1、力学基本定律的形成力学基本定律的形成上篇上篇什么是力学？什么是力学？力学又称经典力学，是研究通常力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。力学是物理学、一门自然科学。力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本理设计都必须以经典力学为基本依据。依据。牛顿牛顿(Newton)1665“万有引力万有引力”定定律律 千万只苹果落了下来，可千万只苹果落了下来，可唯有你，问了唯有你，问
2、了why？（苹果呀苹果，你可（苹果呀苹果，你可曾告诉我，你为什么曾告诉我，你为什么要落地？）要落地？）持金苹果的女神持金苹果的女神卢浮宫艺术展卢浮宫艺术展 名言名言 我不知道世人怎样看我我不知道世人怎样看我，但我自但我自己以为我不过像一个在海边玩耍己以为我不过像一个在海边玩耍的孩子的孩子，不时为发现比寻常更为不时为发现比寻常更为美丽的一块卵石或一片贝壳而沾美丽的一块卵石或一片贝壳而沾沾自喜，至于展现在我面前的浩沾自喜，至于展现在我面前的浩翰的真理海洋，却全然没有发现。翰的真理海洋，却全然没有发现。如果说我所看的比别人更远一点，如果说我所看的比别人更远一点，那是因为我站在巨人的肩上。那是因为我站
3、在巨人的肩上。谦虚还是骄傲？谦虚还是骄傲？他在给胡克的一封信里这样写的：他在给胡克的一封信里这样写的：笛卡儿笛卡儿先生所做的是搭了一座梯子，而您则使梯先生所做的是搭了一座梯子，而您则使梯子升得更高了一些，子升得更高了一些，如果我能看的更如果我能看的更远一些，那是因为我站在巨人的肩膀上。远一些，那是因为我站在巨人的肩膀上。谁是谁是巨巨人？人？1.1 历史概述历史概述 力学是物理学中发展最早的一个力学是物理学中发展最早的一个分支，它和人类的生活与生产联分支，它和人类的生活与生产联系最为密切。早在遥远的古代，系最为密切。早在遥远的古代，人们就在生产劳动中应用了杠杆、人们就在生产劳动中应用了杠杆、螺旋
4、、滑轮、斜面等简单机械，螺旋、滑轮、斜面等简单机械，从而促进了静力学的发展。从而促进了静力学的发展。古代的成就古代的成就 古希腊时代，就已形成比重和重心的古希腊时代，就已形成比重和重心的概念，出现杠杆原理；阿基米德概念，出现杠杆原理；阿基米德（Archimedes，约公元前，约公元前287212）的浮力原理提出于公元前二百多年。的浮力原理提出于公元前二百多年。我国古代的春秋战国时期，以我国古代的春秋战国时期，以墨经墨经为代表作的墨家，总结了大量力学知为代表作的墨家，总结了大量力学知识，例如：时间与空间的联系、运动识，例如：时间与空间的联系、运动的相对性、力的概念、杠杆平衡、斜的相对性、力的概念
5、、杠杆平衡、斜面的应用以及滚动和惯性等现象的分面的应用以及滚动和惯性等现象的分析，涉及力学的许多方面。析，涉及力学的许多方面。中世纪中世纪“中世纪中世纪”一词是从一词是从15世纪后期世纪后期的人文主义者开始使用的。这个的人文主义者开始使用的。这个时期的欧洲没有一个强有力的政时期的欧洲没有一个强有力的政权来统治。封建割据带来频繁的权来统治。封建割据带来频繁的战争，造成科技和生产力发展停战争，造成科技和生产力发展停滞，人民生活在毫无希望的痛苦滞，人民生活在毫无希望的痛苦中，所以中世纪或者中世纪的早中，所以中世纪或者中世纪的早期在欧美普遍称作期在欧美普遍称作“黑暗时代黑暗时代”，传统上认为这是欧洲文
