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经典力学是力学的一个分支。经典力学是以牛顿运动定律为基础,在宏观世界和低速状态下,研究物体运动的基要学术。在物理学里,经典力学是最早被接受为力学的一个基本纲领。经典力学又分为静力学(描述静止物体)、 运动学(描述物体运动状态)和动力学(描述物体受力作用下的运动)。在十六世纪,伽利略·伽利莱就已采用科学实验和数学分析的方法研究力学。他为后来的科学家提供了许多豁然开朗的启示。艾萨克·牛顿则是最早使用数学语言描述力学定律的科学家。

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基本信息

  • 作者

    许定安

  • 出版社

    武汉大学出版社

  • 出版时间

    1999年6月

  • 页数

    285 页

  • 定价

    9.5 元

  • ISBN

    9787307022997

折叠 编辑本段 基本简介

经典力学,又称古典力学或牛顿力学,是力学的一种,以三条牛顿运动定律作为基础,在宏观世界和低速状态下研究物体运动的有效方法。经典力学是作用于物体上的力學的一个物理模型。

经典力学分为静力学(描述静止物体),运动学(描述物体运动),和动力学(描述物体受力作用下的运动)。虽然是英国科学家牛顿最早用数学描述把这些定律固定下来,但实际早在几百年前,另一位伟大的科学家伽利略就从实验中发现了这些定律。

折叠 编辑本段 经典力学

经典力学通常是指以牛顿三大定律为核心的矢量力学,有时也泛指描述低速宏观机械运动的经典力学体系。

折叠 编辑本段 发展历程

力学在量子力学出现前的总称,研究宏观物体的运动规律,包括以牛顿运动定律为基础的经典理论和狭义相对论。I.牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理《一书中提出的运动三定律和万有引力定律为经典力学奠定了基础。L.欧拉、 J.-L.拉格朗日、W.R.哈密顿等继牛顿之后,发展了不同的体系,推广了力学在自然科学和工程技术中的应用。牛顿牛顿

学者们根据经典力学的定律和万有引力定律曾经精确地预言彗星和小行星等的运动,并且得到了验证;还根据这些定律预言并发现了新的行星。经典力学应用的成功以及麦克斯韦的电磁学理论预测电磁波的成功曾使19世纪末一些物理学家以为物理学在原则上已是完善的。   

以牛顿定律为基础的力学理论是有它的局限性的。当物体的运动速度可与光速比拟时,对运动的分析要求放弃绝对空间和时间的概念,A.爱因斯坦于1905年建立的狭义相对论对此作了彻底的改革。在狭义相对论中,给出了长度收缩效应和时间膨胀效应,从而得出质点的质量是速度的函数,当质点速度接近光速时,质量趋于无限大。在物体的速度比光速小得多的条件下,牛顿定律成为相对论的特殊情况。在相对论动力学中也可应用拉格朗日和哈密顿的方法,但此时的拉格朗日函数和哈密顿函数不同于非相对论力学中的相应函数。

20世纪20年代,L.-V.德布罗意、E.薛定谔、W.K.海森伯、P.A.M.狄拉克等物理学家建立了研究电子、质子等微观粒子行为的量子力学。量子力学的一个基本观点是微观粒子的行为不能以空间和时间的确定函数表达,故量子力学是非经典的。  

由于牛顿力学和相对论力学在描述物体行为的观点上是一致的,现代的经典力学著作都把狭义相对论的知识作为经典力学的组成部分。这些著作常包括牛顿力学和其重要发展体系──拉格朗日体系、哈密顿体系,以及狭义相对论等部分。因此,经典力学可分为非相对论经典力学和相对论经典力学。

折叠 编辑本段 基本内容

折叠 第一定律

如果物体处于静止状态或作匀速直线运动,只要没有外力作用,物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。这也叫惯性定律。

