经典力学体系的建立

经典力学体系的建立经过许多科学家的努力，在天文学和力学方面已经积累了丰富的资料。在此基础上，牛顿实现了天上力学和地上力学的综合，形成了统一的力学体系。这是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合。它开辟了一个新的时代，并对科学发展的进程以及后代科学家们的思维方式产生了极其深刻的影响。牛顿力学的建立是科学形态上的重要变革，标志着近代理论自然科学的诞生，并成为其他各门自然科学的典范。然而，在十七八世纪里其他自然科学仍处在积累资料的阶段经典力学体系化的知识基础牛顿和他的力学体系牛顿时代其它科学的发展科学观与自然观的变革经典力学体系化的知识基础欧洲经过16世纪百余年的宗教和政治改革的大变动之后，到17世纪下半叶进入了一个政治上较为安宁，经济上趋于繁荣的时期。生产实践为力学研究提出了许多问题，这就给科学的发展以推动推动科学家们研究天体运动规律的另一个原因则是由于科学自身发展的要求。例哥白尼学说提出了许多悬而未决的问题。诸如行星运动的轨道形状问题，为什么行星要沿着一定的轨道绕日运行问题等等。这些问题的研究并不是出于某种实用的目的，但它对科学未来的发展却具有极重要的价值。正是这种研究为近代力学的体系化奠定了知识基础经典力学体系化的知识基础航海迫切需要天文表和计时器经典力学体系化的知识基础伽利略通过对自由落体的研究，已经发现了惯性运动和在重力作用下的匀加速运动，奠定了牛顿第一定律和第二定律的基本思想。伽利略关于抛物体运动定律的发现，对牛顿万有引力的学说也有深刻的启示作用。经典力学体系化的知识基础1609年，开普勒出版了他的《新天文学》一书，公布了太阳系行星运动的两条基本定律：行星运动第一定律：行星的轨道为椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上；行星运动第二定律：在相等的时间内，行星和太阳的联线所扫过的面积相等，亦称面积定律。在这之后，开普勒又发现了行星运动第三定律：太阳系中任何两颗行星公转周期的平方比等于它们轨道半径（半主轴长）的立方比，亦称周期定律。开普勒(1571-1630）德国天文学家。牛頓於1642年的聖誕節十二月廿五日生於英國倫敦北方兩百公里林肯郡的農村烏爾索普(Woolsthorpe)。牛頓性格十分內向，勤奮好學。父親經營農場，但在牛頓出生前三個月就去世了，母親改嫁，與牧師再婚，幼小的牛頓與祖母相依為命。1661年牛頓就讀劍橋大學的三一學院(TrinityCollege)，由叔父提供學費，修習數學和物理。大學時代初期沒有特殊表現，後來在巴羅教授(IsaacBarrow,1630-1677)的指導下才迅速展露非凡的天份。1665年獲得學士學位，但幾個月後，因為淋巴腺鼠疫流行，大學關閉停課。牛頓便回到烏爾索普，在此後兩年間，牛頓利用這段被強迫『放假』的時間，認真思考自然界的規律問題。這兩年也是牛頓自認為一生當中獨創力的顛峰時期，最重要的發現都是在這一時期完成的；萬有引力就在此時發現，因而有『烏爾索普的蘋果樹』的傳說。力學與微積分也都是此段時間發明的；圓與橢圓部份面積的計算是當時數學家挑戰的難題，居然被25歲的牛頓解決了。直到1667年初，牛頓帶著一流的研究成果回到劍橋，當年即被指定為三一學院的研究員，有了薪水，悉數購買實驗器材，開始製作反射望遠鏡，並且定居下來。1666年他發現光的散射現象，波長短的藍光或紫光，通過稜鏡時偏折較多，波長長的紅光，偏折較少。1668年，他獲得碩士學位。牛頓的老師巴羅教授是當時頂尖的科學家和數學家，影響牛頓的光學成就極深。他對於牛頓的研究成果非常驚訝，兩年後，他辭去教授的職位，讓給牛頓，1669年，年僅27歲的牛頓就當了劍橋大學的教授。此後，他醉心於化學實驗，包括煉金術在內；直到1684年哈雷(EdmundHalley,1656-1742)勸他從事理論力學才罷休。