6、明史上发传统上认为这是欧洲文明史上发展比较缓慢的时期。展比较缓慢的时期。宗教对科学的迫害宗教对科学的迫害 自从公元自从公元312年君士坦丁宣布合年君士坦丁宣布合法化基督教后，基督徒就从被法化基督教后，基督徒就从被迫害者变为迫害者。他们敌视迫害者变为迫害者。他们敌视一切不合乎圣经的东西，包括一切不合乎圣经的东西，包括新思想及科学等。历史上就有新思想及科学等。历史上就有很多伟大的思想家及科学家被很多伟大的思想家及科学家被基督徒迫害。到中世纪，更出基督徒迫害。到中世纪，更出现罗马教廷的现罗马教廷的“宗教裁判所宗教裁判所”及加尔文的及加尔文的“宗教法庭宗教法庭”等合等合法机构迫害所谓的法机构迫害所谓的
7、“异端异端”。1.哥白尼：意大利著名天文学家，哥白尼：意大利著名天文学家，著有著有天体运行论天体运行论，遭到教会，遭到教会残酷迫害。残酷迫害。1543年年5月月20日病逝。日病逝。2.坚持哥白尼坚持哥白尼“日心说日心说”的布鲁的布鲁诺，先被投入监狱，当他听完宣诺，先被投入监狱，当他听完宣判后，面不改色地对这伙凶残的判后，面不改色地对这伙凶残的刽子手轻蔑地说：刽子手轻蔑地说：“你们宣读判你们宣读判决时的恐惧心理，比我走向火堆决时的恐惧心理，比我走向火堆还要大得多。还要大得多。”后于后于1600年年2月月17日在罗马鲜花广场被烧死。日在罗马鲜花广场被烧死。3.希柏提亚（希柏提亚（375-415)是
8、史上第一个是史上第一个为人所知的女数学家。吉朋在为人所知的女数学家。吉朋在罗马罗马帝国衰亡史帝国衰亡史中叙述时说：中叙述时说：“她由车她由车上被拉下来，剥脱衣服到一丝不挂，上被拉下来，剥脱衣服到一丝不挂，被拖至教堂，为一群野蛮而无人性的被拖至教堂，为一群野蛮而无人性的狂徒，用尖利的蚝狂徒，用尖利的蚝将她的肉由骨上将她的肉由骨上剥削下来，手脚砍下，抛掷火燄之中。剥削下来，手脚砍下，抛掷火燄之中。4.伽利略：意大利科学家。因捍卫科伽利略：意大利科学家。因捍卫科学真理，于学真理，于1633年被宗教裁判所迫害，年被宗教裁判所迫害，1642年不幸病逝，其时已双目失明。年不幸病逝，其时已双目失明。5.希腊
9、女数学家海帕西娅，坚持希腊女数学家海帕西娅，坚持传播科学知识，被暴徒施以肉刑，传播科学知识，被暴徒施以肉刑，投放火中。投放火中。6.科学家帕利西因说化石是动物科学家帕利西因说化石是动物的遗体而不是的遗体而不是“造物主的游戏造物主的游戏”，被被“宗教裁判所宗教裁判所”判处死刑。判处死刑。7.塞尔维特在塞尔维特在基督教信仰的复基督教信仰的复兴兴一书中提出血液循环的见解，一书中提出血液循环的见解，被烤两个多小时后死去。被烤两个多小时后死去。8.比利时生理学家维萨里，由于比利时生理学家维萨里，由于出版了解剖学著作出版了解剖学著作人体结构人体结构，于于1564年被迫去圣地年被迫去圣地耶路撒耶路撒冷作忏悔
10、，归途中遇难冷作忏悔，归途中遇难;9.阿莫里：巴黎大学教授，阿莫里：巴黎大学教授，1210年，因宣扬泛神论被死后追审，年，因宣扬泛神论被死后追审，墓穴被挖，十个弟子全部被处决。墓穴被挖，十个弟子全部被处决。10.西克尔：巴黎大学教授，因在西克尔：巴黎大学教授，因在物理研究上有所谓异端言论，被物理研究上有所谓异端言论，被教会活活打死。教会活活打死。文艺复兴文艺复兴 文艺复兴是一场发生在文艺复兴是一场发生在14世纪至世纪至17世纪的文化运动，在中世纪晚世纪的文化运动，在中世纪晚期发源于佛罗伦萨，后扩展至欧期发源于佛罗伦萨，后扩展至欧洲各国。洲各国。“文艺复兴文艺复兴”一词亦可一词亦可粗略地指代这一
