物理学史

物理学史总结，包括力学的发展、天文学进展、科学革命的序幕、惯性定律的建立、万有引力、碰撞研究、牛顿以后的力学发展等内容。

物理学史

• 力学的发展
  • 历史概述
    • 静力学（生产：杠杆、螺旋、滑轮、斜面） 古希腊：阿基米德：杠杆原理、浮力原理 中国：《墨经》大量力学原理
    • 16世纪：航海、战争、工业 钟表~匀速运动 火炮～抛射体 天文学：航海刺激天文观测：第谷·布拉赫（数据），开普勒提出三条规律（1609-1619）
    • 16-17世纪： 伽利略：落体定律 牛顿：牛顿三定律、万有引力定律
      • 落体定律：
      • 牛顿三定律、万有引力定律：
        • 伯努利：流体力学
        • 拉格朗日：弹性力学：
        • 达朗贝尔：分析力学：
    • 18世纪：相当成熟，自然科学主导和领先学科
  • 天文学进展、科学革命的序幕
    • 哥白尼日心说：宇宙观的革命
      • 推翻古希腊统治的地心说
        • 1.观测局限 2.缺少积累、证据 3.宇宙不变，天的不变
          • 托勒密地心模型
      • 14-15世纪生产发展 封建社会内部资本主义生产关系形成，与资产阶级经济、利益适应⇨新的运动（反对神学世界观、宇宙观，摆脱教会思想束缚，冲破神学、哲学的传统教条⇨达芬奇～文艺复兴）
        • 天文学成为冲破突破口
      • 16世纪波兰天文学家：哥白尼，日心体系，行星（水、金、地、火、木同心圆周，月球绕地球）
      • 16世纪，布鲁诺：“怀疑原则”宇宙是无限的，太阳系外还有无数世界
    • 第谷、开普勒
      • ●开普勒：1571-1630，德国人，12岁修道院学习⇨1587进入杜宾根大学（麦斯特林，宣传哥白尼）⇨1594奥地利格拉茨中学数学老师
        • 《神秘的宇宙》几何图形宇宙结构
      • ●1597-1560两度邀请开普勒（数学天才），1600.2.3到第谷身边助手
      • ●第谷在1576丹麦国王资助，哥本哈根海峡修建天文台，对大气折射率修正准确观测
      • ●1601.10.24第谷去世，开普勒整理数据（偏心圆假设）火星⇨椭圆曲线轨道，⇨椭圆定律⇨第二定律
        • 椭圆定律（开普勒第一定律）：火星沿围绕太阳的椭圆轨道运行，太阳位于椭圆一个焦点上。
        • 开普勒第二定律：在同时间里，火星向径（太阳中心—行星中心连线）在轨道平面内扫过面积相等
        • 1609年出版《新天文学》
          • 打破两千年来天体只做匀速圆周运动观念
      • ●开普勒认为宇宙应该是和谐天体，九年，二分之三次方定律
        • 行星运动周期的平方与其距太阳的平均距离之三次方成比例，周期定律
          • 1619《宇宙和谐论》
    • 伽利略
      • ●伽利略·伽利雷，1564.2.15-1642.1.8意大利（观测天文学之父、现代物理之父、科学方法之父、现代科学之父，研究速度，加速度，重力，自由落体，相对论，惯性，弹丸运动）描述摆的性质，静水平衡，发明温度计，罗盘，望远镜……
      • ●1609.5月，听说荷兰人发明望远镜，立即用一平凸透镜、凹透镜观测天体，1610获几大发现⇨《星界信使》
      • ●木星4颗卫星
      • ●太阳黑子⇨太阳自传⇨周期27天
      • ●《关于托勒密和哥白尼两大世界体系对话》四天对话
        • 第一天：批判亚里士多德关于天体组成和性质完全不同于地球，论证天体和地球在本质上是一样的。列举新星出现、彗星兴衰、太阳黑子变化，驳斥“不变”
        • 第二天：驳斥地球不动观点，提出相对性、惯性、运动叠加
        • 第三天：论证地球周年运动
        • 第四天：叙述了潮汐理论
        • 1632出版，教士列为禁书，1633年罗马教会判为终身软禁
  • 惯性定律的建立
