杨维纮
绪论
第一章 质点运动学
第二章 质点动力学
第三章 动量
第四章 机械能守恒
第五章 角动量定理
第六章 刚体力学
第七章 振动和波
第八章 相对论
中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
绪 论
一、物理学以前称为自然哲学
二、物理学的研究对象
三、物理学的任务和目的
四、物理学的理论与实验
五、科学与技术
六、物理学的研究方法和科学态度
七、力学的发展史
八、物理学的学习要求
中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
一、物理学以前称为自然哲学
古希腊人把所有对自然界的观察和思考,
笼统地包含在一门学问里,那就是自然哲学,
科学分化为天文学、力学、物理学、化学、
生物学、地质学等,只是最近几百年的事。
在牛顿的时代里,科学和哲学还没有完全分
家。牛顿划时代的著作名为,自然哲学的数
学原理”,就是一个明证。物理学最直接地
关心自然界最基本规律,所以牛顿把当时的
物理学叫做自然哲学。
中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
二、物理学的研究对象
? 物理学是探讨 物质结构、运动基本规律和相
互作用 的科学
? 物理学是一门 实验科学,物理学实验是物理
学理论正确与否的仲裁者
? 随着科学的发展,从物理学中不断地分化出
诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、
凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子
体物理等名目繁多的新分支,以及从物理学
和其它学科的杂交中生长出来的。诸如天体
物理、地球物理、化学物理、生物物理等众
多交叉学科。
中
国
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技
术
大
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纮
三、物理学的任务和目的
?用一系列 尽可能简明 的概念和方程(定
律),去 统一概括 物质的结构和运动的
基本规律
?物理学依赖于一种基本的信念,物理世
界存在着完整的因果链条,即自然界是
统一的,牛顿力学则是体现这种信念的
第一个成功的范例。
中
国
科
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技
术
大
学
杨
维
纮
统一的自然界
从牛顿力学的创建到现在,已经有三百
多年了,物理学已经大大发展了,远远超过
了经典力学原有的水平。但是,就物理学的
最基本的追求和物理学的总目标来说,却一
直没有变化。经典力学时代的追求和目标,
可以说时至今日仍然是整个物理学的追求和
目标。这个最基本的追求和目标,就是自然
界的统一。的确,丛整个物理学的发展中,
可以看到一条鲜明的主线,这就是执着地追
求宇宙的统一,找寻支配宇宙万物的最基本
最统一的规律。
中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
统一的自然界
相信存在统一,努力寻求统一,如
果仅仅作为一种自然观,早在古代已经
有了。老子的, 道德经, 中写有:“道
生一、一生二、二生三、三生万物。”
这就是中国古代的一种统一观,它完全
可以与爱因斯坦所提及的古希腊的哲学
相媲美。不过,无论在古代中国或古希
腊,统一观都只是一种哲学思辨。
中
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大
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维
纮
统一的自然界
牛顿的力学和古代的哲学不同,它不是
思辨地坚持统一观,而是发展了寻找统一的
有效的物理方法。牛顿在他的最重要的力学
著作, 自然哲学的数学原理, 中阐明了他采
用的方法。他在前言中写道:,我奉献这一
作品,作为哲学的数学原理,因为哲学的全
部责任似乎在于 —— 从运动的现象去研究自
然界中的力,然后从这些力去说明其它的现
象。” 这就是说,寻求统一的出发点不是思
辨而应是运动现象。自然界中的运动现象是
多种多样的,物理学的责任就在于寻找支配
这些现象的统一的力。
中
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技
术
大
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杨
维
纮
统一的自然界
今天的物理学,仍然大体地沿袭着
牛顿所开创的研究途径:寻找统一的力,
或统一的相互作用。因此,几乎所有基
本的物理理论都称做某种力学,如 牛顿
力学、电动力学、色动力学 等等。每一
种新的力学的确立,都标志着我们在追
求统一的途程上达到了一个新的水平。
中
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大
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纮
统一的自然界
牛顿的力学和万有引力定律,是物理学
上第一次大的统一。 在牛顿之前,传统的观