11、历史时期，但由粗略地指代这一历史时期，但由于欧洲各地因其引发的变化并非于欧洲各地因其引发的变化并非完全一致，故完全一致，故“文艺复兴文艺复兴”只是只是对这一时期的通称。这场文化运对这一时期的通称。这场文化运动囊括了对古典文献的重新学习，动囊括了对古典文献的重新学习，在绘画方面直线透视法的发展，在绘画方面直线透视法的发展，以及逐步而广泛开展的教育变革。以及逐步而广泛开展的教育变革。回归本源回归本源 在漫长的中世纪，生命中的一在漫长的中世纪，生命中的一切都是从神的观点来解释，但切都是从神的观点来解释，但到了文艺复兴时期，一切又重到了文艺复兴时期，一切又重新以人为中心。当时的口号是新以人为中心。当时
12、的口号是回归本源回归本源，所谓本源主要，所谓本源主要是指古代的人文主义。是指古代的人文主义。罗盘、火器与印刷朮这三大发罗盘、火器与印刷朮这三大发明，乃是文艺复兴时期所以形明，乃是文艺复兴时期所以形成的重要因素。成的重要因素。实证法实证法 自从十四世纪以来，愈来愈多思想家自从十四世纪以来，愈来愈多思想家警告人们不要盲目相信权威，无论是警告人们不要盲目相信权威，无论是宗教教条或亚理斯多德的自然哲学。宗教教条或亚理斯多德的自然哲学。但也有人劝告大众不要相信纯粹凭思但也有人劝告大众不要相信纯粹凭思索就可以解决问题。在整个中世纪期索就可以解决问题。在整个中世纪期间，人们过度迷信理性思索的重要性。间，人们
13、过度迷信理性思索的重要性。到了文艺复兴时期，则认为研究大自到了文艺复兴时期，则认为研究大自然现象必须以观察、经验与实验为基然现象必须以观察、经验与实验为基础。我们称之为础。我们称之为实证法实证法。”16世纪以后世纪以后 由于航海、战争和工业生产的需要，力学由于航海、战争和工业生产的需要，力学的研究得到了真正的发展。的研究得到了真正的发展。钟表工业促进了匀速运动的理钟表工业促进了匀速运动的理论；水磨机械促进了摩擦和齿论；水磨机械促进了摩擦和齿轮传动的研究；火炮的运用推轮传动的研究；火炮的运用推动了抛射体的研究。动了抛射体的研究。天文学的发展为力学找到了一天文学的发展为力学找到了一个最理想的个最理
14、想的“实验室实验室”天天体。体。资本主义萌芽带来的契机资本主义萌芽带来的契机(15世纪后半期开始世纪后半期开始)不得不提的中国四大发明不得不提的中国四大发明 罗盘罗盘 印刷术（和造纸术）印刷术（和造纸术）火药火药代表人物代表人物 弗兰西斯弗兰西斯培根培根（Francis Bacon，15611626）是英国）是英国哲学家、思想家、作哲学家、思想家、作家和科学家。被马克家和科学家。被马克思称为思称为“英国唯物主英国唯物主义和整个现代实验科义和整个现代实验科学的真正始祖学的真正始祖”。培根培根:“证明前人说法证明前人说法的唯一方法，只有观的唯一方法，只有观察和实践。察和实践。”培根培根 达达芬奇芬
15、奇 意大利文艺复兴三杰之一，也是整意大利文艺复兴三杰之一，也是整个欧洲文艺复兴时期最完美的代表。个欧洲文艺复兴时期最完美的代表。他是一位思想深邃，学识渊博，多他是一位思想深邃，学识渊博，多才多艺的画家、寓言家、雕塑家、才多艺的画家、寓言家、雕塑家、发明家、哲学家、音乐家、医学家、发明家、哲学家、音乐家、医学家、生物学家、地理学家、建筑工程师生物学家、地理学家、建筑工程师和军事工程师。和军事工程师。他的艺术实践和科学探索精神对后他的艺术实践和科学探索精神对后代产生了重大而深远的影响。代产生了重大而深远的影响。（蒙娜丽莎的微笑）（蒙娜丽莎的微笑）（达芬奇自画像与肖像）（达芬奇自画像与肖像）达芬奇笔
