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1、从亚里士多德到爱因斯坦,中学力学素描,上海市七宝中学 刘树田,引入：教师的专业知识结构,本学科知识,教育学、心理学 及相关学科知识,学科教学知识 （PCK）,本体性知识的要求,精通本学段学科知识体系,熟悉本学科相邻学段的基本内容,知道本学科的主要思想和方法,了解本学科的发展状况,一、历史回眸,墨经考工记,庄子：共振研究,京房：音律研究,尚书纬考灵曜 张衡：地动仪 郑玄定律,李春建成赵州桥,李筌发展地听技术,僧一行测大地子午线,亚里斯多德物理学,阿基米德浮力定律,地恒动不止，而人不知，譬如人在大舟之中，闭牖而坐，舟行而人不知也。,托勒玫：地心说,黑暗的中世纪,沈括梦溪笔谈,万户献身飞行器试验,天
2、坛回音壁建成,徐寿等制成我国第一台蒸汽机,达芬奇设计了大量的机械,哥白尼天体运动论,开普勒：行星运动定律,伽利略两门新科学的对话,牛顿自然哲学的数学原理,伯努利流体动力学,创立分析力学,创立相对论量子力学,黑暗的中世纪,二 力学的基本问题：运动和力的关系,（一）力,定义：力是物体对物体的作用,基本力,万有引力:F=Gm1m2/r2,重力:mg,电磁力,电场力,磁场力,弹力,摩擦力,F=kx,静摩擦力：0 f 0N,滑动摩擦力:f=N,强力：核子、介子、超子之间的力,弱力：轻子之间的力,效果,使物体发生形变,弹性形变,范性形变,拉伸形变,压缩形变,弯曲形变,扭转形变,剪切形变,改变物体的运动状态
3、（也可以说：使物体获得加速度）,三要素：大小、方向、作用点,运算：合成与分解,思想：等效替代,方法：平行四边形定则,三角形定则,力的合成：已知分力求合力,合力四问：,（1）合力的性质如何确定？,（4）分力变大合力一定变大吗？,（2）合力有施力物体吗？,（3）任意两个力都可以合成吗？,力的分解：已知合力求分力,对于实际问题，一般根据力的作用效果分解,在理论计算中，常用正交分解法,对运动的无知，就是对自然的无知。,亚里士多德（公元前384年公元前322年）,（二） 机械运动,1、 机械运动,（1）定义：物体的位置相对参照物随时间而变化的过程，叫做机械运动。,2、质点,（2）参照系：为描述物体的运动
4、，要假定另一个物体不动作参考，被选作 参考的物体叫做参考系。,（3）机械运动的基本形式,平动,转动,（1）定义：用来代替物体的有质量的点叫做质点。,（2）质点是一个理想化模型。,（3）物体可以视为质点的条件,做平动的物体,物体的形状对所研究的问题影响可以忽略不计,（2）位移：由初位置A指向末位置B的有向线段AB叫做位移。 位移描述位置的变化；位移是矢量,3、描述运动的物理量,（1）路程：物体运动路线的长度,（3）时间和时刻,时间,时刻,（6）加速度,（4）平均速度和平均速率,质点的位移与时间的比值叫做平均速度。,（5）瞬时速度和瞬时速率,质点在某个时刻（或某一位置）速度叫做瞬时速度。,质点的路
5、程与时间的比值叫做平均速率。,瞬时速度的大型叫做瞬时速率。,定义：速度的变化与所有时间的比值叫做加速度。,意义：描述速度变化的快慢。,方向：与速度变化量 的方向相同。,4、匀变速直线运动的规律,v,t,t,s,0,0,基本规律,推论,伽利略（1564-1642） 物理学家、天文学家,亚里士多德,特例：自由落体运动,是这样吗？我可不怎么看？,伽利略对自由落体运动的研究,3、实验验证：斜面实验,1、提出假设：自由落体运动是V0=0的匀加速直线运动,、数学推理：,、合理外推，得出结论： 自由落体运动是初速度为0的匀加速运动。且质量不同的物体 加速度相同。,当年伽利略的研究方法：,1,2,3,（三）运
