物理学史修改Word文档下载推荐.docx

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1）铜镜烧船:

地中海，罗马要灭亡叙拉古。

阿基米德让妇女用铜镜组成一面聚光镜烧战船上的帆，浸了油的绳与桅杆和帆都烧起来了。

2）杠杆定律:

“给我一个支点，我可以撬动地球”。

3）数学上，得出了球体、圆柱体体积和表面积的计算公式。

5、亚里士多德（公元前384-公元前322）:

马其顿国王私人医生的儿子，18岁进入柏拉图学院，约在公元前342年，他成为亚力山大大帝的私人教师。

一生著作颇丰，在科学领域里起着奠基性的作用。

1）提出物理学名称的第一人，强调科学分类

2）若物体不受力，运动即停止

3）物体越重，下落速度应该越大

4）地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮应该围绕它转

二、中国古代物理学的特点

中国古代物理学与成就存在着一些严重的不足之处。

在内容上，较多的是对具体物理现象的孤立考察，缺少对现象的归纳理论总结，因此少有物理理论。

在研究方法上，由于受到庞大的整体思想理论框架的束缚，对物理现象的思考与解释上采用一般的模糊的、形象的证明方式，常是笼统的，可此可彼的泛泛方法。

缺乏对物理现象的具体分析与严密的逻辑思考。

另外一个重要方面就是缺乏与数学的结合，不善于用数学语言来描述，这就很难做到对物理规律的准确把握和建立理论。

在物理实验上不能进行定量的研究。

在实验方面，古代虽有一些水平较高的实验与技术实例，但总的来说，缺乏对实验的重视。

中国古代以“天朝大国”自居，固步自封，构成封闭的知识体系，以至于在西学东渐之时，在国内出现了习惯性的抵触和抗拒，使中国在很长时期内跟不上近代科学的发展步伐。

思考与讨论：

1、请你搜集中国古代物理学发展中有哪些重要的物理学家？

有哪些突出的物理成就？

并与你的同学交流。

2、查阅资料简述中国古代的“阴阳八卦说”、“五行说”的主要观点。

第二节经典物理学

一、经典物理力学的发展

从16世纪中叶到19世纪是经典物理学时期。

15世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。

16世纪中叶，哥白尼提出了“日心说”。

17世纪晚期，牛顿建立经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。

之后，经典热力学、电磁学相继建立。

到19世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。

1、哥白尼与“天体运行论”

1）地心说与日心说的主要观点

地心说:

地球是绝对静止的，一切运动都是相对于地球而运动的。

地心说受到宗教的吹捧与肯定。

日心说:

哥白尼为阐述自己关于天体运动学说的基本思想撰写题为《短论》的论文。

他规定地球有三种运动：

1一种是在地轴上的周日自转运动

2一种是环绕太阳的周年运动

3一种是用以解释二分岁差的地轴的回转运动

2）“天体运行论”于1543年写成，它被誉为自然科学的独立宣言。

哥白尼在他的《天体运行论》一书中认为天体运动必须满足以下七点：

1不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心

2地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心

3所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近

4地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的

5在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的

6在空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动

7人们看到的行星向前和向后运动，是由于地球运动引起的。

地球的运动足以解释人们在空中见到的各种现象

2、第谷与开普勒

1）.丹麦人第谷（1546-1601），经过20年的反复的天文观测，积累了大量准确的星体运动观测资料，被人誉为“星学之王”。

2）.德国天文学家开普勒（1571-1630）是第谷的学生与助手，从第谷对火星的观测资料与他理论计算的8分之差入手，发表了开普勒三定律。

写出“宇宙和谐论”，使我们对天穹星空的认识，由杂乱到有序。

开普勒的一生，虽多病贫穷，但都未动摇他破解天体奥秘的决心，他把他的一生都贡献给了科学事业。

3、舍生取义的布鲁诺

布鲁诺（1548-1600）：

因宣扬日心说，1592年被捕。

1600年，面对宗教法庭的审判，他说：

“我希望你们到大庭广众中去把我点燃，这是我最大的快乐，因为我可以以自身燃起的大火，去照亮后人的道路。

”

