高等教育第10章力學(xué)的發(fā)展

1高等教育第10章力學(xué)的開展2力學(xué)的開展—古代的力學(xué)開展中國古代的力學(xué)知識西安半坡村仰韶文化中的尖底瓶周代時的欹(qī)器“虛那么欹，中那么正，滿那么覆〞?墨經(jīng)?中對力的定義：力，刑之所以奮也。對杠桿原理進(jìn)行了總結(jié)，提出了本、標(biāo)、權(quán)、重等概念。?考工記?最早表達(dá)了慣性：馬力既竭，轅猶能一取焉。?論衡?中提出了物體受力的作用而改變運動狀態(tài)，比牛頓第二定律早了1600多年關(guān)于參考坐標(biāo)和運動的相對性問題---刻舟求劍

3力學(xué)的開展—古代的力學(xué)開展亞里士多德論力的作用和他的落體定律被稱為“西方科學(xué)的始祖〞力學(xué)上，成就不少，但是最常被提到的，卻是他所犯的錯誤。他提出的假設(shè)是“但凡運動的物體，一定有推動者在推著它運動〞——是建立在日常經(jīng)驗上。假設(shè)你看到一個東西在移動，你就會尋找一個推動它的東西(像是我們的手、身體)。當(dāng)沒什么東西推它時，它就會停止移動，是一個推著一個，不能無限制地追溯上去，“必然存在第一推動者〞，中古世紀(jì)的基督教說“第一推動者〞就是指上帝，并將亞里士多德的學(xué)說，與基督教教義結(jié)合。這樣的結(jié)合讓他的學(xué)說成為權(quán)威學(xué)說，一直到了牛頓手里，才建立正確的力學(xué)學(xué)說。另外，亞里斯多德又認(rèn)為較重物體的下落速度會比較輕物體的快，這個錯誤觀點要到十六世紀(jì)，意大利科學(xué)家伽利略從比薩塔上擲下兩個不同重量圓球的實驗中才被推翻。4力學(xué)的開展—古代的力學(xué)開展阿基米德論杠桿原理和浮體定律在靜力學(xué)方面，他研究了杠桿原理；在流體力學(xué)方面，他用實驗方法發(fā)現(xiàn)了浮體定律。他做了許多創(chuàng)造創(chuàng)造---阿基米德螺旋5力學(xué)的開展—伽利略對力學(xué)的奉獻(xiàn)意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家，近代實驗科學(xué)的先驅(qū)者。人們爭相傳頌：“哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙〞。?關(guān)于力學(xué)和位移運動兩門新科學(xué)的討論及數(shù)學(xué)證明?為代表作，奠定了經(jīng)典力學(xué)中運動學(xué)和動力學(xué)的根底，并創(chuàng)立了一整套的科學(xué)方法。6力學(xué)的開展—伽利略對力學(xué)的奉獻(xiàn)伽利略的主要奉獻(xiàn)①力學(xué)伽利略是第一個把實驗引進(jìn)力學(xué)的科學(xué)家，他利用實驗和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法確定了一些重要的力學(xué)定律。1582年前后，他經(jīng)過長久的實驗觀察和數(shù)學(xué)推算，得到了擺的等時性定律。接著在1585年因家庭經(jīng)濟(jì)困難輟學(xué)。離開比薩大學(xué)期間，他深入研究古希臘學(xué)者歐幾里得、阿基米德等人的著作。他根據(jù)杠桿原理和浮力原理寫出了第一篇題為?天平?的論文。不久又寫了論文?論重力?，第一次揭示了重力和重心的實質(zhì)并給出準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此聲名大振。與此同時，他對亞里士多德的許多觀點提出質(zhì)疑。7力學(xué)的開展—伽利略對力學(xué)的奉獻(xiàn)伽利略的主要奉獻(xiàn)在1589～1591年間，伽利略對落體運動作了細(xì)致的觀察。從實驗和理論上否認(rèn)了統(tǒng)治千余年的亞里士多德關(guān)于“落體運動法那么〞確立了正確的“自由落體定律〞，即在忽略空氣阻力條件下，重量不同的球在下落時同時落地，下落的速度與重量無關(guān)。