力學(xué)?總綱

伽利略在《兩種新科學(xué)的對話》中用科學(xué)推理和實(shí)驗(yàn)證明了自由落體的規(guī)律，推翻了亞里士多德的錯誤觀點(diǎn)。

馬德堡市做了一個馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，展示了大氣壓力的強(qiáng)大作用。

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中提出了三條運(yùn)動定律和萬有引力定律，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。

伽利略和笛卡兒指出了慣性原理，即沒有外力作用的物體將保持勻速直線運(yùn)動。

胡克提出了胡克定律，即彈簧的彈力和形變量成正比。

伽利略研究了拋體運(yùn)動，提出了最速下落曲線和虛功原理，將音樂和物體振動聯(lián)系起來，提出了光速的概念。

哥白尼提出了日心說，反駁了地心說。

開普勒提出了開普勒三定律，描述了行星運(yùn)動的規(guī)律。

卡文迪許利用扭秤實(shí)驗(yàn)測出了引力常量。

亞當(dāng)斯和勒維烈，以及湯苞，利用萬有引力定律計算并觀測到了海王星和冥王星。

齊奧爾科夫斯基提出了多級火箭和慣性導(dǎo)航的概念，我國成為了第三個掌握載人航天技術(shù)的國家。

蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，世界第一艘載人宇宙飛船帶著尤里加加林第一次踏入太空。

量子力學(xué)和狹義相對論表明經(jīng)典力學(xué)不適用于微觀粒子和高速運(yùn)動物體。




一、牛頓運(yùn)動定律


牛頓運(yùn)動定律是經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，由英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓于1687年在巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里提出，包括牛頓第一定律、牛頓第二定律和牛頓第三定律。

牛頓第一定律又稱為慣性定律，它指出一個物體要么保持靜止，要么保持勻速直線運(yùn)動，除非有外力作用于它。這一定律是在伽利略、笛卡爾等科學(xué)家的研究基礎(chǔ)上，經(jīng)過牛頓的實(shí)驗(yàn)和推理得出的。

牛頓第二定律又稱為加速度定律，它指出一個物體的加速度與作用在它上面的合外力成正比，與它的質(zhì)量成反比。這一定律是牛頓創(chuàng)立的，它能夠主導(dǎo)千變?nèi)f化的物體運(yùn)動和物理現(xiàn)象。

牛頓第三定律又稱為作用反作用定律，它指出每一個作用總有一個大小相等而方向相反的反作用，或者說，兩個物體的相互作用總是大小相等方向相反。這一定律也是牛頓創(chuàng)立的，它揭示了物體間相互作用的本質(zhì)。

牛頓運(yùn)動定律的提出，是科學(xué)史上的一個里程碑，它擺脫了舊觀念的束縛，創(chuàng)立了一種理性的因果關(guān)系架構(gòu)，為經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。



但是牛頓運(yùn)動定律有一定的局限性：

牛頓運(yùn)動定律不適用于高速運(yùn)動，特別是接近光速的運(yùn)動。因?yàn)樵诟咚龠\(yùn)動下，物體的質(zhì)量、長度和時間都會發(fā)生變化，而牛頓運(yùn)動定律沒有考慮這些變化。因此，愛因斯坦建立了狹義相對論來修正經(jīng)典力學(xué)的局限性問題。

牛頓運(yùn)動定律不適用于微觀運(yùn)動，特別是原子和分子的運(yùn)動。因?yàn)樵谖⒂^運(yùn)動下，物體的位置和速度不能同時確定，而牛頓運(yùn)動定律需要知道物體的初始條件。因此，量子力學(xué)建立了一套不同于經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動規(guī)律來描述微觀運(yùn)動。

牛頓運(yùn)動定律不適用于強(qiáng)引力場，特別是黑洞和宇宙大爆炸的情況。因?yàn)樵趶?qiáng)引力場下，時空會發(fā)生彎曲，而牛頓運(yùn)動定律假設(shè)時空是絕對的。因此，愛因斯坦建立了廣義相對論來解釋強(qiáng)引力場下的物理現(xiàn)象。

