牛頓運(yùn)動(dòng)定律與經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀畢業(yè)論文

1、牛頓運(yùn)動(dòng)定律與經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀目 錄一、正文1、牛頓第一定律產(chǎn)生的邏輯循環(huán)11.1、研究背景11.2、研究的意義11.3、研究的目的11.4、牛頓第一定律中關(guān)于時(shí)空觀假設(shè)11.5、牛頓第一定律的公理性22、牛頓三大定律各自的本質(zhì)意義32.1、牛頓第二定律的本質(zhì)意義32.2、牛頓運(yùn)動(dòng)三定律的內(nèi)在聯(lián)系43、正確理解經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀43.1、牛頓力學(xué)的時(shí)間觀念53.2、牛頓力學(xué)的空間觀念73.3、空間觀念與時(shí)間觀念是緊密聯(lián)系的74、小結(jié)8參考文獻(xiàn)9謝辭10二、附錄論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)11論文（設(shè)計(jì)）中期檢查報(bào)告13論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)教師指導(dǎo)記錄表14論文（設(shè)計(jì)）結(jié)題報(bào)告16論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)?cè)u(píng)定及答辯評(píng)議表

2、18論文（設(shè)計(jì)）答辯過(guò)程記錄（附頁(yè)）20牛頓運(yùn)動(dòng)定律與經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀摘要：經(jīng)典力學(xué)的基本定律是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，它有兩個(gè)基本假定：其一是假定時(shí)間和空間是絕對(duì)的，長(zhǎng)度和時(shí)間間隔的測(cè)量與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，物質(zhì)間相互作用的傳遞是瞬時(shí)到達(dá)的；其二是一切可觀測(cè)的物理量在原則上可以無(wú)限精確地加以測(cè)定。本文通過(guò)牛頓運(yùn)動(dòng)三定律論證了經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀，說(shuō)明了經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀的使用范圍。關(guān)鍵詞： 經(jīng)典力學(xué)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律，時(shí)空觀the newtons laws and space-time in classical mechanicsabstract: the fundamental laws of classical

3、 mechanics is newtons laws of motion, it has two basic assumptions: one is to assume time and space is absolute, length and time interval of the measurement and observer sport is irrelevant, material of interaction between the transfer is instantaneous arrived; the second is all observable physical

4、quantities could in principle be accurately determine infinite. this article through newton sport three laws demonstrates the concept of space-time in classical mechanics, and explains the concept of space-time in classical mechanics scope of application. key words: classical mechanics, newtons laws

5、 of motion, space-time1、牛頓第一定律產(chǎn)生的邏輯循環(huán)1.1、研究背景牛頓運(yùn)動(dòng)定律與經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀是力學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容。然而自從愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論和麥克斯韋方程組的建立對(duì)牛頓運(yùn)動(dòng)定律與經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀重新提出了新的考驗(yàn)。本文從運(yùn)動(dòng)，發(fā)展，聯(lián)系的角度，針對(duì)經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀進(jìn)行較深入的分析與論證。1.2、研究的意義愛(ài)因斯坦相對(duì)論的產(chǎn)生動(dòng)搖了牛頓理論及其經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀在力學(xué)中的主導(dǎo)地位。本文就上述情況作出了分析并論證牛頓運(yùn)動(dòng)定律與經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀的合理性及適用范圍。1.3、研究的目的本文主要探討一下三個(gè)重要問(wèn)題：（1）牛頓第一定律中的絕對(duì)時(shí)間、空間的基本觀點(diǎn)。（2）牛頓第三定律

