清华大学物理学课件--牛顿和力学的成熟

牛顿和经典力学的成熟牛顿力学是世纪最重大的科学突破之一为我们带来了对宇宙经典运动规律的17,全面理解从理论推导到实验验证牛顿建立了一个完整的力学体系奠定了现代,,科学的基础古典力学的发展历程古希腊时期1亚里士多德提出了早期的自然哲学理论包括地球是宇宙中心,和物体自然倾向于上升或下降等思想中世纪时期2阿拉伯科学家建立了更精确的力学概念如惯性、动力学和重力,的基本定律近代时期3伽利略和笛卡尔进一步发展了经典力学的基本理论为牛顿的三,大定律奠定了基础亚里士多德的自然哲学思想宇宙存在的目的质变和运动的本质亚里士多德认为宇宙存在有自身他认为物质的质变和运动都是由的目的和内在本质世界是有秩于形、质和统一的内在驱动力所,序且连续统一的整体致并非外力机械作用的结果,自然哲学的方法论物体运动的原因亚里士多德重视直观经验并以他认为物体运动的原因是内在的,论证和演绎的方式来阐述自然哲追求完美的形式和目的而非单,学理论此方法影响深远一的外在因素,加利略笛卡尔的力学理论-加利略的贡献笛卡尔的理论两人的影响意大利科学家加利略通过实验证实了物体自法国哲学家笛卡尔提出了一种基于机械原理加利略和笛卡尔的力学理论为后来牛顿经典由落体的规律为后来牛顿定律的建立奠定的宇宙论为经典力学的建立做出了重要贡力学的建立奠定了基础开创了科学革命的,,,了基础献新纪元牛顿三大定律的提出第一定律惯性定律第二定律力与加速度物体会一直保持静止或等速直线物体受到的加速度与作用在物体运动的状态除非受到外力作用上的力成正比且与物体质量成反,,比第三定律作用力与反作用力作用在两个相互作用物体上的力大小相等方向相反,,质量、力和加速度的关系质量物体的惯性大小，决定物体对外力改变运动状态的难易程度力引起物体运动状态改变的原因，可使物体加速、减速或改变运动方向加速度物体运动状态的变化率，表示物体运动方向和速度的变化根据牛顿第二定律，力、质量和加速度之间存在着明确的数学关系力等于质量:乘以加速度这一定律描述了物体运动状态的变化规律为我们认识和分析宏观,物理世界提供了重要依据牛顿第二定律的数学表达F力m质量a加速度牛顿第二定律描述了力、质量和加速度之间的数学关系，即力等于质量乘以加速度这个简单而强大的关系为经典力学奠定了基础，并被广泛应用于各种物理现象的分析和预测中牛顿第一定律和惯性概念惯性概念物体的静止与匀速运动牛顿第一定律描述了物体的惯性特性即物体会保持它原有的运动根据牛顿第一定律静止的物体会保持静止而匀速运动的物体也会,,,状态除非受到外力的作用这种惯性特性是物体固有的性质并不继续匀速运动除非受到外力的作用这使得力学研究得以建立在,,,依赖于观察者的观点稳定、可预测的基础之上牛顿第三定律和作用力作用力反作用力作用反作用定律-作用力指两个物体之间相互作用的力它是反作用力是与作用力大小相等、方向相反的牛顿第三定律指出，作用力和反作用力大小物体之间相互作用的体现另一个力这是牛顿第三定律的体现相等、方向相反这是力的平衡和运动的基础牛顿定律的应用实例牛顿力学定律广泛应用于日常生活和科学技术中从家用电器到航天飞船从滚落的苹果到绕行地球的卫星这些都是牛顿定律在实,,际中的体现只要它们满足关于质量、加速度和力的基本关系牛,顿定律就能很好地预测和描述它们的运动情况牛顿定律解释的局限性经典机械学局限性时间和空间观问题能量转换问题适用范围问题尽管牛顿定律在宏观世界中适牛顿定律基于绝对时间和空间牛顿定律无法解释物质的质量牛顿定律主要适用于宏观世界用广泛但对于微观量子世界概念但相对论揭示了时空是能量等价无法解释能量