在哥白尼工作的基础上,揭开行星运行之迷的是伟大的德国天文学家开普勒。开普勒从整理和研究第谷所观测的行星运行和恒星位置的数据中,首先研究火星的运行转道,经过无数次的探索,终于发现:火星运行的轨道是一个椭圆。1609年,他发表了《新天文学》一书《论火星的运行》一文,将对火星的发现推广到所有行星,这就是以他的名字命名的开普勒第一、第二定律、面积定律),随后又发现了第三定律(周期定律)。值得指出的是,开普勒的工作给人们以深刻的启示:科学不能停留在单纯的观测数据中,而必须对观测到的数据进行细致的分析,才能找到事物运动的内部规律。还要指出的是,开普勒并没有以发现这三个定律为满足,他还企图用力的作用来解释它们,牛顿正是沿着这个思路而创立他的天体动力学理论的。
对亚里士多德关于重的物体比轻的物体下落得快以及力是维持物体运动的原因等错误观点的否定争纠正是经典力学产生的重要标志:1586年比利时的力学家西蒙·斯台文(1548—1620)出版了一本《论力学》的著作,其中关于落体实验是这样记叙的:“反对亚里士多德的实验是这样的:让我们拿两只铅球,其中一只比另一只重十倍,把它们从三十英尺的高度同时丢下来,落在一块木板或者什么可以发出清晰响声的东西上面,那末,我们会看出轻球并不需要比重球多十倍的时间,而是同时落到木板上,因此,它们发出的声音听上去就象是一个声音一样。”1589年,伽利略进一步研究了落体问题。他在研究过程中创立了运动学的基本概念,并把观察实验、数学推算和逻辑论证有机地结合起来,做了著名的斜面实验,揭示了力和运动的本质联系,得到了落体定律和惯性定律。伽利略的这些发现,不仅在物理学史上而且在整个科学史上都占有极其重要的地位。这不仅在于他纠正了统治近二千年的亚里士多德的错误观点,更重要的是他创立了对物理现象进行实验研究并把实验的方法与数学方法。
经典力学的理论体系是以牛顿运动三定律为基础的。牛顿系统地总结了伽利略、开普勒惠更斯等人的工作,得到了万有引力定律和牛顿运动三定律,于1687年出版了《自然哲学数学原理》。这是牛顿的—部代表作,也是力学的一部经典著作。牛顿在这部书中,从力学的基本概念(质量、动量、惯性、力等)和基本定律(运动三定律)出发,运用他所发明的微积分这一锐利的数学工具,建立了经典力学的完整而严密的体系,把天体力学和地面上的物体的力学统一起来,这是物理学史上第一次大的综合。所以,牛顿的《自然哲学数学原理》的出版,标志着经典力学体系的建立.牛顿从事自然科学研究工作时,是站在自发的唯物主义立场上的,这是他取得重大成就的思想基础.重视实验,重视归纳,这是牛顿的科学方法论的核心,也是他取得重大成就的关键。牛顿的世界观的根本缺陷在于它的形而上学和经验主义,他轻视哲学指导,提出了。神的第一次推动”的唯心主义观点,这是一个严重的教训.
牛顿力学体系的建立,对全部自然科学的发展作出了不可磨灭的贡献。由于力学的巨大成就,使得当时的许多自然科学家和哲学家认为可以用力学来解释一切自然现象。牛顿说:“自然界的一切现象,全可以根据力学的原理,用相似的推理,一一演绎出来.”惫更新选一步说:
“在真正的哲学里,所有自然现象的原因都可以用力学的术语来陈述。”这样,就逐步形成了把一切运动归结为机械决定论的自然观。
2.我国古代关于力和运动的知识
在我国古代著作中,对于力和运动问题,已有一定的认识.远在春秋时期成书的《考工记》就有这样的记载:“马力既竭,辀犹能一取也.”就是说,马已停止用力,车还能向前走一段距离.这里虽然没有得出惯性的概念,但是已经注意到了惯性现象.
在《墨经》里,还给力下了一个明确的定义.在《经上》第21条里说:“力,形之所以奋也.”这里的“形”就是“物体”,“奋”字在古籍中的意思是多方面的,像由静到动、动而愈速、由下上升等都可以用“奋”字.经文的意思是说,力是使物体由静而动、动而愈速或由下而上的原因.在《经说》里又说:“力,重之谓.”这说明物重,是力的一种表现.从这条经文来看,的确可以说我们的祖先在2 000多年以前,已经对力和运动之间的关系,开始了正确地观察和研究.
“力”在甲骨文中像一种耕地的农具——耒耜,在一根削尖的木棍下部绑着一根短横木.使用时手持木棍上端,同时用脚踏横木,使劲戳进土里,再压柄翻土.
甲骨文“力”
东汉王充所著《论衡》一书《状留篇》中有这样一段话:“且圆物投之于地,东西南北无之不可,策杖叩动,才微辄停.方物集地,一投而止,及其移徙,须人动举.”就是说,圆球投在地上,它的运动方向,或东或西或南或北是不一定的,但是不论向哪个方向运动,只要用手杖加上一个微小的力量,就会停止运动;方的物体投在地上就会静止,必须人用力才能使它发生位移.这里说明了力是物体运动状态变化的原因,也说明了物体的平衡和它的受力的关系.王充还提出:“车行于陆,船行于沟,其满而重者行迟,空而轻者行疾.”这段话说明了在一定的外力作用下,质量越大的物体运动状态的改变就越困难.
1.古代汲水瓶
在西安半坡文化遗址,出土了一种新石器时代(距今6 000年)使用的汲水瓶,它的特点是底尖、腹大、口小,系绳的耳环设在瓶腹稍靠下的部位
古代汲水瓶
当汲水瓶空着时,由于瓶的重心高于绳的悬点,它就会倾倒;把它放到水里,水就会自动流进去.
当瓶中汲入适量的水(达到瓶容积的60%-70%)时,瓶的重心降到绳的悬点以下,一提绳,汲水瓶就会直立着被提上来.
如果瓶中的水太满,瓶的重心又高于绳的悬点,瓶会自动倾倒,将多余的水倒出.
这种汲水瓶巧妙地通过重心变换,使得汲水方便、省力,又能控制汲水量,充分体现了我国古代劳动人民的智慧.
3.强相互作用和弱相互作用.
[资料收集]
2.电磁相互作用
1.万有引力
2.重力的三要素
1.重力产生的原因:是由于地球的吸引而使物体受到的力.
4.力的图示和示意图
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