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1、第二章 经典力学的发展 第一节 开普勒行星运动定律 一、 新芽破土 （一）、资本主义萌芽带来的契机(15世纪后半期开始) 1、社会物质条件欧洲社会生产力迅速发展，农耕得到改进，风力水 力得到普遍使用。特别是我国的四大发明经蒙古，丝绸 之路传入欧洲，更为其发展推波助澜。哥伦布1492年发现美洲，麦哲伦1519年环游世界 ，这些都刺激了资产阶级对生产技术的兴趣，科学的发 展有了社会物质条件。2.社会文化思想方面:出现了以文艺复兴和宗教改革为 标志的思想解放运动。但丁的神曲，米开朗基诺的雕塑，莎氏比亚的“罗 米欧与朱丽叶”的出现，代表了人们要求思想自由，科 学要求摆脱神学附庸地位，反对迷信和权威的心
2、声。3.代表人物及其观点1)罗吉尔培根:“证明前人说法的唯一方法，只有观 察和实践。”2)达芬奇（1452-1519）：“实验在任何情况下都 是我的老师。”有道是“山雨欲来风满楼”，一场科学革命的风暴 已经不可避免了。（二）、哥白尼与“天体运行论”1、地心说与日心说的主要观点地心说:地球是绝对静止的，一切运动都是相对 于地球而运动的。地心说受到宗教的吹捧与肯定。日心说:如果是地心说，这样的观点来描述行星 的运动时，行星有无法解释的忽快、忽慢、逆行及 留的现象。地动日心说可以对天体的运动给予完满的解释 。“天穹的周转是一种视运动，实际是地球运动的 反映。”托密勒（公元 100？-170？） 在公
3、元2世纪提 出的。他发展了 亚里斯多德的地 心说，在历史上 第一次用模型得 出了宇宙结构模 型。使古代天文 学达到了最高峰 。2.“天体运行论”于1543年完成，它被誉为自然科学的独立宣 言。所以1543年在科学史上被称为科学革命的一年。布鲁诺（1548-1600）：因宣扬日心说，1592年被 捕。1600年，面对宗教法庭的审判，他说： “我希望你 们到大庭广众中去把我点燃，这是我最大的快乐，因为 我可以以自身燃起的大火，去照亮后人的道路。”布鲁诺英勇就义于罗马的鲜花广场。总之，16世纪中期，日心说与地心说的血与火的斗 争，是自然科学从宗教桎梏下解放的标志，教会的权威 受到挑战，自然科学在批判
4、经院哲学的斗争中开创着自 己的道路。 （三）、舍生取义的布鲁诺1.丹麦著名天文学家第谷(1546-1601)，经过20 年的反复的天文观测，积累了大量准确的星体运动 观测资料，被人誉为“星学之王”。（四）、第谷与开普勒他的贡献有：（1）在丹麦国王的支持下，在哥本哈根海峡的一个 小岛上修建了一座完善的天文台。（2）经过二十余年的观察，各个行星的角位置的误 差仅为2。（3）1560-1597年邀请开普勒到身边工作，1600年 2月3号收他为助手。（4）1601.10.24去世，把所有的天文观测资料留给 了开普勒。2.德国天文学家开普勒(1571-1630) 是第谷的学生与助手，从第谷对火星 的观测
5、资料与他理论计算的8弧分之 差入手，发表了开普勒三定律。写出 “宇宙和谐论”，使我们对天穹星空的 认识，由杂乱到有序。开普勒的一生 ，虽多病贫穷，但都未动摇他破解天 体奥秘的决心，他把他的一生都贡献 给了科学事业。1587年进入杜宾根大学，在校中遇到一位秘密宣 传哥白尼学说的教授麦斯特林。受其影响，很快成 为哥白尼的忠实维护者。1591年获文学硕士学位后，受大学的推荐，到奥 地利格拉次的一所中学做数学教师。在格拉次，他 开始研究天文学，把哥白尼的日心说和托密勒的地 心说进行比较。他孜孜不倦地研究行星的轨迹及其 成因。写成了一本书神秘的宇宙。这本书虽然 宣传了哥白尼学说，但充满了神秘色彩。第谷就
6、是通过这本书了解开普勒的数学才华。第谷去世后，开普勒开始整理他的观察资料，于 1627年鲁道夫天文表这份比以往的任何表都精确 。直到18世纪中叶，这份表仍然被看作天文学上的标 准星表，天文学家和航海家们都把它当作指南。开普勒的研究首先从火星开始，他发现这个行星的 运动与哥白尼的理论出入最大。开普勒想从火星的观测数据中找出它的运动轨迹， 并用曲线来表示，他经过70次尝试，他找到的最佳方 案还与观测资料相差8角分，即0.133弧度。后来他经过4年的艰苦计算，断定火星的轨迹不 是正圆，改用其他卵形曲线轨道计算，也不对， 后来改用椭圆，结果很满意，与观测资料完全相 符。火星的运动之谜揭开后，开普勒又进
