力学基本定律的形成Word格式文档下载.docx

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火炮的运用推动了抛射体的研究。

天体运行的规律

提供了机械运动最纯粹、最精确的数据资料，使得人们有可能排除摩擦

和空气阻力的干扰，得到规律性的认识。

天文学的发展为力学找到了一

个最理想的“实验室”——天体。

但是，天文学的发展又和航海事业分

不开，只有等到16、17世纪，这时资本主义生产方式开始兴起，海外贸

易和对外扩张刺激了航海的发展，这才提出对天文作系统观测的迫切要

求。

第谷·

布拉赫（Tycho 

Brahe， 

1546—1601）顺应了这一要求，以

毕生精力采集了大量观测数据，为开普勒（Johannes 

Kepler，1571—

1630）的研究作了准备。

开普勒于1609年和1619年先后提出了行星运

动的三条规律，即开普勒三定律。

与此同时，以伽利略（Galileo 

Galilei， 

1564—1642）为代表的

物理学家对力学开展了广泛研究，得到了落体定律。

伽利略的两部著作：

《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（1632年）和《关于力学

和运动两种新科学的谈话》（简称《两门新科学》）（1638年），为力

学的发展奠定了思想基础。

随后，牛顿（IsaacNewton，1642—1727）把

天体的运动规律和地面上的实验研究成果加以综合，进一步得到了力学

的基本规律，建立了牛顿运动三定律和万有引力定律。

牛顿建立的力学

体系经过D.伯努利（Daniel 

Bernoulli，1700—1782）、拉格朗日

（，1736—1813）、达朗贝尔（Jean 

le 

Rond 

d’Alembert，

1717—1783）等人的推广和完善，形成了系统的理论，取得了广泛的应

用并发展出了流体力学、弹性力学和分析力学等分支。

到了18世纪，经

典力学已经相当成熟，成了自然科学中的主导和领先学科。

机械运动是最直观、最简单、也最便于观察和最早得到研究的一种

运动形式。

但是，任何自然界的现象都是错综复杂的，不可避免地会有

干扰因素，不可能以完全纯粹的形态自然地展现在人们面前，力学现象

也不例外。

因此，人们要从生产和生活中遇到的各种力学现象抽象出客

观规律，必定要有相当复杂的提炼、简化、复现、抽象等实验和理论研

究的过程。

和物理学的其它部门相比，力学的研究经历了更为漫长的过

程。

从希腊时代算起，这个过程几达两千年之久。

其所以会如此漫长，

一方面是由于人类缺乏经验，弯路在所难免，只有在研究中自觉或不自

觉地摸索到了正确的研究方法，才有可能得出正确的科学结论。

再就是

生产水平低下，没有适当的仪器设备，无从进行系统的实验研究，难以

认识和排除各种干扰。

例如：

摩擦和空气阻力对力学实验来说恐怕是无

处不在的干扰因素。

如果不加分析，凭直觉进行观察，往往得到错误结

论。

亚里士多德（Aristotle，公元前384—322）认为物体运动速度与外

力成正比、重物下落比轻物快和后来人们用“冲力”解释物体的持续运

动以及用“自然界惧怕真空”解释抽水唧筒的种种似是而非的论点，看

起来确与经验没有明显的矛盾，所以长期没有人怀疑。

而伽利略和牛顿

的功绩，就是把科学思维和实验研究正确地结合到了一起，从而为力学

的发展开辟了一条正确的道路。

1.2 

伽利略的运动学研究

1638年，伽利略的《两门新科学》一书的出版，揭开了物理学的序

幕。

他在这本不朽的著作中整理并公布了三十年前他得到的一些重要发

现。

1639年1月，这位年迈失明的作者口授了一封给友人的信，提到这

①

本书时讲道 

：

“我只不过假设了我要研究的那种运动的定义及其性质，

然后加以证实。

?

