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1、 版权所有 1997 c DaleCarnegie Associates Inc 力学的发展史 一 力学总体介绍 二 力学的起源 三 亚里士多德对力学的影响 四 冲力学的发展 五 阿基米德对力学的发展 六 哥白尼及其日心说 七 伽利略对力学发展的贡献 八 开普勒定律 九 牛顿经典力学 十 卡文迪许与引力常量的测量 十一 静力学的发展简史 通常理解的力学 是指一切研究对象的受力和受力效应的规律及其应用的学科的总称 人类早期的生产实践活动是力学最初的起源 物理学的建立是从力学开始的 当物理学摆脱了这种机械 力学 的自然观而获得健康发展时 力学则在工程技术的推动下按自身逻辑进一步演化 最终 力学和物
2、理学各自发展成为自然学科中两个相互独立的 自成体系的学科分类 在力学与物理学之间不存在隶属关系 一 力学总体介绍 按研究对象的物态进行区分 力学可以分为固体力学和流体力学 根据研究对象具体的形态 研究方法 研究目的的不同 固体力学可以分为理论力学 材料力学 结构力学 弹性力学 板壳力学 塑性力学 断裂力学 机械振动 声学 计算力学 有限元分析等等 流体力学包含流体力学 流体动力学等等 根据针对对象所建立的模型不同 力学也可以分为质点力学 刚体力学和连续介质力学 连续介质通常分为固体和流体 固体包括弹性体和塑性体 而流体则包括液体和气体 理论力学是研究物体的机械运动规律及其应用的科学 理论力学是
3、力学的学科基础它可分为静力学 运动学和动力学三部分 静力学 研究物体在平衡状态下的受力规律 运动学 研究物体机械运动的描述 如速度 切向加速度 法向加速度等等 但不涉及受力 动力学 讨论质点或者质点系受力和运动状态的变化之间的关系 力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验 人们在建筑 灌溉等劳动中使用杠杆 斜面 汲水器具 逐渐积累其对平衡物体受力情况的认识 二 力学的起源 亚里士多德 前384 前322年 古希腊斯吉塔拉人 世界古代史上最伟大的哲学家 科学家和教育家之一 三 亚里士多德对力学的影响 亚里士多德认为 各物体只有在一个不断作用着的推动者直接接触下 才能保持运动 否则物
4、体就会停止 任何运动 都是通过接触而产生的 真空也是不能存在的 因为空间必须装满物质 这样才能通过直接接触传递物理作用 因此亚里士多德反对原子论的 世界是由真空和原子组成 的观点 他认为 空间必须是一个物质的连续体 物理学 是亚氏的重要著作之一 其中运动学说又是其核心内容运动的本性1 运动的连续性 1时间的连续2量的连续 2 运动的过程性亚氏把每一类事物分为现实的和潜能的 他认为从潜能到现实的过程 即事物生长成形过程 体现了运动3 运动的物质性离开了事物就没有运动 事物不仅是运动和变化的 承担者 也是运动和变化的认识者 4 运动的时空性时间不能脱离运动 并且任何运动是连续的 归纳起来可以看出
5、亚氏的运动有三个要素 既运动者 运动所需要的时间 运动所涉及的内容 即空间 状态 形式或量 自然作为本原是物质的 物质是运动的 运动不是孤立的 它与时间和空间相联 运动与静止 1 静止是一种特殊运动 2 运动的相对性 亚氏首先论述了介质对运动的影响 他认为介质对运动 速度 起阻碍作用 而且运动 速度 越大阻碍越大 又介质的阻碍作用的大小 取决于介质的稀密 即取决于密度 密度越大 阻碍作用就大 还取决于物体的自身重量 物体的重量也大 速度越快 从而的出关系V W W为动力 人 R为阻力 速度与动力成正比 与阻力成反比 亚里士多德的定理虽然是错误的 但他说明了 作用力具有方向性质 运动过程本身受多
6、种因素的影响 凭借认得理性应该能够准确分析其影响程度等等对力学的发展有了起了先导作用 亚氏的运动的比例定理 冲力说是六世纪亚历山大里亚的一个学者约翰 斐劳波诺斯 JohnPhiloponos 提出的 他否认天体由神灵推动的自然观 他认为上帝创世之初就赋予天体一种 冲力 这是一种不随时间流逝的动力 这种动力可以维持物体永远运动下去 因此 运动的物体一般并不需要经常有个推动者和它接触 四 冲力学的发展 衰退冲力学学说的衰退是从英干姆的马昔里 MarsileofIngham 开始的 他设想冲力就象热一样 物体离开运动来源的最远部分 冲力最弱 就象一根棍子离开热源最远的一头最冷一样 物体离开其推动者後