4、运动学的奠基人---伽利略

伽利略（1564-1642）

出生于意大利比萨。

奠定了经典力学中运动学的基础，改进了望远镜，使之能放大32倍。

代表作《两大世界体系的对话》。

近代意义上的物理学是从伽利略研究地面上物体的运动开始的。

这位伟大的意大利物理学家善于观察、勤于思考，敢于挑战权威，倡导将实验、数学和科学推理相结合的研究方法，打开了通向近代物理学的大门。

伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的开端。

　　　——爱因斯坦

5、牛顿的伟大综合和理论飞跃

（1）牛顿简介

牛顿（IsaacNewton,1643―1727）

英国伟大的物理学家、数学家、天文学家。

恩格斯说：

“牛顿由于发现了万有引力定律而创立了天文学，由于进行光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力学的本性而创立了科学的力学。

”的确，牛顿在自然科学领域里作了奠基性的贡献，堪称科学巨匠。

牛顿1642年生于英国。

从小是一个苦命的孩子，还未出生，父亲逝世，两岁母亲改嫁，在舅舅和姥姥家长大。

1661年考入剑桥大学31学院。

由于学习勤奋，受到巴罗教授的赏识，1664年成为研究生。

1665年开始研究微分和积分及万有引力定律。

1665年伦敦大瘟疫，一个夏天病逝3万人，牛顿回到家乡，留下了脍炙人口的“苹果落地”的故事。

（据说是法国作家伏尔泰从牛顿侄女那儿听来的。

）1687年出版旷世之作“自然哲学的数学原理”，由好朋友哈雷资助出版，人们争相购阅。

1703年任英国皇家学会终身会长。

1705年被英国女王授予爵士称号。

1727年逝世，葬于威斯敏斯特教堂。

　　“伊萨克·

牛顿爵士安葬在这里…，让我们欢呼曾经存在过这样一位伟大的人类之光。

”——碑文

（2）牛顿的成功之路

1.站在巨人的肩上，勤奋学习，积累知识

2.讲求科学研究方法

1）实验——理论——应用的方法

牛顿在《原理》序言中说：

“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方去论证其他的现象。

”科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较”。

牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。

2）分析——综合方法

分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。

牛顿在《原理》中说过：

“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法……。

一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；

而综合的方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性”。

3）归纳——演绎方法

牛顿从观察和实验出发“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。

当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。

4）物理——数学方法

牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。

爱因斯坦说：

“牛顿第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。

牛顿把他的书称为《自然哲学的数学原理》正好说明这一点。

　　　大自然追求的是一本用数学语言所写的巨著，他追求的是一个精确的，完完本本用数学表示的定律。

　　　　　　　　　　　　——牛顿

3.热爱科学，追求真理

　　牛顿终身没娶。

1727年，牛顿遗言:

“我不知道世人对我是怎样的看法，但是在我看来，我不过象一个在海边玩耍的孩子，为时而发现一块美丽的石子而高兴，但那浩瀚的真理的海洋，却还在我的面前未曾发现呢。

（3）牛顿的局限

1.绝对时空观

牛顿说：

“绝对的数学的时间与外界无关地流逝着……。

”认为时间与空间无关，时空与运动无关，是绝对的物理量。

2.当一些问题牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿的悲剧。

2、经典统计力学

热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。

人们很早就有冷热的概念。

对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念（例如区分了温度和热量），并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。

关于热现象的普遍规律的研究称为热力学。

到19世纪，热力学已趋于成熟。

物体有内部运动，因此就有内部能量。

19世纪的系统实验研究证明：

热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。

19世纪中期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：

宏观机械运动的能量与内能可以互相转化。

就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。

在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过程的不可逆性。

例如：

一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高的地方流向温度较低的地方，最后达到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。