我声明我想要探讨的是物体从静止开始，速度随时

间均匀增加的这样一种运动的本质。

我证明这样一个物体经过的空

间（距离）与时间的平方成正比。

我从假定入手对如此定义的运动

进行论证；

因此即使结果可能与重物下落的自然运动的情况不符，对我

也无关紧要。

但是我要说，我很幸运，因为重物运动及其性质，一项项

都与我所证明的性质相符。

”他的这一席话对后人了解他在运动学研究

上作出种种发现也许会很有益处。

1.2.1 

伽利略为什么要研究自由落体

西方有句谚语：

“对运动无知，也就对大自然无知。

”运动是万物

的根本特性。

在这个问题上，自古以来，出现过种种不同的看法，形成

了形形色色的自然观。

在 

16世纪以前，亚里士多德的运动理论居统治地

位。

他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素

各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质。

他把运

动分成自然运动和强迫运动：

重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心

作圆周运动，也是自然运动；

而要让物体作强迫运动，必需有推动者，

即有施力者。

力一旦去除，运动即停止。

既然重物下落是物体的自然属

性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大。

于是，从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量

成正比的结论。

亚里士多德的理论基本上是错误的，但这一理论毕竟是从原始的直

接经验引伸而来，有一定的合理成分，在历史上也起过进步作用，再加

上被宗教利用，所以直到16世纪，仍被人们敬为圣贤之言，不可触犯。

正因为如此，批驳亚里士多德关于落体运动的错误理论，不仅是一

个具体的运动学问题，也是涉及自然哲学的基础问题，是从亚里士多德

的精神枷锁下解脱的一场思想革命的重要组成部分。

伽利略在这场斗争

中作出了非常重要的贡献。

他认识到通过自由落体的研究打开的缺口，

会导致一门广博的新科学出现。

请读读他在《两门新科学》中核心的一

章，即“第三天的谈话”，开头讲的一段话 

“我的目的，是要阐述一门崭新的科学，它研究的却是非常古老的

课题。

也许，在自然界中最古老的课题莫过于运动了。

哲学家们写的关

于这方面的书既不少，也不小，但是我从实验发现了某些值得注意的性

质，到现在为止还未有人观察或演示过。

也做过一些表面的观察，例如

观察到下落重物的自然运动是连续加速的，但还从未有人宣布过，这一

加速达到什么程度；

据我所知，还没有一个人指出，一个从静止下落的

物体在相等的时间间隔里，保持按从1开始的奇数的比数。

“我考虑更重要的是，一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面

的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索

到各个遥远的角落。

”

1.2.2 

近代科学诞生的前奏

伽利略于1564年出生在意大利一个贵族家庭里，从小爱好文艺和科

学。

他所处的时代正值文艺复兴之后思想大解放的时期，意大利是文艺

复兴的发源地，思想非常活跃。

其杰出代表达·

芬奇（Leonard 

da 

Vinci，

1452—1519）不仅是艺术家和工程师，还做过许多物理实验，主张在科

学工作中多进行实验观察；

波兰人哥白尼（Copernicus，1473—1543）

主张日心说，公开向亚里士多德的信仰者挑战；

英国人弗兰西斯·

培根

（Francis 

Bacon，1561—1626）大力宣传实验的重要性，极力反对经院

哲学，为伽利略的工作鸣锣开道，可以说，他们是伽利略工作的前驱。

数学上也有人为新科学的诞生作了准备，13—14世纪英国牛津大学

的梅尔顿（Merton）学院集聚了一批数学家，对运动的描述作过研究，

他们提出了平均速度的概念，后来又提出加速度的概念。

不过，他们从

未用之于落体运动。

亚里士多德关于重物下落速度快的结论与实际经验不符，理所当然

会受到科学家的实验检验。

就在伽利略所在的比萨（Pisa）也多次记载

有落体的研究。

例如，伽利略的一位老师，叫包罗（Giro- 

lamo 

Borro），

是哲学教授，就曾在自己1575年发表的书中写道 

“我们从窗口以同样的力投两个重量相同的物体，铅块慢于木块。

不过，铅块和木块可能是抛出窗外的。

1544年，有一位历史学家记述了三个人曾对亚里士多德的落体思想

表示怀疑。

他们注意到亚里士多德的意见与实际经验不符。

但书中没有

描述具体的实验。

1576年意大利帕都亚「Padua」有一位数学家叫莫勒第「G.Moletti」，

写了一本小册子叫《大炮术》，也是以当时惯用的对话方式进行论述的。

其中有一段明确地提到落体运动，请读下面一段对话 

“王子：

如果从塔顶我们放下两个球，一个是重20磅的铅球，另一

个是重1磅的铅球，大球将比小球快20倍。

作者：

我认为理由是充分的，如果有人问我，我一定同意这是一条

原理。

王子：

亲爱的先生，您错了。

它们同时到达。

我不是只做过一次试

验，而是许多次。

还有，和铅球体积大致相等的木球，从同一高度释放，

也在同一时刻落到地面或土壤上。

如果高贵的大人不告诉我您做过这样的试验，我还会不相信

呢！

那好，可是怎样拯救亚里士多德呢？

许多人都设法用不同的方法来拯救他，但实际上他没有得到

拯救。

老实告诉您，我也曾以为自己找到了一个办法来拯救，但再好好

思考，又发现还是救不了他。

由此可见，关于落体问题的讨论在伽利略1589年当比萨大学教授之

前已经广泛展开了，并且已有人作过实验，得到的结果其实是尽人皆知

的生活经验。

问题在于，没有人敢于触犯亚里士多德的教义。

因为亚里

士多德的理论指的是落体的自然运动，即没有媒质作用的自由落体运

动，这是一种理想情况，在没有真空泵的16世纪谁都没有可能真正做这

类实验。

1.2.3 

伽利略的落体实验

关于伽利略的比萨斜塔实验，传说纷纭。

有人说，他这个落体实验

对亚里士多德的理论是致命一击，由此批驳了亚里士多德的落体速度与

重量成正比的说法，得出落体加速度与其重量无关的科学结论；

有人说，

他用大小相同而重量不等的两个球，得到同时落地的结果；

甚至有人说

他是用炮弹和***弹做实验的。

有人则过分宣扬伽利略的落体实验，说他

是第一个做落体实验的人。

然而，伽利略在《两门新科学》中，并没有提到他在比萨斜塔做过

实验。

有关这个实验的说法大概来自他晚年的学生维维安尼（Viviani，

1622—1703）在《伽利略传》中的一段不准确的回忆。

这篇传记是在伽

利略死后十几年即1657年出版的。

其中有这样一段记述 

“使所有哲学家极不愉快的是，通过实验和完善的表演与论证，亚

里士多德的许多结论被他（指伽利略）证明是错的，这些结论在他之前

都被看成是神圣不可冒犯的。

其中有一条，就是材料相同，重量不同的

物体在同样的媒质中下落，其速率并不像亚里士多德所说的那样，与其

重量成正比，而是以相等的速率运动。

伽利略在其他教授和全体学生面