牛顿力学的建立

牛顿力学的建立

恩格斯说：“社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推向前进。”作为以社会需要为根本动力的自然科学不仅是长期科学实践发展的产物，而且在其背后还有着深刻的社会背景，牛顿力学的建立同样说明了这一点。

十五世纪下半叶以后，由于商业资本的日益勃起，资本主义的生产关系在西欧各国封建制度内部逐渐形成起来。由于生产力的发展和资本主义对外扩张的需要，手工业、城市建筑、航海造船、矿山开采和军事技术都得了发展。资产阶级为了掠夺和追求更大的利润，就需要进一步发展生产，而为了发展生产，就特别需要有探索自然规律的科学。另外，也正是由于生产的发展，新技术的使用以及新航路的开辟，才为自然科学研究提供了大量课题、材料和新的实验手段。就在这个时候，真正系统的自然科学才开始从过去浑为一体的自然哲学中分化出来，一些各自独立的学科相继建立和发展起来，其中居于首位的是对当时航海和工业生产有直接联系的、以天上和地上物体的最简单的运动形式——机械运动为研究对象的古典力学。

牛顿力学正如其它任何新的发现和科学成果一样不仅具有间断突破的特点，而且还具有连续继承的特点，它的产生是以一定的科学成果的积累为条件，是以往科学认识发展的继承和飞跃，是在前人系统观察、大量的实验和对不少问题的理论分析的基础上建立起来的，它的形成经历了约一个世纪，广大劳动人民的长期生产实践，以及哥白尼、伽利略、笛卡儿、开卜勒、胡克、惠更斯等人在力学、天文学和数学方面的研究工作，为牛顿力学的建立奠定了雄厚的基础。

十五、十六世纪，由于资产阶级进行海外掠夺和对外贸易的发展，航海事业产生和发展起来，需要精确测定船只在海洋上的位置，特别是测量经度，而经度测量大大地推动了天文学家对天象的观测，随着天象资料的积累，人们提出了许多托勒密体系无法回答的新课题，伟大的波兰天文学家哥白尼用自制的各种仪器对天象进行长期观测，并对观测资料进行分析整理，于1543年出版了《天体运动论》，提出了“日心地动说”的体系，推翻了统治天文学领域一千多年的托勒密体系，从而揭开了自然科学独立发展的序幕。

一、开卜勒等人对万有引力定律的贡献

哥白尼提出太阳中心说之后，许多天文学家对天体运行作了长时期的大量观察。伽利略第一个把望远镜用于天文观测，发现了木星的四个卫星、土星的环，金星的相、太阳黑子、月球表面的山谷等一系列重要现象，有力地证实了哥白尼学说。丹麦天文学家第谷·布拉赫（1546－1601）设计并制造了当时属世界第一流水平的观测仪器，缩小了仪器的误差范围，他用毕生的精力连续二十年系统地精确地观察行星的运动，取得了大量的数据，编制了恒星表。第谷死后，他的助手和学生开卜勒对他的遗稿及大量观测纪录进行了整理，发现天体必然作匀速圆周运动的传统观念无法与天文观测资料相符，而开卜勒又坚信哥白尼日心说和第谷的观测资料，于是他决定寻找与其相适合的行星运动的轨道形式及其速度的分布规律。他经过多年对火星运动的研究，于1609年出版了《新天文学》一书和《论火星的运动》一文，提出了太阳系行星运动的两个定律，这就是椭圆轨道定律和面积定律，也就是现在所说的开卜勒第一定律和第二定律。

当开普勒建立起关于太阳系行星运动轨道和运动速度的定量描述后，他并不满足已取得的成就，他相信太阳系是一个整体，就必然还存在着一个把所有行星联系起来的普遍规律，来说明和反映不同行星运动之间的关系。于是他又进一步去探索各个行星运行轨道与运行周期的关系。他根据当时关于水星、金星、地球、火星、木星、和土星仅有的而又杂乱无章的

观测数据，通过九年的探索，对数字进行各种计算，终于找到杂乱背后的和谐性，处理后数据如下表：

周期单位：年 距离单位：天文单位（日地平均距离）

行星名称 周期平方（T 2） 距离立方（R 3）

水星 0.058 0.058

金星 0.378 0.378

地球 1.000 1.000

火星 3.540 3.540

木星 140.17 140.85

土星 867.7 867.98

从上表可以看出：行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比，即：T 2=R 2 或K R

T =32 或32

312221R R T T =。 这就是行星运动的第三定律即开卜勒第三定律（也叫周期定律），它发表在开卜勒1619年出版的《宇宙和谐论》一书中，有了这个定律，整个太阳系作为一个统一整体的相互联系便被揭示出来了。到此为止开卜勒在天文学研究中实现了一些伟大的突破，抛弃了匀速、正圆的两个传统概念，从而简化了哥白尼体系，使哥白尼体系更精确、更正确了。

二、伽利略对牛顿三定律的贡献

伽利略是意大利著名的天文学家和物理学家，在动力学领域，它利用实验方法和数学方法计算研究了单摆运动、斜面运动、自由落体运动和抛射体运动，从而发现了自由落体运动和惯性定律，科学地定义了速度和加速度，提出了动量概念，并论证了速度、加速度和力的关系，从而为牛顿三定律作出了卓越的贡献。

伽利略较早就研究过单摆，不仅发现：摆动周期与振幅大小无关（只要摆长一定）——摆动的等时性定律，而且还发现：摆锤在最低位置的速度使摆锤在开始时的相同方向上达到原来的高度。这样，就使伽利略联想到，摆锤的下落就相当于摆球沿斜面的滚下运动一样，于是他用一个光滑的斜面和平面接在一起，用一个光滑的金属球在斜面上运动来作斜面实验。发现：小球在斜面上下滑越来越快，在斜面倾角一定时，无论小球重量如何，加速度值总是相等的，即：同时从斜面上的同一出发点到达斜面与平面的交接点，伽利略还做了自由落体的“思想实验”，他一反亚里士多德物理学把力的作用直接与物体的速度相联系以及认为重物下落较轻物下落为快的结论，证明了不考虑空气阻力的情况下，地球上同一地点轻重不同的物体同时落地，他把精密的物理实验和数学分析结合起来，第一次用数学公式定量描述了物体自由下落的物理规律。

另外伽利略还做了一个“理想实验”，当小球从斜面滚下到达斜面终点（平面起点）时，小球就沿平面滚动，在运动方向上若小球不受力，它就按在斜面终点的速度沿平面作匀速直线运动，若平面无限长，则小球将永远保持原速不变的直线运动。这就是伽利略发现的惯性定律。它表明：速度并不是由外力推动引起的，力是加速度产生的原因而不是速度产生的原因。

伽利略在认识了自由落体定律和惯性定律的基础上，又认识到一个平抛的物体，是沿一曲线运动，它是在水平方向上作匀速直线运动和竖直方向上作自由落体运动的结果，是两种