清华大学物理学课件牛顿和经典力学的成熟市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

牛顿和经典力学牛顿和经典力学-蒲柏蒲柏(Von Pope),18世纪英国著名诗人世纪英国著名诗人大自然界及其法则在黑暗中隐藏大自然界及其法则在黑暗中隐藏;上帝说：上帝说：“派牛顿去吧！派牛顿去吧！”于是于是,一切豁然开朗。一切豁然开朗。Newton(16421727)第1页牛顿贡献牛顿贡献 1.1.牛顿确定了力学三条基本定律和万有引力牛顿确定了力学三条基本定律和万有引力定律定律;2.2.为了表述力学运动，他与莱布尼兹同时创为了表述力学运动，他与莱布尼兹同时创造了微积分造了微积分;牛顿创造反射望远镜牛顿创造反射望远镜 3.3.在光学中，他发觉在光学中，他发觉了太阳光光谱了太阳光光谱;4.4.他名著自然哲学他名著自然哲学数学原理是科学史上最数学原理是科学史上最伟大著作伟大著作.在科学方法上重大贡献是把归纳法和演绎法结合起来。在科学方法上重大贡献是把归纳法和演绎法结合起来。第2页一、牛顿介绍一、牛顿介绍英国出色物理学家、数学家、创造家牛顿，英国出色物理学家、数学家、创造家牛顿，1642年生于英国林肯郡伍尔索普，是一个十足年生于英国林肯郡伍尔索普，是一个十足农家孩子。小时候对机械创造很感兴趣。农家孩子。小时候对机械创造很感兴趣。1661年考入剑桥大学，年考入剑桥大学，博学多才著名学者巴罗博学多才著名学者巴罗将牛顿引向自然科学广将牛顿引向自然科学广阔天地。是当代自然科学阔天地。是当代自然科学奠基人，经典物理学奠基人，经典物理学创始人，微积分创造人之一。创始人，微积分创造人之一。第3页 自然哲学数学原理著自然哲学数学原理著作中提出了含有严谨逻辑结构作中提出了含有严谨逻辑结构力学体系，使力学成为一门研力学体系，使力学成为一门研究物体机械运动基本规律学科。究物体机械运动基本规律学科。在这部著作中，牛顿定义了时在这部著作中，牛顿定义了时间、空间、质量和力等基本概间、空间、质量和力等基本概念，同时揭示了物体运动基本念，同时揭示了物体运动基本规律。牛顿运动定律是经典力规律。牛顿运动定律是经典力学基本定律。学基本定律。牛顿名著原理扉页牛顿名著原理扉页第4页1.1.牛顿第一定律（惯性定律）牛顿第一定律（惯性定律）一个不受外力作用物体一个不受外力作用物体,将保持它静止或者匀将保持它静止或者匀速直线运动状态。速直线运动状态。数学形式：数学形式：F合合=0；v恒定恒定惯性：惯性：任何物体保持其运动状态不变性质。任何物体保持其运动状态不变性质。二、牛顿力学三定律二、牛顿力学三定律第5页2.2.牛顿第二定律牛顿第二定律(运动定运动定律律)数学形式数学形式：说明：说明：（1）牛）牛顿运运动方程只适合用于方程只适合用于质点运点运动。或由外力由外力 引发物体加速度引发物体加速度,正比于力正比于力,且在且在所加力方向上，而反比于物体质量。所加力方向上，而反比于物体质量。F=maF=d(mv)/dtF=d(mv)/dt 第6页.牛顿第三定律（作用力和反作用力定律）牛顿第三定律（作用力和反作用力定律）（1）作用力和反作用力总是成对出现；作用力和反作用力总是成对出现；（2）作用力和反作用力分作用力和反作用力分别作用于两个物体，作用于两个物体，所以不能平衡或抵消；所以不能平衡或抵消；（3）作用力和反作用力属于同一个性质力。作用力和反作用力属于同一个性质力。