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2020/3/14BHJ上篇经典物理基础经典物理基础2020/3/14BHJ第一章时空与运动的经典表述时空与运动的经典表述2020/3/14BHJ第一讲从地心宇宙观到日心宇宙观从地心宇宙观到日心宇宙观2020/3/14BHJ我仰望星空,它是那样寥廓而深邃；那无穷的真理，让我苦苦地求索、追随。……——温家宝2007年5月14日同济大学建筑城规学院钟厅一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。从地心宇宙观到日心宇宙观蚂蚁星云2020/3/14BHJ本讲主要内容1.古希腊理论：地心宇宙2.哥白尼理论：日心宇宙3.开普勒理论：太阳为焦点的宇宙4.亚里士多德物理学5.伽利略的贡献6.物质世界的空间尺度与时标从地心宇宙观到日心宇宙观2020/3/14BHJ地心宇宙观1.古希腊理论：地心宇宙16世纪中叶之前,人类对自然的认识受宗教、神学和迷信的影响很大。人们普遍认为自然和天体的运动是神秘的，是有一只看不见的上帝之手控制的。而科学家的工作不过是论证和揭示上帝如何创造、支配世界和宇宙的。2020/3/14BHJ古希腊学者亚里士多德提出，托勒密加以发展的地心说体系深入人心。人们认为地球是宇宙的中心，太阳和其他一切天体都围绕地球转动。地心说符合上帝造世和造人的教义，成为基督教理论的根据，其他一切均被视为异端邪说。地心宇宙观2020/3/14BHJ古希腊人的天空几何结构：每个天体（太阳、月亮、水、金、火、木、土星）都附在以地球为中心的透明球壳上，所有恒星都被嵌在一个透明球壳上，球壳绕地球匀速转动。地心宇宙观2020/3/14BHJ太阳月球金星水星火星木星土星恒星宇宙有“九重天”，这是九个运转着的同心的晶莹球壳。最底的一重天是月亮天，其次是水星天和金星天；太阳居于第四重天球上，它是宇宙的主宰，世界的灵魂，它以巨大的光辉照亮宇宙；第五到第七重天依次是火星天、木星天和土星天；第八重是恒星天，全部恒星象宝石一般镶嵌在这层天上；在恒星天上，还有一重最高天，即“原动天”，那里是神灵居住的天堂。地球坐落在宇宙中心。地心宇宙观2020/3/14BHJ亚里士多德的证据：大地是个固定不动的球体。在月食时观察到的地球投到月亮上的影子船只出海时没入地平线在北方陆地上中午时分太阳在天空的位置较低冰岛地心宇宙观2020/3/14BHJ该理论存在的问题：不能解释“行星的非匀速运动”、“火星的逆行”、“逆行时行星变亮”。678910111212图示：火星以恒星为背景的运动，它的停顿和逆行地心宇宙观2020/3/14BHJ为解释矛盾，引入均轮、本轮理论，保留希腊思想家都支持的匀速圆周运动。托勒密（公元85—165年）的修正：保留“匀速圆周运动”，引入均轮、本轮、偏心等距点等概念。延续了15个世纪。地心宇宙观2020/3/14BHJ托勒密有两个重要的功绩：•把古代的“地心”思想发展成为系统的地心说；•运用模型方法，成功地解释了他的宇宙理论。托勒密理论的两个致命弱点：•认为地球是静止不动的宇宙中心；•认为正圆运动是天体最完美的运动。地心宇宙观2020/3/14BHJ雅典学院帕拉图亚里斯多德。。。。。。2020/3/14BHJ2.哥白尼理论：日心宇宙日心宇宙观哥白尼（1473—1543）是波兰人的后裔，出生在靠近波兰国界的普鲁士的托恩。他从事于三重职业达十三年之久：履行教会职务、行医和研究天文学。提出日心说的动机:•托勒密体系偏离了毕达哥拉斯思想，确少简洁与和谐•改革历法2020/3/14BHJ日心宇宙观2020/3/14BHJ《天体运行论》是天文学上的伟大著作。哥白尼作为一个天主教徒深知这一理论太富于革命性，因担心天主教会的迫害，直到1543年他逝世前夕才发表了13年前已完成的著作。日心宇宙观2020/3/14BHJ哥白尼的天文学思想及其新的宇宙体系，第一次揭示了地球和其他行星围绕太阳运转的客观规律，打破了主宰世界近2000年的地心说体系，彻底动摇了宗教教义的基础。