6、各自的本質(zhì)意義。（3）經(jīng)典力學(xué)的時(shí)間觀與空間觀的聯(lián)系。1.4、牛頓第一定律中關(guān)于時(shí)空觀假設(shè)牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，內(nèi)容為：沒(méi)有受到外力作用的物體，保持勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)不變，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這條定律是牛頓根據(jù)伽利略、笛卡爾等人的研究成果總結(jié)出來(lái)的，是牛頓力學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，故又稱運(yùn)動(dòng)第一定律。其實(shí)，嚴(yán)格意義上講，勻速直線運(yùn)動(dòng)的定義是否規(guī)范還有待考慮。首先，定義這種運(yùn)動(dòng)是需要有參照系的。因?yàn)楦鶕?jù)相對(duì)性原理，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，那在定義勻速直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中如果以慣性參照系為參考的話，那定理就存在很大的問(wèn)題。慣性參考系本來(lái)指的就是勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)室。這樣一來(lái)，同種概念來(lái)定義自己，顯然沒(méi)有說(shuō)服

7、力。所以很簡(jiǎn)單就可以看出，牛頓定義這個(gè)理論時(shí)是以他的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間定義的。牛頓聲言他所研究的運(yùn)動(dòng)是在“絕對(duì)空間”和“絕對(duì)時(shí)間”中進(jìn)行的“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”。他寫(xiě)道“絕對(duì)的，真正的數(shù)學(xué)時(shí)間是在不斷的流逝著，而且由于其本性而均勻地與任何其他外界事物無(wú)關(guān)地流逝著?！薄敖^對(duì)的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無(wú)關(guān)而永遠(yuǎn)相同的和不動(dòng)的?！比欢?，自愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論以來(lái)，人們已經(jīng)徹底否定了“絕對(duì)時(shí)空”的概念，脫離物質(zhì)存在的所謂“絕對(duì)時(shí)間”、“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”只不過(guò)是一些形而上學(xué)的概念。然而，定律所闡述運(yùn)動(dòng)是對(duì)慣性參照系而言的?，F(xiàn)行教材對(duì)慣性參考系是這樣定義的：“牛頓第一定律成立的參照系叫做慣性參照系或慣性系。

8、”顯然這個(gè)定義依賴于第一運(yùn)動(dòng)定律，即由第一運(yùn)動(dòng)定律來(lái)確定慣性參照系。綜上所述，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律是說(shuō)一個(gè)物體不受力，它相對(duì)于慣性系就做勻速直線運(yùn)動(dòng)。但是又只能根據(jù)一個(gè)物體相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)，才能肯定這個(gè)物體不受力，同時(shí)又只能根據(jù)一個(gè)物體不受力時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，才能斷定所用的參照系是慣性系。這樣，就完全陷入了邏輯循環(huán)。然而，必須認(rèn)識(shí)到，牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律的“邏輯循環(huán)”性質(zhì)，并不影響它的科學(xué)性。實(shí)際上，慣性系是近似地存在著的。如地面以及相對(duì)于地面靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體都是近似程度相當(dāng)好的慣性系。正是在這些近似程度相當(dāng)好的慣性參照系上的無(wú)數(shù)次科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，證實(shí)了牛頓力學(xué)的相對(duì)正確性，從而間接地

9、驗(yàn)證了牛頓力學(xué)出發(fā)點(diǎn)的第一定律的正確性。1.5、牛頓第一定律的公理性作為力學(xué)的第一條命題牛頓第一定律，它就必定會(huì)含有“邏輯循環(huán)”的性質(zhì)，它是不可能通過(guò)物理學(xué)的其他定義或定律，也不可能通過(guò)直接的物理實(shí)驗(yàn)得到證明的。牛頓第一定律具有公理性，只能依靠以它為出發(fā)點(diǎn)所推出的大量結(jié)論與無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的符合得到驗(yàn)證。 2、牛頓三大定律各自的本質(zhì)意義2.1、牛頓第二定律的本質(zhì)意義牛頓第二定律是在第一定律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定了力、質(zhì)量和加速度這三個(gè)物理量之間的關(guān)系，其數(shù)學(xué)表述為： （1）第二定律揭示出力是使物體獲得加速度的外因，而質(zhì)量是物體在受到一定的合外力作用時(shí)，決定它獲得加速度大小的內(nèi)因。如果將一個(gè)量值相等的