牛頓運(yùn)動定律雖然有局限性，但在低速、宏觀和弱引力場的情況下，它仍然是一套非常有效和精確的運(yùn)動規(guī)律，為科學(xué)和工程的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

二、萬有引力定律



萬有引力定律的發(fā)展歷程可以概括為以下幾個階段：

在古代和中世紀(jì)，人們對萬有引力的概念還很模糊，認(rèn)為它是位置的一種性質(zhì)，而不是物質(zhì)的性質(zhì)。亞里士多德認(rèn)為重物會向地球的中心運(yùn)動，輕物會向天空的邊緣運(yùn)動，而天體則按照完美的圓形軌道運(yùn)動。

在16世紀(jì)和17世紀(jì)，哥白尼、伽利略、開普勒等人通過天文觀測和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動的規(guī)律，推翻了亞里士多德的地心說，建立了日心說和開普勒三大定律。

在17世紀(jì)末，牛頓通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，即任何兩個物體之間都存在著吸引力，其大小與兩個物體的質(zhì)量成正比，與兩個物體之間的距離的平方成反比。牛頓的萬有引力定律不僅能夠解釋開普勒三大定律，還能解釋潮汐、彗星、地球的形狀等現(xiàn)象。

在18世紀(jì)和19世紀(jì)，拉普拉斯、拉格朗日、高斯等人對萬有引力定律進(jìn)行了進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，解決了行星的攝動、天體的穩(wěn)定性、小行星的發(fā)現(xiàn)等問題。

在20世紀(jì)初，愛因斯坦提出了相對論，指出了萬有引力定律在強(qiáng)引力場和高速運(yùn)動下的局限性，建立了一個更為完善的引力理論，即廣義相對論。廣義相對論能夠解釋水星的近日點(diǎn)進(jìn)動、光的彎曲、引力紅移、引力波等現(xiàn)象。

萬有引力定律是物理學(xué)史上的一個里程碑，它揭示了自然界的一個基本力，為天文學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

電磁學(xué)


庫倫定律


庫侖定律的發(fā)展歷程可以概括為以下幾個階段：

在古代，人們對電荷的性質(zhì)和作用力還很模糊，只知道一些靜電現(xiàn)象，如琥珀、玻璃等物質(zhì)摩擦后能吸引輕小物體。

在17世紀(jì)，法國物理學(xué)家吉爾伯特（Gilbert）首先提出了電荷的概念，將能產(chǎn)生靜電的物質(zhì)稱為電氣，將能被靜電吸引的物質(zhì)稱為非電氣，將帶同種電荷的物體相互排斥，帶異種電荷的物體相互吸引的現(xiàn)象稱為電力作用。

在18世紀(jì)，法國物理學(xué)家杜費(fèi)（Du?Fay）發(fā)現(xiàn)了兩種電荷，即正電荷和負(fù)電荷，他認(rèn)為電力作用是由一種叫做電氣的流體產(chǎn)生的，正電荷是電氣的過剩，負(fù)電荷是電氣的不足。

在18世紀(jì)末，法國物理學(xué)家?guī)靵觯–oulomb）用扭秤實(shí)驗(yàn)測量了兩個帶電小球之間的作用力與兩個小球中心之間的距離的關(guān)系，他發(fā)現(xiàn)了庫侖定律，即兩個帶電小球之間的作用力與兩個小球所帶的電量的乘積成正比，與兩個小球中心之間的距離的平方成反比，且與兩個小球的電荷性質(zhì)有關(guān)，同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。

在19世紀(jì)，法國物理學(xué)家安培（Ampere）和英國物理學(xué)家法拉第（Faraday）分別發(fā)現(xiàn)了電流和磁場之間的相互作用，為電磁學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

在19世紀(jì)末，英國物理學(xué)家麥克斯韋（Maxwell）基于庫侖定律和其他電磁定律，建立了麥克斯韋方程組，揭示了電場和磁場的統(tǒng)一性，預(yù)言了電磁波的存在。

