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第二章 对物体运动规律的思考 ——经典力学的建立 重点：(1)哥白尼、开普勒、伽利略、牛顿对经典力学的建立所做的贡献； (2)描述质点运动的物理量，圆周运动中的加速度和角量描述； (3)牛顿的运动三定律、万有引力定律以及科学思想方法 力学研究宏观物体机械运动的现象和规律。牛顿建立了经典力学，把地面物体和天体的运动统一起来。但在牛顿之前，哥白尼、开普勒、伽利略等人做了大量的工作。 §2 —1 人类宇宙观的发展及经典力  学的诞生 一、古代人类对天体运动的认识 早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。 140年，古希腊天文学家托勒密在前人工作的基础上，发表了他的《天文学大成》，系统地确立了地心说。 根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。 这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1400余年。 二、从哥白尼到开普勒 1.哥白尼创立日心说 科学根源：随着天文学观察数据越来越 多，为了给予解释，托勒密的地心说不断 修补，越来越复杂，难以使人信服。 哲学根源：哥白尼接受毕达哥拉斯学派提出的“宇宙是和谐的，可用简单的数学关系来表达宇宙规律”的基本思想。他也赞同柏拉图哲学，同柏拉图一样，高度赞美太阳，给予太阳“宇宙正中”的位置。 1543年，在哥白尼病逝前夕，出版了《天体运行论》。《天体运行论》中，哥白尼提出了他的日心宇宙体系，太阳位于宇宙的中心，地球和其他行星沿着圆形轨道绕太阳运行，只有月亮绕地球运行，地球还有自转。 日心说使得自然科学开始从神学中解放出来，因此，1543年常被看做近代科学诞生的一年。 哥白尼的日心说改变了当时人们对宇宙的认识，但是布鲁诺走得更远，他认为太阳也不是宇宙的中心，而只是一颗普通的恒星。 2. 实践是检验真理的唯一标准 第谷的贡献 第谷终身致力于天文仪器制造和天文研究。他不断改进观测仪器，重新测定了一系列重要的天文数据，他的测量结果与现代值都很接近。第谷通过重新测定恒星的位置，编制成比以往更准确的1000多颗恒星的星表。 3. 开普勒行星运行三定律 开普勒于1609~1619年间相继提出行星运动的三定律。 开普勒发现利用哥白尼模型火星轨道数据与第谷观测的数据有8ˊ偏差，促使他改进理论模型。他曾说：“这8角分是不允许忽略的，它使我走上改革整个天文学的道路。” 第一定律轨道定律：所有行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。 第二定律等面积定律：在行星与太阳间做一条直线（称为矢径），则此直线在行星运动时在相等的时间内扫过相等的面积。 第三定律和谐定律：各个行星绕太阳一周所需的时间，即公转周期T的平方正比于各行星与太阳平均距离R的三次方。 开普勒已经认识到他的定律暗示了太阳对行星有一种吸引力，这个力随距离的增大而减弱。这样才能理解例如为什么水星（离太阳最近）的运动速度比金星的快，因而周期最短的事实。 从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。 三、伽利略与经典力学的诞生 1. 科学的捍卫者——伽利略 伽利略是意大利文 艺复兴后期伟大的天 文学家、物理学家和 哲学家。 2. 伽利略对运动学的研究 (1)伽利略对落体的研究 16世纪以前亚里士多德的运动理论占统治地位，亚里士多德认为“落体运动的速度与其重量成正比”。 伽利略设想了理想实验“落体佯谬”和“球体下落”，驳斥了亚里士多德的错误观点。 并通过斜面实验发现自由落体定律。“一个从静止开始下落的物体在相等的时间间隔内经过的各段距离之比，等于从1开始的一系列奇数之比。” 斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。 (2)伽利略对惯性原理的研究 亚里士多德认为：任何运动着的事物都必然有推动者。 伽利略通过理想实验“斜面实验”，得到了这样的结论“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或者减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度。这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，只有在水平面上运动才是不变的。” 可以看出，伽利略提出了惯性的概念，把运动分为匀速和变速，意识到了速度和加速度的差别，已经有了牛顿第一、第二定律的萌芽。 (3)相对性原理 一切力学规律在不同的惯性系中有相同的形式 “只要船的运动是均匀的，…，人们观察到的现象将同船静止时的完全一样，…，这些现象表明，在船里所做的任何观察和实