在不的运动在高速、高密度、极,,,-,,其解释能力有限其未能解释相对的、动态的这与牛顿经同形式之间的转换这需要爱端条件下已无法完全解释需电子的波粒二重性等量子力学典观点存在根本矛盾因斯坦的质能方程等要依赖更加深入的物理理论E=mc^2现象理论来解释经典力学的基本概念质点系统刚体系统将整个物体视为一个没有大小的将物体视为由无数个质点组成的质点在分析时忽略物体的内部结严格固定在一起的整体不会发生,,构和变形形变力的概念参考系和坐标系力是物体间相互作用的一种物理研究物体运动时需要选定合适的量可以引起物体的位置或形状发参考系和坐标系以确定物体的位,,生改变置和运动状态质点系和刚体系统质点系统刚体系统12质点系统由大量相互独立的微刚体系统中质点之间的相对位小质点组成可用来描述分子或置保持不变可用来描述宏观物,,原子的运动体的整体运动质点系统行为刚体系统行为34质点系统受到各种作用力的影刚体系统不仅有平动还有旋转,响遵循力学定律可以准确预测运动需要用角动量守恒定律来,,,其运动轨迹描述质心和质心运动定律质心是一个物体或系统中所有质量的均衡位置质心运动定律表明，任何外力系统的合外力作用于该系统质心时，质心的运动就等同于所有质量集中在质心上的粒子受同样外力作用时的运动这一重要定律使得复杂的多物体系统的研究大大简化只需关注质心运动即可,质心运动定律在理论分析和实际应用中都发挥着重要作用是经典力学的基本定,律之一动量守恒和冲量定理动量是质量与速度的乘积,表示物体的运动状态在没有外力作用时,质点或封闭系统内部的动量是守恒的冲量是力与时间的积分,表示力对物体产生的总作用效果力-时间曲线下的面积就是冲量大小动能和势能动能物体运动时所具有的能量，与物体质量和速度有关动能越大，物体运动越快势能物体在力场中所具有的能量，与物体在力场中的位置有关物体在力场中越高，势能越大动能和势能互相转换是力学中的重要规律通过对物体的动能和势能的研究，可以深入理解物体的运动规律功和机械能定理功和机械能定理是经典力学中的重要概念阐述了能量转换、储存和守恒的基本规律,$1功力做功是能量从一种形式转换为另一种形式的过程1J机械能物体的动能和势能之和构成了物体的总机械能$0守恒定律在无外力做功的情况下物体的总机械能保持不变,角动量及其守恒定律角动量守恒定律应用角动量是描述刚体转动状态的物理量，包括角动量守恒定律表明，在没有外力矩作用角动量守恒定律广泛应用于质点系统、刚体线性动量和转动动量下，系统的总角动量保持不变系统和宇宙物理等领域简谐运动及其公式位移1描述质点远离平衡位置的距离速度2描述质点运动的快慢程度加速度3描述质点运动方向的变化力4驱动质点运动的原因简谐运动是一类重要的周期性运动可以用简单的数学公式来描述位移、速度、加速度和作用于物体上的力之间存在着密切的关系这些公式为理解,,和分析简谐运动提供了有力的工具振动系统的能量变化振动系统能量变化能量转化的周期性振动能量的耗散振动系统在不同状态下，动能和势能不断变在理想简谐振动中，动能和势能按正弦规律实际振动系统中存在阻尼会导致振动幅度,化互换定常振动时，动能和势能周期性交变化，能量在动能和势能之间周期性转换逐渐减小这种能量耗散过程会使总能量逐替变换，但总能量保持恒定这种能量变化规律是振动系统的重要特性渐降低直至系统静止,力学定律的宇宙应用牛顿的力学定律不仅适用于地球上的物体也可以用来解释和预测宇宙中各种天,体的运动从行星公转到恒星演化从引力波检测到宇宙大爆炸牛顿经典力学理,,论为我们认识宇宙提供了基础性的分析框架通过观测天体的运动轨迹和加速度我们可以推算出它们之间