牛顿运动定律与经典力学时空观毕业论文.doc

牛顿运动定律与经典力学时空观目 录一、正文1、牛顿第一定律产生的逻辑循环11.1、研究背景11.2、研究的意义11.3、研究的目的11.4、牛顿第一定律中关于时空观假设11.5、牛顿第一定律的公理性22、牛顿三大定律各自的本质意义32.1、牛顿第二定律的本质意义32.2、牛顿运动三定律的内在联系43、正确理解经典力学的时空观43.1、牛顿力学的时间观念53.2、牛顿力学的空间观念73.3、空间观念与时间观念是紧密联系的74、小结8参考文献9谢辞10二、附录论文（设计）任务书11论文（设计）中期检查报告13论文（设计）指导教师指导记录表14论文（设计）结题报告16论文（设计）成绩评定及答辩评议表18论文（设计）答辩过程记录（附页）20牛顿运动定律与经典力学时空观摘要：经典力学的基本定律是牛顿运动定律，它有两个基本假定：其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的；其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。本文通过牛顿运动三定律论证了经典力学的时空观，说明了经典力学的时空观的使用范围。关键词： 经典力学，牛顿运动定律，时空观The Newton's laws and space-time in classical mechanicsAbstract: The fundamental laws of classical mechanics is Newton's laws of motion, it has two basic assumptions: one is to assume time and space is absolute, length and time interval of the measurement and observer sport is irrelevant, material of interaction between the transfer is instantaneous arrived; the second is all observable physical quantities could in principle be accurately determine infinite. This article through Newton sport three laws demonstrates the concept of space-time in classical mechanics, and explains the concept of space-time in classical mechanics scope of application. Key words: Classical mechanics, Newton's laws of motion, space-time1、牛顿第一定律产生的逻辑循环1.1、研究背景牛顿运动定律与经典力学的时空观是力学中的一个重要内容。然而自从爱因斯坦狭义相对论和麦克斯韦方程组的建立对牛顿运动定律与经典力学时空观重新提出了新的考验。本文从运动，发展，联系的角度，针对经典力学的时空观进行较深入的分析与论证。1.2、研究的意义爱因斯坦相对论的产生动摇了牛顿理论及其经典力学时空观在力学中的主导地位。本文就上述情况作出了分析并论证牛顿运动定律与经典力学的时空观的合理性及适用范围。1.3、研究的目的本文主要探讨一下三个重要问题：（1）牛顿第一定律中的绝对时间、空间的基本观点。（2）牛顿第三定律各自的本质意义。（3）经典力学的时间观与空间观的联系。1.4、牛顿第一定律中关于时空观假设牛顿第一运动定律，内容为：没有受到外力作用的物体，保持匀速直线运动或静止状态不变，直到有外力迫使它改变这种状态为止。