(1.3)-講稿3-力學建立與完善

講稿講授內(nèi)容備注第4頁共4頁引題：上一節(jié)學習力學的建立基礎，重點講授了伽利略的貢獻，本講從牛頓建立三定律及萬有引力定律入手講授力學的建立和完善過程。一、經(jīng)典力學的建立1、牛頓（IsaacNewton)簡介1）生平：1643年1月4日生于英格蘭平民家庭。1661年入英國劍橋大學-三一學院。1665年獲文學士學位。1667年牛頓回劍橋后當選為劍橋大學-三一學院院委，次年獲碩士學位。1669年巴羅為提攜牛頓而辭職，牛頓晉升為數(shù)學教授1696年任皇家造幣廠監(jiān)督，并移居倫敦。1703年任英國皇家學會會長。1706年受英國女王安娜封爵。1727年3月20日，牛頓在倫敦病逝，享年84歲。備注：牛頓是儒略歷1642年12月25日，即格里歷（陽歷）1643年1月4日，2）牛頓取得成就的主要客觀條件：（1）發(fā)生了“商業(yè)革命”英國的資本主義有很大發(fā)展。（2）新航路開辟以后，發(fā)生了“商業(yè)革命”，位于大西洋交通要道上的英國，處在國際貿(mào)易的樞紐地位，在1588年戰(zhàn)勝西班牙后，取得了海上霸權。（3）牛頓曾說：“如果我所見的比笛卡兒遠一點，因為我是站在巨人們的肩膀上的緣故”3）牛頓個人的工作特點（1）重視實驗，從歸納入手，這是牛頓科學方法論的基礎。（2）牛頓善于思考，具有清晰的邏輯頭腦，對錯綜復雜的事物能夠抓住要害，看清本質(zhì)屬性。（3）牛頓有著巨大的數(shù)學才能，他第一個大量地運用數(shù)學方法系統(tǒng)地整理物理理論。2、牛頓的貢獻1）力學方面：1686年底《自然哲學的數(shù)學原理》*提出了關健的概念：*建立了三定律*得出了萬有引力定律。2）光學方面*1666年進行了著名的色散試驗。*1668年制成了第一架反射望遠鏡*提出粒子說3）數(shù)學方面*在1665年發(fā)現(xiàn)了二項式定理*約在1664—1665年發(fā)現(xiàn)微積分*發(fā)現(xiàn)方程論與變分法4）從1669年27歲時就沉湎于煉金術和神學，晚年大部分精力用于煉金術和神學，很大程度上影響其科學工作。3、《原理》1）原理地位：牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》與歐幾里得的《幾何原本》、達爾文的《物種起源》等名著一樣是自然科學劃時代的著作2）內(nèi)容：第一部首先提出了定義和原理。以空間、時間、質(zhì)量和力四個絕對化的概念為基礎，以運動三定律為核心。第二部分是這些基本原理的應用，包括三篇（1）概念、定義：*質(zhì)量：“物質(zhì)的量是通過正比于密度和體積的總和來確定的量度單位?！?動量：“動量是通過正比于速度和質(zhì)量的總和來確定的量度單位?！迸ｎD把動量看成運動，并指出動量是一個可加量。*質(zhì)量作為物質(zhì)慣性量度的內(nèi)容*力：“施加的力是能使物體改變它的靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的一種作用。”*四個關于向心力的定義*絕對時間、絕對空間、絕對運動、絕對靜止。（2）三定律（3）六個推論：平行四邊形法則、運動的疊加原理、動量守恒定律和力學的相對性原理（4）萬有引力定律和有心運動問題，提出了嚴謹?shù)奶祗w力學理論，。（5）討論了物體在有阻力的介質(zhì)中的運動4、補充：1）對牛頓發(fā)展幫助最大的人（1）牛頓的舅舅：牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時，母親改嫁給一個牧師，把牛頓留在外祖母身邊撫養(yǎng)。少年時的牛頓并不是神童，他資質(zhì)平常，但他喜歡讀書，喜歡看一些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物，并從中受到啟發(fā)，自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意，如風車、木鐘、折疊式提燈等等。自己制造了一架磨坊的模型，他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上，然后在輪子的前面放上一粒玉米，剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不斷的跑動，于是輪子不停的轉動；又一次他放風箏時，在繩子上懸掛著小燈，夜間村人看去驚疑是彗星出現(xiàn)；他還制造了一個小水鐘。每天早晨，小水鐘會自動滴水到他的臉上，催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻，尤其喜歡刻日晷，家里墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷，用以驗看日影的移動。