的引力关系从而测,,量出它们的质量这种方法被广泛应用于探测黑洞、暗物质等宇宙未知成分的研究中牛顿力学定律至今仍是最基本的宇宙物理分析工具牛顿定律的微观解释量子论视角微观隧穿现象波粒二象性从量子论的角度来看牛顿定律可以被视为在极小尺度上粒子会表现出隧穿效应违背微观粒子同时具有粒子和波的特性这些复,,,,电子云波函数演化的宏观结果电子云的分经典力学预期这种量子力学效应体现了牛杂的量子行为远超经典力学所能解释的范布和行为决定了宏观物体的运动规律顿定律的局限性为经典力学和现代物理的畴需要依赖新的物理理论来阐明,,过渡奠定了基础牛顿理论与相对论之矛盾时空观的差异能量质量关系12牛顿经典力学建立在绝对时空相对论揭示了能量和质量之间观基础上而相对论则提出了时等价关系牛顿理论无,E=mc^2,空相对性的概念法解释这一现象运动规律差异极限情况突破34相对论重新定义了力、惯性、相对论理论能够适用于高速运时间等概念与牛顿经典力学在动、极端能量等极限情况而牛,,某些情况下存在差异顿定律有局限性经典力学理论面临的挑战解释微观现象的局限性无法统一引力理论经典力学定律无法解释原子和亚原子粒子的行为需要量子力学牛顿重力理论无法与电磁理论统一这成为了经典力学的瓶颈,,的理论来描述微观世界相对论的出现为解决这一问题提供了新的思路无法解释宇宙演化无法描述高速运动经典力学无法解释宇宙的起源和演化需要广义相对论等更为全牛顿定律在高速运动情况下会出现偏差相对论理论对此做出了,,面的理论来进行描述更精确的描述现代物理革命的开端相对论1爱因斯坦提出的时空观突破了经典力学的框架量子力学2玻尔、海森堡等人建立的量子理论揭示了微观世界的奥秘粒子物理3发现各种基本粒子并建立标准模型描述自然力世纪初经典力学理论面临着重要挑战爱因斯坦的相对论颠覆了人们对时空的理解量子力学则揭示了微观世界的奇妙规律随后粒子20,,物理的发展进一步丰富了我们对自然的认知标志着现代物理革命的开端,经典力学理论的地位发展里程碑经典力学是物理学发展史上的重要里程碑开创了科学研究的新纪元,基础理论它为后续量子力学、相对论等理论的发展奠定了坚实的基础广泛应用经典力学理论被广泛应用于机械、天文、航天等诸多领域在科技发展中扮演重要角色,经典力学发展的启示理论创新的重要性实践检验理论跨学科协作尊重前人成就牛顿经典力学理论的伟大成就牛顿定律在诸多领域得到广泛牛顿的成就离不开数学、力牛顿创立经典力学理论时充,不仅开创了现代科学的新纪应用证明了其科学价值这学、天文等多个学科的密切结分借鉴和发展了前人的研究成,元也展现了理论创新的核心说明理论必须经得起实践的考合这启示我们未来科学发果这说明在创新中应该尊,,,价值这启示我们保持开放验只有通过实际运用和检验展需要更多的跨学科交流与合重和吸收前人的智慧以此为,,,,包容的思维勇于探索和突破理论才能真正证明其正确性和作以取得更大的突破基础追求更高远的目标,,,是推动科学进步的关键所在意义新时代对理论物理的要求跨学科协作解决实际问题12新时代要求理论物理能够与其他学科如数学、计算机科学、理论物理需要更多地服务于现实生活和科技发展不能局限于,生物学等进行深入结合抽象概念创新思维国际交流34新时代对理论物理提出了更高的创新要求需要超越古典观理论物理需要加强与世界范围内的交流合作吸收全球先进成,,念开拓新视野果,总结与展望通过前面对牛顿力学理论及其发展历程的深入探讨我们可以总结其在物理学发,展中的重要地位和对现代科学的深远影响展望未来新时代对理论物理提出了,更高的要求需要我们不断创新开拓新的领域推动科学不断进步造福人类,,,,。