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第二章 经典力学的建立和发展 我已经把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。 ——牛顿 近代自然科学的诞生是从天文学的突破开始的。 经典力学是从伽利略和开普勒时代开始的，到牛顿时代到达成熟阶段。 从科学方法上看，它的建立和发展离不开科学实验方法和数学的引入，也就是离不开归纳法（需要实验）和演绎法（需要数学）两者的结合。 讨论与思考： 为什么要先学力学？ 中学时学的力学，你还记得多少？ 请你说出牛顿三定律的内容和机械能守恒定律的条件。 §2.1 坐标系、位置矢量、速度 力学是定量的科学，为了描写物体运动，必须引入基本量位置、时间、速度。 在牛顿力学中，坐标和时间是独立的，且在不同参考系中用“长度不变的尺”和“绝对时 间”（即不同参考系中钟的快慢一 样）。 速度是矢量，速度合成用平行四边 形法则。 在数学和物理中，作图法很重要，可帮助我们理解。希望同学们在学习中重视图形的用处，体会用图来分析说明问题的重要性和必要性。 §2.2 从哥白尼到开普勒 一、向地心说挑战——哥白尼创立日心说 为什么近代科学诞生是从天文学的突破开始的？ 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。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上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1300余年。 日心说提出的科学根源、哲学根源和历史根源是什么？ 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：他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。 历史根源：在意大利留学10年，受到文艺复兴运动影 响，思想解放，投身科学革命。 二、开普勒行星三定律 哥白尼和毕达哥拉斯的哲学思想强烈吸引开普勒。 与第谷合作，使他从第谷处获 得了大量精确的天文学数据。 1609—1619年，他先后提出了 行星运动三定律。 1.椭圆定律：每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一 个焦点上。 2．等面积定律：在行星与太阳间作一条直线，则此直线 在行星运动时于相同时间内扫过相等的面积。 3．和谐定律：行星运动周期T 的平方正比于行星与太阳 平均距离R 的三次方，记为： 开普勒已经认识到：他的定律 强烈地暗示了太阳对行星有一种吸 引力，这个力随距离之增大而减弱。 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。但这是什么 样的力呢？开普勒还想不出来，揭 示这一自然奥秘的任务是后来牛顿 完成的，但开普勒的理论为牛顿经 典力学的建立提供了重要基础。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。 §2.3 伽利略和近代力学的诞生 一、伽利略在天文学方面的贡献： 自制望远镜 发现木星的4颗卫星 发现太阳黑子 定出太阳自转周期 二、在力学方面的贡献：提出落体定律和惯性运 动概念 勇敢地否定了亚里士多德把运动划分为“自然运动”和“强迫运动”，而是抓住了运动基本特征量——速度和加速度，把运动分为“匀速”和“变速”。 用思想实验和斜面实验驳斥了亚里 士多德的“重物下落快”的错误观 点，发现自由落体定律。 三、对科学方法的贡献 爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。” 伽利略被后人称为“现代物理之父”。 §2.4 牛顿和经典力学的成熟 英国著名诗人Pope写道： 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧！” 于是一切成为光明。 牛顿第三定律又称作用和反作用定律：一物体对另一物体的作用力同时引起另一物体对该物体的大小相等、方向相反的反作用力，作用力和反作用力在同一条直线上。 二、万有引力定律的创立过程 1．思想突破