相反的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度不相同的状态。

应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：

一个孤立的物理系统的熵不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。

当熵达到最大值时，物理系统就处于热平衡状态。

深入研究热现象的本质，就产生了统计力学。

统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。

统计力学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。

3、经典电磁理论

电磁学是物理学中最重要也是最古老的分支之一。

电磁学建立和发展的脉络大致如下：

从远古到18世纪中、晚期是电、磁现象的早期研究阶段，以对电、磁现象的观察、实验及定性研究为主；

从18世纪晚期到19世纪上半叶，开始了对电、磁现象的定量研究，并逐步建立起电磁学理论体系；

电磁感应现象的发现和深入研究揭示了电现象和磁现象的本质联系，使电磁学理论更加完善；

19世纪下半叶，麦克斯韦在原来电磁学理论的基础上提出了电磁场的概念并建立了电磁场理论的完整体系。

1、吉尔伯特与《磁石论》

英国医生威廉·

吉尔伯特是第一批系统地对电磁现象进行研究的人，他于1600年在英国出版的他的著作《论磁石、磁体和地球作为一个巨大磁体的新的自然哲学论》（简称《磁石论》）。

这本著作以详细的实验来检验复杂的推测而著称。

2、富兰克林及其电荷守恒定律

本杰明·

富兰克林（1706—1790）出生于美国一个贫穷的制烛工人家庭，他当过印刷工、作家、政治家、外交家和科学家，在美国人看来，他是美国的国父之一，他的名字家喻户晓，在欧洲，他却作为一名自然哲学家而为人知晓的。

