物理学史讲稿(力学)

第一章经典物理学产生的背景第一节近代科学产生的摇篮—文艺复兴运动一、近代科学产生的社会条件•好象资本主义生产的发展仅仅对科学技术提出了需要和科学研究的课题。实际上，资本主义生产的发展不仅提供了大量的科学发展所需要的材料，而且也创造了制作实验仪器的物质和技术条件。实验仪器随着生产的发展而提高和完善，这就给科学实验带来系统性和广泛性，并形成了实验科学。二、文艺复兴运动的兴起•文艺复兴，实质就是资产阶级新文化运动。•新兴的资产阶级发现在古代希腊、罗马文化中，可以找到用来反对封建统治和封建文化的武器，这就是自然哲学及以人为中心的文学艺术。•随着资产阶级政治活动开展，竟然掀起了一个反对封建思想统治和束缚的强大运动，这就是以恢复古代文化面目出现的“文艺复兴运动”。列奥那多·达·芬奇物理学的研究方面•用虚速度原理，证明了杠杆原理；他第一次企图测定摩擦系数；他在分析鸟类飞行时，描述过合力的平行四边形，也曾将重物沿斜面的运动分解为两个分量。他对流体力学的研究很多，例如，他发现下部连通的诸容器中的静止液体有同一表面高度。•他所设计的机械装置和发明据说有上千项。•随身携带的笔记手稿现已发现的约有7000页。三、文艺复兴精神的代表——列奥那多•意大利人列奥那多·达·芬奇（公元1452－1519年）•他蔑视教会的权利，敢于触犯教会的禁令。教会规定人死了不允许解剖，可是达·芬奇不管这些，弄到了许多尸体，一一进行解剖。他认为，只有进行解剖，才能探查人体的机器运行的奥秘。•力求成为“认识自然和模仿（改造）自然的巨匠”。达·芬奇的座右铭•列奥那多·达·芬奇非常重视观察和实验的方法，他把观察和实验当作科学研究独一无二的真正方法。•“实验是我的老师”；“理智是实验的女儿”。•同样重视数学和理论的作用。第二节近代科学的宣言----日心说•哥白尼日心体系的新学说，是自然科学向神学的第一次严正挑战，标志着自然科学从神学中解放出来的一次革命。恩格斯称它为“自然科学的独立宣言”。一、哥白尼的生平与他创立的日心说•著名的天文学家尼古拉·哥白尼（公元1473－1543年）于1473年2月9日生于波兰托伦城的一个商人家庭。•哥白尼的伟大著作《天体运行论》•哥白尼是这个时代的真正英雄。•天文学是观察和记载天象、描述天体运动、探索规律并预测其位置以便于制定历法、辨明方位的一门最早的科学。哥白尼的基本思想•①太阳是宇宙的中心，行星都围绕着太阳运转。②地球是运动的，它是绕着太阳运转的普通行星，它本身还在自转。③月亮是地球的卫星，一个月绕地球一周，就象卫士一样，地球带着月亮一起绕太阳运动。哥白尼的基本思想•④行星在太阳系中排列的顺序是：离太阳最远的是土星，三十年绕太阳一周；其次是木星，十二年绕太阳一周；然后是火星，两年绕太阳一周；第四是地球和月亮，一年绕太阳一周；第五是金星，九个月绕太阳一周，离太阳最近的是水星，八十天绕太阳一周。恒星在远离太阳的一个天球面上静止不动。哥白尼是怎样创立“日心体系”说的呢？•在《天体运行论》的第一卷中，哥白尼明确地把地球从宇宙中心位置推除开去，把它降为普通行星的一员。他断言，地球自身有三种运动：第一种是“地球自西向东绕轴昼夜自转”；第二种是“地心同地球上的一切的周年旋转，在金星与火星轨道间的黄道上从西向东运行”；第三种是“倾斜面的运动”，即赤道面或自转轴相对于日——地联线的运动。哥白尼学说影响之深远•恩格斯称它为“自然科学的独立宣言”就可想而知了。哥德说：“哥白尼学说撼动人类意识之深，自古以来无一种创见、无一种发明可与伦比，当大地是球形被哥伦布证明以后不久，地球为宇宙主宰尊号也被剥夺了，自古以来没有这样天翻地覆地把人类意识倒转来过，如果地球不是宇宙中心，无数古人相信的事将成为一场空事，谁还相信伊甸的乐园、赞美诗的颂歌和宗教的故事呢？”二、天文学的新成就——开普勒三定律•第谷把天文观测精确度提高到一个新的水平，远远超过前人的几十倍到几百倍，并积累了大量的观察数据资料。开普勒从这些浩若烟海的据数中总结出规律，提出了开普勒三定律。第谷·布拉赫•第谷·布拉赫（公元1546－1601年）是丹麦天文学家，天文观测的大师。