经典力学大厦的建立与发展

= =
1
10-3 10-6
s
s s
1 钠秒
1 皮秒 1 飞秒
3
=
= =
10-9
10-12 10-15
s
s s
经典力学大厦的建立
位置---坐标
4
经典力学大厦的建立
• 空间尺度
• • 空 1 Terametre 1 Gigametre 垓 米 京 米 = = 1 Tm 1 Gm = = 1012 109 metres metres
巨大的石建筑群位于一个空旷的 原野上，占地大约11公顷，主要是由
许多整块的蓝砂岩组成，每块约重50吨。
巨石阵不仅在建筑学史上具有重要的地 位，在天文学上也同样有着重大的意义： 它的主轴线、通往石柱的古道和夏至日 早晨初升的太阳，在同一条线上；另外， 其中还有两块石头的连线指向冬至日落的 方向。因此，人们猜测，这很可能是远古
10-3
10-6 10-9
metres
metres metres
度
1 Nanometre
•
1 Picometre
皮 米
=
1 pm
=
10-12
metres
5
经典力学大厦的建立
电磁波谱
6
经典力学大厦的建立
二、力学的起源
人类原始的“梦” 追“星”---- 探索太空
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经典力学大厦的建立
1 巨石阵（Stonehenge）
经典力学大厦的建立
四、伽利略和近代力学的诞生
•
•
伽利略· 伽利雷（Galileo Galilei，1564-1642），意大利著名数学家、物 理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。
1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“两个球同时落地”的著名实验，从 此推翻了亚里士多德“物体下落速度和重量成比例”的 学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误 结论。
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经典力学大厦的建立
开普勒遇到的问题：
（1） 精确度问题 第谷用了20年时间，得到了太阳、月亮和行星位置的精确数据（观 测结果），但无论用托勒密理论还是用哥白尼理论解释，都相差几弧 分。
（2）金星的“满盈”相问题 按本轮理论，无满盈相；
实际观测结果，有满盈相。
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经典力学大厦的建立
开普勒的贡献：
如果全能的主在着手创造万物之前先和我商量， 我当提供更简单的方案。
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经典力学大厦的建立
2. 哥白尼理论——日心宇宙
哥白尼1473年2月19日出生于。18岁时就读于波兰旧都的克莱考大学，学习 医学期间对天文学产生了兴趣。
1496年，23岁的哥白尼来到意大利，攻读法律、
医学和神学，天文学家徳•诺瓦拉对哥白尼影响极大， 在他那里学到了天文观测技术以及希腊的天文学理论。 后来在费拉拉大学获宗教法博士学位。哥白尼作为 一名医生，由于医术高明而被人们誉名为“神医”。 哥白尼成年的大部分时间是在费劳恩译格大教堂任职 当一名教士。哥白尼并不是一位职业天文学家，他的 成名巨著是在业余时间完成的。 尼古拉•哥白尼 1473.2.19～ 1543.5.24
•
• • 间
1 Megametre
1 Kilometre 1 Metre
兆 米
千 米 米
=
= =
1 Mm
1 km 1 m
=
= =
106
103 1
metres
metres metres
•
• •
尺
1 Millimetre
1 Micrometre
毫 米
微 米 纳 米
=
= =
1 mm
1 m 1 nm
=
= =
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经典力学大厦的建立
对“地心宇宙论”产生怀疑的原因
* 通过观察，发现托勒密模型的预告有时很不准确，如：1504年是木星
和土星在太空中最接近的一年，但两者相会的日期观测结果比模型 预告日期差了十天；
* 托勒密模型对环绕地球运动的太阳和其他五颗行星（金、木、水、火
、土星）运动的描述非常繁琐和复杂，太牵强和不自然（不美）； * 哥白尼深受柏拉图哲学影响，高度赞美太阳。同时也发现，如果把太 阳作为宇宙中心，一切都会变得简单、清晰。
最清晰的天文望远镜。他的位置在地球
