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物理与人类文明 牟宗信 物理与光电工程学院 第四章 经典力学体系的建立 思维体系-以相对运动作为观察、思维和表达的基础，以几何的清晰逻辑来论证了力学的统一性，以假设为基础界定现实物理问题。 知识体系-联系了古代经验的观察结果和抽象的哲学思辨 观念体系-以现实性判断代替了抽象的神秘主义，使科学的道路摆脱了宗教的束缚， 第四章 经典力学体系的建立 近代力学知识的积累 1.伽利略的力学贡献 2.开普勒三定律的发现 3.惠更斯、胡克等人的贡献 牛顿力学体系的建立 1.近代最伟大的科学家——牛顿 2.牛顿经典力学体系的创立 4.1近代力学知识的积累 1、伽利略的力学贡献 2、开普勒三定律的发现 3、惠更斯、胡克等人的贡献 4.1.1 伽利略的力学贡献 1.伽利略的力学贡献 a.单摆的发明 发现：对于给定的绳子长度，不管绑的是重石头还是轻石头，摆动周期都相同。 b.落体 著名的比萨斜塔上的实验 c.不同的斜面 速度 = 常数×时间 d.落体规律 e.平抛物体之运动合成 对于水平抛出的石头,两个独立的运动： 1）速度恒定的水平运动，这个速度是抛石头的手给它的； 2）速度与时间成正比的自由落体运动。 F.运动的船 伽利略对运动的相对性作了生动的描述 。 伽利略的力学贡献总结 (1) 伽利略的斜面实验，开创了以可控性实验为基础的近代科学的新时代。 (2) 伽利略的力学成就：匀加速运动定律；自由落体定律；惯性原理；抛射体运动定律。 (3) 将实验研究和数学推理有机结合起来，为近代科学理论的建构提供了基本范式。 4.1.2 开普勒三定律的发现 2.1星学之王——第谷(1546-1601，丹麦)第谷的天文学工作主要在实测方面，他研究了精密天文学的大多数问题，包括研制建造高精度的天文仪器，获得精确而系统的观测资料，以很高的精度测定了许多重要的天文常数。 第谷体系 地球静止，位于中心。周围环绕着月亮和太阳。 五颗行星是太阳的卫星，并且在太阳的带动下绕地球旋转。 在最远的行星到达的地方之外是一层很薄的空间外壳，这个外壳以地球为中心，恒星就在这个外壳上。 第谷的宇宙显得令人安心地紧凑，其半径相当于地球半径的14,000倍。即使是托勒密的宇宙半径也比它大一半。 4.1.2开普勒发现行星运动三定律 开普勒(1751-1630 ）第谷的接班人。 开普勒第一定律:椭圆定律 行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳是位于椭圆的一个焦点上（1609《新天文学》） 开普勒第二定律：面积定律 从太阳到行星的矢径在相等时间里扫过相等的面积（1609《新天文学》） 开普勒第三定律 各行星公转周期的平方与轨道半长径的立方成正比（1619《宇宙和谐论》） 开普勒行星运动三定律 4.1.3 惠更斯、胡克等人的贡献 胡克的平方反比定律：天体间的引力与两天体之间的距离平方成反比 惠更斯的向心力定律F=mv2/r 4.2 牛顿力学体系的建立 1.近代最伟大的科学家——牛顿 2.牛顿经典力学体系的创立 3.牛顿力学的重大历史意义与局限性 4.牛顿经典力学体系产生的历史必然性 5.牛顿力学的应用与完善 4.2.1近代最伟大的科学家——牛顿 开创“牛顿时代”的科学泰斗 1661年6月5日，牛顿考上剑桥大学三一学院。 1665-1666年牛顿因伦敦闹瘟疫回故乡躲避 这是他科学创造精力最为旺盛、科学成绩最大的时期。 1667年，牛顿回到剑桥，当先为三一学院的研究员。 1669年巴罗鉴于牛顿的数学天才，毅然辞去“数学卢卡斯讲座”教授职位而让年仅27岁的牛顿接替。 1669-1687年，牛顿制造了反射式望远镜，提出了光微粒说，发展了流数法，系统研究了理论力学，并以1687年7月《自然哲学的数学原理》的出版而达到高潮。 4.2.2牛顿经典力学体系的创立 牛顿经典力学体系，是以绝对化的四个基本概念空间、时间、质量、力为基础，以著名的三大定律为核心，以万有引力定律为最高的综合，用微积分来描述物体运动的因果律的一个结构严谨、逻辑严密、以实验和观察对结果进行验证的科学体系。《原理》就是这个体系的集中表现。 1.力学三大定律的建立 牛顿以哥白尼体系为力学运动规律的参考系，利用古希腊哲学关于物质的原子结构的思想，以自然科学唯物主义为出发点，根据他自己建立的同物质运动状态无关的时间、空间、力和质量等概念，结合伽利略对自由落体研究所发现的惯性运动和在重力作用下的匀加速运动等成果，提出了力学的三大定律。 A.第一定律(惯性定律) :“每一个物体都始终维持在静止或匀速直线运动的状态，只有受了外加的力，才被改变其状态”。 B.第二定律：“运动的改变和所