第谷出身于一个贵族家庭，少年时代就对天文的精确观测产生了浓厚的兴趣和爱好。•第谷成了当时罕见的天文观测家。•有“星学之王”的美称。•第谷善于观测而不善于思索，开普勒则善思索而不善于观测，他们各有所长各有所短，结合起来，取长补短，就导致科学发现的重大突破。约翰·开普勒•约翰·开普勒（公元1571——1630年）是德国伟大的天文学家。•天文学上两大传统观念：一是地球位于宇宙中心。二是天体必然是球形的，它的运动轨道必然也是圆的。哥白尼推翻了前一个传统观念，但是他始终坚持后一个传统观念，开普勒却大胆地冲破了这后一个传统观念。开普勒行星运动的三定律•1609年开普勒在《新天文学》一书中，正式提出了行星运动的两条定律：•第一定律是“轨道定律”；行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦点上；开普勒行星运动的三定律•第二定律是“面积定律”：行星与太阳之间所联直线在相等时间内扫过椭圆的面积相等。这就是说行星在近日点附近的速度要快一些。•过了九年，开普勒又发现了第三定律，即“周期定律”：行星绕日一周所需时间（公转周期）的平方，与其和太阳平均距离的立方成正比。开普勒的发现的伟大价值•开普勒的发现不仅对天文学的发展有着重大意义，而且对自然科学的发展也有它伟大价值。开普勒从第谷的准确数据出发，否定了主观的几何模式和托氏地心体系。他的第一定律否定了圆形轨道论；第二定律否定了匀速运动；第三定律建立了各行星之间的联系。爱国斯坦的评价“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理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，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。”这就是说，科学发现的两大武器，即观察实验和抽象思维的理论创造是缺一不可的，必须把两者结合起来才行。开普勒的功绩•开普勒是用数学公式表达物理定律最早获得成功的人之一。从他的时代开始，数学方程就成为表达物理学定律的基本方式，为经典力学的建立，立下了不可磨灭的功勋。三、伽利略在天文学上的功绩•伽利略是在1610年用自制的垂轴放大率达32倍的天文望远镜指向天空进行观测，发现了月球表面有象火山口那样的环形山，同地面结构相似。他发现了金星的周相变化，木星有四个卫星，银河是无数发光体的总汇，土星有多变的椭圆外形等等。他并发现月球与其他星球所发的光都是太阳反射的光。太阳的表面上存在着黑子，黑子还有规律地变化着。他判断太阳以二十七天左右的周期转动（太阳在自转）。三、伽利略在天文学上的功绩•伽利略所观测到木星有四颗卫星和金星的周相变化有重要意义，它否定了古代关于游动的天体只有七个的断言，这是对哥白尼的重要支持。伽利略的主要功绩•伽利略的主要功绩之一，是把哥白尼、开普勒所开创的新世界观加以证实和普遍宣传，并以自己在教庭下的牺牲唤起了人们对日心说的公认。第三节新科学的特征•一、批判经院哲学，崇尚科学真理•所谓经院哲学如前章所述，是基督教哲学，它严重地束缚着人们的思想。•英国杰出的哲学家弗兰西斯培根（公元1561—1626）首先树立起了批判经院哲学的旗帜，向经院哲学发起战斗。•培根提出了“知识就是力量”的口号。•培根认为：经验实验是真理的来源和检验标准。一、批判经院哲学，崇尚科学真理•由于天文学、力学、光学的成就，使一些先进的思想家已经认识到必须否定宗教的教义是真理的来源，提倡思想自由，提倡科学的实际目的，提倡实验研究方法。培根•培根在1605年出版的《论科学的进展》中，他指出：印刷、火药和指南针这三种东西的发明“改变了世界的面貌”，“没有一个帝国，没有一个宗教教派，没有一个显赫的人物能比这三种发明在人类的事业中产生更大的力量和影响”。笛卡儿•第二位向宗教宣战的就是法国杰出的数学家和哲学家笛卡儿（公元1596—1650），他继续向经院哲学展开了斗争。他反对信仰先于知识的宗教教义，认为必须创立为实践服务的世俗科学来代替经院哲学。