力学的发展(共30张PPT)

第章力学的发展第一页，共30页。力学的发展—古代的力学发展中国古代的力学知识西安半坡村仰韶文化中的尖底瓶周代时的欹(qī)器“虚则欹，中则正，满则覆”《墨经》中对力的定义：力，刑之所以奋也。对杠杆原理进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ，提出了本、标、权、重等概念。《考工记》最早叙述了惯性：马力既竭，辕犹能一取焉。《论衡》中提出了物体受力的作用而改变运动状态，比牛顿第二定律早了1600多年关于参考坐标和运动的相对性问题---刻舟求剑第二页，共30页。力学的发展—古代的力学发展亚里士多德论力的作用和他的落体定律被称为“西方科学的始祖”力学上，成就不少，但是最常被提到的，却是他所犯的错误。他提出的假设是“凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动”——是建立在日常经验上。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西(像是我们的手、身体)。当没什么东西推它时，它就会停止移动，是一个推着一个，不能无限制地追溯上去，“必然存在第一推动者”，中古世纪的基督教说“第一推动者”就是指上帝，并将亚里士多德的学说，与基督教教义结合。这样的结合让他的学说成为权威学说，一直到了牛顿手里，才建立正确的力学学说。另外，亚里斯多德又认为较重物体的下落速度会比较轻物体的快，这个错误观点要到十六世纪，意大利科学家伽利略从比萨塔上掷下两个不同重量圆球的实验中才被推翻。第三页，共30页。力学的发展—古代的力学发展阿基米德论杠杆原理和浮体定律在静力学方面，他研究了杠杆原理；在流体力学方面，他用实验方法发现了浮体定律。他做了许多发明创造---阿基米德螺旋第四页，共30页。力学的发展—伽利略对力学的贡献意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。《关于力学和位移运动两门新科学的讨论及数学证明》为代表作，奠定了经典力学中运动学和动力学的基础，并创建了一整套的科学方法。第五页，共30页。力学的发展—伽利略对力学的贡献伽利略的主要贡献①力学伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。1582年前后，他经过长久的实验观察和数学推算，得到了摆的等时性定律。接着在1585年因家庭经济困难辍学。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。他根据杠杆原理和浮力原理写出了第一篇题为《天平》的论文。不久又写了论文《论重力》，第一次揭示了重力和重心的实质并给出准确的数学表达式，因此声名大振。与此同时，他对亚里士多德的许多观点提出质疑。　第六页，共30页。力学的发展—伽利略对力学的贡献伽利略的主要贡献在1589～1591年间，伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”，即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。根据伽利略晚年的学生V.维维亚尼的记载，落体实验是在比萨斜塔上公开进行的：1589年某一天，伽利略将一个重10磅，一个重1磅的铁球同时抛下，几乎同时落地，在场的竞争者个个目瞪口呆，在大笑中耸耸肩走了。伽利略对运动基本概念，包括重心、速度、加速度等都作了详尽研究并给出了严格的数学表达式。尤其是加速度概念的提出，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。第七页，共30页。力学的发展—伽利略对力学的贡献伽利略的主要贡献伽利略曾非正式地提出过惯性定律（见牛顿运动定律）和外力作用下物体的运动规律，这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。伽利略还提出过合力定律，抛射体运动规律，并确立了伽利略相对性原理.伽利略在力学方面的贡献是多方面的。这在他晚年写出的力学著作《关于两门新科学的谈话和数学证明》中有详细的描述。在这本不朽著作中，除动力学外，还有不少关于材料力学的内容。例如，他阐述了关于梁的弯曲试验和理论 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，正确地断定梁的抗弯能力和几何尺寸的力学相似关系。第八页，共30页。力学的发展—伽利略对力学的贡献伽利略的主要贡献②天文学他是利用望远镜观测天体取得大量成果的第一位科学家。这些成果包括：发现月球表面凹凸不平，木星有四个卫星（现称伽利略卫星），太阳黑子和太阳的自转，金星、木星的盈亏现象以及银河由无数恒星组成等。