16、下的美杜莎画像与其雕塑作品达芬奇笔下的美杜莎画像与其雕塑作品 达芬奇的城市规划、宫殿设计达芬奇的城市规划、宫殿设计和运河设计图和运河设计图（维特鲁威人维特鲁威人人体之美：人体之美：人体的躯干存在一定的比例）人体的躯干存在一定的比例）人体人体 心脏、头部、子宫心脏、头部、子宫达芬奇设计的达芬奇设计的武装坦克车（仿制武装坦克车（仿制）达芬奇发明设计的带刀战车达芬奇发明设计的带刀战车 火炮、弩车和飞行器火炮、弩车和飞行器 达芬奇设计的汽车雏形达芬奇设计的汽车雏形 达芬奇设计的起重机达芬奇设计的起重机（达芬奇的奇幻画作达芬奇的奇幻画作“实验在任何情况下都是我的老师。实验在任何情况下都是我的老师。”梯子
17、和巨人梯子和巨人 笛卡尔笛卡尔 胡克胡克 哥白尼哥白尼 伽利略伽利略 欧洲近代资产阶级欧洲近代资产阶级哲学的奠基人之一，哲学的奠基人之一，黑格尔称他为黑格尔称他为“现现代哲学之父代哲学之父”。笛卡儿堪称笛卡儿堪称17世纪世纪的欧洲哲学界和科的欧洲哲学界和科学界最有影响的巨学界最有影响的巨匠之一，被誉为匠之一，被誉为“近代科学的始近代科学的始祖祖”。笛卡尔：数学演绎法笛卡尔：数学演绎法笛卡尔方法论笛卡尔方法论 第一，他善于运用直观第一，他善于运用直观“模型模型”来说来说明物理现象。例如利用明物理现象。例如利用“网球网球”模型模型说明光的折射；用说明光的折射；用“盲人的手杖盲人的手杖”来来形象地比
18、喻光信息沿物质作瞬时传输；形象地比喻光信息沿物质作瞬时传输；用盛水的玻璃球来模拟并成功地解释用盛水的玻璃球来模拟并成功地解释了了虹霓虹霓现象等。现象等。第二，他提倡运用假设和假说的方法，第二，他提倡运用假设和假说的方法，如宇宙结构论中的旋涡说。此外他还如宇宙结构论中的旋涡说。此外他还提出提出“普遍怀疑普遍怀疑”原则。这一原则在原则。这一原则在当时的历史条件下对于反对教会统治、当时的历史条件下对于反对教会统治、反对崇尚权威、提倡理性、提倡科学反对崇尚权威、提倡理性、提倡科学起过很大作用起过很大作用。罗伯特罗伯特胡克胡克 和牛顿争论最多的便是大他和牛顿争论最多的便是大他13岁同为皇家岁同为皇家学会
19、会员的，此人亦是一位多才多艺的大学会会员的，此人亦是一位多才多艺的大物理学家，他发明了很多东西，诸如湿度物理学家，他发明了很多东西，诸如湿度计，量雨器，螺旋弹簧，万向节等等，在计，量雨器，螺旋弹簧，万向节等等，在物理学中物体的形变和外力成正比的胡克物理学中物体的形变和外力成正比的胡克定律也是大大有名。定律也是大大有名。哥白尼哥白尼（波兰）（波兰）“日日心说心说”“思想的革命思想的革命”“从哥白尼时代起，从哥白尼时代起，脱离教会束缚的自然脱离教会束缚的自然科学和哲学开始获得科学和哲学开始获得飞跃的发展。飞跃的发展。”天文的发展天文的发展 第谷第谷布拉赫（布拉赫（Tycho Brahe，15461
20、601）顺应了这一要求，）顺应了这一要求，以毕生精力采集了大量观测数以毕生精力采集了大量观测数据，为开普勒（据，为开普勒（Johannes Kepler，15711630）的研究）的研究作了准备。开普勒于作了准备。开普勒于 1609 年和年和 1619 年先后提出了行星运动的年先后提出了行星运动的三条规律，即开普勒三定律。三条规律，即开普勒三定律。第谷第谷开普勒仰望开普勒仰望星空的第一双眼睛星空的第一双眼睛 第谷的天文观测城堡第谷的天文观测城堡 开普勒第一定律和第二定律开普勒第一定律和第二定律 *开创了开创了数学数学方法与方法与实验实验手段结合的手段结合的科研科研方法方法培根：培根：实验归纳法