折叠 第二定律

物体的加速度与所受的合外力成正比,与物体的质量成反比。加速度的方向与合力的方向相同。即a=F/M

折叠 第三定律

两个物体的相互作用力总是大小相等,方向相反,同时出现或消失且作用于同一直线上。

折叠 万有引力定律

自然界中任何两个物体都相互吸引,引力的大小与物体(质点)的质量乘积成正比,  经典力学与它们之间距离的平方成反比。

折叠 编辑本段 理论表述

1.牛顿力学(矢量力学)的表述方式。

2.拉格朗日力学的表述方式。理论示意图理论示意图

3.哈密顿力学的表述方式。

下面按照矢量力学的表述方式介绍經典力學的基本概念。为简单起见,使用质点的概念,它是可以忽略大小的物体。质点运动可用一些参数描述:位置,質量,和作用在其上的力。

在现实中,經典力學可以描述的物体总是具有非零的尺寸。真正的点粒子,例如電子,用量子力學才能真正描述。非零尺寸的物体比虚构的点粒子有更复杂的行为,因为它们的内部结构可以改变-例如,棒球在移动的时候可以旋转。但是,点粒子的结果可以用于研究这种物体,因为可以把它们当成有大量点粒子组成的复合物体。这种复合物体和点粒子行为相似,如果他们小到和所研究的问题的距离尺度相比很小的话,因为这表示使用点粒子在这个问题内没有矛盾。

折叠 编辑本段 分支

经典力学三大分支为固体力学流体力学和一般力学(理论力学,材料力学,结构力学)。

折叠 编辑本段 成就

自17世纪以来,以牛顿运动定律为基础的经典力学不断发展,取得了巨大成就。经典力学在科学研究和生产技术中有广泛的运用。列如,经典力学和天文学相结合,建立了天文力学;经典力学和工程实际相结合,建立了应用力学,如水力学、材料力学、结构力学等等·。经典力学的建立对自然科学和科技的发展、社会的进步就有深远影响。

折叠 编辑本段 应用范畴

它在许多场合非常准确。经典力学可用于描述人体尺寸物体的运动(如陀螺和棒球),许多天体(如行星和星系)的运动,以及一些微尺度物体(如有机分子)。

在低速运动的物体中,经典力学非常实用,虽然爱因斯坦提出了相对论,但是在生活中,我们几乎不会遇见高速运动(光速级别),因此,我们还是会以经典力学解释各种现象。但是在高速运动或极大质量物体之间,经典力学就 “ 心有余而力不足”了。这也正是现代物理学的范畴。

折叠 编辑本段 相关历史

古希腊的哲学家,包括亚里士多德在内,可能是最早提出“万有之本,必涵其因”论点,以及用抽象的哲理尝试敲解大自然奥秘的思想家。当然,对于现代读者而言,许多仍旧存留下来的思想是蛮有道理的,但并没有无懈可击的数学理论与对照实验来阐明跟证实。而这些方法乃现代科学,如经典力学能形成的最基本因素。

约翰内斯·开普勒按照因果关系来解释行星运动的科学家。他从第谷·布拉赫对火星的天文观测资料里发现了火星公转的轨道是椭圆形的。这与中世纪思维的切割,大约发生在西元1600年。差不多于同时,伽利略用抽象数学定律来解释粒子运动。传说他曾经做过一个很有意思的实验:他从比萨斜塔扔下两个不同质量的球,试验这两个球是否会同时落地。虽然这传说很可能只是传说。但他确实做过在斜面上滚球的属量性实验;他的加速运动论显然是由这类实验的结果推导出的,而且成为了经典力学的基础。相关应用图片相关应用图片

牛顿在他的巨著《自然哲学的数学原理》里发表了三条牛顿运动定律;惯性定律,加速度定律和作用与反作用定律。应用这些定律,他能够计算出普通物体与天体的运动轨道。特别值得一提的是,他研究出开普勒定律在理论方面的详解。牛顿先前创发的微积分是研究经典力学所必备的数学工具。

牛顿和那时期的同仁,除了克里斯蒂安·惠更斯为值得注意的例外,大多数都认为经典力学应可以诠释所有大自然的现象,包括用其分支学术,几何光学,来解释光波。甚至于他发现的牛顿环(一个光波干涉现象),牛顿都试着用自己的光微粒学说来解释。

十九世纪后期,尖端的理论与实验发掘出许多扑朔迷离的难题。经典力学与热力学的连结导至出经典统计力学的吉布斯佯谬(熵不是个良好定义的物理量)。在原子物理的领域,最基本的问题,像原子模型和发射光谱,经典力学都无法给出合理的解释。众位大师尽心竭力研究这些难题,成功地发展出现代量子力学。类似地,在座标转换时(转换于两个移动参考系之间),因为经典电磁学和经典力学相互矛盾,表现出不同的物理行为,引起爱因斯坦的关注,经过多年的努力,终就想出惊世的相对论。

自二十世纪末期以后,不再能虎山独行的经典力学,与经典电磁学共同被牢牢的嵌入相对论和量子力学里面,成为在非相对论性和非量子力学性的极限,研究非相对论性和非量子尺寸物体的物理性质的学术。

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