    • 古代认识
      • 古希腊：原子在空虚中直线运动，因为没有阻力，运动极快而永恒
        • 德漠克利特（前460-371）
        • 伊壁鸠鲁（前342-270）
      • 亚里士多德：只有在一个不断作用者直接接触下才能运动（力是维持运动的原因）
    • 中世纪
      • 威廉：运动并不需要力，一旦运动起来就永远运动下去
      • 抛射体：（亚里士多德）推动者：空气⇨抛射体后空虚的区域，自然惧怕空虚，空气填充，推动！
      • 布里丹：冲力理论：推动者在推动一个物体运动时，便对他施加冲力
        • 发展为冲量
    • 伽利略
      • 斜面实验：表述惯性定律
      • 等速圆周运动（匀速圆周）也是一种惯性运动
      • 直线运动（限于水平直线）、等速圆周，并没有全面表述惯性定律
    • 笛卡尔
      • 1.1596-1650
      • 2.运动一旦加于物体，就会永远保持下去，除非受到外来手段破坏
        • 直线不限方向
      • 3.1644年《哲学原理》，除非物体受到外因作用，物体将永远保持静止过运动
        • 物体不使自己趋向曲线，保持直线
        • 1.每个单独的物质颗粒将继续保持同一状态，直到其他颗粒相碰迫使改变 2.所有运动，是本身都是直线
  • 万有引力
    • 发现 （牛顿）
      • 1.牛顿1687年发表《自然哲学之数学原理》⇨标志经典力学体系初步建立
      • 2.年轻时（1665年-1666年）瘟疫下乡，奇迹年 1665年发现逼近级数的方法，把任何幂次二项式归结一个级数规则 1665.5，发现计算切线方法 1665.11.发现微积分算法 1666.1发现颜色原理 1666.5开始研究积分算法 同年，想到重力是伸向月球轨道的，估计天体对表面压力后，又开普勒第三定律，计算月球保持在轨道所需要力与地球表面重力近似相等。
      • 3.布里阿德1645年提出著名假设：从太阳发出力，应与距离太阳的距离平方成反比，而开普勒才想是靠磁力
      • 4.离心力公式是推导引力反比定律的必由之路，惠更斯1673年发表离心力公式⇨牛顿用其他方法
      • 5.（顶角受力）/（球运动的力）=ab/bf 推广一步：4顶角受力和/球运动的力=正方形四边和/圆半径 再推广：所有顶角受力总和/球运动的力=边长之和/圆半径 无限多边形⇨圆（球所受力=各边对半径之比）
        • 离（向）心力对时间的积分与动量之比=2哌
      • 6.利用圆周运动和单摆对比离心力和重力
    • 再次研究天体问题 （牛顿）
      • 1.创立微积分后，1679年收胡克信，回答落体轨迹：终止于地心螺旋线⇨胡克回信指出错误 胡克论述：圆周运动，建立完整概念
      • 《原理三部曲》1673年惠更斯提出向心力公式 第一阶段：《论运动》，哈雷、雷恩、胡克谈论，而后哈雷问牛顿：关于平方反比定律轨迹问题，牛顿给出答案：椭圆，证明过程找不到（害怕出错），然还是给与证明，
        • 《原理》前身，仍然停留在物体内部“固有力”维持运动和外界“强迫力”改变运动。 错误：以mv度量力和以ma度量力
      • 第二阶段： 《论物体的运动》：解决了惯性问题，承认圆周运动是一匀加速运动，
      • 第三阶段： 附录加《论世界体系》，突出表述万有引力思想⇨行星在向心力作用下保持轨道运行，并对比抛体运动和星球运动
      • 1687年，《原理》提出更名，把地表力学和天上力学统一在一起，形成三大运动定律基础的力学体系
  • 《自然哲学之数学原理》牛顿的大综合
    • 八大定义
      • 定义一 物质的量（质量） 定义二：运动的量（动量） 定义三：惯性（解释为一种物体固有的力） 定义四：外力 定义五、 定义六、 定义七、 定义八：向心力（当时的尖端问题） 八大定义的补充定义（绝对时间，相对时间，绝对空间，相对空间）