10、合外力，分別先后作用于兩個(gè)不同質(zhì)量的宏觀物體，它們分別沿著合外力的方向上所獲得的加速度和，將于它們的質(zhì)量和成反比，即 （2）此比例關(guān)系與其所受合外力的大小無(wú)關(guān)。因此，根據(jù)（2）式，可以確定物體的質(zhì)量。當(dāng)作用于物體上的合外力為一定量時(shí)，獲得加速度較大的物體，其質(zhì)量較小；獲得加速度較小的物體，其質(zhì)量較大。再結(jié)合第一定律來(lái)看，再同等的合外力作用下，物體獲得加速度較大，表明該物體的原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較容易被改變，也即其慣性較小的物體獲得加速度較小，表明其原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較難改變，也即其慣性較大?？梢?jiàn)，質(zhì)量使物體慣性的具體表現(xiàn)，是慣性大小的定量量度。根據(jù)牛頓第二定律（1）式，當(dāng)一個(gè)宏觀物體不受合外力或所受合外力為

11、零時(shí)，有這時(shí)速度矢量必為恒量。這表明了當(dāng)時(shí)，物體的原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，這就是第一運(yùn)動(dòng)定律的具體表現(xiàn)。于是有人認(rèn)為：“第二定律事實(shí)上包括了第一定律。第一定律只不過(guò)是在第二定律中，的一種特殊情況而已?！睆谋砻嫔峡磥?lái)是有這樣的關(guān)系，但是從定律的本質(zhì)意義上來(lái)看，這種說(shuō)法是不恰當(dāng)?shù)?。第一定律有它的?dú)立性意義，它揭示了“任何物體不受外力作用時(shí)，都要保持它原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變”這樣的一種客觀自然規(guī)律，這種規(guī)律的存在是由于物質(zhì)的存在本身所具有的特殊性所決定的，而不是由第二定律導(dǎo)出來(lái)的。相反，正是由于有了第一定律才確定了“慣性”這個(gè)概念，有了“慣性”這個(gè)概念，才有所謂 “慣性參照系”，有了“慣性參照系”，才有了第二

12、定律的出現(xiàn)。換句話說(shuō)，如果缺少第一定律，則無(wú)法首先刻畫(huà)力、質(zhì)量和慣性系這三個(gè)最基本的概念，從而使牛頓第二定律的建立失去基礎(chǔ)。因此，第一定律與第二定律各自具有獨(dú)立性的本質(zhì)意義。2.2、牛頓運(yùn)動(dòng)三定律的內(nèi)在聯(lián)系根據(jù)牛頓第一定律，可以定義“力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因”。但是這個(gè)定義只能局限在動(dòng)力學(xué)的范疇內(nèi)。根據(jù)牛頓第二定律，也可以定義“力是使物體獲得加速度的原因”，這個(gè)定義的局限性更大，它只能應(yīng)用于指點(diǎn)動(dòng)力學(xué)范疇。只有牛頓第三定律才揭示了“力是物體對(duì)物體的相互作用”，物體對(duì)物體的相互作用的本質(zhì)是力的本質(zhì)，是力的普遍性意義。但是要注意，作用與反作用這兩個(gè)力是分別作用在這兩個(gè)相互作用的每一個(gè)物體上，結(jié)果

13、每一個(gè)相互作用的物體都只收到一個(gè)力的作用。因此，作用力與反作用力雖然量值相等方向相反，并且作用在同一直線上，但不是同時(shí)作用于同一物體，所以作用力與反作用力不是平衡力。綜上所述，第一定律揭示了物質(zhì)的一個(gè)普遍的基本的屬性慣性，定義了慣性參照系，明確了力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；第二定律揭示了力、質(zhì)量、加速度三者的定量關(guān)系，明確了力是使物體獲得加速度的原因；但這兩個(gè)有關(guān)力的定義都有一定的局限性，都不是力的本質(zhì)意義，只有牛頓第三定律揭示了力的本質(zhì)是物體對(duì)物體的相互作用?？梢?jiàn)，牛頓三定律各自具有獨(dú)特的本質(zhì)意義。牛頓三定律一起構(gòu)成了整個(gè)經(jīng)典力學(xué)的理論基礎(chǔ)。3、正確理解經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀前面提到，牛頓的“絕對(duì)