念认为支配天体运行和支配地面物体运动的
规律是不相同的,有所谓天界和世俗两个世
界之分。 然而,牛顿发现,天上行星和月亮
的运动,实际上和地面落体运动遵从相同的
规律,它们都是由引力引起的。这样,牛顿
就用他的力学打破了天界和世俗的界限,找
到了两个世界的统一。 牛顿称引力为万有引
力,就是强调这种统一 。
中
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技
术
大
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纮
统一的自然界
第二次大的统一,是由十九世纪的麦克
斯韦完成的。他建立了电磁理论,使电、磁
及光学现象得到统一。这就是电动力学。很
快发现,牛顿的力学和麦克斯韦的电磁学这
两大领域在时空观上是很不协调的。 在前者
中,各种匀速运动是平权的,但却假定有绝
对空间或绝对速度存在。相反,在后者中,
有一个地位特殊的速度,即光速,但却始终
测不出这个特殊的速度是相对于哪一个绝对
空间而言的。 爱因斯坦抛弃了绝对空间观念,
使电磁学、力学在新的时空观的基础上达到
了协调和统一 。
中
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纮
统一的自然界
?爱因斯坦还曾企图把引力和电磁力二者
统一起来,但他的努力没有成功。然而,
他却找到了能与麦克斯韦电磁理论相协
调的引力理论 —— 广义相对论。
?作为引力理论的广义相对论和作为电磁
理论的麦克斯韦理论构成了我们今天称
为经典物理学的理论基础。
中
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统一的自然界
? 与经典物理相对的是量子论。量子力学最初
是作为原子、分子的统一的力学而发展起来
的。这种新的力学统一地解释了原子、分子
的各种光谱现象,统一地解释了元素周期表,
统一地解释了各种分子的键合。
? 在将量子力学扩展到电磁场时,遇到了困难,
这本质上是由于电磁场是相对论性的。直到
二十世纪四十年代未,发展了所谓重整化方
法才巧妙地解决了上述的困难,使量子论与
电磁理论能得以统一,产生了量子电动力学。
中
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纮
四、物理学的理论与实验
? 物理学定律是很多(有限)个实验或现象的总结和
概括,是 相对真理,会不断被新的定律修正。
? 由物理学定律出发,经过合适的逻辑推演而得的结
论,我们称之为“定理”。 物理学的理论是物理学
定律和定理的集合。
? 自然科学各领域和工程技术都建立在物理学定理的基
础上。
? 物理学实验是物理学理论正确与否的仲裁者。物理学
实验在物理学的发展中扮演着非常重要的角色。 物理
学实验要求具有可重复性。
中
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四、物理学的理论与实验
否定一种理论只需一个实验,但实验证据再
多也“证明”不了一种理论。这是因为,
? 无论多少次实验结果都是有限的,不能证明
理论对所概括的一切情况正确;
? 实验总是在某种精度范围内做的;
? 没有一个理论是独一无二的,例如永动机不
可能这条能量守恒定律以前用“人力有限”
来解释,大气压强以前用“自然害怕真空”
来解释。
中
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四、物理学的理论与实验
一个理论被另一个理论取代,有时原因
并不在于实验证据要求废弃这种理论,
而在于新理论在如下一些方面更满足人
们需要,
?概念更简明;
?数学形式更简练;
?某些方面更深入;
?假定的内容更少; ……
中
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五、科学与技术
社会上习惯于把科学和技术联在一起,
统称“科技”,实际上二者既有密切联系,
又有重要区别。科学解决理论问题,技术解
决实际问题。科学要解决的问题,是发现自
然界中确凿的事实和现象之间的关系,并建
立理论把这些事实和关系联系起来;技术的
任务则是把科学的成果应用到实际问题中去。
科学主要是和未知的领域打交道,其进展,
尤其是重大的突破,是难以预料的;技术是
在相对成熟的领域内工作,可以作比较准确
的规划。
中
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六、物理学的研究方法和科学态度
1,提出命题
2,推测答案
3,理论预言
4,实验检验
5,修改理论
中
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1,提出命题
命题一般是从新的观测事实或实
验事实中提炼出来的,也可能是从已
有原理中推演出来的。
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2,推测答案
答案可以有不同的层次:建立唯
象的物理模型;用已知原理和推测对
现象作定性的解释;根据现有理论进
行逻辑推理和数学演算,以便对现象
作出定量的解释;当新事实与旧理论
不符时,提出新的假说和原理去说明
它,等等。
