近代物理學(xué),尤其是力學(xué)的研究,在伊薩克·牛頓(英國1642-1727)手中得到了綜合。牛頓總結(jié)了前人天體力學(xué)和地面上力學(xué)的成就,系統(tǒng)地提出了力學(xué)概念,提出了運動三定律和萬有引力定律,從而使力學(xué)成為一個完整的理論體系。這個體系的建立,標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的成熟。同時,由于牛頓力學(xué)體系成為了此后300年近代自然科學(xué)整體發(fā)展的理論基礎(chǔ),因此,它的建立也宣告了近代自然科學(xué)革命的成功。
經(jīng)典力學(xué)的基本定律是牛頓運動定律或與牛頓定律有關(guān)且等價的其他力學(xué)原理,它是20世紀(jì)以前的力學(xué),有兩個基本假定:其一是假定時間和空間是絕對的,長度和時間間隔的測量與觀測者的運動無關(guān),物質(zhì)間相互作用的傳遞是瞬時到達(dá)的;其二是一切可觀測的物理量在原則上可以無限精確地加以測定。
牛頓第一定律
一切物體在沒有受到外力作用或受到的合外力為零時,它們的運動保持不變,包括加速度始終等于零的勻速直線運動狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。 牛頓第二定律
物體的加速度與所受外力成正比,與物體的質(zhì)量成反比,加速度的方向與合外力的方向相同。公式:F(合)=kma【當(dāng)F(合)、m和a采用國際單位制N、kg和m/s2時,k=1】
牛頓第三定律
兩個物體之間的作用力與反作用力大小相等,方向相反,并且在同一條直線上。
萬有引力定律
自然界中任何兩個物體都相互吸引,引力的大小與物體(質(zhì)點)的質(zhì)量乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比。公式:F(n)=(GMm)/r2
科學(xué)開始從過去的從經(jīng)驗上升為理論,變成從普遍性理論原理推廣為技術(shù),內(nèi)容也開始關(guān)注抽象的客觀世界。從這個角度來說,牛頓使科學(xué)從研究方法到研究內(nèi)容上都發(fā)生了質(zhì)的變化。牛頓力學(xué)體系的建立標(biāo)志著近代科學(xué)的形成,主要是因為它建立了一套實驗觀察和數(shù)學(xué)演繹
相結(jié)合的科學(xué)研究方法。
牛頓經(jīng)典力學(xué)的成就之大使得它得以廣泛傳播,深深地改變了人們的自然觀。人們往往用力學(xué)的尺度去衡量一切,用力學(xué)的原理去解釋一切自然現(xiàn)象,將一切運動都?xì)w結(jié)為機(jī)械運動,一切運動的原因都?xì)w結(jié)為力,自然界是一架按照力學(xué)規(guī)律運動著的機(jī)器。這種機(jī)械唯物主義自然觀在當(dāng)時是有進(jìn)步作用的。由于它把自然界中起作用的原因都?xì)w結(jié)為自然界本身規(guī)律的作用,有利于促使科學(xué)家去探索自然界的規(guī)律。它能刺激人們運用分析和解剖的方式,從觀察和實驗中取得更多的經(jīng)驗材料,這對科學(xué)的發(fā)展來說也是必要的。但這種思維方式在一定程度上忽視了理論思維的作用,忽視了事物之間的聯(lián)系和發(fā)展,因而又有著嚴(yán)重的缺陷。 牛頓經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容和研究方法對自然科學(xué),特別是物理學(xué)起了重大的推動作用,但也存在著消極影響。
牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)體系以及他的力學(xué)研究綱領(lǐng)所獲得的成功,在當(dāng)時使科學(xué)家們以為牛頓經(jīng)典力學(xué)就是整個物理學(xué),甚至是全部自然科學(xué)的可靠的最終的基礎(chǔ)。在相當(dāng)長的歷史時期內(nèi),牛頓經(jīng)典力學(xué)名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書成為了科學(xué)家們共同遵循的規(guī)范,它支配了當(dāng)時整個自然科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程。他研究問題的科學(xué)方法和原理也普遍得到贊賞和采用。牛頓研究經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)方法論和認(rèn)識論,如運用分析和綜合相結(jié)合的方法與公理化方法及科學(xué)的簡單性原則、尋求因果關(guān)系中相似性統(tǒng)一性原則、以實驗為基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)物體的普遍性原則和正確對待歸納結(jié)論的原則,對后世科學(xué)的發(fā)展也影響深遠(yuǎn)。
經(jīng)典力學(xué)的建立首次明確了一切自然科學(xué)理論應(yīng)有的基本特征,這標(biāo)志著近代理論自然科學(xué)的誕生,也成為其他各門自然科學(xué)的典范。牛頓運用歸納與演繹、綜合與分析的方法極其明晰地得出了完善的力學(xué)體系,被后人稱為科學(xué)美的典范,顯示出物理學(xué)家在研究物理時,都傾向于選擇和諧與自洽的體系,追求最簡潔、最理想的形式。
經(jīng)典力學(xué)的建立對自然科學(xué)和科技的發(fā)展、社會進(jìn)步具有深遠(yuǎn)影響。一是科學(xué)的研究方法推廣應(yīng)用到物理學(xué)的各個分支學(xué)科上,對經(jīng)典物理學(xué)的建立意義重大;二是經(jīng)典力學(xué)與其他基礎(chǔ)科學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了許多交叉學(xué)科,促進(jìn)了自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。三是經(jīng)典力學(xué)在科學(xué)技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用,促進(jìn)了社會文明的發(fā)展。 經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用受到物體運動速率的限制,當(dāng)物體運動的速率接近真空中的光速時,經(jīng)典力學(xué)的許多觀念將發(fā)生重大變化。
牛頓運動定律不適用于微觀領(lǐng)域中物質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量不連續(xù)現(xiàn)象。19世紀(jì)和20世紀(jì)之交,物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn),即X射線的發(fā)現(xiàn)、電子的發(fā)現(xiàn)和放射性的發(fā)現(xiàn),使物理學(xué)的研究由宏觀領(lǐng)域進(jìn)入微觀領(lǐng)域,特別是20世紀(jì)初量子力學(xué)的建立,出現(xiàn)了與經(jīng)典觀念不同的新觀念。
現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展,并沒有使經(jīng)典力學(xué)失去存在的價值,只是拓寬了人們的視野,經(jīng)典力學(xué)仍將在它適用的范圍內(nèi)大放異彩。
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