【教学课件】第七章经典力学的建立.ppt

第七章 经典力学的建立,什么是经典力学,经典力学（classic mechanics）与相对论力学（relative mechanics）相对立经典力学与相对论力学都认为宇宙是一种数学结构（毕达戈拉斯主义），区别在于，经典力学认为这种数学结构就是欧几里得几何，而相对论力学则认为是非欧几何（黎曼几何）。,经典力学的几个要素,运动就是瞬时运动这就实现了运动与位移的分离,运动的相对性原理在任何惯性参考系中力学定律都同样有效 在牛顿力学中，这里的惯性参考系是速度远低于光速的参考系。狭义相对论把速度接近光速的惯性参考系包含在内。广义相对论则把非惯性参考系包含在内。,惯性定律静止和匀速直线运动是等价的运动状态 静止和匀速直线运动是力学解释的起点，也就是说，它是不必解释的。物体本身就具有保持静止或匀速直线运动的能力。,质量的概念质量分为惯性质量与引力质量，前者由牛顿第二定律给出，后者则由万有引力定律给出。第二定律同时说明了什么是力。惯性并不是一种阻力。,作用力与反作用力原理通过作用力与反作用力联系在一起的物体构成了同一个力学系统，作用力与反作用力相等，保证了这个系统如果没有外力作用，就是一个惯性系统这个定律是万有引力定律概念的基础,伽利略与自由落体问题,“比萨斜塔实验”是一个历史神话自由落体问题：什么使得重物下落？这个问题的困难在于，不仅要定性地解释重物何以会下落，而且要解释下落过程中明显的加速现象。伽利略把这个问题转换成了：什么是重物的下落运动？从而使运动概念得到澄清。,伽利略的最初想方法：用冲力来解释落体运动,重物下落是由于受到了向下的冲力物体的重量就等于向下的冲力同样的冲力产生同样的运动因此，物体越重，下落的速度就越快,上述结论如何与物体加速下落的现象相协调呢？物体从静止开始下落时，有一个向上的冲力抵消了向下的冲力。向下的冲力的不断作用推动了物体下落。当物体下落一段时间后，向上的冲力完全消失，因此物体会在开始加速下落，后来又匀速下落。,轻的物体保持冲力的能力差，因此向上的冲力会更快地消失。在下落的初期，轻物体运动快，只是到后来，重的物体才追上轻物体。因此，年轻时代的伽利略不可能做比萨斜塔实验。,疑难,如果向下的冲力在不断补充，为何静止物体的重量不变？如果说，只有物体运动起来才会有向下冲力的补充，那么究竟是运动解释了冲力，还是冲力解释了运动？,匀速下落中冲力不变，但如果要用冲力来解释运动，产生运动就会消耗冲力。如果在下落中冲力不变，那么冲力就不是下落的原因。,伽利略思路的转变,重物为什么下落？重物如何下落？关于物体下落速度的思想实验：重量不同的物体不可能以不同的速度下落。那么，物体究竟是怎样下落的？,伽利略的自由落体运动定律,在相等的时间间隔内，从静止状态开始自由下落的物体所通过的距离之间的比例构成了奇数数列。伽利略的斜面实验。这个定律就是我们熟知的s=1/2 at2,伽利略对落体定律的解释,伽利略在这个解释中使用了这样一个前提：在下落过程中，物体的速度随着时间均匀地增加。从这个前提可以推出：物体在下落时总是在前一时刻的基础上新添加了一个速度，原有速度不变。因此，使物体下落的冲力仅仅是使物体加速，原来的速度则自行保持。这就是惯性定律。,注意：伽利略还没有走这么远，他的惯性定律与牛顿力学的惯性定律不同。,伽利略对地动说的辩护,反面辩护运动的相对性原理：观察的相对性与物理的相对性基于观察的相对性，通过观察不能判定究竟地球是否静止基于物理的相对性，物体是否落回原地也不足以判定地球是否静止,正面的辩护1：为了保持物体与地球一同运动，不需要附加的作用力渐近实验法这个实验证明了：物体在不受外力作用的情况下，将继续保持匀速圆周运动。,伽利略思路中的问题：重力是物体的本性为了得到牛顿力学的惯性定律，需要把重力从物体中分离出来。匀速圆周运动是一种自然运动,正面辩护2：为了使物体保持在地球附近，不需要附加的作用力。,这个辩护中的问题：这个理由只能说明需要一个很小的力来保持绕地球的圆周运动，而不是说根本不需要任何力。回转半径与离心力并不是一种简单的反比关系。只有在线速度不变时，这种反比关系才成立。,伽利略的功劳,建立了瞬时运动的思想把运动与力相分离得到了数学化的运动概念,宇宙的几何化,第一性质与第二性质的区分真实的宇宙服从于几何秩序必须在排除了人之后才能了解这种秩序在真实的宇宙中没有人的地位,笛卡尔（Rene Descartes）,清晰思维原则宇宙的真实秩序只能通过理性来把握能够清晰地思考的东西才是真实的,笛卡尔的惯性原理,笛卡尔第一个清晰而又完整地表述了牛顿力学中的惯性定律物体倾向于保持瞬间运动状态，这种状态包括静止和匀速直线运动瞬间运动的改变需要力的作用,笛卡尔的理由上帝按照理性可把握的方式创造宇宙宇宙遵守运动和物质的守恒律运动必定能够自行从上一个瞬间持续到下一个瞬间这种能够自行持续的运动必须是瞬间运动瞬间运动就是匀速直线运动静止不过是一种特殊的瞬间运动,牛顿力学,在力学上，牛顿最突出的贡献就是提供了流数分析法（微积分）。这就是用瞬时运动的相加来获得运动的整体数学上的原子论,向心力定律,向心力定律揭示了伽利略的错误之处绕地球所作的圆周运动不是一种自然运动，而是在重力作用下的受迫运动,上帝是一个工匠上帝离去之后，宇宙仍然自己运行着,