说明：说明：第7页三、三、力分类力分类1.1.三种常见力三种常见力 重力：重力：使物体产生重力加速度力，即使物体产生重力加速度力，即G=mg 重力起源于地球对物体引力，但只是地球引重力起源于地球对物体引力，但只是地球引 力一部分（另一部分提供物体随地球转动力一部分（另一部分提供物体随地球转动 向心力向心力)重力随物体所处高度和纬度而微小改变重力随物体所处高度和纬度而微小改变 第8页摩擦力：摩擦力：两相互接触物体因为相对运动或有相两相互接触物体因为相对运动或有相 对运动趋势而在接触面间产生一对对运动趋势而在接触面间产生一对 阻止相对运动或相对运动趋势力。阻止相对运动或相对运动趋势力。弹力：弹力：物体因为形变而对引发形变物体产生物体因为形变而对引发形变物体产生 作用力。作用力。动画动画在弹性范围内：在弹性范围内：静摩擦力：静摩擦力：滑动摩擦力滑动摩擦力：等于物体受到其它外力协力。等于物体受到其它外力协力。第9页2.2.四种基本力四种基本力 宏观世界里除了重力起源于万有引力外，宏观世界里除了重力起源于万有引力外，其它力几乎都源于电磁力其它力几乎都源于电磁力 第10页a a、强相互作用，存在核内，以胶子为传递媒介。、强相互作用，存在核内，以胶子为传递媒介。b b、弱弱相相互互作作用用，仅仅在在粒粒子子间间一一些些反反应应时时才才显显现现，以中间玻色子（以中间玻色子（W W+，W W，Z Z-0-0）为传递媒介。）为传递媒介。c c、电磁相互作用，带电粒子或带电宏观物体之间、电磁相互作用，带电粒子或带电宏观物体之间作用，以光子为媒介。作用，以光子为媒介。d d、万有引力相互作用，任何两个物体作用（以引、万有引力相互作用，任何两个物体作用（以引 力子为媒介）。力子为媒介）。后二者作用范围可达无限远；后二者作用范围可达无限远；强相互作用范围为：强相互作用范围为：1010-15-15 M M；弱相互作用范围为：弱相互作用范围为：1010-18-18 M.M.四种力强度比较以下：四种力强度比较以下：第11页四四、万有引力定律创建过万有引力定律创建过程程1.1.从苹果到月亮从苹果到月亮 苹果落地是受到地球引力，那么月球受苹果落地是受到地球引力，那么月球受到地球引力为何不掉向地球呢到地球引力为何不掉向地球呢?第12页2.2.牛顿解释：牛顿解释：(a)(a)牛顿抛体运动牛顿抛体运动(b)(b)不停下落月亮不停下落月亮(c)(c)月亮轨道月亮轨道第13页ABBO月亮月亮地心地心不停下落月亮不停下落月亮月亮也在下落吗？月亮也在下落吗？假如没有地球引力，假如没有地球引力，月亮将沿直线运动。月亮将沿直线运动。因为地球引力作用，因为地球引力作用，月亮离开直线，偏向地球。月亮离开直线，偏向地球。下落距离下落距离月亮不停下落结果是：月亮不停下落结果是：它沿一个圆轨道绕地球运动。它沿一个圆轨道绕地球运动。第14页速度改变有三种可能：速度改变有三种可能：（1 1）v只改变大小，不改变方向；只改变大小，不改变方向；（2 2）v只改变方向，不改变大小；只改变方向，不改变大小；圆周运动：圆周运动：物体（质点）在向心物体（质点）在向心力作用下所作轨迹是力作用下所作轨迹是圆周运动。圆周运动。（3 3）v大小方向都改变。大小方向都改变。第15页向心力与向心加速度“向心力使物体受到一个指向中心点吸引向心力使物体受到一个指向中心点吸引”1.