兩岸青山相對出，孤帆一片日邊來。——李白《望天門山》大自然及其法則在黑暗中隱藏上帝說：“派牛頓去吧”于是，一切豁然開朗。——蒲柏（18世紀英國著名詩人）

經典力學？◎¤◎

質點勻變速直線運動動量守恒機械能守恒……第二章經典力學的建立與發展§1運動的描述§2從哥白尼到開普勒§3伽利略與近代科學§4牛頓與經典力學§5守恒定律和航天原理§1運動的描述微觀介觀宏觀宇觀量子力學經典力學天體物理42個數量級10-7m以上的客體，其下限相當于有機大分子的尺寸.我們日常生活中所接觸到的都屬于宏觀世界。§1.1宏觀物體的運動規律最簡單，但又是最普遍的運動形式——機械運動定義：物體的位置隨時間發生變化的運動，稱為機械運動。伽利略

為了研究運動變化的規律，首先要對運動狀態進行描述參考系坐標系§1.2運動的描述坐標系直角坐標系自然坐標系極坐標系慣性系:慣性定律在其中成立的參考系，反之稱為

非慣性系日心系ZXY地心系o地面系慣性系:參考系坐標系§1.2運動的描述你的位置運動方程——位置隨時間變化運動快慢v加速度a一個好的物理學家，往往就是善于提出物理模型的科學家。1.2運動的描述物理模型“建模”是物理學認識物質世界的基本策略，離開了模型，物理學將寸步難行，陷入一種不可知論。質點、質點系、剛體慣性系……§2從哥白尼到開普勒2.1哥白尼革命

早在兩千多年前古希臘哲學家

亞里士多德（Aristotle，384BC–322BC）等人最先提出了“宇宙以地球為中心”的觀點。古代人們對宇宙天體結構認識的兩種不同見解：

宇宙以地球為中心

地球不是宇宙的中心中國古代1.蓋天說我國古代最早的宇宙結構學說。蓋天說最早在西周時期已經出現，當時認為天尊地卑，天圓地方“天圓如張蓋，地方如棋局”，——這一學說認為天是圓形的，像一把張開的大傘覆蓋在地上；地是方形的，像一個棋盤，日月星辰則像爬蟲一樣過往天空，因此這一學說又被稱為“天圓地方說”。由于圓蓋形的天與正方形的大地邊緣無法吻合。于是又有人提出，天并不與地相接，而是像一把大傘一樣高高懸在大地之上，地的周邊有八根柱子支撐著，天和地的形狀猶如一座頂部為圓穹形的涼亭。共工怒觸不周山和女媧補天的神話正是以此為依據的。2.渾天說可能始于戰國時期。代表人物是東漢的張衡，《張衡渾儀注》中說：“渾天如雞子。天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內，天大而地小。天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。

渾天說認為，天和地的關系就像雞蛋中蛋白和蛋黃的關系一樣，地被天包在當中。渾天說中天的形狀，不像蓋天說所說的那樣是半球形的，而是一個南北短東西長的橢圓球。大地也是一個球，這個球浮在水上，回旋漂蕩,后來又有人認為地球是浮于氣上的。

3.宣夜說——《晉書·天文志》說：“宣夜之書亡，惟漢秘書郎郄萌記先師相傳云，天了無質，仰而瞻之，高遠無極，眼瞀（mào，音冒）精絕，故蒼蒼然也。。。宣夜說認為宇宙是無限的，宇宙中充滿著氣體，所有天體都在氣體中漂浮運動。星辰日月的運動規律是由它們各自的特性所決定的，決沒有堅硬的天球或是什么本輪、均輪來束縛它們，宣夜說打破了固體天球的觀念，這在古代眾多的宇宙學說中是非常難得的。

宣夜說主張“日月眾星，自然浮生于虛空之中，其行其上，皆須氣焉”，創造了天體漂浮于氣體中的理論，并且在它的進一步發展中認為連天體自身，包括遙遠的恒星和銀河都是由氣體組成的。這種十分令人驚異的思想，竟和現代天文學的許多結論相一致。古代西方1米利都學派——泰勒斯（古希臘七賢，科學之祖，泰勒斯在埃及時曾利用日影及比例關系算出金字塔的高。泰勒斯最早開始了數學命題的證明，泰勒斯拒絕倚賴玄異或超自然因素來解釋自然現象）認為地象一個圓盤或圓桶浮在水上。2畢達哥拉斯學派企圖用“數的和諧”來建立關于宇宙的理論。他們認為球體是最完美的幾何形體，所以他們斷言，宇宙是球形的，當中是中心火團，各種物體都圍繞中心火團做均勻圓周運動；