日心宇宙观2020/3/14BHJ恒星的球壳太阳月亮地球日心宇宙观2020/3/14BHJ哥白尼的基本观点：1.太阳在宇宙中心；2.行星和地球绕太阳运转；3.地球有自转，月亮是地球的卫星。4.行星在太阳系中排列的秩序是：离太阳最远的是土星（30年绕太阳一周）；其次是木星（12年一周）；然后是火星（2年一周）；第四是地球和月亮（1年一周）；第五是金星（9个月一周）；离太阳最近的是水星（80天一周）。恒星在远离太阳的一个天球面上静止不动。简单，实用的日心宇宙日心宇宙观2020/3/14BHJ地球火星哥白尼理论对逆行的说明：当地球追过另一行星如火星时，由于地球上观察者视线的转动，这个行星在恒星背景上看起来就象是向后运动。日心宇宙观2020/3/14BHJ哥白尼的两个重要功绩：•打破了亚里士多德物理学中天地有别的界限•破除了亚里士多德的绝对运动概念,引入运动相对性概念(暗示宇宙可能根本没有中心)哥白尼理论的两个时代局限：•认为行星轨道是正圆形•认为宇宙是有限的球。日心宇宙观2020/3/14BHJ日心说触怒了教会，《天体运行论》列为禁书，布鲁诺殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验。布鲁诺（GiordanoBtuno，1548-1600）意大利天文学家。布鲁诺是日心说的宣传者和捍卫者。他还以天才的直觉发展了哥白尼的宇宙学说，提出了宇宙无限的思想。布鲁诺认为，宇宙是统一的、物质的、无限的，太阳系之外还有无数多个世界。布鲁诺超前于时代太多了，他的无限宇宙图景差不多300年后才得到科学界的公认。日心宇宙观2020/3/14BHJ布鲁诺的激进思想使天主教会暴跳如雷、恼羞成怒，1600年2月17日被宗教法庭处以火刑，活活烧死在罗马鲜花广场上。意大利罗马鲜花广场日心宇宙观2020/3/14BHJ名人名言黑暗即将过去，黎明即将到来，真理终将战胜邪恶！火，不能征服我，未来的世界会了解我，会知道我的价值。——布鲁诺临刑前的最后一句话2020/3/14BHJ尽管日心说理论与观察数据一致，但还是遭受到一些基于观察的反对：哥白尼指出：这些问题在托勒密巨大的旋转星体球壳中更为显著。•地球如此之大怎么能运动呢？•是什么维持它的运动？•飞鸟和云朵为什么不落在它的后面？•为什么物体不被甩出地球？哥白尼实际假定了天上与地上的自然定律是一致的哥白尼天文学使科学走向了牛顿物理学日心宇宙观2020/3/14BHJ3.开普勒理论：太阳为焦点的宇宙开普勒理论第谷•布拉赫（1546－1601）丹麦天文学家，他是一个实干家，他几十年如一日，精确地观测和记录了行星的位置和运动情况。2020/3/14BHJ开普勒理论第谷的测量数据与托勒密和哥白尼都不相符。用测量检验理论2020/3/14BHJ开普勒理论开普勒花了整整十年时间，整理和分析了第谷的数据，把第谷以地球为基准的数据转换成以太阳为基准的数据，发现哥白尼的理论和第谷的数据不符。最接近第谷数据的哥白尼轨道仍然差8´。开普勒（Kepler,1571-1630）是一位相信哥白尼学说的德国数学家，天文学家。2020/3/14BHJ开普勒理论那样顽固执拗地相信圆，这个错误困扰了天文学2000年之久，也许在思想史上找不到另外的例子了。克斯特勒，20世纪作家和科学史家开普勒拒绝了哥白尼理论，开始研究既非圆周也非匀速的行星运动。2020/3/14BHJ有关欧元硬币的小知识欧元硬币的正面图案采用的是统一的设计方案，背面则由各发行成员国自行定夺。但丁画像莫扎特像勃兰登堡门播种的女人2020/3/14BHJ开普勒理论开普勒深信上帝是依照完美的数学原则创造世界的。他富有想象力，善于抽象思维和理论分析。认为规律愈简单，从数学上看愈好，就愈接近自然。开普勒发现用柏拉图的五种正多面体，正好可以表示出六大行星的轨道半径。1596年，他在《宇宙的奥秘》一书中发表了这一构想，并受到第谷的赏识。2020/3/14BHJ开普勒理论2020/3/14BHJ开普勒理论1600年，开普勒接受第谷的邀请，前往匈牙利布拉格协助第谷整理和分析数据。