根據(jù)伽利略晚年的學(xué)生V.維維亞尼的記載，落體實驗是在比薩斜塔上公開進(jìn)行的：1589年某一天，伽利略將一個重10磅，一個重1磅的鐵球同時拋下，幾乎同時落地，在場的競爭者個個目瞪口呆，在大笑中聳聳肩走了。伽利略對運動根本概念，包括重心、速度、加速度等都作了詳盡研究并給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式。尤其是加速度概念的提出，在力學(xué)史上是一個里程碑。有了加速度的概念，力學(xué)中的動力學(xué)局部才能建立在科學(xué)根底之上，而在伽利略之前，只有靜力學(xué)局部有定量的描述。8力學(xué)的開展—伽利略對力學(xué)的奉獻(xiàn)伽利略的主要奉獻(xiàn)伽利略曾非正式地提出過慣性定律〔見牛頓運動定律〕和外力作用下物體的運動規(guī)律，這為牛頓正式提出運動第一、第二定律奠定了根底。在經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立上，伽利略可說是牛頓的先驅(qū)。伽利略還提出過合力定律，拋射體運動規(guī)律，并確立了伽利略相對性原理.伽利略在力學(xué)方面的奉獻(xiàn)是多方面的。這在他晚年寫出的力學(xué)著作?關(guān)于兩門新科學(xué)的談話和數(shù)學(xué)證明?中有詳細(xì)的描述。在這本不朽著作中，除動力學(xué)外，還有不少關(guān)于材料力學(xué)的內(nèi)容。例如，他闡述了關(guān)于梁的彎曲試驗和理論分析，正確地斷定梁的抗彎能力和幾何尺寸的力學(xué)相似關(guān)系。9力學(xué)的開展—伽利略對力學(xué)的奉獻(xiàn)伽利略的主要奉獻(xiàn)②天文學(xué)他是利用望遠(yuǎn)鏡觀測天體取得大量成果的第一位科學(xué)家。這些成果包括：發(fā)現(xiàn)月球外表凹凸不平，木星有四個衛(wèi)星〔現(xiàn)稱伽利略衛(wèi)星〕，太陽黑子和太陽的自轉(zhuǎn)，金星、木星的盈虧現(xiàn)象以及銀河由無數(shù)恒星組成等。他用實驗證實了哥白尼的“地動說〞，徹底否認(rèn)了統(tǒng)治千余年的亞里士多德和托勒密的“天動說〞。③哲學(xué)他一生堅持與唯心論和教會的經(jīng)院哲學(xué)作斗爭,主張用具體的實驗來認(rèn)識自然規(guī)律,認(rèn)為經(jīng)驗是理論知識的源泉。他不成認(rèn)世界上有絕對真理和掌握真理的絕對權(quán)威，反對盲目迷信。他成認(rèn)物質(zhì)的客觀性、多樣性和宇宙的無限性，這些觀點對開展唯物主義的哲學(xué)具有重要的意義。但由于歷史的局限性，他強(qiáng)調(diào)只有可歸納為數(shù)量特征的物質(zhì)屬性才是客觀存在的。伽利略因為支持日心說入獄后，“放棄〞了日心說，他說，＂考慮到種種阻礙，兩點之間最短的不一定是直線＂，正是因為他有這樣的思想，暫時的放棄換得永遠(yuǎn)的支持，沒有像布魯諾那樣去為科學(xué)的真理而犧牲，但卻可以為科學(xué)繼續(xù)奉獻(xiàn)自己的力量。10力學(xué)的開展—十七世紀(jì)中期力學(xué)的開展17世紀(jì)中期科學(xué)活動的特點大批科學(xué)家的出現(xiàn)科學(xué)團(tuán)體的相繼成立：英國皇家學(xué)會、法國科學(xué)院一些國際性學(xué)報、雜志相繼出現(xiàn)：哲學(xué)學(xué)報、學(xué)人雜志、博學(xué)者雜志兩種方法論，兩類科學(xué)家：崇尚實驗歸納法；崇尚理論演繹法。11力學(xué)的開展—十七世紀(jì)中期力學(xué)的開展笛卡爾的以太漩渦論他認(rèn)為整個宇宙間充滿了一種不可見的、連續(xù)的、柔軟的、可壓縮的流體—以太。正是在這種以太的作用下，物體相互接觸產(chǎn)生圓周運動，從而形成各種大小不同的漩渦。比方太陽周圍有一個巨大的漩渦，導(dǎo)致行星圍繞太陽轉(zhuǎn)。地球和其它行星周圍存在著次漩渦，在其運動中帶著月球旋轉(zhuǎn)。正是這種漩渦造成內(nèi)聚力作用，重的物體向著漩渦中心靠攏，而輕的物體背離漩渦中心散開。