这条定律是牛顿根据伽利略、笛卡尔等人的研究成果总结出来的，是牛顿力学的出发点，故又称运动第一定律。其实，严格意义上讲，匀速直线运动的定义是否规范还有待考虑。首先，定义这种运动是需要有参照系的。因为根据相对性原理，运动是相对的，那在定义匀速直线运动的过程中如果以惯性参照系为参考的话，那定理就存在很大的问题。惯性参考系本来指的就是匀速运动的状态的实验室。这样一来，同种概念来定义自己，显然没有说服力。所以很简单就可以看出，牛顿定义这个理论时是以他的绝对空间和绝对时间定义的。牛顿声言他所研究的运动是在“绝对空间”和“绝对时间”中进行的“绝对运动”。他写道“绝对的，真正的数学时间是在不断的流逝着，而且由于其本性而均匀地与任何其他外界事物无关地流逝着。”“绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远相同的和不动的。”然而，自爱因斯坦创立狭义相对论以来，人们已经彻底否定了“绝对时空”的概念，脱离物质存在的所谓“绝对时间”、“绝对运动”只不过是一些形而上学的概念。然而，定律所阐述运动是对惯性参照系而言的。现行教材对惯性参考系是这样定义的：“牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性参照系或惯性系。”显然这个定义依赖于第一运动定律，即由第一运动定律来确定惯性参照系。综上所述，牛顿第一运动定律是说一个物体不受力，它相对于惯性系就做匀速直线运动。但是又只能根据一个物体相对于惯性系做匀速直线运动，才能肯定这个物体不受力，同时又只能根据一个物体不受力时做匀速直线运动，才能断定所用的参照系是惯性系。这样，就完全陷入了逻辑循环。然而，必须认识到，牛顿第一运动定律的“逻辑循环”性质，并不影响它的科学性。实际上，惯性系是近似地存在着的。如地面以及相对于地面静止或匀速直线运动的物体都是近似程度相当好的惯性系。正是在这些近似程度相当好的惯性参照系上的无数次科学实验活动，证实了牛顿力学的相对正确性，从而间接地验证了牛顿力学出发点的第一定律的正确性。1.5、牛顿第一定律的公理性作为力学的第一条命题牛顿第一定律，它就必定会含有“逻辑循环”的性质，它是不可能通过物理学的其他定义或定律，也不可能通过直接的物理实验得到证明的。牛顿第一定律具有公理性，只能依靠以它为出发点所推出的大量结论与无数实验事实的符合得到验证。 2、牛顿三大定律各自的本质意义2.1、牛顿第二定律的本质意义牛顿第二定律是在第一定律的基础上，进一步确定了力、质量和加速度这三个物理量之间的关系，其数学表述为： （1）第二定律揭示出力是使物体获得加速度的外因，而质量是物体在受到一定的合外力作用时，决定它获得加速度大小的内因。如果将一个量值相等的合外力，分别先后作用于两个不同质量的宏观物体，它们分别沿着合外力的方向上所获得的加速度和，将于它们的质量和成反比，即 （2）此比例关系与其所受合外力的大小无关。因此，根据（2）式，可以确定物体的质量。当作用于物体上的合外力为一定量时，获得加速度较大的物体，其质量较小；获得加速度较小的物体，其质量较大。再结合第一定律来看，再同等的合外力作用下，物体获得加速度较大，表明该物体的原有运动状态较容易被改变，也即其惯性较小的物体获得加速度较小，表明其原有运动状态较难改变，也即其惯性较大。可见，质量使物体惯性的具体表现，是惯性大小的定量量度。根据牛顿第二定律（1）式，当一个宏观物体不受合外力或所受合外力为零时，有这时速度矢量必为恒量。这表明了当时，物体的原有运动状态不变，这就是第一运动定律的具体表现。于是有人认为：“第二定律事实上包括了第一定律。第一定律只不过是在第二定律中，的一种特殊情况而已。”从表面上看来是有这样的关系，但是从定律的本质意义上来看，这种说法是不恰当的。第一定律有它的独立性意义，它揭示了“任何物体不受外力作用时，都要保持它原有的运动状态不变”这样的一种客观自然规律，这种规律的存在是由于物质的存在本身所具有的特殊性所决定的，而不是由第二定律导出来的。