在第谷大量、细致的天文观察资料的基础上，开普勒经过多次乏味的尝试，一次又一次地抛弃了不符合第谷精确观察的结论，终于在1609年出版的《新天文学》一书中，发表了描述火星运动的第一、第二定律。1619年，开普勒出版了《宇宙和谐论》一书，将他已经发现的描述火星运动的两大定律推广到太阳系的所有行星，同时公布了第三定律。2020/3/14BHJ开普勒理论2020/3/14BHJ开普勒理论开普勒三定律：1.行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。2.太阳到行星的矢径在相等的时间内扫过的面积相等。3.行星绕日一周所需要时间的平方，与其和太阳平均距离的立方成正比。2020/3/14BHJ水星金星地球火星木星土星T0.2410.61511.88111.86229.457D0.3870.72311.5245.2039.539T20.0580.37813.54140.7867.7D30.057960.377913.54140.85867.85开普勒理论2020/3/14BHJ开普勒理论开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是，知识不能单从经验得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。——爱因斯坦开普勒被誉为“天空立法者”，是中世纪科学与近代科学的分水岭。2020/3/14BHJ4.亚里士多德物理学亚里士多德物理学古希腊哲学家和科学家亚里士多德（公元前384—前322年）亚里士多德第一个对古代科学的进展做了总结。他也是第一个试图建立力学普遍定律的人。他的理论和我们通常的直观想法一致。亚里士多德物理学——常识性看法亚里士多德认为：地球是绝对静止的物体，而相对于地球的运动看作绝对运动。2020/3/14BHJ亚里士多德物理学亚里士多德认为运动分为两类：自然运动强迫运动自然运动：每个物体都有自己的固有位置，偏离固有位置的物体将趋向固有位置。地上物体的自然运动沿直线，轻者上升，重者下降；天体的自然运动永恒地沿圆周运动。受迫运动：物体在推或拉的外力作用下发生的，没有外力，运动会停止。2020/3/14BHJ亚里士多德物理学箭是在弓弦的作用下飞出的。然而脱弦之后，箭周围的空气挤向被箭排开的尾部真空，推动着箭前进。正像在浴缸里用手捏肥皂的一端，肥皂滑出后被推动在水中前进一样。2020/3/14BHJ亚里士多德物理学2020/3/14BHJ亚里士多德物理学亚里士多德是如何解释以下事实的：•石头竖直向下落•你在地板上推动一个箱子•木头浮在水面亚里士多德物理的困难：•下落快慢的问题•抛体运动→排除真空的存在•强迫运动需要施力者2020/3/14BHJ5.伽利略的贡献伽利略的贡献•伽利略帮助推翻了亚里士多德物理学，推动了对惯性定律的明确表述——牛顿物理学的基础；•在天文学上有许多重大发现——为新的哥白尼宇宙提供支持；•首先对运动做了实验与和理论研究——发展与支持了科学方法论。伽利略(Galilei,1564-1642)意大利天文学家、物理学家，近代科学之父2020/3/14BHJ伽利略的贡献科学方法论，即科学的行事方式：观念不是从追随权威而得到的，而是从经验和理性思维中获得的。伽利略的方法对科学一直起着关键的作用，这些方法包括：设计实验对现实世界条件的理想化限制研究范围定量方法2020/3/14BHJ伽利略的贡献1609年伽利略设计并制造的两架望远镜。其中，那架小的可以放大14倍，而那架大的可放大20倍。2020/3/14BHJ伽利略的贡献2020/3/14BHJ2020/3/14BHJ伽利略的贡献伽利略通过望远镜观察到：①发现月球表面并非完美无缺，而是有大山和平原，有类似火山口的环形山，与地球表面结构相同；②发现了木星的卫星；③发现了太阳的黑子及其移动的变化，证明了太阳的自转；④发现了银河是由无数星星组成，揭开了这个千古哑迷。人们传诵着：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。月球表面木星太阳黑子银河2020/3/14BHJ伽利略的贡献伽利略用望远镜观察到了