因此，重物總是落向地面，而輕的火、煙那么向高處上升。笛卡爾的以太漩渦論算不上什么偉大的理論，而且事實證明是一個錯誤的假說。但他把行星的運動歸結(jié)為力學(xué)的原因，具有極其重要的哲學(xué)意義。是人類歷史上最先用力學(xué)原理解釋天體運動的一種嘗試，因此被載入科學(xué)思想史冊。他的方法論對于后來物理學(xué)的開展有重要的影響。12力學(xué)的開展—十七世紀(jì)中期力學(xué)的開展實驗歸納法的形成阿基米德用實驗方法證明了杠桿原理和發(fā)現(xiàn)了浮體定律。但很不愿意寫他的實際創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)，而只留下了他的數(shù)學(xué)著作。近代實驗科學(xué)的開路先鋒是意大利的達(dá)·芬奇科學(xué)史上公認(rèn)的近代實驗科學(xué)的創(chuàng)始人是伽利略，創(chuàng)立了實驗和數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法。培根從哲學(xué)思想和數(shù)學(xué)方法論上對實驗歸納法加以總結(jié)和概括，形成他所謂的“新歸納法〞。在他之前，在近代科學(xué)產(chǎn)生之前，亞里士多德的思辨的演繹方法一直占據(jù)統(tǒng)治地位。13力學(xué)的開展—十七世紀(jì)中期力學(xué)的開展惠更斯對力學(xué)開展的奉獻(xiàn)克里斯蒂安·惠更斯(ChristiaanHuygens，1629年04月14日—1695年07月08日)荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家，他是介于伽利略與牛頓之間一位重要的物理學(xué)先驅(qū),是歷史上最著名的物理學(xué)家之一，他對力學(xué)的開展和光學(xué)的研究都有杰出的奉獻(xiàn)，在數(shù)學(xué)和天文學(xué)方面也有卓越的成就，是近代自然科學(xué)的一位重要開拓者。他建立向心力定律，提出動量守恒原理，并改進(jìn)了計時器。14力學(xué)的開展—十七世紀(jì)中期力學(xué)的開展惠更斯對力學(xué)開展的奉獻(xiàn)1、對碰撞問題的研究：兩個相同的球發(fā)生彈性對心碰撞時將相互交互速度。2、對擺的研究和鐘表的創(chuàng)造：擺的周期創(chuàng)造了有擺自鳴鐘3、對向心加速度的研究惠更斯第一次提出了“概率〞的概念15力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立艾薩克·牛頓〔IsaacNewton〕是英國偉大的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、天文學(xué)家和自然哲學(xué)家，其研究領(lǐng)域包括了物理學(xué)、數(shù)學(xué)、天文學(xué)、神學(xué)、自然哲學(xué)和煉金術(shù)。牛頓的主要奉獻(xiàn)有創(chuàng)造了微積分，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律和經(jīng)典力學(xué)，設(shè)計并實際制造了第一架反射式望遠(yuǎn)鏡等等，被譽為人類歷史上最偉大，最有影響力的科學(xué)家。為了紀(jì)念牛頓在經(jīng)典力學(xué)方面的杰出成就，“牛頓〞后來成為衡量力的大小的物理單位。