他提出了“怀疑原则”作为创立真正的科学出发点。二、理论概括方法的确定•培根、笛卡儿他们的方法论都带有一定的片面性。笛卡儿强调的演绎法的弱点在于前提错了，结论就错了；归纳法的弱点在于结论，它很容易带有局限性与或然性。笛卡儿•笛卡儿从与培根不同的方面发展了自然科学的方法论，在1637年出版的《方法论》中，他提出了他的唯理论学说。他认为，在发展认识过程中，起主要作用的不是经验，而是理论思维，即理性。在方法论中笛卡儿阐明了对培根的归纳法所作的一些补充的演绎法的原理。即由普遍原理得出局部结论的方法本身就称为演绎法。•笛卡儿对物理学中发展起来的数学方法很赞赏，认为一切科学都应该按照数学形式建立起来，把理论思维作为出发点。笛卡儿创立的以数学为基础的演绎法，成为后来的理论物理学的主要方法。笛卡儿•笛卡儿也认为实验可以提供“原始前提的必要素材”，还能检验所得结论的正确性。伽利略同样认为。真正的科学就在“经常展示在我们眼前的这部最伟大的书中”，即宇宙、自然界。人们必须通过实验去阅读这部“自然之书”。伽利略很重视进行观察和实验•伽利略很重视进行观察和实验。他创建了一整套科学方法，这是无价之宝。爱因斯坦曾精辟分析道：“常听人说，伽利略之所以成为科学之父，是由于他以经验的实验的方法来代替思维的、演绎的方法。但我认为这种理解是经不起严格审查的。……把经验的态度与演绎的态度截然对立起来，那是错误的，而且也不代表伽利略的思想”。这就是说，应该全面认识伽利略所首创的实验、物理思维和数学演绎三者巧妙结合的科学方法。伽利略非常重视观察和实验•伽利略非常重视观察和实验，在观察和实验的基础上提出假说，再用数学分析和逻辑推理证明假说，最后用实验验证理论的正确。概括起来就是实验—数学推理方法，这一方法，在伽利略以后很多年代里为很多人所重视。爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中评论说：“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，而且标志着物理学的真正开端”。惠更斯指出•荷兰物理学家惠更斯后来指出：培根不了解科学方法中数学所起的作用，而笛卡儿则忽视了实验和经验的作用。实际上，这两种方法是互相补充的．只有把这两种方法以及其它科学方法结合起来，才能最有效地促进科学认识的健康发展。第二章经典力学体系的建立•第一节伽利略的力学贡献•一、斯台文的力学研究•比利时力学家斯台文（公元1548～1620）于1586年出版了《静力学原理》一书。在这本书中对阿基米德的杠杆原理作了简化的数学证明，提出了平行力平衡的完整理论，研究了滑轮组平衡问题和机械效率问题。•斯台文对斜面平衡问题进行了深入的研究，在两个力互成直角的情况下，引进了三角形（或平行四边形）法则，提出了力的分解的初步思想。二、伽利略的运动理论•1．运动的描述和分类方面•为了赋予“速度”这一概念以确切的含义从而定义匀速运动和变速运动，他首先确切地表述了时间和空间的概念，使时间和空间的概念在物理学中具有了重要意义。•他给匀速运动下的定义是：“在任何相等的时间间隔内通过的距离相等”，他还提出了瞬时速度的概念，瞬时速度概念的提出，扩展了速度概念。2．对自由落体的研究•伽利略还提出并证明落体运动是匀加速运动。•伽利略还提出了“等末速度假设”，即物体在同一高度下落，无论是沿竖直方向还是沿不同斜面，到达末端时的速度都是相同的。反之，以同样速度上升，沿任何斜面上升的高度都相同。3．惯性运动的研究•伽利略并没有完成这些推论，没有概括成普遍的自然规律。而且伽利略认为惯性运动只能是绕地球的圆周运动，使他的结论带来局限性，因此惯性定律的完成仍需归功于牛顿。4．抛物运动的研究•伽利略用几何方法证明了，一个平抛的物体可以分解为两种运动，一种是水平上的匀速运动，它使物体始终保持水平速度不变；另一种是引力作用的自由落体运动，这是匀加速运动。这两种运动同时存在于一个物体上，彼此互不干扰，合成一个运动，使物体沿一抛物线运动。这就是运动的独立进行原理。5．伽利略相对性原理•精彩地描述了匀速直线运动的船舱里所观察到