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文檔簡介

第二章文科物理第1頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三近代自然科學(xué)的誕生是從天文學(xué)的突破開始的。經(jīng)典力學(xué)是從伽利略和開普勒時(shí)代開始的,到牛頓時(shí)代到達(dá)成熟階段。從科學(xué)方法上看,它的建立和發(fā)展離不開科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)的引入,也就是離不開歸納法(需要實(shí)驗(yàn))和演繹法(需要數(shù)學(xué))兩者的結(jié)合。討論與思考:為什么要先學(xué)力學(xué)?中學(xué)時(shí)學(xué)的力學(xué),你還記得多少?請你說出牛頓三定律的內(nèi)容和機(jī)械能守恒定律的條件。第2頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三§2.1坐標(biāo)系、位置矢量、速度力學(xué)是定量的科學(xué),為了描寫物體運(yùn)動(dòng),必須引入基本量位置、時(shí)間、速度。在牛頓力學(xué)中,坐標(biāo)和時(shí)間是獨(dú)立的,且在不同參考系中用“長度不變的尺”和“絕對時(shí)間”(即不同參考系中鐘的快慢一樣)。速度是矢量,速度合成用平行四邊形法則。第3頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三在數(shù)學(xué)和物理中,作圖法很重要,可幫助我們理解。希望同學(xué)們在學(xué)習(xí)中重視圖形的用處,體會(huì)用圖來分析說明問題的重要性和必要性。xyzO第4頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三§2.2從哥白尼到開普勒一、向地心說挑戰(zhàn)——哥白尼創(chuàng)立日心說為什么近代科學(xué)誕生是從天文學(xué)的突破開始的?托勒密地心說體系

托勒密第5頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三

早在公元前4世紀(jì),古希臘哲學(xué)家亞里士多德就已提出了“地心說”,即認(rèn)為地球位于宇宙的中心。公元140年,古希臘天文學(xué)家托勒密發(fā)表了他的13卷巨著《天文學(xué)大成》,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地確立了地心說。根據(jù)這一學(xué)說,地為球形,且居于宇宙中心,靜止不動(dòng),其他天體都繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。這一學(xué)說從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復(fù)始的現(xiàn)象,又符合上帝創(chuàng)造人類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義,因而流傳時(shí)間長達(dá)1300余年。第6頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三日心說提出的科學(xué)根源、哲學(xué)根源和歷史根源是什么?科學(xué)根源:隨著天文學(xué)觀察數(shù)據(jù)越來越多,為了給予解釋,托勒密的地心說不斷修補(bǔ),越來越復(fù)雜,難以使人信服。哲學(xué)根源:他接受畢達(dá)哥拉斯學(xué)派提出的“宇宙是和諧的,可用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系來表達(dá)宇宙規(guī)律”的基本思想。他也贊同柏拉圖哲學(xué),同柏拉圖一樣,高度贊美太陽,給予太陽“宇宙正中”的位置。歷史根源:在意大利留學(xué)10年,受到文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)影響,思想解放,投身科學(xué)革命。第7頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三哥白尼哥白尼日心說示意圖日心說的創(chuàng)立和《天體運(yùn)行論》的出版

第8頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三二、開普勒行星三定律哥白尼和畢達(dá)哥拉斯的哲學(xué)思想強(qiáng)烈吸引開普勒。與第谷合作,使他從第谷處獲得了大量精確的天文學(xué)數(shù)據(jù)。1609—1619年,他先后提出了行星運(yùn)動(dòng)三定律。第谷在天文臺(tái)工作第谷用過的望遠(yuǎn)鏡第9頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三1.橢圓定律:每個(gè)行星的軌道是一個(gè)橢圓,太陽位于一個(gè)焦點(diǎn)上。開普勒第一定律第10頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三2.等面積定律:在行星與太陽間作一條直線,則此直線在行星運(yùn)動(dòng)時(shí)于相同時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。3.和諧定律:行星運(yùn)動(dòng)周期T的平方正比于行星與太陽平均距離R的三次方,記為:開普勒第二定律第11頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三

開普勒已經(jīng)認(rèn)識(shí)到:他的定律強(qiáng)烈地暗示了太陽對行星有一種吸引力,這個(gè)力隨距離之增大而減弱。這樣才能理解例如為什么水星(離太陽最近)的運(yùn)動(dòng)速度比金星的快,因而周期最短的事實(shí)。但這是什么樣的力呢?開普勒還想不出來,揭示這一自然奧秘的任務(wù)是后來牛頓完成的,但開普勒的理論為牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立提供了重要基礎(chǔ)。從開普勒起,天文學(xué)真正成為一門精確科學(xué),成為近代科學(xué)的開路先鋒。開普勒第12頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三§2.3伽利略和近代力學(xué)的誕生一、伽利略在天文學(xué)方面的貢獻(xiàn):自制望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)木星的4顆衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)太陽黑子定出太陽自轉(zhuǎn)周期伽利略伽利略望遠(yuǎn)鏡