恒星緊系在天的最高圓頂，這個圓頂三萬六千年繞中心火團轉一周，下面是同心運動的球體（水、金、火、木、土星、太陽、月亮和地球）。3柏拉圖學派柏拉圖（前427-前347）認為永恒神圣的天體必須沿著完美的圓形軌道作均勻有序的運動，或者是沿著復合的圓周運動。他的學生歐多克索和亞里士多德提出了同心球層模型：太陽、月亮和行星都在以地球為中心的同心球殼中運動。4地心說古希臘后期的阿波羅尼（約公元前247-205）為了克服同心球層模型的困難，提出了“本輪-均輪”結構模型：行星沿著本輪做圓周運動，本輪的中心有在一地球為中心的均勻輪上做圓周運動。5太陽中心說阿里斯塔克（約前310-前230）提出了與眾不同的見解，認為地球不是宇宙的中心，太陽才是宇宙的中心地球和行星都圍繞太陽作圓周運動，恒星在遠處，是不動的。公元二世紀亞歷山大城的托勒密集大成，提出了歷史上著名的“托勒密地心說”，使古代天文學的發展達到了高峰。他寫下的一部十三卷巨著《天文集》被看作古代天文學的百科全書。6、托勒密（Ptolemy,A.D.90-168）托勒密的宇宙結構◎¤◎

宇宙有“九重天”，這是九個運轉著的同心的晶瑩球殼。最底的一重天是月亮天，其次是水星天和金星天；太陽居于第四重天球上，它是宇宙的主宰，世界的靈魂，它以巨大的光輝照亮宇宙；第五到第七重天依次是火星天、木星天和土星天；第八重是恒星天，全部恒星象寶石一般鑲嵌在這層天上；在恒星天上，還有一重最高天，即“原動天”，那里是神靈居住的天堂。地球坐落在宇宙中心。“人的天職在于踴躍探索真理。”

--哥白尼7、哥白尼◎¤◎

（Copernicus,1473-1543）是波蘭人的后裔，出生在靠近波蘭國界的普魯士的托恩（Thorn）。他從事于三重職業達十三年之久：履行教會職務、行醫和研究天文學。哥白尼對地心說的懷疑：1504年的木、土相會，相差10天。信念：宇宙是和諧的；太陽是圣神的。1543年，被認為是近代科學的誕生年代。1543年5月24日，當這部巨著印好并送到弗隆堡時，久病的哥白尼已危在旦夕。御醫梭爾法把書放到被子上，并把哥白尼的手放到書上，哥白尼用他的無力的手痙攣地抓住書本。哥白尼已到彌留的時刻，一小時以后他就與世長辭了哥白尼的基本觀點是：㈠

太陽是宇宙的中心，行星圍繞著太陽運轉；㈡

地球作為一顆行星繞著太陽運轉，它本身還在自轉；㈢

月亮是地球的衛星，地球帶著月亮一起繞太陽運轉；㈣

行星在太陽系中排列的秩序是：離太陽最遠的是土星（30年繞太陽一周）；其次是木星（12年一周）；然后是火星（2年一周）；第四是地球和月亮（1年一周）；第五是金星（9個月一周）；離太陽最近的是水星（80天一周）。恒星在遠離太陽的一個天球面上靜止不動。一直以反基督教著稱的思想家羅素也這么評價哥白尼，說：

“哥白尼是一位波蘭教士，抱著真純無暇的正統信仰……他的正統信仰很真誠，他不認為他的學說與《圣經》相抵觸。”（《西方哲學史》）布魯諾的殉難是哥白尼日心說經受的第一次考驗

