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的伟大贡献是为我们提供了一种描述宇宙的统一语言经典力学，是物理学的基础，牛顿定律构成了经典力学的核心导言本课件将带您深入了解牛顿和经典力学的伟大成就，以及其对科学发展的影响我们将从牛顿的生平及其贡献开始，逐步解析牛顿三大定律，并探讨其在不同领域中的应用牛顿的生平及其贡献早年生活科学贡献经典力学重要著作艾萨克·牛顿于1643年出生于牛顿在数学、物理学和天文学牛顿的经典力学奠定了现代物牛顿的代表作《自然哲学的数英国林肯郡，是一位英国物理领域做出了杰出贡献，如微积理学的基础，并解释了物体运学原理》和《光学》阐述了他学家、数学家、天文学家、自分的创立，万有引力定律的发动、重力、力的相互作用等现的主要科学理论，对后世产生然哲学家和炼金术士现，以及光学的研究象了深远影响牛顿绝对时空观牛顿认为时间和空间是绝对的，与物质无关时间是均匀流逝的，不受任何因素影响空间是三维的，无限延伸且均匀的牛顿绝对时空观是经典力学的基础，为解释物理现象提供了简洁的框架但随着物理学的发展，牛顿绝对时空观也面临着挑战牛顿三大定律惯性定律运动定律12物体保持静止或匀速直线运动物体受到外力作用时，其加速状态，除非受到外力的作用.度的大小与作用力的大小成正比，方向与作用力的方向相同.作用力与反作用力定律3当一个物体对另一个物体施加力时，另一个物体也同时对第一个物体施加大小相等，方向相反的力.牛顿定律的解读惯性定律1物体保持静止或匀速直线运动状态的性质运动定律2物体受到外力作用后，运动状态发生改变作用力与反作用力定律3当两个物体相互作用时，彼此施加的力大小相等，方向相反牛顿三大定律是经典力学的基石，揭示了力与运动之间的关系这些定律解释了物体在力的作用下如何运动，以及物体在没有力的作用下如何保持运动状态牛顿定律的应用天体运动弹道学机械工程牛顿定律用来描述行星、卫星牛顿定律用于研究炮弹、导弹牛顿定律是机械设计和制造的、彗星等天体的运动规律，并等飞行器的运动轨迹通过计基础，例如设计发动机、汽车预测它们未来位置如计算行算弹道，可以提高武器的命中、桥梁等通过计算力和运动星的轨道，预测彗星的回归时率，并设计更精确的武器，可以确保结构的稳定性和安间全性力的概念和测量力是相互作用力的测量力的单位力是物体之间相互作用的结果，力的作用是使用弹簧秤或其他力传感器来测量力的大小力的单位是牛顿（N），表示使质量为1千相互的和方向克的物体产生1米每平方秒的加速度所需的力质量和惯性质量的定义惯性的概念质量和惯性的关系质量是物体所含物质的多少，是物体抵惯性是指物体保持其运动状态不变的倾质量越大，惯性越大，物体越难以改变抗运动状态改变的程度向，即静止的物体倾向于保持静止，运其运动状态质量是惯性的量度动的物体倾向于保持其运动状态动量和动量守恒动量物体质量和速度的乘积动量守恒在一个封闭系统中，总动量保持不变应用解释碰撞，火箭推进和弹性运动动量是描述物体运动惯性的物理量，动量守恒定律是一个重要的物理定律，它在解释和预测各种物理现象方面发挥重要作用能量和能量守恒能量是物体做功的能力，是描述物理系统运动状态的一个重要物理量能量守恒定律是自然界最基本的定律之一，它指出在一个封闭的系统中，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式，总量保持不变12动能势能物体由于运动而具有的能量物体由于其位置或状态而具有的能量34热能光能物体内部粒子无规则运动的能量光子携带的能量能量守恒定律在物理学和工程学中具有广泛的应用，例如，在热力学中，能量守恒定律用于描述热量传递和功的转换在机械学中，能量守恒定律用于分析机械运动和碰撞问题能量形式动能势能物体由于运动而具有的能量物体由于其位置或状态而具有的能量热能化学能物体由于其温度而具有的能量储存在化学物质中的能量万有引力定律牛顿的重大发现万有引力定律是牛顿在17世纪提出的，描述了宇宙中任何两个物体之间的引力相互作用该定律解释了地球上的物体为什么会坠落，以及行星为什么围绕太阳运行牛顿定律指出，任何两个物体之间存在引力，其大小与它们的质量成正比，与它们之间距离的平方成反比行星运动定律第一定律椭圆轨道1行星绕太阳运行的轨道并非完美的圆形，而是椭圆形，太阳位于椭圆的一个焦点上第二定律面积定律2行星与太阳的连线在相同时间内扫过的面积相等，这意味着行星在距离太阳较近的地方运动速度较快，而在距离太阳较远的地方运动速度较慢第三定律周期定律3行星轨道周期的平方与其轨道长半轴的立方成正比，这表明距离太阳越远的行星，其公转周期越长推广到宏观世界牛顿定律不仅适用于日常生活中遇到的物体，例如球和汽车，还适用于更广阔的范围，例如行星和恒星等天体它们解释了天体的运动，如行星绕太阳的轨道运行和星系的自转星系运动1牛顿定律可以用来解释星系的旋转和碰撞行星运动2牛顿定律解释了行星绕太阳的轨道运动地球上的物体3牛顿定律适用于日常生活中遇到的物体，例如球和汽车牛顿定律的应用也扩展到了宇宙学和天体物理学，为我们理解宇宙提供了重要的理论基础推广到微观世界量子力学的应用量子力学在原子和亚原子尺度上描述物质和能量的行为，并提供对化学反应和材料特性的理解半导体和激光量子力学原理用于开发半导体器件，例如晶体管和集成电路，以及激光器纳米技术量子力学在纳米技术中至关重要，纳米技术涉及操纵原子和分子，以创建新材料和器件核能核能利用原子核的能量，这是对量子力学的理解的结果牛顿经典力学的局限性低速运动微观尺度牛顿力学只适用于低速运动，无牛顿力学无法解释微观粒子世界法解释光速运动现象相对论弥，如电子、原子等量子力学出补了这一缺陷，将速度纳入时空现了，它将物理量离散化，揭示框架，并扩展了物理规律的适用了微观世界的独特规律范围引力理论时空观牛顿的万有引力定律无法解释引牛顿认为时间和空间是绝对的，力场的作用机制，以及引力场在而相对论指出，时间和空间是相强引力场中的性质爱因斯坦的对的，它们会随着参照系的变化广义相对论提供了更完善的引力而变化理论相对论的兴起狭义相对论时间和空间的相对性