木星衛(wèi)星

第13頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三二、在力學(xué)方面的貢獻(xiàn):提出落體定律和慣性運(yùn)動(dòng)概念

勇敢地否定了亞里士多德把運(yùn)動(dòng)劃分為“自然運(yùn)動(dòng)”和“強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)”,而是抓住了運(yùn)動(dòng)基本特征量——速度和加速度,把運(yùn)動(dòng)分為“勻速”和“變速”。用思想實(shí)驗(yàn)和斜面實(shí)驗(yàn)駁斥了亞里士多德的“重物下落快”的錯(cuò)誤觀點(diǎn),發(fā)現(xiàn)自由落體定律。伽利略與斜塔

伽利略斜面實(shí)驗(yàn)第14頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三三、對科學(xué)方法的貢獻(xiàn)伽利略的研究方法

伽利略在解釋其觀察結(jié)論

對現(xiàn)象的觀察提出假設(shè)進(jìn)行數(shù)學(xué)和邏輯的推理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證形成理論開創(chuàng)了科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法,并將實(shí)驗(yàn)、觀察和理論思維相結(jié)合。提出了思想實(shí)驗(yàn)。第15頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三

愛因斯坦評價(jià)他說:“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學(xué)推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)真正的開端?!辟だ员缓笕朔Q為“現(xiàn)代物理之父”。羅馬教庭對伽利略的審判第16頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三§2.4牛頓和經(jīng)典力學(xué)的成熟英國著名詩人Pope寫道:自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中,上帝說:“讓牛頓去吧!”于是一切成為光明。牛頓發(fā)明反射望遠(yuǎn)鏡

第17頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三牛頓第三定律又稱作用和反作用定律:一物體對另一物體的作用力同時(shí)引起另一物體對該物體的大小相等、方向相反的反作用力,作用力和反作用力在同一條直線上。二、萬有引力定律的創(chuàng)立過程1.思想突破問題的提出——月亮為什么不掉到地球上來?別人只看到了天上和地上的運(yùn)動(dòng)不同,牛頓看到了它們的相似性,把它們統(tǒng)一起來。這正是牛頓哲學(xué)思想——統(tǒng)一性原理的體現(xiàn)。第18頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三卡文迪許測得:目前的國際公認(rèn)值:卡文迪許扭稱卡文迪許N?m2/kg2N?m2/kg2旋吊線懸吊在半空中可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的木桿小鉛球大鉛球第19頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三3.理論預(yù)言的實(shí)踐檢驗(yàn)——哈雷彗星和海王星的發(fā)現(xiàn)哈雷彗星

海王星

第20頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三4.牛頓在科學(xué)研究方法上的貢獻(xiàn)

“我把這部著作叫做《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》,因?yàn)檎軐W(xué)的全部任務(wù)看來就在于從各種運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象來研究各種自然之力,而后用這些力去論證其他的現(xiàn)象。”

牛頓的研究方法:歸納-演繹法歸納法:從實(shí)驗(yàn)出發(fā),由特殊到一般演繹法:以理論為主,有一般到特殊《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第21頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三

值得思考:牛頓在這里不僅講了研究的目的,還講了科學(xué)研究方法。即從特殊(現(xiàn)象)到一般(規(guī)律),再從一般回到特殊。前者是英國哲學(xué)家培根強(qiáng)調(diào)的“歸納法”,它以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ);后者是被數(shù)學(xué)家兼哲學(xué)家的笛卡兒所強(qiáng)調(diào)的“演繹法”,它要用數(shù)學(xué)工具。在牛頓前,兩種方法被認(rèn)為是互相排斥的。牛頓在科學(xué)方法上的重大貢獻(xiàn)就是他把兩種方法結(jié)合起來了。從牛頓萬有引力公式的建立到被世界公認(rèn)的過程,就可以看到牛頓是將兩種方法結(jié)合起來,說明這兩種方法是相輔相成的。這也牛頓哲學(xué)思想的體現(xiàn)。第22頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三三、牛頓的自然哲學(xué)思想牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中,提出了4條《哲學(xué)中的推理法則》:簡單性原理:除那些真實(shí)而已足夠說明其現(xiàn)象者外,不必再去尋求自然界事物的其他原因。