相反，正是由于有了第一定律才确定了“惯性”这个概念，有了“惯性”这个概念，才有所谓 “惯性参照系”，有了“惯性参照系”，才有了第二定律的出现。换句话说，如果缺少第一定律，则无法首先刻画力、质量和惯性系这三个最基本的概念，从而使牛顿第二定律的建立失去基础。因此，第一定律与第二定律各自具有独立性的本质意义。2.2、牛顿运动三定律的内在联系根据牛顿第一定律，可以定义“力是改变物体运动状态的原因”。但是这个定义只能局限在动力学的范畴内。根据牛顿第二定律，也可以定义“力是使物体获得加速度的原因”，这个定义的局限性更大，它只能应用于指点动力学范畴。只有牛顿第三定律才揭示了“力是物体对物体的相互作用”，物体对物体的相互作用的本质是力的本质，是力的普遍性意义。但是要注意，作用与反作用这两个力是分别作用在这两个相互作用的每一个物体上，结果每一个相互作用的物体都只收到一个力的作用。因此，作用力与反作用力虽然量值相等方向相反，并且作用在同一直线上，但不是同时作用于同一物体，所以作用力与反作用力不是平衡力。综上所述，第一定律揭示了物质的一个普遍的基本的属性惯性，定义了惯性参照系，明确了力是改变物体运动状态的原因；第二定律揭示了力、质量、加速度三者的定量关系，明确了力是使物体获得加速度的原因；但这两个有关力的定义都有一定的局限性，都不是力的本质意义，只有牛顿第三定律揭示了力的本质是物体对物体的相互作用。可见，牛顿三定律各自具有独特的本质意义。牛顿三定律一起构成了整个经典力学的理论基础。3、正确理解经典力学的时空观前面提到，牛顿的“绝对时空观”是形而上学的概念。在牛顿力学中，对于“时间”和“空间”这两个概念的理解，及经典力学（即牛顿力学）时间和空间观念的建立基础是本节研究的主要问题。3.1、牛顿力学的时间观念首先研究牛顿力学的时间观念。在经典力学范围中，牛顿第二定律在任一惯性参照系中都具有相同的形式，因此任何惯性系都是等价的，这是力学相对性原理的具体反映。现假设有两个惯性参照系和，其中系相对于系以速度做匀速直线运动，我们以两个参照系的坐标原点和重合之时作为记时零点，如图一所示。任一物体运动（视为质点）位于空间某点位置P，此P点位置相对于和系的原点和的位置矢量分别为和，其中是系上的时钟所计的时间，是系上的时钟所计的时间。则有 （为常矢） （3）假定是的函数，将（3）式对去微商，有： （4）（4）式再对微商，有：将其换算成与的函数，就会得到 （5）（5）式是有运动学导出的物体在P点位置上时，从系上看到的加速度和从系上看到的加速度之间的关系式。另一方面，既然在任何惯性系中牛顿第二定律均适用，则有即 （6）（6）式是由动力学相对性原理导出的物体在P点位置上时，从两个惯性系看到的加速度关系式。所以（5）式和（6）式应该完全相同，才能满足牛顿第二定律。现在（5）式与（6）式不一样，原因是假设在不同参照系中的时钟快慢不相等（即）。如果令，即认为不同的惯性参照系上的时钟快慢相同，则（4）、（5）两式分别变为 （7） （8）这就与（6）式完全一致。也即在的情况下，（5）与（8）式完全相同，这就表明了不论在系还是在系，牛顿第二定律均成立。将积分，得： （9）（9）式表明在任何一个惯性系中观测同一物体的同一运动过程，所历的时间长短，与参照系本身的运动无关。即在经典力学中，认为物体运动所经历的时间是一个绝对的不变量，它不因参照系本身的运动不同而异。这就是所谓的时间绝对性观念，是经典力学的一个根本的出发点。3.2、牛顿力学的空间观念现在，进一步研究牛顿力学的空间观念。假设要观测空间某两点P和Q之间的距离。显然，在相对于P和Q为静止的参照系中，测量P、Q两点的距离，可以直接用尺测量。但是，如果在相对于P、Q作匀速直线运动的另一惯性参照系中，就不可能用尺直接测量，而必须借助光学测量仪器，必须在光学仪器中同时看到P、Q两点，才能根据上述的（3）式关系确定他们之间的距离。