布魯諾于1548年1月出生在意大利那不勒斯附近諾拉鎮的一個貧苦家庭，受文藝復興思想的影響，他極力倡導思想自由，宣揚無神說。哥白尼學說的革命精神強烈地感染了他，布魯諾的激進思想使天主教會暴跳如雷、惱羞成怒，1600年2月17日被活活燒死在羅馬鮮花廣場上。據說，當教會判他火刑，在聽到判詞后，布魯諾說：“你們心中的恐懼甚于我走向火堆，我愿為殉道而死!”1600年，開普勒和第谷合作，當了第谷的助手。這是科學史上一件美妙結合的范例。1601年，第谷去世，他把極其珍貴的全部天文觀測資料都留給了開普勒，使得開普勒的理論創造工作就有了堅實的基礎。第谷（Tycho，1546--1601）丹麥天文學家,是一個實干家，他幾十年如一日，精確地觀測和記錄了行星的位置和運動情況。2.2開普勒（德國）的貢獻第谷像第谷與開普勒第谷使用的天文儀器新芽破土：三.第谷與開普勒第谷的墻壁象限儀開普勒行星運動定律：第一定律：行星沿橢圓軌道繞日運行，太陽位于橢圓的一個焦點上。第二定律：行星和太陽之間的連線在相等時間內掃過的橢圓面積相等。第三定律：行星繞日一周所需要時間的平方，與其和太陽平均距離的立方成正比。愛因斯坦：

開普勒的驚人成就，是證實下面這條真理的一個特別美妙的例子，這條真理是：知識不能單從經驗得出，而只能從理智的發明同觀察到的事實兩者的比較中得出。開普勒定律的意義：1、在科學思想上表現出無比勇敢的創造精神。2、徹底摧毀了托勒密的地心理論，解放了哥白尼理論（30多個圓），開只用了7個橢圓。3、使人們對行星運動的認識明晰了。結論：

科學的發現必須是“觀察實驗”和“抽象思維的理論創造”兩者結合的產物。（第谷觀測）++++（開普勒計算）1609年，伽利略自制了放大30倍的天文望遠鏡。通過觀察，①發現月球表面并非完美無缺，而是有大山和平原，有類似火山口的環形山，與地球表面結構相同；②發現了木星的衛星；③發現了太陽的黑子及其移動的變化，證明了太陽的自轉；④發現了銀河是由無數星星組成，揭開了這個千古啞迷。人們傳誦著：“哥倫布發現了新大陸，伽利略發現了新宇宙”。§3

伽利略與近代科學伽利略另外：1.單擺周期性質的發現伽利略由觀察到教堂懸燈的擺動對擺進行實驗研究，發現單擺的周期與擺長的平方根成正比，而與振幅大小和擺錘重量無關。這個規律的發現為此后的振動理論和機械計時器件的設計方案建立了基礎。2.光速有限及其測量3.幾種基本物理實驗儀器的研制浮力天平，溫度計，望遠鏡等6.伽利略的研究方法

對現象的一般觀察→提出工作假設→運用數學和邏輯的手段得出特殊結論→通過物理的或思想的實驗對推論進行檢驗→對假設進行修正和推廣。伽利略把實驗和數學邏輯結合起來的方法，有力推進了人類科學認識活動的進展。值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的實驗都是理想化的。比如在實際的下落實驗中，重球和輕球并不是同時落地，伽利略認為這是空氣阻力造成的；又如在單擺實驗中，擺球并不能完全回到原來的高度等等，能夠認識到具體實驗中出現的偏差或誤差并擺脫其影響，而以理想實驗并通過數學邏輯的推倒得出結論，這就是伽利略的偉大之處。伽利略的發現以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，標志著物理學的開端。——愛因斯坦

用數學方法研究物理問題，原非伽利略首倡，可以追溯到公元前3世紀的阿基米德，14世紀的牛津學派和巴黎學派，以及15、16世紀的意大利學術界等，但他們并未將實驗方法放在首位，因而在思想上未能有所突破。

伽利略重視實驗的思想可見于1615年他寫給克利斯廷娜公爵夫人的一封信上的話：“我要請求這些聰明細心的神父們認真考慮一下臆測性的原理和由實驗證實了的原理二者之間的區別。要知道，做實驗工作的教授們的主張并不是只憑主觀愿望來決定的。”﹃兩大世界體系的對話﹄封面