庫侖定律是電學(xué)發(fā)展史上的第一個定量規(guī)律，是電磁學(xué)和電磁場理論的基本定律之一，它的建立使電學(xué)從定性進(jìn)入定量階段，是電學(xué)史中的一塊重要的里程碑，為電磁學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。



閉合電路歐姆定律

閉合電路歐姆定律的發(fā)展歷程可以概括為以下幾個階段：

在19世紀(jì)初，法國物理學(xué)家?guī)靵觯–oulomb）和拉普拉斯（Laplace）等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電流和電阻之間的關(guān)系，即電流跟電阻成反比，但沒有給出數(shù)學(xué)表達(dá)式。

在19世紀(jì)二十年代，德國物理學(xué)家歐姆（Ohm）通過大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電流和電壓之間的關(guān)系，即電流跟電壓成正比，從而提出了歐姆定律，即I=U/R，其中I表示電流，U表示電壓，R表示電阻。

在19世紀(jì)三十年代，英國物理學(xué)家基爾霍夫（Kirchhoff）在研究復(fù)雜電路時，提出了基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，即電路中的電流和電壓遵循一定的規(guī)律，從而為電路分析提供了一般方法。

在19世紀(jì)四十年代，德國物理學(xué)家韋伯（Weber）和英國物理學(xué)家麥克斯韋（Maxwell）等人在研究電磁感應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)了電動勢的概念，即電源在電路中產(chǎn)生的電壓，從而為閉合電路歐姆定律的建立奠定了基礎(chǔ)。

在19世紀(jì)五十年代，德國物理學(xué)家赫爾曼（Helmholtz）和英國物理學(xué)家湯姆森（Thomson）等人在研究電池的性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了電源的內(nèi)阻的概念，即電源本身的電阻，從而為閉合電路歐姆定律的完善提供了條件。

在19世紀(jì)六十年代，德國物理學(xué)家赫茲（Hertz）和英國物理學(xué)家克拉克（Clark）等人在研究電路的測量時，提出了閉合電路歐姆定律的公式，即I=E/(R+r)，其中I表示電路中的電流，E表示電源的電動勢，R表示外部電路的總電阻，r表示電源的內(nèi)阻。

閉合電路歐姆定律的發(fā)展是電路理論和電路分析的重要組成部分，它使人們能夠根據(jù)電源的電動勢和內(nèi)阻，以及外部電路的電阻，來計算電路中的電流和電壓，從而為電路的設(shè)計、優(yōu)化和控制提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)手段。


電磁感應(yīng)定律

電磁感應(yīng)理論的發(fā)展可以概括為以下幾個階段：

在19世紀(jì)初，法國物理學(xué)家安培（Ampere）發(fā)現(xiàn)了電流和磁場之間的相互作用，提出了安培定律，即電流產(chǎn)生磁場。

在19世紀(jì)三十年代，英國物理學(xué)家法拉第（Faraday）發(fā)現(xiàn)了磁場和電流之間的反作用，提出了電磁感應(yīng)定律，即磁場變化產(chǎn)生電流。

在19世紀(jì)四十年代，德國物理學(xué)家楞次（Lenz）在分析實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了判斷感應(yīng)電流分向的法則，即楞次定律，即感應(yīng)電流的方向總是要抵抗磁通量的變化。

在19世紀(jì)五十年代，德國物理學(xué)家諾伊曼（Neumann）借助于安培的分析，從矢勢的角度推出了電磁感應(yīng)電律的數(shù)學(xué)形式，即法拉第-諾伊曼定律，即感應(yīng)電動勢等于穿過電路的磁通量的變化率。

在19世紀(jì)六十年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋（Maxwell）基于電磁感應(yīng)定律和其他電磁定律，建立了麥克斯韋方程組，揭示了電場和磁場的統(tǒng)一性，預(yù)言了電磁波的存在。

電磁感應(yīng)理論的發(fā)展是電磁學(xué)和電磁場理論的重要組成部分，它使人們能夠利用磁場變化來產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)了電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠(yuǎn)距離輸送，為電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法。