6、动和力的关系,亚里士多德 （ 约前384322 ）,方法：观察归纳结论,结论：力是维持物体运动的原因,伽利略 （ 15641642 ）,方法：观察理想实验结论,结论：力不是维持物体运动的原因,牛顿 （ 16421727）,方法：观察实验+数学推理结论,理论,牛顿第一定律,牛顿第二定律：F=ma,牛顿第三定律：F=-F/,跨越2000年的 科研团队,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。,牛顿第一定律,指明了物体不受力时的运动状态（理想化情况）,揭示了物体的一个固有属性惯性,阐明了力与运动的关系力是改变物体运动状态的原因,牛顿第二定律：物体的加速度跟合
7、外力成正比，跟质量成反比。加速度的方向跟合外力的方向相同。,用DIS研究加速度与力、质量的关系,F=ma, a与F具有同时性、同向性、因果性, 质量是惯性大小的量度,牛顿第三定律：物体间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反、作用在同一直线上。, 作用力和反作用力： 等大、反向、共线、同时、同性、异果,牛顿第一定律,Newtons First Law Of Motions,上海市七宝中学 刘树田,教学案例1,从梦想到现实,明月几时有？把酒问青天。 不知天上宫阙，今夕是何年。 我欲乘风归去，又恐琼楼玉宇，高处不胜寒。 苏轼水调歌头丙辰中秋,“嫦娥”工程,马克思：最伟大的哲学家。 恩格斯：他是“
8、最博学的人”。 亚里士多德的著作涉及哲学、伦理、历史、逻辑、心理、语言、政治、法律、诗学、经济、教育以及物理、动物、天文等各个学科。,质疑：物体的运动需要力来维持吗？,运动与力的关系,理想实验,理想实验的步骤,将小球从斜面AB的某一个高度滚下,小球将滚上另一个斜面BC；,如果没有摩擦,小球将上升到原来高度；,如果减小斜面BC的倾角,变为图中BC/，小球要达到原来的高度，小球将通过更长的路程；,当斜面BC最终成为水平面时,小球再也达不到原来的高度，而沿水平面以恒定速度运动下去。,继续减小斜面BC的倾角,小球要达到原来的高度，通过的路程也更长；,是事实,是推理,滑块在气垫上近似做匀速直线运动。,导
9、轨 进气管 滑块,实验与逻辑推理相结合,伽利略研究物理学的方法：,笛卡尔的补充,如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下来也不偏离原来的方向。,运动与力的关系,（公元15961656）,笛卡儿,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。,牛顿第一定律,（1643-1727）,牛顿,运动与力的关系,【问题】请谈谈你对牛顿运动定律的理解.,第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。,指明了物体不受力时的运动状态（理想化情况）,揭示了物体的一个固有属性惯性,阐明了力与运动的关系力是
10、改变物体运动状态的原因,“一切”,“总”,“保持”,“或”,“迫使”,无一例外,必然,“不愿改变”,强迫改变,两种状态之一,中国古代物理学,“马力既竭,辀犹能一取焉”,-战国时期考工记,“力，刑之所以奋也。”,-春秋战国时期墨经,落水狗,“跳远”比赛,液体的惯性,惯性之利,汽车碰撞试验,惯性之弊,全体人员均要系好安全带！,即使汽车以30-50km/h行驶，碰撞时产生的作用在人身的力也可超过1吨！ 摘自上海大众汽车说明书,跨越两千年的科学团队,亚里士多德,伽利略,牛顿,笛卡尔,？,牛顿生平,他来了,他读书,他研究,他走了,剑桥三一学院,来得平凡,读得精彩,成就辉煌,名垂千古,成功之道 有好奇心、
11、喜爱读书， 喜爱思考，喜爱动手。,问题的提出,巧妙的检验,严谨的推理,科学的猜想,合理的推广,创设情景,读书看图,引导推理,运算检验,讲解深化,问题的提出：行星为何绕太阳沿椭圆轨道运动？,德国 开普勒（） 行星受到来自于太阳类似磁力的作用,法国 笛卡儿（） 太阳周围存在旋转物质，这些物质带着行星运动,英国 胡克（） 行星围绕太阳运动，是因为受到太阳的引力，引力可能跟距离平方成反比,科学的猜想,严谨的推理,牛顿用微积分证明： 由开普勒第二定律可以得出行星受到有心力作用； 由开普勒第一定律可以得出这个有心力是吸引力； 由开普勒第三定律可以得出这个吸引力和距离的平方成反比； 并根据动力学知识和开普勒