7、一步研究了 其他几个行星的运动，证明了他们的运动轨迹都 是椭圆，这就推翻了传统的天体必定做匀速圆周 运动的偏见。用开普勒的话说：“就凭这8角分的 差异，引起了天文学的全部革新”。3.开普勒行星运动定律第一定律：行星绕太阳作椭圆轨道的运动 ，太阳在椭圆的一个焦点上；第二定律：在相同的时间内，行星和太阳 的连线在椭圆平面内扫过的面积相等；这两条定律在1609年公布在新天文学一书中。第三定律：行星运动的周期的平方和其距 太阳距离的立方成正比。这条定律开普勒在1619年出版的宇宙和谐论中 公布“开普勒的惊人成就，是证实下面两条真理中的一 个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验 得出，而只能从理
8、智的发明同观察到的事实两者的比 较中得出”-爱因斯坦开普勒宣传和发展日心说，受到宗教裁判所的迫害 ，到处不得安身，他的书被列为禁书，他所有被收走 的书籍都付之一炬。1630年，他死于贫病交困之中。第二节 运动学奠基人 伽利略 一、伽利略捍卫哥白尼学说伽利略(1564-1642)，又是一位献身于哥白尼学说的伟人 。他出生于意大利比萨，17岁入比萨大学学医。1589- 1592年在比萨大学任数学教师，脍炙人口的比萨斜塔实验 可能就在这期间进行的。他和开普勒是同时代的天文学家，哲学家、数学家、物理 学家。他们是好朋友。就在1609年，伽利略制作成了历史上放大倍数32的天文 望远镜，获得了一系列重大的
9、发现。1610年他出版了星空信使，书中介绍了的发现：（1）月球表面凹凸不平，有大山和平原，有象火山口那 样的环行山；（2）他发现木星有四个卫星围绕它旋转，像个小太阳系 ，这表明在地球外存在着不以地球为中心的天体；（3）他发现了土星的光环；（4）他发现了太阳黑子周期性地重复出现；（5）他发现银河是有无数星星组成。这一系列的发现，引起了社会的极大轰动。人们传诵 ：“哥伦布发现新大陆，伽利略发现了新宇宙”。他的代表作关于托密勒和哥白尼两大世界体系的对话 （简称两大世界体系的对话）于1632年出版后 。1633年 ，69岁高龄时曾被罗马宗教裁判所判处终身监禁。仍致力于 科研，于1638年又写出了关于两
10、门新科学对话一书。 1642.1.8 他被认为是教会的罪人含冤去世。直到1979年11月10日，300多年后，罗马教会才在公共 集会上承认伽利略当时受到的教廷审判是不公平的。1980年 10月，教皇又提出需要重新审理这个案子，一个包括杨振宁 、丁肇中在内的全都是诺贝尔奖获得者的6名科学家组成的委 员会在罗马成立，科学巨人的冤案终于得到昭雪，这说明真 理是不可抗拒的。两大世界体系的对话封面 二、落体运动的研究对运动无知，也就对大自然无知。 西方谚语伽利略对运动的研究主要的贡献 ：（1）通过相对性原理，提出了运 动与静止的相对性，提出了对不 同参考系运动的不同描述。-伽 利略相对性原理（2）他用数
11、学方法分析了时间和 空间的定量关系。定义了匀速运 动，还明确提出和定义了加速度 的概念。（3）用实验研究了自由落体的运 动规律。S=1/2gt2伽利略由实验得到g=981cm/s2伽利略开辟了科学方法-实验方法和数学方法 的结合，这种方法到今天还有极大的生命力，这是 伽利略的伟大功绩。伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类 思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的开端。 爱因斯坦三、惯性定律伽利略还发现了惯性定律，他确信，如果一个 物体能够没有摩擦地在一个水平面上滑动的话， 它将能保持自己的速度不变。他用斜面实验来进行证明。他虽然得出了惯性定律，但他没有能进行概括 性的描述。以伽利略为代