1672年牛頓發表第一篇學術論文，主題是關於光的實驗，登在[哲學學報]上，盡全力於理論力學的工作，1687年發表了曠世鉅作[原理(Principia)]一書，1689年牛頓作為大學的代表，當選為下議院的議員，當時議會通過保護人權的強大法律，確立議會具有高於君主的地位，牛頓開始參與政治。1695年，牛頓擔任造幣廠的督察，負責重鑄因內戰而貶值的銀幣，任務完成後，於1699年擔任總監，一直到1727年逝世為止。牛顿的个人性格乖僻,沉默寡言，终生末娶．牛顿和他的力学体系牛顿对科学的杰出贡献是他建立了经典力学的体系，这集中地体现在他的著名著作《自然哲学的数学原理》一书中。1687年出版的这部著作共分三卷，第一卷分析了物体在向心力作用下的运动，第二卷分析了物体在阻力介质中的运动。在这两卷中，阐述了作为力学基础的时间、空间、质量、动量、力等基本概念，叙述了运动的基本定律，即牛顿力学三定律，解释了书中所使用的数学问题，并用演绎方法推演出万有引力定律。第三卷是关于宇宙的构造，这是用已发现的力学定律去解释哥白尼学说和天体运动的规律。牛顿和他的力学体系牛顿力学三定律构成了近代力学的基础，也是近代物理学的重要支柱。牛顿对于力学的最重要贡献则是万有引力的发现。牛顿的力学三定律和万有引力定律把天体运动定律与地上物体运动定律统一起来，建立起了经典力学的理论大厦。牛顿把他的力学理论应用于太阳系，解决了天体力学中的一系列问题。他拿出了计算太阳质量和行星质量的方法，证明了地球是一个赤道凸出的扁球，解释了岁差现象，说明了潮汐的涨落，分析了慧星运动的轨迹和天体摄动现象等牛顿和他的力学体系在18世纪及以后的一系列事实，证实了牛顿力学的真理性，从而得到了广泛的承认。对证实牛顿万有引力定律有重要意义的事实，一是哈雷慧星的发现,二是地球形状的证实,三是关于行星摄动现象的证实。此外，如关于引力常数G的测定等，也都证实了万有引力定律。1781年，英国天文学家赫舍尔（1738～1822）发现了天王星，首次发现了行星的摄动。1799年，法国著名科学家拉普拉斯（1749～1827）出版了《天体力学》一书，建立了行星运动的摄动理论和行星的形状的理论，进一步证实了万有引力定律的正确性。在这之后，人们运用万有引力定律对天王星摄动现象进行复杂的计算，预言了海王星的存在。1845年发现了海王星，这是对万有引力定律的有力证明。牛顿和他的力学体系一批科学家以牛顿的学说为基础，创立了力学的新的分支。诸如弹性力学、流体力学、材料力学等等。到18世纪末，牛顿和牛顿力学已取得了巨大的威望，运动三定律和万有引力定律的地位已牢牢确立。伽利略的慣性定律：『不受外力作用的物體，沿一直線作等速度運動』。牛頓把它運用在地球與月球的系統上；如果地球對月球沒有任何作用力的話，月球將沿著圓形軌道的切線方向飛出去，然而月球並沒有飛出去，依然在圓周上繞著地球運轉，表示月球一定受到地球的引力而被拉住。換句話說：月球一直沿著圓形軌道的切線方向飛出，但地球的引力一直把月球拉著掉下來，結果，月球永遠在圓形軌道上運動。地球會吸引月球，當然也會吸引烏爾索普的蘋果往地上掉了，這是兩個同性質的力的作用，牛頓的靈感太偉大了！[原理]一書是所有的科學著作中最偉大的一本，用拉丁文撰寫的。全書論述周密，文風雅正，表現超脫，接近於現代真理的科學文體，是為其他的物理學家而寫。全書分前言及三卷：前言和第一卷是他著名的運動定律，討論在無阻力的狀態下，物體運動所遵循的定律。第二卷研究物體在阻力下的運動情形。第三卷論述萬有引力，並以天文學的應用為實例說明。地球對於蘋果和月球都有相同性質的吸引力，那麼這個引力有多大呢？在定性的問題解決之後，牛頓接著想到的當然是定量的問題。根據月球的圓形軌道半徑與其公轉週期，可以得知月球受到地球的引力，是月球在地球旁邊時所受引力的1/3600倍，月球的軌道半徑大約等於地球半徑的60倍，牛頓想：這是否代表引力的大小與地球距離的平方成反比？於是，萬有引力定律產生了：『宇宙間的一切物體，彼此有一個吸引力的作用，其大小與質量的乘積成正比，與兩物體間的距離平方成反比。』那麼，行星與太陽之間有沒有這一種力呢？根據刻卜勒的行星運動第一定律：行星的軌道是一個橢圓，太陽在兩個焦點之一。