7、 冲力就平均分布到全身的各个部分 就象棍子离开火之後 热就平均分布出去一样 最後冲力逐渐衰退 就象棍子的热散掉一样 影响可以发现 所谓冲力与伟大的物理学家牛顿后来提出的惯性定律有一定程度上的接近 可以说是惯性的雏形 体现了科学思想不断完善的过程 阿基米德 Archimedes 约公元前287 212 是古希腊物理学家 数学家 静力学和流体静力学的奠基人 阿基米德在力学方面的成绩最为突出 他系统并严格的证明了杠杆定律 为静力学奠定了基础 在总结前人经验的基础上 阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理 提出了精确地确定物体重心的方法 指出在物体的中心处支起来 就能使物体保持平衡 五 阿基米德对力
8、学的发展 阿基米德 Archimedes 约公元前287 212 是古希腊物理学家 数学家 静力学和流体静力学的奠基人 阿基米德在力学方面的成绩最为突出 他系统并严格的证明了杠杆定律 为静力学奠定了基础 在总结前人经验的基础上 阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理 提出了精确地确定物体重心的方法 指出在物体的中心处支起来 就能使物体保持平衡 阿基米德定律 Archimedeslaw 是物理学中力学的一条基本原理 浸在液体 或气体 里的物体受到向上的浮力作用 浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力 其公式可记为F浮 G排 液 g V排液 五 阿基米德对力学的发展 哥白尼日心体系的提出 是自然
9、科学向神学的第一次严正挑战 标志着自然科学从神学中独立出来 经典力学的建立离不开日心说的建立 六 哥白尼及其日心说 伽利略 伽利雷 GalileoGalilei 1564年2月25日 1642 1 他是近代实验科学的先驱者 是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家 力学家 哲学家 物理学家 数学家 也是近代实验物理学的开拓者 被誉为 近代科学之父 七 伽利略对力学发展的贡献 伽利略是第一个把实验引进力学的科学家 他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律 他的工作 为牛顿的理论体系的建立奠定了基础 1 提出著名的相对性原理在描述力学过程方面 各个惯性参考都是等效的 2 在实验的基础上 把运
10、动分成匀速运动和变速运动 从而引进一个重要的概念 加速度 首先定义了匀速运动 认为 我们称运动是均匀的 是指在任何相等的时间间隔内通过相等的距离 3 发现了自由落体定律他提出 堕落速度与时间成正比 做了一个著名的实验 斜面运动 小球所通过的路程与所经历的时间的平方成正比 利用外推法得出 当斜面的倾斜角90度是也成立 由此建立自由落体定律 4 突出惯性原理伽利略在斜面实验的基础上 又做了第二斜面的实验 既在斜面的对面再放置一个斜面 下端相连 小球沿高度为H的斜面滚下 并沿第二斜面滚上 不管实际路程的延长 还要滚到高度H 于是提出了惯性定原理表明力不是产生运动的原因 二是改变运动的原因 5 发现单
11、摆的摆动周期与振幅无关 还规定了动量的确切定义 他强调动量是动力学中的一个基本量 并以速度和重量的乘积来度量 认为沿着一个弧降落时所得到的每一个动量等于能促进同一个运动体通过同样地弧上升所需的动量 开普勒 1571 1630 是德国著名的天体物理学家 数学家 哲学家 他首先把力学的概念引进天文学 他还是现代光学的奠基人 制作了著名的开普勒望远镜 他发现了行星运动三大定律 为哥白尼创立的 太阳中心说 提供了最为有力的证据 他被后世誉为 天空的立法者 开普勒的三条行星运动定律改变了整个天文学 彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系 完善并简化了哥白尼的日心说 开普勒对牛顿经典力学体系的建立更是有着极其重要