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3,理论预言
? 作为一个科学的论断,新的理论 必须提出能够为
实验所证伪的预言。 这是真、伪科学的分野。
? 为什么说“证伪”而不说“证实”?因为多少个
正面的事例也不能保证今后不出现反例,但一个
反例就足以否定它,所以理论是不能完全被证实
的。
? 为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在
我们中间存在着一种不可探知的外来生灵。你怎
么驳倒他?对这种论断,你既不能说它正确,又
不能说它错误。我们只能说,因为它不能用实验
来证伪,所以不是科学的论断。
中
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4,实验检验
物理学是实验的科学,一切理论
最终都要以观测或实验的事实为准则。
理论不是唯一的,一个理论包含的假
设越少、越简洁,同时与之符合的事
实越多、越普遍,它就越是一个好的
理论。
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5,修改理论
当一个理论与新的实验事实不符
合,或不完全符合时,它就面临着修
改或被推翻。不过,那些经过大量事
实检验的理论是不大会被推翻的,只
是部分地被修改,或确定其成立范围。
中
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七、力学的发展史
? 早在 (公元前 287~212)古希腊 阿基米德 著的, 论比
重, 就奠定了静力学基础。
? 意大利的 达芬奇 (1452~1519)研究滑动摩擦、平衡、
力矩。
? 波兰的 哥白尼 (1473~1543)创立宇宙“日心说”。
? 德国的 开普勒 (1571~1630)提出行星运动三定律。
? 意大利的 伽利略 (1564~1642)自由落体规律、惯性
定律及加速度的概念。
? 英国伟大科学家 牛顿 (1643~1727)在 1687年版的
,自然哲学的数学原理, 一书总其大成,提出动
力学的三个基本定律,万有引力定律,天体力学
等。是力学奠基人。
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七、力学的发展史
理论力学部分,
? 瑞士的 伯努利 (1667~1748)确立了虚位移原理。
? 瑞士的 欧拉 (1707~1783)著出, 力学, 用微分
方程研究。
? 法国 达朗伯 (1717~1785)名著, 动力学专论,
达朗伯原理。
? 法国 拉格朗日 (1736~1813)提出第二类拉格朗
日方程 。
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八、物理学的学习要求
?培养物理直观
?了解各种理论的适用范围
?做好习题
主要参考书,
1、中国科技大学杨维纮编, 力学,
2、复旦大学郑永令等编, 力学, …..,
中
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绪论
第一章 质点运动学
第二章 质点动力学
第三章 动量
第四章 机械能守恒
第五章 角动量定理
第六章 刚体力学
第七章 振动和波
第八章 相对论
中
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绪 论
一、物理学以前称为自然哲学
二、物理学的研究对象
三、物理学的任务和目的
四、物理学的理论与实验
五、科学与技术
六、物理学的研究方法和科学态度
七、力学的发展史
八、物理学的学习要求
中
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一、物理学以前称为自然哲学
古希腊人把所有对自然界的观察和思考,
笼统地包含在一门学问里,那就是自然哲学,
科学分化为天文学、力学、物理学、化学、
生物学、地质学等,只是最近几百年的事。
在牛顿的时代里,科学和哲学还没有完全分
家。牛顿划时代的著作名为,自然哲学的数
学原理”,就是一个明证。物理学最直接地
关心自然界最基本规律,所以牛顿把当时的
物理学叫做自然哲学。
中
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二、物理学的研究对象
? 物理学是探讨 物质结构、运动基本规律和相
互作用 的科学
? 物理学是一门 实验科学,物理学实验是物理
学理论正确与否的仲裁者
? 随着科学的发展,从物理学中不断地分化出
诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、
凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子
体物理等名目繁多的新分支,以及从物理学
和其它学科的杂交中生长出来的。诸如天体
物理、地球物理、化学物理、生物物理等众
多交叉学科。
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三、物理学的任务和目的
?用一系列 尽可能简明 的概念和方程(定
律),去 统一概括 物质的结构和运动的
基本规律
?物理学依赖于一种基本的信念,物理世
界存在着完整的因果链条,即自然界是