伽利略（Galilei,1564-1642）于1564年2月15日出生在意大利的比薩城。

落體的加速度與其重量無關！

十大經典物理實驗落體實驗的思想實驗：設：

重物下落時間為t1

輕物下落時間為t2亞里斯多德認為：

t2>t1把兩物體捆綁在一起，情況如何呢？按亞里斯多德的觀點會有兩種答案：①

重物帶動輕物下落得快，輕物影響重物落得慢:t1<t<t2②

兩個物體作為整體，重于單個物體:t<t1

t<t2矛盾！伽利略有名的“斜面實驗”實驗一：vf實驗二：伽利略把實驗和邏輯推理和諧地結合在一起，構成了一套完整的科學研究方法。

愛因斯坦說：“伽利略的發現以及他所應用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”

十大經典物理實驗對現象的一般觀察提出假設進行數學和邏輯的推理實驗檢驗形成理論伽利略的科學研究方法：§4牛頓與經典力學“如果說我比多數人看得遠一些的話，那是因為我站在巨人們的肩上。”我已經把哲學的原理

確定下來了，但這些原理不是哲學的，而是數學的。——牛頓

伊薩克·

牛頓（IsaacNewton）于1642年12月25日出生于英國的沃爾斯脫小鎮的一個農民家庭。

牛頓的一生在數學、力學、光學、天文學等方面都作出了杰出的貢獻。1687年7月，牛頓出版了他光輝的科學名著《自然哲學的數學原理》，在這本著作里，牛頓提出了經典力學的各種基本概念和原理，敘述了“萬有引力理論”。并根據這個理論提出了組成太陽系的行星、衛星和彗星的動力學理論。1704年，牛頓還出版了另一本重要著作《光學》.伽利略如果我比別人看得遠些，那是因為我站在巨人們的肩上。牛頓生前有兩句名言：我不知道世人怎么看，但我自己看來，我只不過是一個在海濱玩耍的小孩，不時地比別人找到一塊更光滑、更美麗的鵝卵石和貝殼而感到高興，而在我面前的真理的海洋卻是個迷。4.1牛頓力學的建立

1牛頓確定了力學的三條基本定律（牛頓運動三定律）和萬有引力定律。為了表述力學運動，他與萊布尼茲同時發明了微積分.在光學中，他發現了太陽光的光譜。他的名著《自然哲學的數學原理》是科學史上最偉大的著作.4.2牛頓運動三定律

伽利略對接斜面的理想實驗結論：若將對接斜面放平，球將永遠滾下去。

牛頓第一定律（慣性定律）

任何物體都保持靜止或勻速直線運動的狀態，直到其他物體所作用的力迫使它改變這種狀態為止。數學形式：慣性：

任何物體保持其運動狀態不變的性質。慣性演示實驗當錘子敲擊在一大鐵塊上時，鐵塊下的手不會感到有強烈的沖擊；而當用一塊木頭取代鐵塊時，木塊下的手會感到明顯的撞擊。牛頓第二定律（牛頓運動方程）

物體受到外力作用時:它所獲得的加速度的大小與合外力的大小成正比，

與物體的質量成反比，

加速度的方向與合外力的方向相同。數學形式：或說明：（1）牛頓運動方程只適用于質點的運動。（2）牛頓第二定律中

和

的關系為瞬時關系。三．牛頓建立萬有引力定律從蘋果到月亮

月亮為什么不砸到我的頭呢？(c)月亮軌道(a)牛頓的炮彈（預見第1、2宇宙速度）(b)不斷下落的月亮

（發明微積分）

開普勒定律暗示——引力存在。2.從行星的太陽引力到“萬有引力”

伽利略斷定——地面物體下落是由于引力。

牛頓——創造性地把天上和地上的引力統一為。。牛頓第二定律→月球的向心加速度開普勒第3定律→引力與距離平方成反比牛頓第二定律→猜測引力大小與質量成正比牛頓第3定律3.萬有引力定律

任何兩天體（包括物體）之間的引力大小與兩個天體質量的乘積成正比，與兩天體距離的平方成反比。4．萬有引力常數G的測定

英國科學家卡文迪許（H.Cavendish，1731–1810）于1798年用扭秤實驗第一個精確地測量了G的數值為：卡文迪許成為第一個“稱”出地球質量的人！1986年，國際科學聯盟理事會科技數據委員會（CODATA）推薦的數值為：卡文迪許扭秤◎¤◎