12、定律得到了引力表达式：,F,用运动学求月球的向心加速度：,用引力理论求月球的向心加速度：,巧妙的检验：月地检验,万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小跟两个物体的质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比,合理的推广,深化理解,1、万有引力是自然界中一种普遍存在的基本作用形式,2、F=Gm1m2/ r2适用于两个质点之间引力的计算,3、引力恒量G自然界的基本常数之一，1789年卡文迪许用扭秤测出。 G=6.6710-11Nm2/kg2,价值提升,1、万有引力定律揭示自然界一种基本作用的规律。,2、万有引力定律的发现统一了天上和地面上的力学规律，解放了人类的思想。,3、万有
13、引力定律为人类航天奠定了理论基础，极大地推动了人类文明的进程。,4、万有引力定律是牛顿站在巨人肩上发现的。,当速度足够大时，物体就会地球沿圆或椭圆轨道运动,牛顿自然哲学的数学原理中所绘制的人造卫星原理图,自然和自然规律， 隐藏在深沉的夜幕里。 上帝说：让牛顿来吧！ 于是世界一片光明！ -蒲柏,牛顿:如果说我看得比别人远一些，那是因为我站在巨人的肩上。,胡克（1635-1703）,牛顿（1642-1727）,哈雷（1656-1742）,人梯图,问题讨论：地球对其表面附件物体的 万有引力与重力是何关系？,向心力：,重力力：,因为：,所以：,中学动力学体系,力,F=0平衡态,静止状态,共点力的平衡,
14、力矩的平衡,匀速直线运动,a=0,s=vt,F0,力的瞬时效应:,F=ma,F恒定：匀变速运动,F变化：非匀变速运动,匀变速直线运动,匀变速曲线运动,力的累积效应,动量定理： （对时间的累积）,动能定理: （对空间的累积）,Ft =p,Fs=EK,Ft=0,动量守恒,只有保守力做功,机械能守恒,三、牛顿力学的重大意义及其局限性,重大意义 第一、实现了物理学的第一次大综合。,牛顿把地球上的物体运动与天上的天体运动统一了起来，从而达到物理学上第一次理论大综合；牛顿三大定律和万有引力定律揭示了自然界最基本的宏观物体低速机械运动的客观规律性，实现了人类对自然界的认识的“第一次大飞跃”。,第二、推动了力
15、学和其他学科的全面发展。 它使天文学、力学的分支得以产生，对地质、机械等学科都有深远的影响。到了十八世纪和十九世纪上半叶，形成了“分析力学”、“固体力学”、“弹性力学”、“流体力学”等多种力学分支。,第三、开创了理性新时代。 它是文艺复兴以来科学革命的伟大成果，标志着古代人从对自然界的感性直观的认识进入到近代人的抽象理性认识的阶段，十八世纪法国哲学家伏尔泰把牛顿的原理巨著带到法国，法国百科全书派把牛顿力学作为唯物主义的自然科学基础。,第四、牛顿力学体系有巨大的方法论意义。 牛顿力学所创立的数学方法和逻辑推理给后人留下深刻印象，为后三百年的科研奠定了基础。,第五、牛顿力学和18世纪建立起来的热力学理论为第一次工业革命提供了理论基础。,牛顿力学的局限性,第一、绝对时空观 “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；“绝对的真正的和数学上的时间自自身在流逝着、而且由于其本性而在均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着”。,第二、超距作用力 对于物体之间的相互吸引，牛顿是用某种“超距作用”来解释的，也就是把物体间的引力传递看作是既不需要介质又不需要时间的过程，