如果說我比笛卡爾看得更遠(yuǎn)些，那是因為我站在巨人肩上的緣故。16力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立牛頓運動三定律第一定律〔慣性定律：一切物體在不受任何外力的作用下，總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止?！鞔_了力和運動的關(guān)系及提出了慣性的概念〕第二定律〔物體的加速度跟物體所受的合外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同?！彻剑篎=kma〔當(dāng)m單位為kg，a單位為m/s2時，k=1〕第三定律〔兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一條直線上，大小相等，方向相反。〕17力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)蘋果的傳說：許多介紹牛頓的書上都介紹過牛頓與蘋果的傳奇故事：1665－1666之間，由于劍橋流行黑熱病，學(xué)校被迫停學(xué)，剛從劍橋拿到學(xué)士學(xué)位的牛頓也返回了家鄉(xiāng)。一天，牛頓正坐在一棵蘋果樹下看書及思考問題時，有一個蘋果落了下來，這一下子啟發(fā)了牛頓。這位當(dāng)時年僅23歲的學(xué)生立刻想到，蘋果一定是被地球的引力拉下來的。此后，經(jīng)過多年努力，他終于完成了萬有引力定律的闡述、數(shù)學(xué)證明與公式推導(dǎo)。18力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)牛頓在他的?自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理?一書中，發(fā)表了萬有引力定律。宇宙間的任意兩個質(zhì)點，都彼此相互吸引，引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，而與它們之間的距離的平方成反比。數(shù)學(xué)表達(dá)式為G為萬有引力常數(shù)〔英國著名物理學(xué)家卡文迪許用扭秤實驗測出〕G=6.6742*10-11m32〕19力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立經(jīng)典力學(xué)體系的根本概念所謂經(jīng)典力學(xué)體系，簡單來講，是以四個絕對化概念：空間、時間、質(zhì)量和力為根底，以三個根本定律為核心，以萬有引力定律為它的綜合，并用微積分來描述的物體運動的因果律。?自然科學(xué)的數(shù)學(xué)原理?一書的出版，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立。經(jīng)典力學(xué)有時也稱為牛頓力學(xué)。20力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立慣性參考系和牛頓定律的適用范圍人們把適用牛頓運動定律的參考系叫做慣性參考系，簡稱慣性系；反之，叫非慣性系。物理學(xué)的開展說明：牛頓力學(xué)只適用解決物體低速運動的問題，而不適用于處理高速運動的物體，高速運動的物體遵循相對論力學(xué)的規(guī)律；牛頓力學(xué)也只適用于宏觀物體，而一般不適用于微觀粒子，微觀粒子的運動遵循量子力學(xué)的規(guī)律。21力學(xué)的開展—牛頓的綜合與經(jīng)典力學(xué)的建立經(jīng)典力學(xué)的時空觀經(jīng)典力學(xué)的時空觀認(rèn)為：時間和空間都是絕對的，與參考系的選擇沒有關(guān)系，即時間間隔和空間間隔都是不變的量。如一節(jié)課45分鐘，A、B間距離100米等。經(jīng)典力學(xué)的時空觀還認(rèn)為：時間和空間是彼此獨立的，且與物質(zhì)的運動無關(guān)。22力學(xué)的開展—相對論力學(xué)的根本結(jié)論和

愛因斯坦對科學(xué)的奉獻(xiàn)經(jīng)典概念遇到的困難相對論的產(chǎn)生并非開始于對經(jīng)典時空觀的批判，而是由于對運動媒質(zhì)中的電磁現(xiàn)象〔光學(xué)現(xiàn)象〕的研究引起的。當(dāng)麥克斯韋得出光是一種電磁波后，并沒有拋棄以太的概念。人們還把以太當(dāng)作是一種絕對靜止的參考系。根據(jù)經(jīng)典理論，光在不同的參考系中的速度是不同的，開始人們認(rèn)為，對以太參考系的速度為c，并做了一些實驗，希望找到絕對靜止的以太參考系。但實驗結(jié)果均與愿望相反。另外，為什么電磁現(xiàn)象不符合相對性原理？這些問題都是經(jīng)典概念的范圍無發(fā)解決的。23力學(xué)的開展—相對論力學(xué)的根本結(jié)論和