牛頓把行星的軌道假設為圓形，予以簡化；行星繞著太陽的運動，就像月球繞著地球運動一樣的情形了。再與刻卜勒第三定律驗證一下？該定律說：行星軌道距離的三次方與行星週期的平方的比值是固定的。牛頓利用行星的軌道距離與週期的關係，來計算太陽與行星之間的作用力，居然與他的萬有引力定律相吻合。這樣，牛頓確信這個定律能夠適用於宇宙間的一切物體。在牛頓離開劍橋之前，由於製作望遠鏡而開始對白光的本質感到興趣並且進行實驗；他用一塊玻璃三角稜鏡把日光分成彩虹的七色光，再用另一個稜鏡恢復為白光；光是由許多色光混合而成的，且有色散現象。望遠鏡的透鏡沒有經過色差的校正，使成像的邊緣帶有彩色；為此，牛頓認為折射望遠鏡無法做到無色差的程度，於是他在1671年製造了第一台反射式望遠鏡，口徑只有2.5公分，在倫敦的皇家學會展示，因為此項重大發現，在1672年當選為英國皇家學會會員。1642年012月25日，牛頓誕生於烏爾索坡。父親己過世。1645年3母親改嫁鄰材牧師，牛頓與外祖母相依為命。1649年6進私塾念書。製造日晷儀、水車。1655年13入讀中學，寄宿藥師克拉克家。製造風車、水漏時鐘1656年14母親的第二任丈夫去世，牛頓休學回家幫忙。1658年16重回格蘭姆學校。1661年19入劍橋大學三一學院，當工讀生。1664年22獲得三一學院獎學金，停止工讀，專心研究。1665年23大學畢業，留校研究。發明二項式定理。1666年24發明萬有引力、微積分學，研究光譜及望遠鏡。1667年25重回劍橋大學，被選為特別研究員。發明反射望遠鏡。1668年26獲碩士學位。1669年27任三一學院的數學講座教授。開始講授光學。1671年29向皇家學會提供反射望遠鏡。1672年30被選為皇家學會會員。1675年33發現『牛頓環』，提供光的『微粒說』。1677年35萊布尼茲宣告發明微積分學，兩人產生論戰。1684年42開始寫『數學原理』。1687年45『數學原理』出版，舉世震驚。1689年46被選為國會議員。母親過世。1690年48發表宗教論文。1692年50神經衰弱。1693年51微積分學出書。駁斥無神論者。1699年57任造幣局局長。擬訂曆法修正案。接外甥女來往。1700年58發明六分儀。1701年59連任國會議員。1703年61任皇家學會會長。1704年62『光學』出版。1705年63安妮女王封為爵士。1708年66微積分學公開論戰。1711年69出版分析學。1725年83遷居郊區養病。1726年84『數學原理』三版。1727年85三月二十日逝世，葬於西敏寺。牛頓可以明確地描述運動定律，更能準確地預測物體的運動狀況，在古典物理學上有卓越的貢獻。當英國的天文學家哈雷稱讚牛頓在天體物理學上的成就時，牛頓謙虛地回答：如果說我看得比別人遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。今天我們研究物理學或天體物理學，都把理論建立在牛頓力學的基礎上，就像當年牛頓的研究，都建立在四大天文學家的研究結果上一樣，意含著科學研究在承先啟後上的意義。四大天文學家分別是：哥白尼、第谷、刻卜勒、和伽利略。牛顿时代其它科学的发展十七八世纪自然科学的主要成果是牛顿力学的形成.牛顿的科学成就和科学思想开辟了一个新的时代,力学在一个时期里率先发展,通过许多人的努力日趋完善.其它自然科学也取得了许多成果.整个来说,其它各门自然科学尚处在积累资料并逐渐形成为独立学科的时期.微积分的建立笛卡儿坐标几何和解析几何,把代数和几何统一起来,把曲线看成点的轨迹.用方程表示曲线.微积分的建立哥列高利(1638-1675)建立了函数的概念.牛顿从解决力学的需要建立了微积分学.主要的《分析学》,《流数法》及《求积术》德国数学家莱布尼兹从研究几何出发,也独立地建立了微积分学光学望远镜,眼镜,透镜的制造为光学奠定了基础.古代人发现光是直线传播的和反射现象.伽利略曾提出光是按的限速度传播的,开普勒考察过光的折射现象.并认为光的强度与光源距离的平方成反比而衰减.荷兰数学家斯涅耳(15