十大經典物理實驗——6扭秤原理圖：①證明了萬有引力的存在，使萬有引力定律進入了真正實用的時代；②開創了微小量測量的先河，使科學放大思想得到推廣；③卡文迪許被稱為“第一個稱量地球質量的人”！卡文迪許扭稱實驗的意義在測得了G值后，卡文迪許利用實驗測得的重力加速度g計算出了地球的質量（約60萬億億噸），成為第一個“稱”出地球質量的人。在地球上的實驗室里測量幾個鉛球之間的相互作用力，就可以稱出地球的質量，這不能不說是個奇跡。然而它的思想基礎和牛頓是一致的，即相信天上人間服從共同的規律，引力常量的數值都是一樣的。實驗的成功，使牛頓萬有引力定律更加完美，卡文迪許的扭秤實驗被《物理學世界》評為歷史上“最美麗”十大物理的實驗之一。哈雷彗星海王星理論預言的實踐檢驗——哈雷彗星和海王星的發現海王星的發現是對牛頓萬有引力理論最有力的支持，被譽為“筆尖上的發現”3)“筆尖下的行星”—海王星

1781年，赫舍爾發現天王星，踞太陽約28億公里，繞一周要84年。但根據牛頓理論，其運動有偏差，于是預言，還應該存在另一顆星。柏林天文學家伽勒(JohannGottfriedGalle,1812-1910)于1846年9月23日，在勒威爾推算出在相距不到1°的地方發現了這顆星——海王星，大大拓寬了天文科學家的視野。1843-1845年英國青年大學生亞當斯(JohnCouchAdams)、1845年法國天文學家勒威爾(Leverrier)各自分別獨立地根據牛頓的理論計算出了該未知行星的質量、軌道和位置。牛頓的偉大綜合和理論飛躍海王星的發現海王星1781年確定天王星為太陽系行星1821年發現計算的軌道與觀測資料有偏差1830年觀測結果與計算值出現較大偏差1845年理論預見海王星的存在1846年觀測到海王星天王星偏差產生的原因是什么？可能是因為天王星外有未知天體存在，通過萬有引力對天王星的運動產生影響。預見并發現新的行星生動顯示萬有引力定律威力潮汐現象潮汐是海水的一種周期性的升降或漲落運動。海水的漲落平均以24小時50分為一個周期，在一個周期內一般發生兩漲兩落。太陽地球月亮月亮地球日月地球三個天體的位置成一直線時(初一或十五),引潮力較大,可發生大潮日月地球三個天體位置成直角時(初八或二十三),引力相消,引潮力較小,可發生小潮太陽引力月球引力太陽引力月球引力月亮引力起主要作用使海水加速離開地球風助水勢錢塘江大潮卷起巨浪景象壯觀潮汐漲落的形態與強度，在很大程度上取決于海岸線和海底地形，港口的潮汐強度較大。下圖為我國杭州灣的錢塘江大潮。錢塘江大潮錢塘江大潮全世界潮汐能的理論蘊藏量約為3×109kw。我國海岸線曲折，全長約1.8×104km，沿海還有6000多個大小島嶼，組成1.4×104km的海岸線，漫長的海岸蘊藏著十分豐富的潮汐能資源。我國潮汐能的理論蘊藏量達1.1×108kw，其中浙江、福建兩省蘊藏量最大，約占全國的80.9％，但這都是理論估算值，實際可利用的遠小于上述數字。據現代科學發現太陽和月球引力還可能對人體或生物體中的液體等會發生作用，形成神秘的“生物潮”和“人體潮”，有日本科學家正對此問題在作研究。我國古代有一句諺語“逃過初一，也逃不過十五”也是對這種神秘的生物潮和人體潮可能會引發人或其它生物的病情加重，或精神上的變化的生動寫照。航天發展1957年10月，原蘇聯發射第一顆人造地球衛星衛星重83.6kg，每96min繞地球飛行一圈請同學們根據所學知識計算這顆衛星的軌道半徑是多少？衛星距地面的高度是多少？衛星的線速度是多少？世界航天幾年之后，1961年4月12日蘇聯空軍少校加加林進入了東方一號載人飛船。實現了人類第一次進入太空。他的非凡勇氣，鼓舞了更多人為航天事業奮斗。火箭點火起飛，飛船繞地