11.

22.爱因斯坦于1905年发表狭义相狭义相对论指出时间和空间并对论，挑战了牛顿的绝对时空非绝对不变，而是与观察者的观运动状态有关光速不变原理广义相对论

33.

44.光速在真空中对于所有惯性系爱因斯坦于1915年发表广义相都是相同的，是宇宙中的一个对论，将引力解释为时空的弯基本常数曲量子力学的兴起量子力学原子模型实验验证量子力学是描述微观世界的一种理论它解量子力学帮助我们理解原子结构，解释了电量子力学理论得到了大量实验的支持，例如释了原子和亚原子粒子的行为子如何围绕原子核运动光电效应和双缝实验力学概念的演化古代力学古希腊时期，亚里士多德提出“重物下落速度与其重量成正比”的错误理论，导致了对力学理解的偏差，直到牛顿时代才得到纠正牛顿力学牛顿建立了经典力学体系，提出了三大运动定律和万有引力定律，彻底改变了人们对宇宙的理解相对论力学爱因斯坦的相对论革命性地发展了力学，将时间和空间统一起来，引入了新的时空观，解释了高速度运动下的物理现象量子力学量子力学描述了微观世界，揭示了能量、动量等物理量的量子化性质，对经典力学进行了重要补充理论物理学的发展经典力学的基石相对论的革命牛顿力学为物理学奠定了基础，为我们理解宇爱因斯坦的相对论彻底改变了我们对时空和引宙运行规律提供了框架力的理解，打开了新的物理学领域量子力学的兴起现代物理学的前沿量子力学揭示了微观世界中粒子的奇妙性质，黑洞、暗物质和宇宙起源等问题，推动着物理改变了我们对物质和能量的认知学不断探索新的领域物理学的哲学基础科学方法论实在论与反实在论物理学研究的根基在于科学方法关于物理理论描述的真实世界，论它强调观察、实验和逻辑推存在着不同的哲学观点，如实在理论和反实在论因果关系与决定论科学与哲学的关系物理学中探讨因果关系，以及宇物理学与哲学之间存在着相互影宙是否完全由初始条件决定响，哲学为物理学提供基础，物理学也反过来推动哲学发展当代物理学的前沿宇宙膨胀理论量子力学黑洞研究超弦理论暗能量和暗物质对宇宙加速膨量子计算和量子通信技术正处对黑洞的观测和研究推动了对将量子力学和广义相对论统一胀的作用机制尚未完全解明于快速发展阶段引力理论和时空结构的理解起来的理论框架，旨在构建一个完整的宇宙模型经典力学的遗产技术进步它为机械工程、航空航天、天文观测等领域提供了强大的理论支撑基础理论经典力学是现代科学的基础，它为后续的物理学发展奠定了基石探讨未来物理学的发展统一理论暗物质和暗能量

11.

22.寻找一个统一的理论来解释宇探究宇宙中神秘的暗物质和暗宙中所有基本力的相互作用，能量，理解它们在宇宙演化中将爱因斯坦的广义相对论与量的作用子力学融合量子引力宇宙起源和演化

33.

44.发展量子引力理论，解决广义研究宇宙的起源和演化，深入相对论和量子力学在极端条件理解宇宙的膨胀、结构形成和下的矛盾最终命运结论与展望牛顿经典力学在科学史上占据着重要地位，对人类科学技术的发展产生了深远的影响它为我们理解宇宙和自然规律提供了重要的理论框架但是，经典力学也存在局限性，在解释某些物理现象时显得力不从心例如，在高速运动或微观尺度下，经典力学的理论框架失效谢谢大家感谢大家积极参与学习希望本课程能够帮助您更好地理解牛顿和经典力学。