统一的,牛顿力学则是体现这种信念的
第一个成功的范例。
中
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统一的自然界
从牛顿力学的创建到现在,已经有三百
多年了,物理学已经大大发展了,远远超过
了经典力学原有的水平。但是,就物理学的
最基本的追求和物理学的总目标来说,却一
直没有变化。经典力学时代的追求和目标,
可以说时至今日仍然是整个物理学的追求和
目标。这个最基本的追求和目标,就是自然
界的统一。的确,丛整个物理学的发展中,
可以看到一条鲜明的主线,这就是执着地追
求宇宙的统一,找寻支配宇宙万物的最基本
最统一的规律。
中
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统一的自然界
相信存在统一,努力寻求统一,如
果仅仅作为一种自然观,早在古代已经
有了。老子的, 道德经, 中写有:“道
生一、一生二、二生三、三生万物。”
这就是中国古代的一种统一观,它完全
可以与爱因斯坦所提及的古希腊的哲学
相媲美。不过,无论在古代中国或古希
腊,统一观都只是一种哲学思辨。
中
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统一的自然界
牛顿的力学和古代的哲学不同,它不是
思辨地坚持统一观,而是发展了寻找统一的
有效的物理方法。牛顿在他的最重要的力学
著作, 自然哲学的数学原理, 中阐明了他采
用的方法。他在前言中写道:,我奉献这一
作品,作为哲学的数学原理,因为哲学的全
部责任似乎在于 —— 从运动的现象去研究自
然界中的力,然后从这些力去说明其它的现
象。” 这就是说,寻求统一的出发点不是思
辨而应是运动现象。自然界中的运动现象是
多种多样的,物理学的责任就在于寻找支配
这些现象的统一的力。
中
国
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统一的自然界
今天的物理学,仍然大体地沿袭着
牛顿所开创的研究途径:寻找统一的力,
或统一的相互作用。因此,几乎所有基
本的物理理论都称做某种力学,如 牛顿
力学、电动力学、色动力学 等等。每一
种新的力学的确立,都标志着我们在追
求统一的途程上达到了一个新的水平。
中
国
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统一的自然界
牛顿的力学和万有引力定律,是物理学
上第一次大的统一。 在牛顿之前,传统的观
念认为支配天体运行和支配地面物体运动的
规律是不相同的,有所谓天界和世俗两个世
界之分。 然而,牛顿发现,天上行星和月亮
的运动,实际上和地面落体运动遵从相同的
规律,它们都是由引力引起的。这样,牛顿
就用他的力学打破了天界和世俗的界限,找
到了两个世界的统一。 牛顿称引力为万有引
力,就是强调这种统一 。
中
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统一的自然界
第二次大的统一,是由十九世纪的麦克
斯韦完成的。他建立了电磁理论,使电、磁
及光学现象得到统一。这就是电动力学。很
快发现,牛顿的力学和麦克斯韦的电磁学这
两大领域在时空观上是很不协调的。 在前者
中,各种匀速运动是平权的,但却假定有绝
对空间或绝对速度存在。相反,在后者中,
有一个地位特殊的速度,即光速,但却始终
测不出这个特殊的速度是相对于哪一个绝对
空间而言的。 爱因斯坦抛弃了绝对空间观念,
使电磁学、力学在新的时空观的基础上达到
了协调和统一 。
中
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统一的自然界
?爱因斯坦还曾企图把引力和电磁力二者
统一起来,但他的努力没有成功。然而,
他却找到了能与麦克斯韦电磁理论相协
调的引力理论 —— 广义相对论。
?作为引力理论的广义相对论和作为电磁
理论的麦克斯韦理论构成了我们今天称
为经典物理学的理论基础。
中
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统一的自然界
? 与经典物理相对的是量子论。量子力学最初
是作为原子、分子的统一的力学而发展起来
的。这种新的力学统一地解释了原子、分子
的各种光谱现象,统一地解释了元素周期表,
统一地解释了各种分子的键合。
? 在将量子力学扩展到电磁场时,遇到了困难,
这本质上是由于电磁场是相对论性的。直到
二十世纪四十年代未,发展了所谓重整化方
法才巧妙地解决了上述的困难,使量子论与
电磁理论能得以统一,产生了量子电动力学。
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四、物理学的理论与实验
? 物理学定律是很多(有限)个实验或现象的总结和
概括,是 相对真理,会不断被新的定律修正。
? 由物理学定律出发,经过合适的逻辑推演而得的结
论,我们称之为“定理”。 物理学的理论是物理学
定律和定理的集合。
? 自然科学各领域和工程技术都建立在物理学定理的基
础上。
? 物理学实验是物理学理论正确与否的仲裁者。物理学
实验在物理学的发展中扮演着非常重要的角色。 物理
学实验要求具有可重复性。
中
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四、物理学的理论与实验