因果性原理:對于自然界中同一類結(jié)果,必須盡可能歸之于同一種原因。

統(tǒng)一性原理:物體的屬性,凡是既不能增強(qiáng)也不能減弱者,又為我們實(shí)驗(yàn)所能及的范圍的一切物體所具有者,就應(yīng)視為所有物理的普遍屬性。第23頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三真理性原理:在實(shí)驗(yàn)哲學(xué)中,我們必須把那些從各種現(xiàn)象中運(yùn)用一般歸納而導(dǎo)出的命題看作是完全正確的或很接近于真實(shí)的,雖然可以想象出任何相反的假說,但是在沒有出現(xiàn)其他現(xiàn)象足以使之更為正確或者出現(xiàn)例外之前,仍然應(yīng)當(dāng)給予如此的對待。

牛頓的自然哲學(xué)思想以及歸納法和演繹法相結(jié)合,模型和數(shù)學(xué)相結(jié)合的科學(xué)研究方法,不僅使他成功地建立了經(jīng)典力學(xué)體系,實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合,而且推動(dòng)了近代科學(xué)的大發(fā)展。第24頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三恩格斯:“不管自然科學(xué)家采取什么樣的態(tài)度,他們還是得受哲學(xué)的支配?!辈6鳎骸罢嬲目茖W(xué)是富于哲學(xué)理性的,尤其是物理學(xué),它不僅是走向技術(shù)的第一步,而且還是通向人類思想的最深層的途徑?!钡?5頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三四、站在巨人肩膀上的牛頓

“如果說我比其他人看得遠(yuǎn)一點(diǎn)的話,那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟?。”“我不知世人將如何看待我,但是在我看來,我不過像一個(gè)在海濱玩耍的孩子,為時(shí)而發(fā)現(xiàn)一塊比平常光滑的石子或美麗的貝殼而感到高興;但那浩瀚的真理之海洋,卻還在我的面前未曾發(fā)現(xiàn)呢?!钡?6頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三五、牛頓物理學(xué)的局限性當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速率很高時(shí)(接近光速),當(dāng)所描寫的體系很小時(shí)(微觀體系),當(dāng)所描述的物質(zhì)系統(tǒng)很大時(shí),或引力很強(qiáng)時(shí),牛頓的萬有引力、運(yùn)動(dòng)定律和牛頓的時(shí)空觀就不完全正確了,將由新的理論來代替。第27頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三§2.5動(dòng)量守恒定律機(jī)械能守恒定律

動(dòng)量守恒定律和機(jī)械能守恒定律以及下一節(jié)要講的角動(dòng)量守恒定律,揭示了在物體運(yùn)動(dòng)變化過程中保持不變的東西。這些守恒定律常被人們用作處理動(dòng)力學(xué)問題的出發(fā)點(diǎn),使問題的處理簡單、方便,而不必知道物理過程的細(xì)節(jié),就可以由初始條件推演出過程結(jié)束時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。第28頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三一、動(dòng)量、力的沖量動(dòng)量守恒定律動(dòng)量:沖量引起動(dòng)量的變化:動(dòng)量守恒:在一個(gè)封閉(不受外力)的體系內(nèi),在內(nèi)力作用下總動(dòng)量保持守恒。壓縮彈簧使兩車分開——?jiǎng)恿渴睾愕?9頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三二、描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)量——?jiǎng)恿亢蛣?dòng)能這兩個(gè)量互不相同,有本質(zhì)區(qū)別,都很重要。動(dòng)量是矢量,它的變化與沖量有關(guān)。動(dòng)能是標(biāo)量,它的變化與力做功有關(guān),而且它可以轉(zhuǎn)化為其他不同形式的能量。第30頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三三、重力勢能、功、機(jī)械能守恒舉重物體,要先克服地球引力做功物體下落,勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能在保守場中,機(jī)械能(動(dòng)能和勢能之和)保持不變功是力與位移的標(biāo)積第31頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三§2.6彈性和振動(dòng)下面討論另一種保守力——彈性力作用下物體運(yùn)動(dòng)的描述。以彈簧振子為例,設(shè)彈簧振子質(zhì)量為m,彈簧的勁度系數(shù)為k。彈簧施加在物體上的力振子動(dòng)能與勢能之和為常量,即機(jī)械能守恒第32頁,共36頁,2023年,2月20日,星期三振子位移隨時(shí)間的變化,遵從余弦(正弦)規(guī)律其中

振子速度隨時(shí)間的變化可以得出:

第33頁,共3

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