近代物理學,尤其是力學的研究,在伊薩克·牛頓(英國1642-1727)手中得到了綜合。牛頓總結了前人天體力學和地面上力學的成就,系統(tǒng)地提出了力學概念,提出了運動三定律和萬有引力定律,從而使力學成為一個完整的理論體系。這個體系的建立,標志著經典力學的成熟。同時,由于牛頓力學體系成為了此后300年近代自然科學整體發(fā)展的理論基礎,因此,它的建立也宣告了近代自然科學革命的成功。
經典力學的基本定律是牛頓運動定律或與牛頓定律有關且等價的其他力學原理,它是20世紀以前的力學,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,物質間相互作用的傳遞是瞬時到達的;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)和靜止狀態(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(質點)的質量乘積成正比,與它們之間距離的平方成反比。公式:F(n)=(GMm)/r2
科學開始從過去的從經驗上升為理論,變成從普遍性理論原理推廣為技術,內容也開始關注抽象的客觀世界。從這個角度來說,牛頓使科學從研究方法到研究內容上都發(fā)生了質的變化。牛頓力學體系的建立標志著近代科學的形成,主要是因為它建立了一套實驗觀察和數(shù)學演繹
相結合的科學研究方法。
牛頓經典力學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。人們往往用力學的尺度去衡量一切,用力學的原理去解釋一切自然現(xiàn)象,將一切運動都歸結為機械運動,一切運動的原因都歸結為力,自然界是一架按照力學規(guī)律運動著的機器。這種機械唯物主義自然觀在當時是有進步作用的。由于它把自然界中起作用的原因都歸結為自然界本身規(guī)律的作用,有利于促使科學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驗材料,這對科學的發(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,因而又有著嚴重的缺陷。 牛頓經典力學的內容和研究方法對自然科學,特別是物理學起了重大的推動作用,但也存在著消極影響。
牛頓建立的經典力學體系以及他的力學研究綱領所獲得的成功,在當時使科學家們以為牛頓經典力學就是整個物理學,甚至是全部自然科學的可靠的最終的基礎。在相當長的歷史時期內,牛頓經典力學名著《自然哲學的數(shù)學原理》一書成為了科學家們共同遵循的規(guī)范,它支配了當時整個自然科學發(fā)展的進程。他研究問題的科學方法和原理也普遍得到贊賞和采用。牛頓研究經典力學的科學方法論和認識論,如運用分析和綜合相結合的方法與公理化方法及科學的簡單性原則、尋求因果關系中相似性統(tǒng)一性原則、以實驗為基礎發(fā)現(xiàn)物體的普遍性原則和正確對待歸納結論的原則,對后世科學的發(fā)展也影響深遠。
經典力學的建立首次明確了一切自然科學理論應有的基本特征,這標志著近代理論自然科學的誕生,也成為其他各門自然科學的典范。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體系,被后人稱為科學美的典范,顯示出物理學家在研究物理時,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。
經典力學的建立對自然科學和科技的發(fā)展、社會進步具有深遠影響。一是科學的研究方法推廣應用到物理學的各個分支學科上,對經典物理學的建立意義重大;二是經典力學與其他基礎科學相結合產生了許多交叉學科,促進了自然科學的進一步發(fā)展。三是經典力學在科學技術上有廣泛的應用,促進了社會文明的發(fā)展。 經典力學的應用受到物體運動速率的限制,當物體運動的速率接近真空中的光速時,經典力學的許多觀念將發(fā)生重大變化。
牛頓運動定律不適用于微觀領域中物質結構和能量不連續(xù)現(xiàn)象。19世紀和20世紀之交,物理學的三大發(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),使物理學的研究由宏觀領域進入微觀領域,特別是20世紀初量子力學的建立,出現(xiàn)了與經典觀念不同的新觀念。
現(xiàn)代物理學的發(fā)展,并沒有使經典力學失去存在的價值,只是拓寬了人們的視野,經典力學仍將在它適用的范圍內大放異彩。
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