富兰克林对静电学的最重要贡献是发现了电荷守恒定律。

富兰克林在公众中的名声除发现电荷守恒定律外还有他的大气电实验，并以发现避雷针而达到了顶峰。

3、库仑定律的建立

法国物理学家库仑（1736—1806），年轻时是一个军事工程师。

1785年，库仑在法国科学院终于发表了他的关于电力与磁力的作用规律的论文，提出了电荷之间的作用力与其距离平方成反比的关系。

这就是著名的库仑定律，其数学表达式是：

此公式是真空中两个点电荷之间相互作用力的一般表述。

为真空中两点电荷的电量，

为两点电荷之间的距离，

为静电力常数。

意义：

库仑定律是电磁学中的一个基本定律，它的建立使电磁学进入了定量的研究，从而使电磁学真正成为一门科学，并为数学引入电磁学打开了道路，为继续发展电动力学奠定了基础。

4、奥斯特的发现、安培定律的建立及欧姆定律的建立

1820年7月末，磁学领域宣布了一条激动人心的消息：

电流使原本和它平行的磁针发生了偏转。

于是开辟了一个前景远大的新领域，这个消息来自于丹麦哥本哈根大学物理学教授奥斯特（1777—1851）。

奥斯特的发现引起了法国数学家安培（1775—1836）的兴趣，安培通过四个有名的实验和一个假设得出了电流元之间的相互作用力公式

安培的科学研究方法有几个明显特点是值得后人借鉴的。

第1、安培善于接受他人的成果和意见，具有敏锐的物理洞察力。

第2、他精通实验，能以巧妙的实验来检验自己的设想。

第3、他擅长把实验研究的成果进行归纳和总结，并上升到理论的高度。

为了纪念这位电磁学创始人的业绩，电流的国际单位命名为安培，符号为A。

当安培的兴趣还集中在电流磁效应的研究时，德国的欧姆（1789—1854）就开始了对导线中电流规律的研究。

他通过大量的实验得出了

，这就是大家熟知的欧姆定律。

为了纪念欧姆在电学上的贡献，1881年在巴黎召开的第一届国际电气工程师会议上，决定以“欧姆”命名电阻的实用单位。

5、电磁感应定律的发现

法拉第（1791—1867），出生于英国伦敦，是一个普通铁匠的儿子，12岁卖报、13岁时到书店当学徒，装订书报8年。

1831年11月24日，法拉第总结了一系列有关的实验研究，向英国皇家学会提出了论文。

后来，法拉第概括出有五类情况可以产生感应电流：

（1）变化着的电流：

（2）运动的稳恒电流：

（3）变化的磁场：

（4）运动的磁铁：

（5）在磁场中运动的导线。

在此实验基础上，法拉第发明了人类历史上第一台感应发电机。

在法拉第开始工作的前后，还有不少物理学家从事电磁感应的研究，但是在研究的深入程度及取得的成果方面，他们都不及法拉第。

因此，人们把发现电磁感应定律的主要功绩归功于法拉第是公正的。

法拉第一生中作出了很多的科学贡献，最后汇集在以三卷本出现的〈电学实验研究〉的巨著中，这本巨著对以后几代物理学家甚至对现代物理学家都有成功与失败的教益。

6、电磁场理论的建立

麦克斯韦（1831—1879）是19世纪最伟大的理论物理学家，经典电磁场理论的奠基人。

当麦克斯韦读到法拉第的《电学实验研究》后，立即被书中新颖的实验和见解所吸引，他以极大热情迅速投入了这个大有作为的研究领域。

麦克斯韦于1856年、1862年、1864年发表了三篇划时代的论文，分别是《论法拉第力线》、《论物理力线》、《电磁场的动力学理论》。

这三篇论文牢固地奠定了麦克斯韦电磁场理论的基础。

麦克斯韦从他的六个方程组中预言了电磁波的存在，并证明了电磁波是一种横波，并求得电磁波的传播速度等于真空中的光速。

四、经典光学的建立和发展

1、折射定律的建立

在古代人们就已观察到了光的折射现象，古罗马学者托勒密对此经行了实验研究，并得出结论：

折射角和入射角成正比。

光的折射定律的正确表述由法国数学笛卡尔和费马从不同的角度导出了折射定律：

。

2、光学仪器的发明

望远镜和显微镜的发明是17世纪光学的伟大成就。

据说1608年荷兰的眼睛匠利佩希偶然地造出了第一架望远镜，它的目镜为一凹透镜，被称为荷兰望远镜。

伽利略用它发现了月亮上的山脉和后山口，后来又发现了木星的四颗卫星和太阳黑子，这一切为哥白尼的日心说提供了有力的证据。

显微镜通常认为是由荷兰人Z·

约安尼代斯及其父亲发明。

伽利略用自制的显微镜发现了昆虫的复眼结构。

1666年23岁的牛顿做了著名的棱镜色散实验，第一次证明了白光是有具有不同折射率的单色光复合而成的，从而揭示了透镜产生色差的原因。

牛顿于1668年自己磨制反射镜，成功地制造了第一架反射望眼镜，其全长只有15厘米，口径为2.5厘米，而放大倍数和当时的2米长的折射望远镜相同，牛顿用它观察了木星的卫星和金星的运行周期。

3、光的本性的研究

到17世纪，科学家提出了关于光的本性的两种学说：

一是以牛顿为代表的微粒说，认为光是一股粒子流；

另一种是为惠更斯为代表的波动说，认为光是机械波在“以太”这种特殊介质中的传播。

需要指出，牛顿已觉察到许多光的现象可能要用波动说来解释，不过当时未能做到。

直到19世纪初，托马斯·

杨和费涅耳等人在实验室观察到无法用微粒说解释的光的干涉、衍射现象，光的波动说才再次得到发展。

20世纪初，在光的电磁理论取得了巨大成功的同时，也遇到了严重的困难。

例如，这一理论不能解释黑体辐射、光电效应。

1905年，爱因斯坦提出了光量子论，完满的解释了广电效应，他也因此获得了他一生中唯一的诺贝尔物理学奖。

现在我们知道光既具有波动性，又具有粒子性。

1、伽利略对经典力学的建立作出了哪些贡献？

为什么说他的工作对近代物理学的诞生具有什么开创性的意义？

2、通过对这些物理学家的了解，请你说说要想成为一位科学家要具有怎么的品质？

3、请你选择一两本物理方面的科普读物进行阅读，并就书中的一些观点与你的同学或者老师交流。

第三节现代物理学

一、紫外灾难

19世纪末，由于冶金等各方面的需求，人们急于知道辐射强度与光波长之间的函数关系。

单靠实验逐一找对应点的方法，犹如钝刀子割肉。

当时维恩和瑞利-金斯分别发表了两个公式，试图解决这一问题。

1.辐射强度随波长变化的规律图

　　2.维恩定律

ρ是辐射能密度，ν是频率，T是温度。

　　在短波区和实验结果符合，而在长波区不符。

　　3.瑞利——金斯定律

　　在长波区和实验结果符合，而在短波区不符。

而且当波长接近紫外时，计算

出的能量为无限大!