设在P、Q两点位置上各装一个灯泡，在系中的光学仪器观测到P、Q两灯同时发光，则在系中观测P、Q两点时刻或。前面已经讨论过，牛顿力学的时间绝对性观念，“在惯性系中观测物体运动所经历的时间与此参照系本身的运动无关”。因此，在相对静止参照系中观测同样的P、Q两点，也必须是同时出现在光学仪器中，所以也应有同样的结果：即。这样，P、Q两点之间的距离可以根据（3）式计算如下：P点的位置：Q点的位置：两式相减，得： (10)由于，所以或 （11）可见，在不同的惯性参照系中，所观测到任意的P、Q两点之间的距离是相等的。也就是说，空间中任意两点之间的距离，对于任一惯性参照系来说，都是绝对不变的，它不因参照系本身的运动而不同。这就是经典力学的空间绝对性观念。3.3、空间观念与时间观念是紧密联系的从上面讨论中，空间观念与时间观念是紧密联系的。由于时间的绝对性观点的指引，就必须导致空间的绝对性观念的存在。这种时间和空间的绝对性观念构成所谓经典力学的时空观。整个经典力学都是受到绝对时空观的支配，是在绝对时空观的指引下建立起来的。4、小结最后，应当指出：在经典力学时空观指引下的牛顿力学理论是有局限性的，它只能适用于宏观物体的低速运动，对于微观世界和高速运动的情况则无能为力了。微观粒子遵从量子力学的规律，高速运动遵从相对论力学的规律，它是以相对论的时空观为指导的。相对论力学具有更广泛的实际意义，它把经典力学作为物体运动速度远小于光速的一种特例包括在内，所以相对论力学与经典力学是相辅相成的，而不是相互矛盾的。相对论时空观较普遍，而经典力学的绝对时空观只是一种特殊情况下的近似观念。然而，在经典力学时空观知道下的牛顿力学理论在一般生活和生产中，仍然有着重大的实际应用价值，也是不可忽视的理论基础。参考文献1张海丹，洪小达.简明大学物理.科学出版社.1998. P21-322戈尔茨坦.经典力学.高等教育出版社.2005. P45-683范中和.大学物理.陕西师范大学出版社.2006. P30-P464严济慈,丁燮林.牛顿力学时空观物理学报.2009.07.155邢志忠.牛顿运动定律逻辑循环物理学快报B.2003.01.206漆安慎，杜婵英.普通物理学教程.力学.高等教育出版社2005.P62-P927百度文库 本科毕业论文（设计）任务书课题条件：在大学期间，基于对力学、理论力学电磁学量子力学等课程的学习，使我对经典力学有了初步了解，并且对经典力学中牛顿运动定律，伽利略变化，刚体转动，经典时间观和空间观等很多问题产生了兴趣去学习研究。因此我将自己的毕业设计也定题到经典力学中的相关知识中去。在选题的前夕袁老师的指导讲解与指导使我对自己论文的内容有了大致的思路，并且认识到经典力学中的时间观和空间观重要性。牛顿运动定律与经典力学时空观是我这次论文的题目，课题类型是理论型。我会通过我自己的不断努力和学习并且在*老师的精心指导下，会顺利完成我的毕业论文。毕业论文（设计）主要内容：论文题目：牛顿运动定律与经典力学时空观主要内容：本文首先介绍了经典力学的基本定律即牛顿运动定律以及它三条定律之间的相互联系，然后分别论证了经典力学的时间观，和空间观。说明了经典力学的时空观的使用范围。提纲摘要：1.摘要 2.正文部分（包括牛顿运动定律之间的联系和经典力学时间观和空间观） 3小结注：课题性质分为理论型实践应用型。下同。主要参考文献：1张海丹，洪小达.简明大学物理.科学出版社.1998.P21-322戈尔茨坦.经典力学.高等教育出版社.2005.P45-683范中和.大学物理.陕西师范大学出版社.2006.P30-P464严济慈,丁燮林.牛顿力学时空观物理学报.2009.07.155邢志忠.牛顿运动定律逻辑循环物理学快报B.2003.01.206漆安慎，杜婵英.普通物理学教程.力学.高等教育出版社2005.P50-P927百度文库指导教师意见：1通过； 2完善后通过；3未通过 1通过； 2完善后通过；3未通过 签 名： 年月日注：以上各项内容由学生填写，指导教师审核后签署意见。