牛頓12歲時進了離家不遠的格蘭瑟姆中學曾經(jīng)寄宿在一位藥劑師家里，使他受到了化學試驗的熏陶。母親讓牛頓停學在家務農(nóng)，贍養(yǎng)家庭，自己則躲在樹叢后看書。有一次，牛頓的舅父起了疑心，就跟蹤牛頓上市鎮(zhèn)去，發(fā)現(xiàn)他的外甥伸著腿，躺在草地上，正在聚精會神地鉆研一個數(shù)學問題。牛頓的好學精神感動了舅父，于是舅父勸服了母親讓牛頓復學，并鼓勵牛頓上大學讀書。牛頓又重新回到了學校，如饑似渴地汲取著書本上的營養(yǎng)（2）伊薩克·巴羅盧卡斯創(chuàng)設了一個獨辟蹊徑的講座，規(guī)定講授自然科學知識，如地理、物理、天文和數(shù)學課程講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個博學的科學家。這位學者獨具慧眼，看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。于是將自己的數(shù)學知識，包括計算曲線圖形面積的方法，全部傳授給牛頓，并把牛頓引向了近代自然科學的研究領域巴羅比牛頓大12歲，精于數(shù)學和光學，他對牛頓的才華極為贊賞，認為牛頓的數(shù)學才華超過自己。后來，牛頓在回憶時說道：“巴羅博士當時講授關于運動學的課程，也許正是這些課程促使我去研究這方面的問題。牛頓返回到劍橋大學，10月1日被選為三一學院的仲院侶(初級院委)，翌年3月16日獲得碩士學位，同時成為正院侶(高級院委)。1669年10月27日，巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職，26歲的牛頓晉升為數(shù)學教授，并擔任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學生涯打通了道路，如果沒有牛頓的舅父和巴羅的幫助，牛頓這匹千里馬可能就不會馳騁在科學的大道上。巴羅讓賢，這在科學史上一直被傳為佳話（3）哈雷2）爭議（1）蘋果的傳說（2）對弗拉姆斯蒂德觀測數(shù)據(jù)的剽竊和盜版（3）在微積分發(fā)明權上導演對萊布尼茲的指控二、力學的進一步發(fā)展1、實驗基礎的發(fā)展1）傅科擺：1851年，法國物理學家佛科（公元1819－1868）在巴黎名人公墓處的圓頂大教堂，為證明地球自轉而做的表演，轟動了巴黎，是物理學史上的一件大事。他把28公斤的擺懸掛在67米高的教堂圓頂上。周期為16.5秒的“佛科擺”每振動一次，人們就可以親眼看到擺尖在直徑為6米的沙盤移動約3毫米，使實驗的觀眾“確實覺得自己腳下的地球在轉動”2）1874年成立了卡文迪許實驗室實驗室主任：第一任：麥克斯韋；第二任：瑞利；第三任：約·湯姆遜第四任：盧瑟福；第五任：威廉·勞倫斯·布拉格第六任：莫特；第七任：皮帕德和庫克。2、關于“運動量度”的爭論笛卡兒：提出了用質(zhì)量和速度的乘積來量度運動，牛頓接受了笛卡兒的主張，并把這一乘積定義為動量萊布尼茨：1686年提出了用質(zhì)量和速度平方的乘積來量度運動，1743年達蘭貝爾（公元1717－1783）在《動力學論》一書中指出，兩種量度都是有效的。說力可以表示為單位時間動量的改變，也可以表示單位距離內(nèi)質(zhì)量與物體速度的平方的改變。3、三大守恒定律的確立：1)動量守恒定律：笛卡兒首先提出的，惠更斯進一步指出動量的矢量性，準確地表述了碰撞過程中動量守恒原理2)動量矩守恒定律：1609年開普勒首次提出，牛頓推廣到一切有心力運動丹尼爾·伯努利和歐勒總結為：合外力矩等于總動量矩的變化率。3)能量守恒：1696年萊布尼茨引進了“活力”的概念，認為宇宙中“活力守恒”，并且提出力和路程的乘積等于活力的增加。1724年，約翰·伯努利提出，活力變化時，做功的本領并不消失?？评飱W利（公元1792一1843）用代替，并且準確地表述了萊布尼茨的發(fā)現(xiàn)：對物體做的功，等于物體動能的增加?，F(xiàn)在我們稱之為動能定理。三、分析力爭的發(fā)展1、概述：分析力學：以應用分析數(shù)學為工具的力學—。原理：虛功原理、最小作用原理形式：微分形式和積分形式2、建立過程：1）于1715年伯努利提出了“虛速度原理”伯努利：（JohannBernoulli，公元1667～1748年）1）數(shù)學世家：三代出現(xiàn)8位科學家，3位杰出，后代中有一半成為杰出人物,120位被人們系統(tǒng)地追溯過2）貢獻：懸鏈線問題、提出洛必達法則、最速降線和測地線問題，給出求積分的變量替換法、研究弦振動問題、出版《積分學教程》3）名師：培養(yǎng)包括歐拉、克萊姆、洛必達，以及他自己的兒子丹尼爾和侄子尼古拉二世等。2）