做圆周运动物体受到合外力总是指向圆心，做圆周运动物体受到合外力总是指向圆心，这个力叫做这个力叫做向心力向心力。3.向心力起源向心力起源:重力、弹力、摩擦力等重力、弹力、摩擦力等.2.向心加速度：在向心力作用下物体产生加速度向心加速度：在向心力作用下物体产生加速度第16页.万有引力定律万有引力定律 任何两天体（包含物体）之间引力大小任何两天体（包含物体）之间引力大小与两个天体质量乘积成正比，与两天体距离与两个天体质量乘积成正比，与两天体距离平方成反比平方成反比 万有引力常数万有引力常数两天体（物体）两天体（物体）之间距离之间距离两个物体两个物体质量质量第17页万有引力定律推导 假定行星以速率假定行星以速率 绕太阳作半径为绕太阳作半径为R匀速圆匀速圆周运动，则该行星必定受到一个向心力周运动，则该行星必定受到一个向心力F作用。作用。第18页由开普勒第三定律（友好定律）：由开普勒第三定律（友好定律）：向心加速度大小与距离平方成反比向心加速度大小与距离平方成反比引力是一个与距离平方成反比力引力是一个与距离平方成反比力。第19页引力大小与质量关系？引力大小与质量关系？依据牛顿第二定律，可知物体所受万有引力与依据牛顿第二定律，可知物体所受万有引力与物体质量成正比。物体质量成正比。又由第三定律，力来自物体与物又由第三定律，力来自物体与物体间相互作用，则物体对地球引力应该与地球对物体间相互作用，则物体对地球引力应该与地球对物体引力相等。体引力相等。推断：推断：任何两天体间引力大小与这两个天体质量乘积任何两天体间引力大小与这两个天体质量乘积成正比，与天体距离成反比。成正比，与天体距离成反比。（负号表示为吸引力）（负号表示为吸引力）第20页4 4万有引力常数万有引力常数G测定测定 牛顿发表万有引力定律牛顿发表万有引力定律后后100多年，英国科学家卡文多年，英国科学家卡文迪许于迪许于1798 年用扭秤试验第年用扭秤试验第一个准确地测量了万有引力一个准确地测量了万有引力常数常数G数数值为值为:H.Cavendish（17311810）第21页卡文迪许扭秤试验装置卡文迪许扭秤试验装置Nm2/kg2旋吊线旋吊线悬吊在半空悬吊在半空中能够自由中能够自由转动木杆转动木杆小铅球小铅球大铅球大铅球卡文迪许测得：卡文迪许测得：卡文迪许扭秤试验装置卡文迪许扭秤试验装置第22页 以后近2中许多人用相同或不一样方法测量G值，1986年，国际科学联盟理事会科技数据委员会（CODATA）推荐数值为:当前国际公认值：当前国际公认值：第23页 在测得了在测得了G值后值后，卡文迪许利用试验测得卡文迪许利用试验测得重力加重力加速度速度g计算出了地球质量（计算出了地球质量（约约6060万亿亿吨万亿亿吨），成为第），成为第一个一个“称称”出地球质量人。出地球质量人。在地球上试验室里测量几个铅球之间相互作用在地球上试验室里测量几个铅球之间相互作用力，就能够称出地球质量，这不能不说是个奇迹。力，就能够称出地球质量，这不能不说是个奇迹。然而它思想基础和牛顿是一致，即相信天上人间服然而它思想基础和牛顿是一致，即相信天上人间服从共同规律，引力常量数值都是一样。从共同规律，引力常量数值都是一样。试验成功，使牛顿万有引力定律愈加完美，试验成功，使牛顿万有引力定律愈加完美，卡卡文迪许扭秤文迪许扭秤试验被物理学世界评为历史上试验被物理学世界评为历史上“最最漂亮漂亮”十大物理试验之一。十大物理试验之一。