第三章经典力学的建立

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1、1.哥白尼、第谷、开普勒2.运动学的奠基人伽利略3. 牛顿的伟大综合和理论飞跃4.牛顿后力学的发展（略）第三章 经典力学的建立1.哥白尼、第谷、开普勒一.哥白尼与“天体运行论”二.第谷与开普勒新 芽 破 土 ：二. 哥 白 尼 与 “天 体 运 行 论”一.哥白尼与“天体运行论”哥白尼(14731543 )：波兰伟大的天文学家，日 心体系的提出，是自然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。18岁进入克拉科夫大学学习数学和天文学；23岁(1496年)到文艺复兴的意大利留学。1503年，哥白尼回到波兰后，在担任牧师职务期间坚持进 行天文学观测和新的宇宙体系的研究。对其影响人

2、物： 1）诺瓦拉(Novara，波伦亚大学天文学教授)：认为托勒密体系过 于复杂、不符合数的谐和原则。 2）阿里斯塔克：留学期间，他还阅读了大量古希腊学者的 著作，受到了其中有关地球运动思想的启发，为他创立新的 宇宙体系奠定了思想基础。 1）托勒密的地心体系存在的问题：由于观测技术的进步,原 来的八十个左右的均轮和本轮已不能满足日益增加的观测数 据，必须增加更多的小轮。 2）发现：哥白尼发现，在托勒密体系中，每个行星都有三种 共同的周期运动,即:一天一周、一年一周和相当于岁差的周 期运动。 3）他认为：如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动 的地球身上，托勒密体系就一下简单了很多。只有月球

3、绕地 球转动。恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动。 4）日心体系的提出：这样，哥白尼提出了一个以太阳为中心 的宇宙体系。在这个体系中，天体从远到近的顺序是：恒星 不动；土星，30年转一周；木星，12年一周；火星，2年一周 ；地球和月亮一年一周；金星，9个月一周；水星，80天一周 等。由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。 1530年，哥白尼才将他的学说写成一个小册子纲要，以手 稿形式在友人中流传。直到1542年，在他生命垂危之际，才同 意将他的主要著作天体运行论交付印行。并且在书的序中 写明，将他的著作献给教皇保罗三世。他认为，在这位比较开 明的教皇的庇护下，天体运行论也许可以

4、问世。除了这篇序之外，天体运行论还有另外一篇奥塞安德 尔写的前言。前言中说，书中的理论不一定代表行星在空间的 真正运动，不过是为编算星表、预推行星的位置而想出来的一 种人为的设计。天体运行论在出版后七十年间，虽然遭到马丁路德的斥 责，但未引起罗马教廷的注意。后因布鲁诺和伽利略公开宣 传日心地动说，危及天主教会的思想统治，罗马教廷才开始 对这些科学家加以迫害，并于公元1616年把天体运行论 列为禁书。哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识， 而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。“从 此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此 便大踏步前进”二.第谷与开普勒1.第谷(

5、Tycho Brahe,1546-1601，丹麦人，贵族家庭)1)新天文台修建：1576年，在丹麦国王腓特烈二世资助下， 在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台，测 量精度较前人提高了几十倍。2)天文观测：21年持之以恒的观测中，各行星角位置的误差 仅为2(即0.033，1=60)。3)观点：他将托勒密的地心体系和哥白尼的日心体系进行了 折中，认为：除地球和围绕它的月亮外，其他天体都绕太阳 运转，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。 被人誉为“星学之王”。腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。1599年，他在布 拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到 了布拉格。在

6、这里，他得到了一个青年助手开普勒。他们共 同进行观察，直到1601年第谷去世。第谷像新 芽 破 土 ：三. 第 谷 与 开 普 勒第谷使用的天文仪器第谷的墙壁象限仪德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。 他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献 。被后世的科学史家称为“天上的立法者”。开普勒出生在一个贫民家庭，由于生病 身有残疾。1587 年进入蒂宾根大学，遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦 斯特林，并很快成为哥白尼学说的忠实拥护者。大学毕业后， 被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来，由于学校被天主 教会控制，开普勒离开神学院前往布拉格，与第谷一起专心从 事天文观