        • 1676年，写信给胡克：如果我看的更远，那是因为站在巨人肩上
    • 四个注释
      • 牛一定律、牛二定律、牛三定律 万有引力定律与极限和其他数学原理的雏形
  • 碰撞研究
    • 早期研究（伽利略）
      • 平衡称测量冲击力和重力对比，⇨称没有偏转
      • 马尔西（1595-1667）《运动的比例》：一个物体无另一个大小相当处于静止物体弹性碰撞，失去自己运动，速度等量交给另一个物体。
    • 笛卡尔
      • 最早建立碰撞原理
        • 主张：世界是物质的，自然现象都可以用力学数学演绎解释
      • 物质具有相等的运动量
        • 物质的量和速度乘积
    • 惠更斯
      • 非弹性物体碰撞，决定性作用的是动量，总和不变
      • 弹性碰撞：还有一位（雷恩），特殊规律，以各自速度弹回
        • 从实验得经验公式求末速度
      • 荷兰物理学家
      • 证明笛卡尔总动量在碰撞中并不总是守恒，而是“大的程度”
        • 质量与速度平方乘积守恒：为后来莱布尼茨活力守恒奠定基础
          • 概要1695年莱布尼茨提出：力和路程的乘积等于“活力”的增加。伯努利也一再强调过“活力守恒”的问题。欧拉从质点在有心力场中运动中发现，如果该质点与吸引中心保持一个确定的距离，那么其“活力”在任何时候都是守恒的。托马斯•杨在1807年创造了“能”这个词来表示“活力”，蓬瑟勒在1826年又创造了“功”这个词。正是从力学的“功”和“能”的关系上，在18世纪人们就认识到，根据能量守恒定律，用纯力学的方法建造永动机是不可能的。进而在18世纪末人们已普遍相信，用任何方法建造永动机都是不可能的。
  • 牛顿以后的力学发展
    • 运动的度量之争
      • 牛顿：运动的量是运动的度量，即速度与质量共同求出
      • 17-18世纪，关于“力”含混不清，笛卡尔和莱布尼茨两个学派争论
      • 笛卡尔：牛顿支持，质量与速度乘积作为“力”或物体运动的运动量度量 莱布尼茨（1686年），落体实验：mv不等，而是质量与速度平方相等
      • 科里奥利：1/2mv^2
      • 1696年，莱布尼茨，mv是死力的度量，即相对静止的物体，mv^2是活力度量，宇宙中真正守恒的是活力的总和
      • 1743年，法国，达朗贝尔，两种度量都有效：1.物体平衡，用mv度量，2.物体受到障碍而停止，只能用克服障碍的能力来表示，mv^2
      • 1738年，伯努利在《流体动力学》引进“势函数”并用于理想流体，得到伯努利方程
    • 分析力学理论
      • 18世纪，以牛三为基础，寻找一种比牛顿更广泛、简洁普遍原理：虚功原理、达朗贝尔原理、最小作用原理、和哈密顿原理
        • 1. 功和能量函数被意义更普遍的拉格朗日函数和哈密顿函数取代引入广泛坐标和代数方法
        • 2. 分析力学的基本理论表现为微分和积分（可以相互推证）等价形式
          • 1.微分形式：从虚速度原理和拉格朗日原理得到拉格朗日的动力学普遍方程
          • 2.积分形式：从最小作用原理发展到哈密顿原理
      • 虚速度原理：1715年由伯努利提出：物体受诸力平衡，则沿各力方向的虚速度之积的总和等于零
        • 1829年，科里奥利、彭塞勒建立功的概念，后成为虚功原理
      • 达朗贝尔原理：1743年，达朗贝尔在《动力学论》引入“惯性力”把动力学问题转化为静力学问题。
      • 1788年，拉格朗日《分析力学》，把虚位移原理和达朗贝尔原理结合起来
      • 1782年，拉普拉斯方程，成为分析力学微分形式。
      • 1744年，莫泊丢
  • 牛顿绝对时空观和马赫的批判
• 热学
  • 历史概述
• 电磁学
• 虚速度“是指设想约束瞬间"凝固",质点保持原有位置不变时约束允许发生的可能速度.
• 2020.10.20