，在列威尔推算处相距不到1°的地方发现了这颗星——海王星，大大拓宽了天文科学家的视野。

总之《自然哲学数学原理》第一次显示了科学理论所具有的知识飞跃和能动作用，它为后来的物理研究开拓了一条传统思路，奠定了经典力学的基础，促进了物理学向前发展。

四、牛顿的成功之路

　　1.站在巨人的肩上，勤奋学习，积累知识

　　　　　数　学---〉　欧几里德——笛卡尔——莱布尼兹

　　　　　力　学---〉　达.芬奇——伽里略——惠更斯

　　　　　天文学---〉　哥白尼——第谷——开普勒

　　　　　引力思想---〉吉尔伯特——布里阿德——玻列利

　　2.讲求科学研究方法

　　1)分析综合法

　　牛顿在“光学”一书中曾说：从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法;而综合的方法则假定原因已经找到，并已把他们立为原理，再用这些原理去解释由他们发生的现象。

　　2)归纳与演绎相结合

　　3)追求简单、明白的公理体系

　　牛顿根据月球受地球吸引的现象，归纳出一切天体相互吸引的关系，进而得出了引力定律，再演绎出宇宙万物间相互吸引的因果关系。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　演示牛顿月亮

　　牛顿在原理中写道：“自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。”所以他努力寻找支配自然界的尽可能简单的原理，总结其规律。

　　4)数学物理方法:原理是数学与物理的完美结晶

　　大自然追求的是一本用数学语言所写的巨著，他追求的是一个精确的，完完本本用数学表示的定律。　　　　　　　　　　　　——牛顿

　　5)实验----抽象方法

　　万有引力定律既有观测实验的基础，同时也是科学抽象的产物。

　　3.热爱科学，追求真理

人们问:“你是怎么发现万有引力的?”

牛顿说:“By thinking on it continually.”

　　牛顿终身没娶。1727年，牛顿遗言:“我不知道世人对我是怎样的看法，但是在我看来，我不过象一个在海边玩耍的孩子，为时而发现一块美丽的石子而高兴，但那浩瀚的真理的海洋，却还在我的面前未曾发现呢。”

五、牛顿的局限

　　1)绝对时空观

　　牛顿说：“绝对的数学的时间与外界无关地流逝着……。”认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。

　　2)当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。

六、16世纪后，中国科技发展迟滞

西方：恩格斯说:“这是一次人类从来没有经历的最伟大的进步的变革，是一个需要巨人而且产生了巨人——的时代。”

中国：由于封建统治，闭关锁国，教育僵化，科技发展迟滞。

　　光绪时康有为的公车上书痛心疾首地指出：“姚燮谓：‘我之所为，彼皆知之，彼之所为，我独不闻，安得不为所制乎！’学塾经费少于兵饷数十倍，士人能通古今达中外者，郡县乃或无人焉。”也说明了这一问题。

第四节　力学的逐步发展

一、实验研究的开展

　　1.对万有引力常数的测定

　　英国的物理学家卡文迪许等测定了万有引力常数。因他们在实验中采用了扭秤，全部仪器被放在用火漆密闭的密室中，因而被誉为“弦丝挂，火漆封”派。

　　2.地球运动的实验研究

二、独立应用学科的出现

　　1.流体力学的发展

　　由于牛顿等建立了微积分的方法，数学工具得到加强，使力学的研究领域加强了。为了研究弹道和减少轮船的航行阻力，在伯努利、欧勒等人的努力下，流体力学得到了发展。

　　2.分析力学的发展

　　在牛顿以后，矢量力学发展起来，但生产中涌现出的多质点、多约束的复杂情况，使其遇到一定困难。

　　1747年，法国的莫培督发表了“最小作用量原理”。1788年，拉格朗日进一步论证力学可以整个建立在最小作用量原理的基础上，分析力学与矢量力学平行发展起来，并成为推动理论物理和相对论发展的基本工具。

　　3.天体力学的进展

　　拉普拉斯发表了“天体力学”。

三、力学概念的争论与不断完善

　　牛顿定律出台以后，经典力学形成比较牢固的理论，经历过18世纪至19世纪的无数争论，这些争论又进一步促进了人们对力学理论的不断探索、修改，比如关于对牛顿绝对时空观的争论导致了相对论的出现。力学理论从而得到进一步丰富和完善。

本讲主编钱峰

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/2c60701b5122aaea998fcc22bcd126fff6055dc6.html