的大气层之上，因此获得了地基望远镜 所没有的好处——影像不会受到大气湍 流的扰动，又没有大气散射造成的背景 光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。
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经典力学大厦的建立
3 甚大望远镜（Very Large Telescope，缩写为VLT）
甚大望远镜是欧洲南方天文台在智利建造的大型光学望远镜，由4 台相同的8.2米口径望远镜组成，组合的等效口径可达16米。4台望远镜 既可以单独使用，也可以组成光学干 涉仪进行高分辨率观测。
经典力学大厦的建立
艾萨克· 牛顿简介
艾萨克·牛顿，Isaac newton(1643.1.4 — 1727.3.20)是英国伟大的数
学家、物理学家、天文学家和自然哲学家，同时他也是一个神学爱好者，晚
年曾着力研究神学。1643年1月4日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索 普村,1727年3月20日在伦敦病逝。
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经典力学大厦的建立
“日心宇宙”模型要点：
地球和其它所有行星都绕太阳作 匀速圆周运动； 地球绕其轴心运转（自转）； 月亮绕地球运转。
1512年前后，哥白尼 把他的“太阳中心学说”
写出了一个提纲， 1543
年4月在他逝世前发表。
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经典力学大厦的建立
贡献：
观测计算所得数值的精确度是惊人的。
他得到恒星年的时间为365天6小时9分40秒，比现在的 精确值约多30秒，误差只有百万分之一；
他得到的月亮到地球的平均距离是地球半径的60.30倍， 和现在的60.27倍相比，误差只有万分之五。
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经典力学大厦的建立
3. 开普勒理论——以太阳为焦点的宇宙
（1） 第谷· 布拉赫
1546年12月14日生于丹麦，出身贵族，14岁入哥本哈根大学。
第谷从小迷恋天文观测，终身致力于天文仪器制造和天文研究。他一生积累 的观察数据和资料，对后来的著名天文学家开普勒有极大帮助。
1576年2月，丹麦国王将丹麦海峡中的汶风岛赐给第谷，并拨巨款让第谷在 岛上修建大型天文台。这座天文台被誉为“天堡”，它规模宏大，设备齐全， 所用的天文仪器几乎都是第谷设计制造的。他测定了大气折射改正表，为后人 的观测活动提供了很好的参照。第谷通过重新测定恒星的位置，编制成比以往 更准确的1000多颗恒星的星表。1601年10月24日，第谷辞世。
•
1609年，伽利略创制了天文望远镜 （后被称为伽利略望远镜），并用来观测天 体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手 绘制了第一幅月面图。
经典力学大厦的建立
伽利略贡献之一：坚持真理，支持哥白尼学说
• 1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确 凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后 发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象，以及银 河是由无数恒星组成等等。这些发现开辟了天文学的新时代。 • 伽利略著有《星际使者》《关于太阳黑子的书信》《关于托勒密和哥白 尼两大世界体系的对话》和《关于两门新科学的谈话和数学证明》。 • 为了纪念伽利略的功绩，人们把木卫一、木卫二、木卫三和木卫四命名
为伽利略卫星。
• 人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。
经典力学大厦的建立
伽利略贡献之二：提出落体定律和惯性运动概念
1
2
v at
1 2 s at 2
经典力学大厦的建立
3
小球的加速度与小球重量无关。力不是产生速度的原因。
一个不受外力作用的物体将保持它的匀速运动状态。
推论：如果把左边的斜面竖起来，情况如何？
1. 2. 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。 等面积定律：在行星与太阳间作一直线，则此直线在行星运动时于 相同时间内扫过相等的面积。（1609年发表于他的《新天文学》）
3.
