力學的發(fā)展歷程古代力學的發(fā)展古代最早的物理學體系是亞里士多德系，物理學者這門學科的名稱就是由亞里士多德創(chuàng)立的。在亞里士多德的《物理學》中，主要討論運動(及產(chǎn)生和消滅)、空間和時間以及事物變化的原因等物理世界的根本原理，應該說，亞里士多德是比較系統(tǒng)和深入研究運動及有關的時間、空間的第一人。關于運動，亞里士多德認為，物體永遠在運動變化，“運動是永恒的，不能在一個時候曾經(jīng)存在，在另一個時候不存在”，這種運動永恒的觀點具有唯物主義思想，包含辯證法的因素，至今仍是積極而有價值對物理學的發(fā)展來說，亞里士多德初步提出以物質(zhì)運動及其與時間、空間、周圍物體的關系為研究對象，以形成一門獨立的自然學科，重視對近身事物的具體觀察，強調(diào)思維邏輯的作用，首先引用數(shù)學方法來考慮具體物理定律，從而引起眾多的討論與研究等。阿基米德是古希臘繼亞里士多德之后又一科學巨匠，他從生產(chǎn)實踐出發(fā)，運用數(shù)學的方法建立起靜力學，被譽為“力學之父”。阿基米德在力學上的貢獻主要是嚴格地證明了杠桿定理和浮力定律。這是從經(jīng)驗知識走向定律建立的重大飛躍。阿基米德不僅是個理論家，也是個實踐家，他一生熱衷于將其科學發(fā)現(xiàn)應用于實踐，一生創(chuàng)造發(fā)明了許多機構和機器。經(jīng)典力學的發(fā)展伽利略對亞里士多德的運動理論進行檢驗和批判，成為經(jīng)典力學的先驅(qū)，是近代實驗物理學的奠基人，被推崇為“近代科學之父”。伽利略在力學研究中做出的重要貢獻1.關于運動的描述伽利略拋棄了亞里士多把運動分為自然運動和強迫運動的觀點，采用數(shù)學方法來定量地分析運動，對位移、距離和時間的概念給予確切的數(shù)學表達形式，運用笛卡兒創(chuàng)立的坐標系來定量的描述運動，認為應該依據(jù)運動的基本特征量速度對運動進行分類，由此，把運動分為勻速運動和變速運動兩種，并引入加速度的概念。伽利略首先運用從一個理想實驗得出的佯繆入手，對亞里士多德落體學說提出了反駁。根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當我們把兩塊石頭拴在一起時，下落快的會被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會被下落快的拖著而加快，結果整個系統(tǒng)的下落速度應該小于8。但是兩塊石頭拴在一起，加起來比大石頭還要重，因此重物體比輕物體都小。這樣，就從重物體比輕物體下落得快的假設，推出了重物體比輕物體下落得慢的結論，從而在邏輯上證明了亞里士多德的學說是錯誤的。再通過著名的斜面實驗檢驗自由落體運動符合他所提出的勻加速運動的定義。自由落體下落的時間太短，當時用實驗直接驗證自由落體是勻加速運動仍有困難，伽利略采用了間接驗證的方法，他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實驗，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落時的加速度小得多，所以時間容易測量些。實驗結果表明，光滑斜面的傾角保持不變，從不同位置讓小球滾下，小球通過的位移跟所用時間的平方之比是不變的即位移與時間的平方呈正由此證明了小球沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動，換用不同質(zhì)量的小球重復上述實驗，位移跟所用時間的平方的比值仍不變，這說明不同質(zhì)量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運動的情況是相同的，即加速度與物體的重量無關。3.慣性定律伽利略從單擺實驗和對接斜面的理想實驗中，伽利略提出了慣性的概念。根據(jù)亞里士多德的物理學，保持物體勻速運動的是力的持久運動。但是，伽利略從小球在水平面上運動的實驗推測，如果沒有摩擦力等阻力的作用，小球?qū)⒈３謩蛩龠\動，發(fā)現(xiàn)了初步的慣性定律。4.拋體運動的研究和運動疊加原理5.伽利略相對性原理伽利略的科學研究方法的特點伽利略把觀察和實驗作為科學研究的堅實基礎。他在研究工作中，采取了下面一個對近代科學發(fā)展很有效的研究方法：對現(xiàn)象的一般觀察→提出工作假想→運用數(shù)學和邏輯的手段得出特殊結論→通過物理的或理想的實驗對推論進行驗證→對假設進行修正和推廣。伽利略所創(chuàng)設的實驗方法、嚴格的邏輯與數(shù)學推理方法，開辟了科自18世紀以來，牛頓已成為整個近代科學革命的象征，可以說，牛頓在總體上推動了近代科學的進程。1687年牛頓發(fā)表了《自然哲學的數(shù)學原理》，在這部巨著中，牛頓概括了他的前人伽利略、笛卡爾、開普勒、惠更斯、胡克等人的研究成果以及他自己的創(chuàng)造，對李雪的基本概念和規(guī)律給出了確切的表述，首次創(chuàng)立了地面力學和天體力學統(tǒng)一的嚴密體系，成為經(jīng)典力學的基礎，實現(xiàn)了物理學上的第一次大綜合。