21、实验归纳法More：最早探寻“惯性定律”伽利略简介伽利略简介 意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家。也是学家、哲学家、物理学家、数学家。也是近代实验物理学的开拓者，被誉为近代实验物理学的开拓者，被誉为“近代近代科学之父科学之父”。偷窥上帝的秘密偷窥上帝的秘密 爱因斯坦说过：爱因斯坦说过：“有一种超越一切的力量，有一种超越一切的力量，支持著全宇宙的科学法则和自然界的运行支持著全宇宙的科学法则和自然界的运行变化。如果我们将这种力量称为上帝，那变化。如果我们将这种力量称为上帝，那我就要向这位上帝低头。我就要向这位上帝低头。”伽利略铜像
22、：手持偷窥上帝的工具伽利略铜像：手持偷窥上帝的工具 伽利略观测伽利略观测（“蛋云翳蛋云翳”和宇宙和宇宙“涅槃涅槃的凤凰的凤凰”（两（两个星系碰撞）个星系碰撞）人们常说：人们常说：“哥哥伦布发现了新大伦布发现了新大陆，伽利略发现陆，伽利略发现了新宇宙。了新宇宙。”伽利略发明的伽利略发明的机械定时器机械定时器 1632年和年和1638年是伽利年是伽利略的丰收年，他分别出版了略的丰收年，他分别出版了两部两部对话对话：关于托勒关于托勒密和哥白尼两大世界体系的密和哥白尼两大世界体系的对话对话支持了地动学说，首支持了地动学说，首先阐明了运动的相对性原理；先阐明了运动的相对性原理；两门新科学的对话两门新科学
23、的对话讨论讨论了材料抗断裂、媒质对运动了材料抗断裂、媒质对运动的阻力、惯性原理、自由落的阻力、惯性原理、自由落体运动、斜面上物体的运动、体运动、斜面上物体的运动、抛射体的运动等问题，给出抛射体的运动等问题，给出了匀速运动和匀加速运动的了匀速运动和匀加速运动的定义。定义。经典力学的第一步经典力学的第一步 以伽利略（以伽利略（Galileo Galilei，15641642）为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，为代表的物理学家对力学开展了广泛研究，得到了落体定律。得到了落体定律。牛顿（牛顿（Isaac Newton，16421727）把天体的运动规律和地）把天体的运动规律和地面上的实验研究成果加
24、以综合，面上的实验研究成果加以综合，进一步得到了力学的基本规律，进一步得到了力学的基本规律，建立了牛顿运动三定律和万有建立了牛顿运动三定律和万有引力定律。引力定律。牛顿建立的力学体系经过牛顿建立的力学体系经过 D.伯努利伯努利（Daniel Bernoulli，17001782）、拉格朗日（）、拉格朗日（J.L.Lagrange，17361813）、达朗贝尔（）、达朗贝尔（Jean le Rond dAlembert，17171783）等人的推广和完善，形成了）等人的推广和完善，形成了系统的理论，取得了广泛的应用并系统的理论，取得了广泛的应用并发展出了流体力学、弹性力学和分发展出了流体力学、弹
25、性力学和分析力学等分支。到了析力学等分支。到了18世纪，经典世纪，经典力学已经相当成熟，成了自然科学力学已经相当成熟，成了自然科学中的主导和领先学科。中的主导和领先学科。1.2 伽利略的运动学研究伽利略的运动学研究 1638年，伽利略的年，伽利略的两门新科学两门新科学一书一书的出版，揭开了物理学的序幕。的出版，揭开了物理学的序幕。1.2.1 伽利略为什么要研究自由落伽利略为什么要研究自由落体体 西方有句谚语：西方有句谚语：“对运动无知，也就对大对运动无知，也就对大自然无知。自然无知。”运动是万物的根本特性。运动是万物的根本特性。西方有句谚语：西方有句谚语：“对运动无知，也对运动无知，也就对大自