14、時(shí)空觀”是形而上學(xué)的概念。在牛頓力學(xué)中，對(duì)于“時(shí)間”和“空間”這兩個(gè)概念的理解，及經(jīng)典力學(xué)（即牛頓力學(xué)）時(shí)間和空間觀念的建立基礎(chǔ)是本節(jié)研究的主要問(wèn)題。3.1、牛頓力學(xué)的時(shí)間觀念首先研究牛頓力學(xué)的時(shí)間觀念。在經(jīng)典力學(xué)范圍中，牛頓第二定律在任一慣性參照系中都具有相同的形式，因此任何慣性系都是等價(jià)的，這是力學(xué)相對(duì)性原理的具體反映?，F(xiàn)假設(shè)有兩個(gè)慣性參照系和，其中系相對(duì)于系以速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)，我們以兩個(gè)參照系的坐標(biāo)原點(diǎn)和重合之時(shí)作為記時(shí)零點(diǎn)，如圖一所示。任一物體運(yùn)動(dòng)（視為質(zhì)點(diǎn)）位于空間某點(diǎn)位置p，此p點(diǎn)位置相對(duì)于和系的原點(diǎn)和的位置矢量分別為和，其中是系上的時(shí)鐘所計(jì)的時(shí)間，是系上的時(shí)鐘所計(jì)的時(shí)間。則有

15、（為常矢） （3）假定是的函數(shù)，將（3）式對(duì)去微商，有： （4）（4）式再對(duì)微商，有：將其換算成與的函數(shù)，就會(huì)得到 （5）（5）式是有運(yùn)動(dòng)學(xué)導(dǎo)出的物體在p點(diǎn)位置上時(shí)，從系上看到的加速度和從系上看到的加速度之間的關(guān)系式。另一方面，既然在任何慣性系中牛頓第二定律均適用，則有即 （6）（6）式是由動(dòng)力學(xué)相對(duì)性原理導(dǎo)出的物體在p點(diǎn)位置上時(shí)，從兩個(gè)慣性系看到的加速度關(guān)系式。所以（5）式和（6）式應(yīng)該完全相同，才能滿足牛頓第二定律。現(xiàn)在（5）式與（6）式不一樣，原因是假設(shè)在不同參照系中的時(shí)鐘快慢不相等（即）。如果令，即認(rèn)為不同的慣性參照系上的時(shí)鐘快慢相同，則（4）、（5）兩式分別變?yōu)?（7） （8）這就與

16、（6）式完全一致。也即在的情況下，（5）與（8）式完全相同，這就表明了不論在系還是在系，牛頓第二定律均成立。將積分，得： （9）（9）式表明在任何一個(gè)慣性系中觀測(cè)同一物體的同一運(yùn)動(dòng)過(guò)程，所歷的時(shí)間長(zhǎng)短，與參照系本身的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。即在經(jīng)典力學(xué)中，認(rèn)為物體運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間是一個(gè)絕對(duì)的不變量，它不因參照系本身的運(yùn)動(dòng)不同而異。這就是所謂的時(shí)間絕對(duì)性觀念，是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)根本的出發(fā)點(diǎn)。3.2、牛頓力學(xué)的空間觀念現(xiàn)在，進(jìn)一步研究牛頓力學(xué)的空間觀念。假設(shè)要觀測(cè)空間某兩點(diǎn)p和q之間的距離。顯然，在相對(duì)于p和q為靜止的參照系中，測(cè)量p、q兩點(diǎn)的距離，可以直接用尺測(cè)量。但是，如果在相對(duì)于p、q作勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一慣