否定一种理论只需一个实验,但实验证据再
多也“证明”不了一种理论。这是因为,
? 无论多少次实验结果都是有限的,不能证明
理论对所概括的一切情况正确;
? 实验总是在某种精度范围内做的;
? 没有一个理论是独一无二的,例如永动机不
可能这条能量守恒定律以前用“人力有限”
来解释,大气压强以前用“自然害怕真空”
来解释。
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四、物理学的理论与实验
一个理论被另一个理论取代,有时原因
并不在于实验证据要求废弃这种理论,
而在于新理论在如下一些方面更满足人
们需要,
?概念更简明;
?数学形式更简练;
?某些方面更深入;
?假定的内容更少; ……
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五、科学与技术
社会上习惯于把科学和技术联在一起,
统称“科技”,实际上二者既有密切联系,
又有重要区别。科学解决理论问题,技术解
决实际问题。科学要解决的问题,是发现自
然界中确凿的事实和现象之间的关系,并建
立理论把这些事实和关系联系起来;技术的
任务则是把科学的成果应用到实际问题中去。
科学主要是和未知的领域打交道,其进展,
尤其是重大的突破,是难以预料的;技术是
在相对成熟的领域内工作,可以作比较准确
的规划。
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六、物理学的研究方法和科学态度
1,提出命题
2,推测答案
3,理论预言
4,实验检验
5,修改理论
中
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1,提出命题
命题一般是从新的观测事实或实
验事实中提炼出来的,也可能是从已
有原理中推演出来的。
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2,推测答案
答案可以有不同的层次:建立唯
象的物理模型;用已知原理和推测对
现象作定性的解释;根据现有理论进
行逻辑推理和数学演算,以便对现象
作出定量的解释;当新事实与旧理论
不符时,提出新的假说和原理去说明
它,等等。
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3,理论预言
? 作为一个科学的论断,新的理论 必须提出能够为
实验所证伪的预言。 这是真、伪科学的分野。
? 为什么说“证伪”而不说“证实”?因为多少个
正面的事例也不能保证今后不出现反例,但一个
反例就足以否定它,所以理论是不能完全被证实
的。
? 为什么要求能用实验来证伪?假如有人宣称:在
我们中间存在着一种不可探知的外来生灵。你怎
么驳倒他?对这种论断,你既不能说它正确,又
不能说它错误。我们只能说,因为它不能用实验
来证伪,所以不是科学的论断。
中
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4,实验检验
物理学是实验的科学,一切理论
最终都要以观测或实验的事实为准则。
理论不是唯一的,一个理论包含的假
设越少、越简洁,同时与之符合的事
实越多、越普遍,它就越是一个好的
理论。
中
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5,修改理论
当一个理论与新的实验事实不符
合,或不完全符合时,它就面临着修
改或被推翻。不过,那些经过大量事
实检验的理论是不大会被推翻的,只
是部分地被修改,或确定其成立范围。
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七、力学的发展史
? 早在 (公元前 287~212)古希腊 阿基米德 著的, 论比
重, 就奠定了静力学基础。
? 意大利的 达芬奇 (1452~1519)研究滑动摩擦、平衡、
力矩。
? 波兰的 哥白尼 (1473~1543)创立宇宙“日心说”。
? 德国的 开普勒 (1571~1630)提出行星运动三定律。
? 意大利的 伽利略 (1564~1642)自由落体规律、惯性
定律及加速度的概念。
? 英国伟大科学家 牛顿 (1643~1727)在 1687年版的
,自然哲学的数学原理, 一书总其大成,提出动
力学的三个基本定律,万有引力定律,天体力学
等。是力学奠基人。
中
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七、力学的发展史
理论力学部分,
? 瑞士的 伯努利 (1667~1748)确立了虚位移原理。
? 瑞士的 欧拉 (1707~1783)著出, 力学, 用微分
方程研究。
? 法国 达朗伯 (1717~1785)名著, 动力学专论,
达朗伯原理。
? 法国 拉格朗日 (1736~1813)提出第二类拉格朗
日方程 。
中
国
科
学
技
术
大
学
杨
维
纮
八、物理学的学习要求
?培养物理直观
?了解各种理论的适用范围
?做好习题
主要参考书,
1、中国科技大学杨维纮编, 力学,
2、复旦大学郑永令等编, 力学, …..,
中
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