他用实验证实了哥白尼的“地动说”，彻底否定了统治千余年的亚里士多德和托勒密的“天动说”。③哲学他一生坚持与唯心论和教会的经院哲学作斗争,主张用具体的实验来认识自然规律,认为经验是理论知识的源泉。他不承认世界上有绝对真理和掌握真理的绝对权威，反对盲目迷信。他承认物质的客观性、多样性和宇宙的无限性，这些观点对发展唯物主义的哲学具有重要的意义。但由于历史的局限性，他强调只有可归纳为数量特征的物质属性才是客观存在的。伽利略因为支持日心说入狱后，“放弃”了日心说，他说，＂考虑到种种阻碍，两点之间最短的不一定是直线＂，正是因为他有这样的思想，暂时的放弃换得永远的支持，没有像布鲁诺那样去为科学的真理而牺牲，但却可以为科学继续贡献自己的力量。第九页，共30页。力学的发展—十七世纪中期力学的发展17世纪中期科学活动的特点大批科学家的出现科学团体的相继成立：英国皇家学会、法国科学院一些国际性学报、杂志相继出现：哲学学报、学人杂志、博学者杂志两种方法论，两类科学家：崇尚实验归纳法；崇尚理论演绎法。第十页，共30页。力学的发展—十七世纪中期力学的发展笛卡尔的以太漩涡论他认为整个宇宙间充满了一种不可见的、连续的、柔软的、可压缩的流体—以太。正是在这种以太的作用下，物体相互接触产生圆周运动，从而形成各种大小不同的漩涡。比如太阳周围有一个巨大的漩涡，导致行星围绕太阳转。地球和其它行星周围存在着次漩涡，在其运动中带着月球旋转。正是这种漩涡造成内聚力作用，重的物体向着漩涡中心靠拢，而轻的物体背离漩涡中心散开。因此，重物总是落向地面，而轻的火、烟则向高处上升。笛卡尔的以太漩涡论算不上什么伟大的理论，而且事实证明是一个错误的假说。但他把行星的运动归结为力学的原因，具有极其重要的哲学意义。是人类历史上最先用力学原理解释天体运动的一种尝试，因此被载入科学思想史册。他的方法论对于后来物理学的发展有重要的影响。第十一页，共30页。力学的发展—十七世纪中期力学的发展实验归纳法的形成阿基米德用实验方法证明了杠杆原理和发现了浮体定律。但很不愿意写他的实际发明和发现，而只留下了他的数学著作。近代实验科学的开路先锋是意大利的达·芬奇科学史上公认的近代实验科学的创始人是伽利略，创立了实验和数学相结合的方法。培根从哲学思想和数学方法论上对实验归纳法加以总结和概括，形成他所谓的“新归纳法”。在他之前，在近代科学产生之前，亚里士多德的思辨的演绎方法一直占据统治地位。第十二页，共30页。力学的发展—十七世纪中期力学的发展惠更斯对力学发展的贡献克里斯蒂安·惠更斯(ChristiaanHuygens，1629年04月14日—1695年07月08日)荷兰物理学家、天文学家、数学家，他是介于伽利略与牛顿之间一位重要的物理学先驱,是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。他建立向心力定律，提出动量守恒原理，并改进了计时器。第十三页，共30页。微观粒子表现出一系列区别于宏观微粒的性质，根本之点在于微观粒子具有波粒二象性，从而它所遵从的运动规律也与宏观粒子根本不同。力学的发展—古代的力学发展经典力学中运动学和动力学的基础，此后，经过多年努力，他终于完成了万有引力定律的阐述、数学证明与公式推导。德布罗意提出物质波的概念以后，很快就在实验上得到证实。其它：导出了光化学的基本定律，提出受激辐射理论，发表《根据广义相对论对宇宙所作的考查》一文，建立了玻色-爱因斯坦统计法……力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律《关于力学和位移运动两门新科学此后，经过多年努力，他终于完成了万有引力定律的阐述、数学证明与公式推导。——它明确了力和运动的关系及提出了惯性的概念）力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立伽利略在力学方面的贡献是多方面的。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西(像是我们的手、身体)。力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律——它明确了力和运动的关系及提出了惯性的概念）如人造卫星的运行，人们不仅可以同时准确地测定它现在的坐标位置和运行速度，而且还能推知它过去和未来的坐标和速度。力学的发展—十七世纪中期力学的发展惠更斯对力学发展的贡献1、对碰撞问题的研究：两个相同的球发生弹性对心碰撞时将相互交互速度。2、对摆的研究和钟表的发明：摆的周期发明了有摆自鸣钟3、对向心加速度的研究惠更斯第一次提出了“概率”的概念第十四页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立艾萨克·牛顿（IsaacNewton）是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家，其研究领域包括了物理学、数学、天文学、神学、自然哲学和炼金术。