17、性參照系中，就不可能用尺直接測(cè)量，而必須借助光學(xué)測(cè)量?jī)x器，必須在光學(xué)儀器中同時(shí)看到p、q兩點(diǎn)，才能根據(jù)上述的（3）式關(guān)系確定他們之間的距離。設(shè)在p、q兩點(diǎn)位置上各裝一個(gè)燈泡，在系中的光學(xué)儀器觀測(cè)到p、q兩燈同時(shí)發(fā)光，則在系中觀測(cè)p、q兩點(diǎn)時(shí)刻或。前面已經(jīng)討論過(guò)，牛頓力學(xué)的時(shí)間絕對(duì)性觀念，“在慣性系中觀測(cè)物體運(yùn)動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間與此參照系本身的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)”。因此，在相對(duì)靜止參照系中觀測(cè)同樣的p、q兩點(diǎn)，也必須是同時(shí)出現(xiàn)在光學(xué)儀器中，所以也應(yīng)有同樣的結(jié)果：即。這樣，p、q兩點(diǎn)之間的距離可以根據(jù)（3）式計(jì)算如下：p點(diǎn)的位置：q點(diǎn)的位置：兩式相減，得： (10)由于，所以或 （11）可見(jiàn)，在不同的慣性參照系

18、中，所觀測(cè)到任意的p、q兩點(diǎn)之間的距離是相等的。也就是說(shuō)，空間中任意兩點(diǎn)之間的距離，對(duì)于任一慣性參照系來(lái)說(shuō)，都是絕對(duì)不變的，它不因參照系本身的運(yùn)動(dòng)而不同。這就是經(jīng)典力學(xué)的空間絕對(duì)性觀念。3.3、空間觀念與時(shí)間觀念是緊密聯(lián)系的從上面討論中，空間觀念與時(shí)間觀念是緊密聯(lián)系的。由于時(shí)間的絕對(duì)性觀點(diǎn)的指引，就必須導(dǎo)致空間的絕對(duì)性觀念的存在。這種時(shí)間和空間的絕對(duì)性觀念構(gòu)成所謂經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀。整個(gè)經(jīng)典力學(xué)都是受到絕對(duì)時(shí)空觀的支配，是在絕對(duì)時(shí)空觀的指引下建立起來(lái)的。4、小結(jié)最后，應(yīng)當(dāng)指出：在經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀指引下的牛頓力學(xué)理論是有局限性的，它只能適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)，對(duì)于微觀世界和高速運(yùn)動(dòng)的情況則無(wú)能為力

19、了。微觀粒子遵從量子力學(xué)的規(guī)律，高速運(yùn)動(dòng)遵從相對(duì)論力學(xué)的規(guī)律，它是以相對(duì)論的時(shí)空觀為指導(dǎo)的。相對(duì)論力學(xué)具有更廣泛的實(shí)際意義，它把經(jīng)典力學(xué)作為物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的一種特例包括在內(nèi)，所以相對(duì)論力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)是相輔相成的，而不是相互矛盾的。相對(duì)論時(shí)空觀較普遍，而經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀只是一種特殊情況下的近似觀念。然而，在經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀知道下的牛頓力學(xué)理論在一般生活和生產(chǎn)中，仍然有著重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也是不可忽視的理論基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1張海丹，洪小達(dá).簡(jiǎn)明大學(xué)物理.科學(xué)出版社.1998. p21-322戈?duì)柎奶?經(jīng)典力學(xué).高等教育出版社.2005. p45-683范中和.大學(xué)物理.陜西師范大學(xué)出版社.2006. p30-p464嚴(yán)濟(jì)慈,丁燮林.牛頓力學(xué)時(shí)空觀物理學(xué)報(bào).2009.07.155邢志忠.牛頓運(yùn)動(dòng)定律邏輯循環(huán)物理學(xué)快報(bào)b.2003.01.206漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程.力學(xué).高等教育出版社2005.p62-p927百度文庫(kù). 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)課題條件：在大學(xué)期間，基于對(duì)力學(xué)、理論力學(xué)電磁學(xué)量子力學(xué)等課程的學(xué)習(xí)，使我對(duì)經(jīng)典力學(xué)有了初步了解，并且對(duì)經(jīng)典力學(xué)中牛頓運(yùn)動(dòng)定律，伽利略變化，剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)典時(shí)