第24页哈雷彗星哈雷彗星海王星海王星理论预言实践检验理论预言实践检验哈雷彗星哈雷彗星和和海王星海王星发觉发觉 海王星发觉是对牛顿万有引力理论最有力支持，海王星发觉是对牛顿万有引力理论最有力支持，被誉为被誉为“笔尖上发觉笔尖上发觉”第25页5 5引力理论成就和意义引力理论成就和意义 万有引力定律深刻地揭示了宇宙万物间所遵万有引力定律深刻地揭示了宇宙万物间所遵照引力规律，打破了以前人们头脑中认为天体运照引力规律，打破了以前人们头脑中认为天体运动与地上物体运动有天壤之别鸿沟，把天上和人动与地上物体运动有天壤之别鸿沟，把天上和人间友好地统一了起来。间友好地统一了起来。增加了人类增加了人类“自然界规律自然界规律是统一是统一”信念。信念。同时万有引力定律揭示了物理学是美科学。同时万有引力定律揭示了物理学是美科学。万有引力理论普遍性超越了宇宙边缘，从苹果到万有引力理论普遍性超越了宇宙边缘，从苹果到月亮，从太阳到宇宙，凡有引力参加一切复杂现月亮，从太阳到宇宙，凡有引力参加一切复杂现象无一不归结到这条简练定律之中，还有什么比象无一不归结到这条简练定律之中，还有什么比这更美吗这更美吗?第26页 万有引力定律建立，对物理学发展还含万有引力定律建立，对物理学发展还含有深远方法论有深远方法论意义意义：从第谷观察到开普勒运动学描述，再上升到从第谷观察到开普勒运动学描述，再上升到万有引力定律以及深入预言、验证等等，为后人万有引力定律以及深入预言、验证等等，为后人提供了建立物理学理论一个标准模式。提供了建立物理学理论一个标准模式。牛顿以后，牛顿以后，寻找不一样事物之间联络，建立统一理论解释，寻找不一样事物之间联络，建立统一理论解释，已经成为物理学家坚持不懈持久追求。已经成为物理学家坚持不懈持久追求。第27页自然哲学数学原理自然哲学数学原理六、牛顿自然哲学思想六、牛顿自然哲学思想 “我把这部著作叫我把这部著作叫做自然哲学数学原理做自然哲学数学原理，因为哲学全部任务，因为哲学全部任务看来就在于从各种运动看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论力，而后用这些力去论证其它现象。证其它现象。”第28页 在在300300多年前，牛顿所提出自然哲学思想对多年前，牛顿所提出自然哲学思想对17-2017-20世纪科学和哲学发展影响十分巨大，他正世纪科学和哲学发展影响十分巨大，他正是从自然哲学高度来审阅详细科学问题，在力学、是从自然哲学高度来审阅详细科学问题，在力学、光学、微积分、天文学等方面都作出了光学、微积分、天文学等方面都作出了开创性贡献。近代科学也在牛顿自然哲学推进下开创性贡献。近代科学也在牛顿自然哲学推进下得到了快速发展。得到了快速发展。牛顿被誉为近代科学革命主要奠牛顿被誉为近代科学革命主要奠基人。基人。第29页牛顿牛顿“作为巨人无与伦比，作为凡人无甚可取作为巨人无与伦比，作为凡人无甚可取”“假如说我比其它人看得远一点话，那是因假如说我比其它人看得远一点话，那是因为我站在巨人肩上。为我站在巨人肩上。”“我不知世人将怎样对待我我不知世人将怎样对待我,不过在我看来不过在我看来,我不过像一个在海滨玩耍孩子，为时而发觉一块我不过像一个在海滨玩耍孩子，为时而发觉一块比日常光滑石子或漂亮贝壳而感到高兴；但那浩比日常光滑石子或漂亮贝壳而感到高兴；但那浩瀚真理之海洋，却还在我面前未曾发觉呢。瀚真理之海洋，却还在我面前未曾发觉呢。”七、站在巨人肩膀上牛顿七、站在巨人肩膀上牛顿第30页