牛顿的主要贡献有发明了微积分，发现了万有引力定律和经典力学，设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等，被誉为人类历史上最伟大，最有影响力的科学家。为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出成就，“牛顿”后来成为衡量力的大小的物理单位。如果说我比笛卡尔看得更远些，那是因为我站在巨人肩上的缘故。第十五页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立牛顿运动三定律第一定律（惯性定律：一切物体在不受任何外力的作用下，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。——它明确了力和运动的关系及提出了惯性的概念）第二定律（物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。）公式：F=kma（当m单位为kg，a单位为m/s2时，k=1）第三定律（两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。）第十六页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立万有引力定律的发现苹果的传说：许多介绍牛顿的书上都介绍过牛顿与苹果的传奇故事：1665－1666之间，由于剑桥流行黑热病，学校被迫停学，刚从剑桥拿到学士学位的牛顿也返回了家乡。一天，牛顿正坐在一棵苹果树下看书及思考问题时，有一个苹果落了下来，这一下子启发了牛顿。这位当时年仅23岁的学生立刻想到，苹果一定是被地球的引力拉下来的。此后，经过多年努力，他终于完成了万有引力定律的阐述、数学证明与公式推导。第十七页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立万有引力定律的发现牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中，发表了万有引力定律。宇宙间的任意两个质点，都彼此相互吸引，引力的大小与它们的质量乘积成正比，而与它们之间的距离的平方成反比。数学表达式为G为万有引力常数（英国著名物理学家卡文迪许用扭秤实验测出）G=6.6742*10-11m3/（kg.s2）第十八页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立经典力学体系的基本概念所谓经典力学体系，简单来讲，是以四个绝对化概念：空间、时间、质量和力为基础，以三个基本定律为核心，以万有引力定律为它的综合，并用微积分来描述的物体运动的因果律。《自然科学的数学原理》一书的出版，标志着经典力学体系的建立。经典力学有时也称为牛顿力学。第十九页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立惯性参考系和牛顿定律的适用范围人们把适用牛顿运动定律的参考系叫做惯性参考系，简称惯性系；反之，叫非惯性系。物理学的发展表明：牛顿力学只适用解决物体低速运动的问题，而不适用于处理高速运动的物体，高速运动的物体遵循相对论力学的规律；牛顿力学也只适用于宏观物体，而一般不适用于微观粒子，微观粒子的运动遵循量子力学的规律。第二十页，共30页。力学的发展—牛顿的综合与经典力学的建立经典力学的时空观经典力学的时空观认为：时间和空间都是绝对的，与参考系的选择没有关系，即时间间隔和空间间隔都是不变的量。如一节课45分钟，A、B间距离100米等。经典力学的时空观还认为：时间和空间是彼此独立的，且与物质的运动无关。第二十一页，共30页。力学的发展—相对论力学的基本结论和爱因斯坦对科学的贡献经典概念遇到的困难相对论的产生并非开始于对经典时空观的批判，而是由于对运动媒质中的电磁现象（光学现象）的研究引起的。当麦克斯韦得出光是一种电磁波后，并没有抛弃以太的概念。人们还把以太当作是一种绝对静止的参考系。根据经典理论，光在不同的参考系中的速度是不同的，开始人们认为，对以太参考系的速度为c，并做了一些实验，希望找到绝对静止的以太参考系。但实验结果均与愿望相反。另外，为什么电磁现象不符合相对性原理？这些问题都是经典概念的范围无发解决的。第二十二页，共30页。力学的发展—相对论力学的基本结论和爱因斯坦对科学的贡献狭义相对论的两条基本假设1905年爱因斯坦发表了他的名著《论动体的电动力学》一文，提出了两个基本假设或原理作为狭义相对论的基础，即相对性原理和光速不变原理。