26、然无知。就对大自然无知。”运动是万物的运动是万物的根本特性。根本特性。在在 16世纪以前，亚里士多德的运动世纪以前，亚里士多德的运动理论居统治地位。他把万物看成是理论居统治地位。他把万物看成是由四种元素由四种元素土、水、空气及火土、水、空气及火组成，四种元素各有其自然位置，组成，四种元素各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运任何物体都有返回其自然位置而运动的性质。动的性质。重物下落是物体的自然属性重物下落是物体的自然属性 运动分成自然运动和强迫运动：重物下落运动分成自然运动和强迫运动：重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心作圆周运是自然运动，天上星辰围绕地心作圆周运动，也是自然运动；而要
27、让物体作强迫运动，也是自然运动；而要让物体作强迫运动，必需有推动者，即有施力者。力一旦动，必需有推动者，即有施力者。力一旦去除，运动即停止。去除，运动即停止。批驳亚里士多德关于落体运动批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是一个具体的错误理论，不仅是一个具体的运动学问题，也是涉及自然的运动学问题，也是涉及自然哲学的基础问题，是从亚里士哲学的基础问题，是从亚里士多德的精神枷锁下解脱的一场多德的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分。思想革命的重要组成部分。伽利略说：我的目的，是要阐伽利略说：我的目的，是要阐述一门崭新的科学，它研究的述一门崭新的科学，它研究的却是非常古老的课题。却是非常古
28、老的课题。意义意义 1.实验方法与数学方法结合的成实验方法与数学方法结合的成功：不是单纯做实验，而是从明功：不是单纯做实验，而是从明确的物理思想出发，进行数学推确的物理思想出发，进行数学推证，选典型实验，最后得出结论。证，选典型实验，最后得出结论。2.观察观察假设假设逻辑推理逻辑推理实验检验的成功之路，实验物实验检验的成功之路，实验物理思维和数学演绎的巧妙结合。理思维和数学演绎的巧妙结合。预见：预见：“一门广博精深的科学已一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各所用的方法和手
29、段将会探索到各个遥远的角落。个遥远的角落。”牛顿的伟大综合和理论飞跃牛顿的伟大综合和理论飞跃牛顿取得成功的历史条件牛顿取得成功的历史条件 1.生产力发展的需要生产力发展的需要 航海的发展，需要对天体的运行规律航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究，对机械加工作物理原理的解释。进行研究，对机械加工作物理原理的解释。2.物理方面的进展物理方面的进展 哥白尼的哥白尼的“日心说日心说”，摧毁了附着在，摧毁了附着在神学上的宇宙观，得到了几乎所有科学家神学上的宇宙观，得到了几乎所有科学家的认同，教会的迫害反而使真理的声音广的认同，教会的迫害反而使真理的声音广为传播。为传播。伽利略奠定了在运动观上的正确理论，伽利略奠定了在运动观上的正确理论，各种力正在被发现。各种力正在被发现。牛顿取得成功的历史条件牛顿取得成功的历史条件 3.在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴资产阶级从自身的角度，开始注重科学研资产阶级从自身的角度，开始注重科学研究。究。4.科学的国际研究联系加强。英法成立了科学的国际研究联系加强。英法成立了“皇家学会皇家学会”和和“皇家科学院皇家科学院”。