牛頓在《原理》一書中提出了力學的三大定律和萬有引力定律，對宏觀物體的運動給出了精確的描述，總結了他自己的物理發(fā)現(xiàn)和哲學觀點。《原理》一書是人類自然科學的奠基性著作，是自然科學史上最重要的著作之一。他把地面上物體的運動和太陽系內(nèi)行星的運動統(tǒng)一綜合。它不僅標志著16~17世紀科學革命的頂點，也是人類文明進步劃時代的象征。它不僅總結和發(fā)展了牛頓之前物理學的主要成果，而且也是后來所有科學著作和科學方法的楷模。《原理》一書對300年來自然科學和自然哲學的發(fā)展產(chǎn)生極其深遠的影響。《原理》的第一篇，首先提出一組定義；質(zhì)量、動量、慣性、力及向心力、絕對時間、絕對時間，這是一系列奠定力學基礎的概念。然后系統(tǒng)地闡述了運動三大定律律。隨后提出了嚴謹?shù)奶祗w學理論，論述了向心力與回轉軌道之間的數(shù)學關系，并證明了一條中心定理：如果有一種同距離平方成反比的力起作用，一個物體就成圓錐曲線(橢圓、拋物線、雙曲線)運動，引力的中心就在圓錐曲線的一個焦點上。此外還為天文學家們解決了一個重要的實際問題：只要觀察少數(shù)軌道要素，就可確定行星的軌道。對太陽、地球和月球這類三體問題也做了近似的計《原理》的第二篇討論了十分普遍的運動，即物體在有阻力的介質(zhì) (氣體、液體)中運動，阻力與速度的一次方或二次方程成正比，更為復雜的是阻力中一部分與速度成比例，另一部分與速度的平方成比例。顯然，在這里牛頓用了高超的數(shù)學技巧來處理一些在實驗中難得遇見的在《原理》的第三篇中，原本牛頓想將他寫成一般性的總結，但后來改變了計劃，將其標題寫成“宇宙體系”，并用第一。第二篇中推出的普遍運動規(guī)律來解釋自然界中的各種實際問題。他討論太陽系的行星、行星的衛(wèi)星、彗星的運行，特別指出了潮汐形成的原因，正是太陽、月亮和地球之間的引力作用所致。同時他考慮到流水的特性以及各海峽、河口等地理因素的干擾，從比較潮汐的最高點和最低點算出月球的質(zhì)量。另外在第三篇中，牛頓還計算了行星之間的攝動問題，如太陽對月亮的攝動，土星對木星的攝動等。得出如下結論：彗星數(shù)目肯定很多，它們應該屬于于行星的一種，它們繞太陽運動具有很大的偏心率，而且服從于同行星一樣的規(guī)律。值得指出的是，在大多數(shù)版本中，緊接第三篇之后是一篇關于《世界的體系》的論文，這篇文章為第三篇的一些主要結果作了非數(shù)學性的概括。《原理》一書已經(jīng)公諸于世，立即造成巨大的社會影響，因為它是人類自然科學知識的首次大綜合。他決定了后來力學發(fā)展的方向，并為以后分析力學的發(fā)展打下了堅實的基礎。《原理》一書所奠定的物理基礎和方法，啟迪了人類征服自然的無窮智慧。《原理》的出版，表明了一個新時代和新科學文明的到來。牛頓的科學方法，不僅是他在科學上作出杰出貢獻，而且深刻滴影響著以后科學家的思想、研和時間方向，對后來的自然哲學和科學發(fā)展長產(chǎn)生了很深遠的影響，甚至對于社會科學和哲學的方法論，其意義也牛頓在科學上成功地應用了歸納法和歸納與演繹相結合的方法，以及將分析和綜合、實驗和理論巧妙地結合起來的方法，不但被公認為學術界的典范，而且大大豐富了科學方法論的內(nèi)容，在科學史和哲學史上有突出的地位。牛頓的科學研究方法可以概括為如下幾點：(1)公理化方法；(2)歸納——演繹法；(3)分析——綜合法；(4)數(shù)學——物理方法；(5)實驗——抽象方法。經(jīng)典矢量量力學的發(fā)展建立了動量、動量矩和動能的三個運動定律以及在特定條件下的三個守很定律，是經(jīng)典矢量力學體系臻于完善。1.質(zhì)心運動守恒定律笛卡爾首先提出了運動量守恒定律的基本思想，惠更斯認識到動量的矢量性，并準確地描述了碰撞過程中系統(tǒng)的動量守恒以及系統(tǒng)共同質(zhì)心的運動速度為常數(shù)的結論。牛頓在《自然哲學的數(shù)學原理》一書中明確表述了“心運動守質(zhì)恒定律”。2.動量矩守恒定律伯努利和歐勒等以不同的方式提出這一個原理。與這個原理相應的動量矩定理指出：系統(tǒng)的總的動量矩的時間變化率，等于所受作用力的3.動能守恒定律德國數(shù)學家、物理學家萊布尼茨引進了“活力”概念，認為宇宙中“活力守恒”，并且發(fā)現(xiàn)力與路程的乘積與活力的變化成正比。直到科里奧利力用2代替mv2之后，萊布尼茨的發(fā)現(xiàn)在得到準確的表述：所做的功等于動能的增加。分析力學的發(fā)展分析力學是經(jīng)典力學理論的發(fā)展和完善，其形成過程經(jīng)歷了三次大第一次飛躍式牛頓力學從質(zhì)點過渡到剛體和流體的發(fā)展，取得突破性進展的是歐勒運動學方程荷藕了動力學方程的建立。第二次飛躍是拉格朗日理論的建立。1788年法國物理學家和數(shù)學家拉格朗日將J.伯努利提出的虛功原理與達