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。
T 2 kR3
（1619年发表于他的《世界的和谐》）
人类为观测天象而建造的，可以算是天文
台最早的雏形了。 建立时间：公元前4000~2000年 位置：
8
英国伦敦西南120公里
经典力学大厦的建立
2 哈勃太空望远镜
1990年4月24日发射，是以天文学 家哈勃为名，环绕地球的望远镜， 用于从紫外到近红外(115—1 010nm) 探测宇宙目标。它是世界上最大、图像
甚大望远镜位于智利安托法加斯
塔以南130千米的帕瑞纳天文台，海拔 高度为2,632米，这里气候干燥，一年 当中晴夜数量多于340个。
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经典力学大厦的建立
4 射电望远镜
1932年央斯基（Jansky. K. G）用无线电天线探测到来自银河系中心（人马 座方向）的射电辐射，这标志着人类打开了在传统光学波段之外进行观测的第一
（2） 行星在逆行期间比其它时间显的更明亮。
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经典力学大厦的建立
修正一： “本轮”与“均轮”
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经典力学大厦的建立
修正二： 托勒密学说
托勒密（Claudius Ptolemaeus
约90-168）， 古希腊天文学、 数学家、地理学家和地图学家 。
经典力学大厦的建立
13世纪的西班牙国王阿方索十世曾评论：
个窗口。
第二次世界大战结束后，射电 天文学脱颖而出，射电望远镜为射 电天文学的发展起了关键的作用， 比如：六十年代天文学的四大发现， 类星体，脉冲星，星际分子和宇宙 微波背景辐射，都是用射电望远镜
观测得到的。射电望远镜的每一次
长足的进步都会毫无例外地为射电 天文学的发展树立一个里程碑。
位于波多黎哥的阿雷西博的大型射电望远镜
物理学导论
经典力学大厦的建立 与发展
林晓东
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经典力学大厦的建立
一、“丈量”物理的尺度
时间 空间
波长（频率or能量）
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• 时间尺度
1 年 1 月
：
= =
31536000 2592000
s s
1 日
1 小时 1 分钟
=
= =
86400
3600 60
s
s s
1 秒
1 毫秒 1 微妙
=
经典力学大厦的建立
伽利略贡献之三：对科学方法的贡献
爱因斯坦：
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，而且标志着物理学的真正开
端。
------《物理学的进化》
经典力学大厦的建立
五、牛顿和经典力学的成熟
亚历山大·蒲柏 说到: Nature and Nature's laws lay hid in night; God said, "let Newton be!" and all was light. Soon，everything returned back to the dark as All be there… 自然和自然的法则在黑夜中隐藏； 上帝说，“让牛顿去吧！”于是一切都被照亮
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经典力学大厦的建立
（2 ）用数学总结天体运行规律的第一人------开普勒（Johannes Kepler）
继承哥白尼事业之功、揭开行星运动之谜的是不朽的德国天文学家约翰· 开普 勒。公元1571年～公元1630年11月15日。 开普勒出生在德国，从学校毕业后，进入新教的神学院——杜宾根大学攻读， 本想将来当个神学者，但却对数学和天文学发生浓厚兴趣和爱好。后来天文学家 第谷·布拉赫邀请他去布拉格附近的天文台给自己当助手。开普勒接受了这一邀 请，1600年1月加入了第谷的行列。 第谷翌年去世。作为第谷·布拉赫的接班人，开普勒认真 地研究了第谷多年对行星进行仔细观察所做的大量记录。第谷 是望远镜发明以前的最后一位伟大的天文学家，也是世界上前 所未有的最仔细、最准确的观察家，因此他的记录具有十分重 大的价值。开普勒认为通过对第谷的记录做仔细的数学分析可 以确定哪个行星运动学说是正确的：哥白尼日心说，古老的托 勒密地心说，或许是第谷本人提出的第三种学说。但是经过多 年煞费苦心的数学计算，开普勒发现第谷的观察与这种三学说 都不符合。
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经典力学大厦的建立
三、神学史、哲学史、科学史
托勒密 地心宇宙
哥白尼 日心宇宙
第谷 布拉赫
开普勒 时代
伽利略
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经典力学大厦的建立
1. 古希腊理论：地心宇宙
• 至少在公元前3000年，人们就已经认识到恒星、太阳、月亮以及当时 已知的五颗行星的运动方式是不同的。 • 古希腊人的宇宙结构 （1） 天体是围绕不动的地球旋转的；
（2） 所有的恒星相互是步调一致的，每一个恒星都镶嵌在一个透
明的球壳内表面； （3） 七大天体对应的七个球壳每天都以不变的（均匀的）速率绕 地球旋转，大致每天一圈； （4） 球壳以略微不同的速率绕着通过地球中心的同一轴线旋转。
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经典力学大厦的建立
地心宇宙
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经典力学大厦的建立
问题：
（1 ） 透明球壳理论认为：每个行星绕着地球匀速运动。但细心观察表 明：并非如此。如火星等。