愛因斯坦對科學(xué)的奉獻(xiàn)狹義相對論的兩條根本假設(shè)1905年愛因斯坦發(fā)表了他的名著?論動體的電動力學(xué)?一文，提出了兩個根本假設(shè)或原理作為狹義相對論的根底，即相對性原理和光速不變原理。第一個原理是相對性原理在所有慣性系中一切物理規(guī)律都具有相同的形式。沒有絕對靜止的參考系，更沒有絕對運動，只能談?wù)撘粋€物體相對于另一個物體的相對運動。第二個原理是光速不變原理在所有慣性系中，真空中光沿各個方向的傳播速度都是c，與光源及觀測者的運動狀態(tài)無關(guān)。這兩條原理的提出，是物理思想開展史上的一個巨大的進(jìn)展，是人們對世界認(rèn)識的一個變革。24力學(xué)的開展—相對論力學(xué)的根本結(jié)論和

愛因斯坦對科學(xué)的奉獻(xiàn)狹義相對論的一些根本結(jié)論1、同時性的相對性：在同一個慣性系中，存在統(tǒng)一的時間，稱為同時性；而相對論證明，在不同的慣性系中，卻沒有統(tǒng)一的同時性，也就是兩個事件(時空點)在一個慣性系內(nèi)同時，在另一個慣性系內(nèi)就可能不同時，這就是同時的相對性。2、空間的相對性〔長度收縮〕：尺子的長度就是在一慣性系中"同時"得到的兩個端點的坐標(biāo)值的差。由于"同時"的相對性，不同慣性系中測量的長度也不同。相對論證明，在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短，這就是所謂的尺縮效應(yīng)，當(dāng)速度接近光速時，尺子縮成一個點。3、時間〔間隔〕的相對性〔時間延長或時鐘變慢〕：相對論導(dǎo)出了不同慣性系之間時間進(jìn)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)運動的慣性系時間進(jìn)度慢，這就是所謂的鐘慢效應(yīng)?？梢酝ㄋ椎睦斫鉃椋\動的鐘比靜止的鐘走得慢，而且，運動速度越快，鐘走的越慢，接近光速時，鐘就幾乎停止了。4、質(zhì)量和速度的關(guān)系、相對論力學(xué)的根本方程：f=ma5、質(zhì)量和能量的關(guān)系：E=mc225力學(xué)的開展—相對論力學(xué)的根本結(jié)論和

愛因斯坦對科學(xué)的奉獻(xiàn)愛因斯坦對人類科學(xué)事業(yè)的奉獻(xiàn)第一個成就：光量子理論第二個成就：提出的布朗運動的理論解釋，這是漲落理論的開始，使分子運動理論得到了直觀的證明。第三個成就：建立了相對論其它：導(dǎo)出了光化學(xué)的根本定律，提出受激輻射理論，發(fā)表?根據(jù)廣義相對論對宇宙所作的考查?一文，建立了玻色-愛因斯坦統(tǒng)計法……26力學(xué)的開展—微觀粒子運動所遵循的規(guī)律微觀粒子的運動不遵從牛頓運動定律微觀粒子表現(xiàn)出一系列區(qū)別于宏觀微粒的性質(zhì)，根本之點在于微觀粒子具有波粒二象性，從而它所遵從的運動規(guī)律也與宏觀粒子根本不同。

27力學(xué)的開展—微觀粒子運動所遵循的規(guī)律德布羅意假設(shè)及其實驗驗證1924年法國物理學(xué)家德布羅意在光的波粒二象性的啟發(fā)下，提出了與光的波粒二象性完全對稱的設(shè)想，即實物粒子也具有波粒二象性。根據(jù)光子的能量-頻率和動量-波長的關(guān)系，德布羅意認(rèn)為實物粒子的能量E和動量p與波的頻率v和波長之間，應(yīng)遵從下述公式上面兩式稱為德布羅意公式或德布羅意假設(shè)。和實物粒子相聯(lián)系的波稱為物質(zhì)波或德布羅意波。28力學(xué)的開展—微觀粒子運動所遵循的規(guī)律德布羅意提出物質(zhì)波的概念以后，很快就在實驗上得到證實。1927年，美國物理學(xué)家戴維遜和革末做了電子束在晶體外表上散射的實驗，同年英國物理學(xué)家湯姆生做了電子束穿過多晶薄膜的衍射實驗〔見以下圖〕，都證明了