　　但瑞利——金斯等人得出的共识，是根据经典物理的理论严密推导的，瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人，理论值与实验值在短波区的北辙南辕，使人们不得不称之为“紫外灾难”。

　　紫外灾难也就是经典物理的灾难。

二、普朗克独步一时的研究

1.普朗克（1858-1947）:

诞生在德国，中学毕业后，踌躇于物理和音乐之间，老师劝他不要选物理，但普朗克选择了物理，于1879年获得博士学位。

　　2.普朗克的内插公式

当ν→0，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利——金斯公式。

　　当ν→∞，即在短波范围，又与维恩定律一致。

　　将维恩公式和瑞利公式综合在一起，理论值与实验结果符合得较好。

　　3.普朗克的能量子假设

　　普朗克写道:

“即使这个新的辐射公式证明是绝对精确的，但若仅仅是一个侥幸揣测出来的公式，它的价值也只能是有限的。

”普朗克并不满足于自己的一得之功。

　　他大胆地将热力学的熵与能量的分配相联系，独创了能量子理论。

　　1900年12月14日，普朗克提出了一个假设，即能量可以划分成n个相等的小份，每个小份叫能量子，每个能量子又与频率成正比，比例系数为h。

　　这一天，被称为量子力学的生日。

h——普朗克常数，就好象普罗米休斯从天上引来的一粒火种，使人们从传统思想的束缚下获得了解放!

黑体辐射，光电效应，原子光谱，康普顿效应等都是普朗克假说的发展结果，是经典物理所不能解释的。

　　这个发现将人类的观念——不仅是有关经典科学的观念，而且是有关通常思维方式的观念的基础砸得粉碎。

　　　　　　　　　　　　　　——玻尔

　　普朗克于1918年获诺贝尔奖。

三、爱因斯坦的光量子理论

1、光电效应

　　金属受到光照射后释放出电子的效应。

　　1887年，由赫兹首先发现。

2、经典理论无法解释光电效应现象

　　比如按经典电磁理论，波传递的能量正比于振幅的平方，与入射光频率无关，但实验验证却恰恰相反。

对于各种金属都存在着一个极限频率，当入射光的频率高于这个极限频率时，才能产生光电效应。

3、爱因斯坦的光量子

普朗克在热辐射理论中所提出的能量子理论，启发了爱因斯坦。

爱因斯坦提出光在空间传播时不是连续的，而是一份一份的，一份叫做一个光量子，简称光子。

光子的能量

跟光的频率

成正比，即

式中

为普朗克常量。

这个学说叫做光子说。

爱因斯坦的光量子理论，一语中的，圆满地解释了光电子效应，使量子概念进一步深入人心，并因此获得诺贝尔物理奖。

四、卢瑟福的原子核式结构

α射线的大角散射

J·

汤姆逊：

“原子内的正电荷是均匀地分布在原子中的，而并非呈粒子状态。

”而卢瑟福认为应该用带电粒子碰撞去试探。

1909年，卢瑟福和盖革、马登思，用氦核轰击厚度为

米的金箔，起初盖革没看到什么现象，卢瑟福告诉他要仔细观察：

“要多看细看，实验要重复几次，几十次，几百次，才能发现偶然的现象。

”他们发现有1/8000的α粒子，偏转反弹。

　　卢瑟福:

“犹如一15寸的炮弹去轰一张薄纸，而炮弹却掉过头来击中你自己一样。

卢瑟福于1911年、1913年发表论文，提出了原子的有核模型，使人们对原子的结构有了