12、的影响 八 开普勒定律 开普勒第一定律开普勒第一定律 也称椭圆定律 也称轨道定律 每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳 而太阳则处在椭圆的一个焦点中 开普勒第二定律开普勒第二定律 也称面积定律 在相等时间内 太阳和运动中的行星的连线 向量半径 所扫过的面积都是相等的 这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒 用公式表示为开普勒定律 开普勒第三定律开普勒第三定律 也称调和定律 也称周期定律 各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比 由这一定律不难导出 行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比 这是牛顿的万有引力定律的一个重要基础 开普勒定律这里 a是行星公转轨道半长轴
13、T是行星公转周期 K是常数 艾萨克 牛顿牛顿 1642 1727年 是伟大的英国物理学家 数学家 天文学家 他在1687年7月5日发表的不朽著作 自然哲学的数学原理 里用数学方法阐明了宇宙中最基本的法则 万有引力定律和三大运动定律 这四条定律构成了一个统一的体系 被认为是 人类智慧史上最伟大的一个成就 由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点 并成为现代工程学的基础 九 牛顿经典力学 经典力学建立的历史条件和客观原因中国古代许多有关力学理论的研究成果 以及西方古代关于力学问题的研究 对经典力学的建立和发展都直接或间接地产生了影响 特别是对阿基米德等人建立的静力学理论的继承和发展 对亚里士多德运
14、动理论的检验和修正 成为经典力学研究的重要起点 牛顿在总结前人 特别是开普勒 斯台文 伽利略等人的工作的基础上 建立了经典力学体系 实现了物理界中第一次理论大综合 牛顿经典力学体系的建立得益于已有的科学成就 哥白尼 伽利略 开普勒 笛卡尔等人在天文学 力学 光学 数学等方面的贡献 为经典力学奠定了坚实的基础 特别是伽利略与开普勒对牛顿经典力学体系的建立更是有着极其重要的影响 牛顿第二定律内容 物体在受到合外力的作用会产生加速度 加速度的方向和合外力的方向相同 加速度的大小与合外力的大小成正比 与物体的惯性质量成反比 公式 F maF为合外力局限 该定律只用于宏观物体的低速运动 而处理微观粒子的
15、高速运动用量子力学 牛顿第一定律内容 一切物体在没有受到力的作用时 总保持静止状态或匀速直线运动状态 牛顿第三定律内容 两个物体之间的作用力和反作用力 在同一条直线上 大小相等 方向相反 说明 要改变一个物体的运动状态 必须有其它物体和它相互作用 物体之间的相互作用是通过力体现的 并且指出力的作用是相互的 有作用必有反作用力 它们是作用在同一条直线上 大小相等 方向相反 另需要注意 1 作用力和反作用力是没有主次 先后之分 同时产生 同时消失 2 这一对力是作用在不同物体上 不可能抵消 3 作用力和反作用力必须是同一性质的力 4 与参照系无关 万有引力定律任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸
16、引 该引力的大小与它们的质量乘积成正比 与它们距离的平方成反比 与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关 公式 F G M1M2 R R G 6 67 10 11N m 2 kg 2 运动的量牛顿在总结笛卡尔和其他人的基础上 把笛卡儿的定义作了重要的修改 即不用质量和速率的乘积 而用质量和速度的乘积 这样就找到了量度运动的合适的物理量 牛顿把它叫做 运动量 就是我们现在说的动量 1687年 牛顿在他的 自然哲学的数学原理 一书中指出 某一方向的运动的总和减去相反方向的运动的总和所得的运动量 不因物体间的相互作用而发生变化 还指出了两个或两个以上相互作用的物体的共同重心的运动状态 也不因这些物体间的相互作用而改变 总是保持静止或做匀速直线运动 牛顿把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中 创立了经典力学理论体系 正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律 实现了自然科学的第一次大统一 这是人类对自然界认识的一次飞跃 经典力学的适用范围及其局限性经典力学的应用受到物体运动速率的限制 当物体运动的速率接近真空中的光速时 经典力学的许多观念将发生重大变化 如经典力学中认为物体