第一个原理是相对性原理在所有惯性系中一切物理规律都具有相同的形式。没有绝对静止的参考系，更没有绝对运动，只能谈论一个物体相对于另一个物体的相对运动。第二个原理是光速不变原理在所有惯性系中，真空中光沿各个方向的传播速度都是c，与光源及观测者的运动状态无关。这两条原理的提出，是物理思想发展史上的一个巨大的进展，是人们对世界认识的一个变革。第二十三页，共30页。力学的发展—相对论力学的基本结论和爱因斯坦对科学的贡献狭义相对论的一些基本结论1、同时性的相对性：在同一个惯性系中，存在统一的时间，称为同时性；而相对论证明，在不同的惯性系中，却没有统一的同时性，也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时，这就是同时的相对性。2、空间的相对性（长度收缩）：尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性，不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。3、时间（间隔）的相对性（时间延长或时钟变慢）：相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。4、质量和速度的关系、相对论力学的基本方程：f=ma5、质量和能量的关系：E=mc2第二十四页，共30页。力学的发展—相对论力学的基本结论和爱因斯坦对科学的贡献爱因斯坦对人类科学事业的贡献第一个成就：光量子理论第二个成就：提出的布朗运动的理论解释，这是涨落理论的开始，使分子运动理论得到了直观的证明。第三个成就：建立了相对论其它：导出了光化学的基本定律，提出受激辐射理论，发表《根据广义相对论对宇宙所作的考查》一文，建立了玻色-爱因斯坦统计法……第二十五页，共30页。力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律微观粒子的运动不遵从牛顿运动定律微观粒子表现出一系列区别于宏观微粒的性质，根本之点在于微观粒子具有波粒二象性，从而它所遵从的运动规律也与宏观粒子根本不同。第二十六页，共30页。力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律德布罗意假设及其实验验证1924年法国物理学家德布罗意在光的波粒二象性的启发下，提出了与光的波粒二象性完全对称的设想，即实物粒子也具有波粒二象性。根据光子的能量-频率和动量-波长的关系，德布罗意认为实物粒子的能量E和动量p与波的频率v和波长之间，应遵从下述公式上面两式称为德布罗意公式或德布罗意假设。和实物粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波。第二十七页，共30页。力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律德布罗意提出物质波的概念以后，很快就在实验上得到证实。1927年，美国物理学家戴维逊和革末做了电子束在晶体表面上散射的实验，同年英国物理学家汤姆生做了电子束穿过多晶薄膜的衍射实验（见下图），都证明了电子具有波动性。除了电子以外，以后又陆续用实验证实了中子、质子以及原子、分子等都具有波动性。这就说明，一切微观粒子都具有波粒二象性，德布罗意公式是描述微观粒子波粒二象性的基本公式。第二十八页，共30页。力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律测不准原理宏观物体的运动状态，可以根据经典力学用准确的位置和速度（或动量）来确定。如人造卫星的运行，人们不仅可以同时准确地测定它现在的坐标位置和运行速度，而且还能推知它过去和未来的坐标和速度。微观粒子具有波动性，波会发生衍射，人们不能同时准确地测量它的坐标位置和速度。假如用光测量电子的位置，所用的光波长愈短，物体位置的测量愈准确，但总有误差存在。电子是极小的粒子，要准确测定其位置必须使用极短波长的光，根据德布罗意公式，光的波长愈短，光子的动量愈高，当光子与电子相碰撞时就会将动能传给电子，引起电子动量的大变化，但其位置的测量误差太大。1926年海森堡（Heisenberg）提出了测不准原理，并用数学式表示：     式中表示动量的不准确程度，表示位置不准确程度。第二十九页，共30页。力学的发展—微观粒子运动所遵循的规律量子力学的建立薛定谔受爱因斯坦和德布罗意的影响，从物质波出发，引入波函数，建立薛定谔方程。在非相对论近似条件下，方程结果和实验符合的很好。产生波动力学。1926年薛定谔论证了波动力学和海森堡的矩阵力学是等价的，认为可以通过数学变化从一个理论转换为另一个理论。狄拉克1930年统一了二者，成为量子力学。第三十页，共30页。