7、测工作。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为 皇室的数学家。第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了 开普勒，于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行星表 ，并于1627年出版了卢道夫行星表，一边进行着对行星轨 道特点的研究。2.德国天文学家开普勒(1571-1630)1)发现问题：开普勒用正圆编制火星的运行表时，发现火星老 是出轨。后改为偏心圆，但依照这个方法来预测火星的位置， 跟第谷的观测数据仍然不符，产生8的误差。 2)对轨道的怀疑：开普勒知道第谷观测数据的准确性，所以他 没有将这一误差视为“观测范围内的允许误差”，而是认为“ 匀速圆周运动”的假设可能存在错误。 3)新轨道

8、的研究：此后，开普勒转向了用第谷的观测数据去确 定行星的运行轨道。从而发现火星轨道是一种椭圆，并进而发 现每个行星都沿椭圆轨道运动，太阳就在一个焦点上；接着又 发现面积定律。上述两定律发表在1609年出版的新天文学 上。在1619年出版的世界的和谐中公布了周期定律。4)意义：开普勒的上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠 定了基础。一.伽利略生平二.伽利略的贡献二.伽利略在科学史上的地位 2.运动学的奠基人伽利略一.伽利略(1564-1642, Galileo Galilei )生平出生于意大利比萨，卒于意大利比萨。运动学的奠基人。 12岁时，进入佛罗伦萨附近的瓦洛姆布洛萨修道院，接受古典教育

9、。17岁时，他进入比萨大学学医，同时潜心钻研物理学和数学。未毕业辍 学。离开比萨大学期间，他深入研究古希腊学者欧几里得、阿基米德等人的 著作。写了天平论重力，受到高度重视。25岁（1589年）被聘为比萨大学的数学教授。 两年后，伽利略因为著名的比萨斜塔实验，触怒了教会，失去工作。1592年，伽利略来到威尼斯的帕多瓦大学任教，开始了科学黄金期：研 究了斜面运动、力的合成、抛射体运动等，取得了累累硕果。他还对液体与 热学作了研究，发明了温度计。1609年5月，制成望远镜。几个星期内，伽利略使用这台望远镜便获得 几项重大发现，当年出版星界信使。并轰动了欧洲，也为伽利略赢得了 崇高的荣誉。被称为“天空

10、的哥伦布”。伽利略被聘为“宫廷哲学家”和“ 宫廷首席数学家”。 1611年到罗马并担任林嗣科学院的院士。1613年，他发表论太阳黑子，明确指出了哥白尼学说是正确的， 触怒了教会，开始受到宗教裁制所的审讯。 1632年1月，出版关于托勒密和哥白尼的两大世界体系的对话。宣 告托勒密地心说破产，动摇了教会的最高权威。1633年2月以“反对教皇,宣扬邪学”被罗马宗教裁判所判处终身监禁。1636年，伽利略在监禁中偷偷地完成关于两种新科学的对话。1638 年在荷兰出版。 1638年以后，双目逐渐失明，晚景凄凉。1642年1月8日逝世。1979年11月10日，罗马教皇才宣布：1633年对伽利略的宣判是不公正

11、的 。1980年10月重审这一案件，研究科学同宗教的关系，研究伽利略学说的 科学价值及其对现代科学思想的贡献。 1992年10月31日，获得梵蒂冈教皇的平反。为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名 为伽利略卫星。二.伽利略的贡献主要有三个方面：力学、天文学（略）和哲学（略）。 1.发现了摆的等时性1582年（18岁），一次去教堂做礼拜，注意到教堂里吊 灯在摆动，他按自己脉博的跳动来计时，发现它们往复运动 的时间总是相等。从而发现了摆的等时性。后来荷兰物理学 家惠更斯根据这个原理制成挂摆时钟，人们称之为“伽利略 钟“。 2.自由落体定律 首先从思想实验得出的一个佯谬入手，