12、表的惯性观念的改变， 是古代与中世纪自然哲学过渡到经典物理学的最 重要的标志。四、运动叠加原理伽利略第一个证明抛射体的路径是一条抛物线。他用运动叠加原理把抛射运动分解为：垂直方向的上 抛运动和水平方向的匀速运动。他利用公式算出各抛射角时的曲线并证明与实验相符 。他还证明了抛射角为45度射程最大。五、意义他的相对性原理、惯性定律和运动叠加原理等为力学 理论奠定了基础，他具体研究的自由落体、斜面、抛射 体、摆的运动奠定了运动学和动力学的基础。并提供了 解决实际力学问题的第一批范例，特别是他的实验方法 、理想化方法、雄辩的推理与严格的数学推证方法等等 ，标志着物理新纪元的开始。 伽利略的预见“一门广
13、博精深的科学已经启蒙，我在这方面 的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用 的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。” 一、牛顿简介1. 牛顿1642年生于英国。从小是一个苦命的孩子， 还未出生，父亲逝世，两岁母亲改嫁，在舅舅和姥姥家长 大。2.1661年考入剑桥大学31 学院。由于学习勤奋，受 到巴罗教授的赏识，1664年成为研究生。3. 1665年开始研究微分和积分及万有引力定律。 1665年伦敦大瘟疫，一个夏天病逝3万人。牛顿回到家乡 ，留下了脍炙人口的“苹果落地”的故事。（据说是法国作 家伏尔泰从牛顿侄女那儿听来的。） 第三节、牛顿的经典力学体系4. 1687年出版旷世之作“自然哲学的
14、数学原理”。由 好朋友哈雷资助出版。人们争相购阅。 5. 1703年 任英国皇家学会终身会长。 6. 1705年 被英国女王授予爵士称号。 7. 1727年逝世，葬于威斯敏斯特教堂。“伊萨克牛顿爵士安葬在这里，让我 们欢呼曾经存在过这样一位伟大的人类之光.” 碑文二、牛顿的力学体系在伽利略之后，出现了大批物理学家，这些物理学家中， 从方法论上大体分为：一类是主要从事实验，崇尚实验归纳 方法。例如：格里克（1602-1682）、帕斯卡（1623-1662） 、玻意耳（1627-1691）、马略特（1620-1684）、胡克（ 1635-1703）等；另一类是崇尚理性的演绎。笛卡儿（1596- 1
15、650）、费马（1601-1665）、莱布尼兹（1646-1716）等 ，他们大多数在数学上有杰出的成就。（1）笛卡儿的力学贡献主要是明确叙述了惯性定律，特别强调了 方向性，还得出了动量守恒定律。(2)惠更斯（1629-1695）荷兰物理学家，研究对心碰撞及钟摆摆动 。他得出了摆动周期公式和向心加速度公式。在1687年，他的自然哲学的数学原理的出版， 标志着经典力学体系的建立。序言:“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为 哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各 种自然之力，而后用这些力去论证其他现象，我 希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的 其他现象。” 所谓经典力学体系
16、，简单说来，是以四个绝对化的 概念：空间、时间、质量、力为基础，以三个基本定 律为核心，以万有引力为它的综合，并用微积分来描 述物体运动的因果律。1.生产力发展的需要航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究，对机 械加工作物理原理的解释。2.物理方面的进展哥白尼的“日心说”，摧毁了附着在神学上的宇宙观， 得到了几乎所有科学家的认同，教会的迫害反而使真理的 声音广为传播。伽利略奠定了在运动观上的正确理论，各种力正在被 发现。3.在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴资产阶级 从自身的角度，开始注重科学研究。4.科学的国际研究联系加强。英法成立了“皇家学会” 和“皇家科学院”。 三、牛顿取得成功的历史条件1.它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论，是当 时力学规律的伟大综合。2.它成为当时科学上判断