12、否定了亚里士多德的 落体学说：重物比轻物下落速度快？ 通过数学推到出自由落体为匀加速运动：利用三角形面积和 一对应的矩形面积相等确定 s/t2=常量 设计了“冲淡重力”实验，即著名的“斜面实验” 为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动，提出了“ 等末速度假设”，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速 度假设得到了沿斜面下滑的加速度g1和重力加速度g之间的 关系。3. 加速度概念的提出加速度概念的提出，在力学史上是一个里程碑。有了加速 度的概念，力学中的动力学部分才能建立在科学基础之上，而 在伽利略之前，只有静力学部分有定量的描述。 4.惯性原理伽利略通过另一个理想实验，非正式提出惯性原理。谈

13、 话：“当一个物体在水平面上运动，没有碰到任何阻碍时 它的运动将是匀速的，并将无限继续进行下去，假如平面是在 空间无限延伸的话。” 5.运动的独立进行原理-抛体运动轨迹在两门新科学的第四天谈话中，详细研究了抛体运动 ，指出：假设物体以水平初速度抛出，这时物体将同时参与一 个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动这两个运动既不 彼此影响、干扰，也不互相妨碍”。并得出仰角为=45时 射程最大，以及两个仰角等于=45下射程相等得结论 。6.相对性原理在批驳“倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到后面去”的谬 论时，伽利略指出，从行驶的航船的桅杆上落下的石子，仍会落在桅 杆脚下；只要船的运动是均匀的，也

14、不忽左忽右摆动，人们所观察 到的现象同船静止时完全一样，人们跳向船尾不会比跳向船头更远； 从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四处 飞行，决不会向船尾集中，或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样 子。这些现象表明，在船里所做的任何观察和实验，都不能够判 断船究竟是在运动还是停止不动。”这一原理的发现，是人类科学史上的一个重大飞跃，对物理学基础 理论的发展产生了深刻的影响。 7.材料力学研究：正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关 系。他指出，对长度相似的圆柱形梁，抗弯力矩和半径立方成比例。 8.温度计的发明。运 动 学 的 奠 基 人伽 利 略：二. 意 义三. 伽利略

15、在科学史上的地位 1.纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，动 摇了宗教教会的统治。2.创立了研究自然科学的新方法：对现象的一般观察提 出工作假设运用数学和逻辑的手段得出特殊结论通过物理 的或思想的实验对推论进行检验对假设进行修正和推广。即 ：观察假设数学和逻辑推理实验检验。后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的 周期公式和向心加速度的数学表达式。牛顿在系统地总结了伽利略、开普勒等人的工作后，得到 了牛顿运动三定律和万有引力定律。爱因斯坦的评价：“伽利略的发现，以及他所用的科学推 理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理 学的真正的开端！” 伽利略视频3.牛顿

16、的伟大综合和理论飞跃一.牛顿简介 二.牛顿的自然哲学数学原理的内容和意义 （1687年发表） 三.万有引力定律的建立、检验和意义 四.牛顿取得成功的历史条件 五.牛顿的方法论 六.牛顿的成就总结 七.牛顿的局限牛 顿 的 伟 大 综 合 和 理 论 飞 跃一.牛顿简介1642年的12月25日出生于英格兰的伍尔索普，出生三个月前，父亲去世 。2岁时母亲改嫁给一位史密斯牧师，牛顿由外祖母抚养。给牛顿心理和 性格上造成了巨大影响。6岁上学，性格怯弱，常受同学欺负。学习也不太用功，但善于观察和 动手。12岁时，在格兰瑟姆中学读书。住在克拉克夫人家里。期间，母亲的后 夫去世。14岁，在母亲的要求下，牛顿辍学回家，在家帮助维持生计。但干活心 不在焉，一心看书学习，思考问题。后被舅舅发现，牛顿又重新回到学校读 书。19岁（1661年）进入剑桥大学三一学院。1664年牛顿被