物理学概述课件

物理科学概述,重庆工商大学物理与电子系,物理科学概述,一,二,三,五,物理学研究的对象,危机的到来与三大自然发现,量子史话,经典物理学的发展简史,四,相对论简介,物理学研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动规律；物质之间的相互作用和相互转化以及各种物质形态内部结构的基本规律。,物质存在的形式,固态液态气态,等离子体态,物质的运动形式,机械、电磁（光）、热、微观粒子的运动等，这些运动是更高级运动形式的基础(生命、遗传、思维等)。,宇宙空间99%以上的物质以等离子体态存在，是物质最基本的存在形式,一、物理学研究的对象,物质相互作用的形式,引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。,四种相互作用按强度排列依次是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。,两个质子在相距10-16m时，各种相互作用的相对强度分别为：1、10-2、10-12、10-40。,一、物理学研究的对象,物质世界的层次宇观、宏观、介观和微观,空间尺度(相差10451046)1026m(约150亿光年)(宇宙)1020m(夸克)时间尺度(相差1045)1018s(宇宙年龄150亿年)10-27s(硬射线周期)速率范围0(静止)3108m/s(光速)粒子数目1(单粒子系统)6.021023以上(复杂系统),一、物理学研究的对象,不断寻求统一的历史,牛顿：力学麦克斯韦：电学、磁学与光学温伯格等：弱电统一理论弱+电弱电(70年代)大统一理论(GUT):弱+电+强超弦理论(?)弱+电+强+引力,物理学家的理想：探索整个物质世界统一自洽的基本规律,“TheoryofEverything”?,一、物理学研究的对象,一、物理学研究的对象,天体物理和粒子物理已成为密不可分的姊妹学科。,1、近代科学的产生,二、经典物理学的发展简史,社会物质条件,十五世纪后半叶，欧洲资本主义开始萌芽，社会生产力迅速发展，农耕得到改进，风力水力得到普遍使用。特别是我国的四大发明经蒙古，丝绸之路传入欧洲，更为其发展推波助澜。,哥伦布1492年发现美洲，麦哲伦1519年环游世界，这些都刺激了资产阶级对生产技术的兴趣，科学的发展有了社会物质条件。,资本主义生产的发展不仅提供了科学发展所需要的材料，而且也创造了制作实验仪器的物质和技术条件。,二、经典物理学的发展简史,社会文化思想环境,随着资产阶级政治活动开展，竟然掀起了一个反对封建思想统治和束缚的强大运动，这就是以恢复古代文化面目出现的“文艺复兴运动”。,文艺复兴运动促进了人们追求思想自由、要求摆脱神学附庸地位、反对迷信和权威的科学思想。,意大利人列奥那多达芬奇（公元14521519年）成为文艺复兴精神的代表。,列奥那多达芬奇非常重视观察和实验的方法，他把观察和实验当作科学研究独一无二的真正方法。,二、经典物理学的发展简史,他还蔑视教会的权利，敢于触犯教会的禁令。教会规定人死了不允许解剖，可是达芬奇不管这些，弄到了许多尸体，一一进行解剖。他认为，只有进行解剖，才能探查人体的机器运行的奥秘。,列奥那多提出了“实验是我的老师”；“理智是实验的女儿”等许多科学的观点。,他同样重视数学和理论的作用。,二、经典物理学的发展简史,第二位向宗教宣战的就是法国杰出的数学家和哲学家笛卡儿（公元15961650）。他继续向经院哲学展开了斗争。他反对信仰先于知识的宗教教义，认为必须创立为实践服务的世俗科学来代替经院哲学。他提出了“怀疑原则”作为创立真正的科学出发点。,英国杰出的哲学家弗兰西斯.培根（公元15611626）首先树起了批判经院哲学的旗帜。,“证明前人说法的唯一方法，只有观察和实践。”,“知识就是力量”,2、经典力学的建立,二、经典物理学的发展简史,哥白尼与“天体运行论”,托勒密认为，地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星，在各自的轨道上绕地球运转。在太阳、月球、行星之外，是镶嵌着所有恒星的天球恒星天。再外面，是推动天体运动的原动天。,在中世纪确立的教会统治，一直把上帝创造世界及与之适应的“地心说”奉为不可违反的教条。地心说的代表人物是古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密。,二、经典物理学的发展简史,二、经典物理学的发展简史,波兰天文学家哥白尼“日心说”的提出，是自然科学向神学的第一次严正挑战，标志着自然科学从神学中独立出来。,太阳是宇宙的中心，行星都围绕着太阳运转；地球是运动的，它是绕着太阳运转的普通行星，它本身还在自转；月亮是地球的卫星，一个月绕地球一周，就象卫士一样，地球带着月亮一起绕太阳运动；行星在太阳系中排列的顺序是：离太阳最远的是土星，三十年绕太阳一周；其次是木星，十二年绕太阳一周；然后是火星，两年绕太阳一周；第四是地球和月亮，一年绕太阳一周；第五是金星，九个月绕太阳一周，离太阳最近的是水星，八十天绕太阳一周；恒星在远离太阳的一个天球面上静止不动。,日心说的基本观点包括：,二、经典物理学的发展简史,由于担心教会谴责，哥白尼迟迟没有公开发表自己的见解。直到1542年，在他生命垂危之际，才同意将他的主要著作天体运行论交付印行。,天体运行论出版后很少引起人们的注意。在出版后七十年间，虽然遭到马丁路德的斥责，但未引起罗马教廷的注意。后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说，危及教会的思想统治，罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害，并于公元1616年把天体运行论列为禁书。,哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识，而且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。恩格斯对其给予了高度评价，称它为“自然科学的独立宣言”,二、经典物理学的发展简史,第谷与开普勒的“行星运动三定律”,第谷布拉赫（1546-1601），丹麦人，生于贵族家庭，1576年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台，经过20年的反复的天文观测，把天文观测精确度提高到一个新的水平，较前人提高了几十倍至上百倍，各行星角位置的误差仅为2。,腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。1599年，他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到了布拉格。在这里，他得到了一个青年助手开普勒。他们共同进行观察，直到1601年第谷去世。,二、经典物理学的发展简史,第谷使用的天文仪器,第谷的墙壁象限仪,二、经典物理学的发展简史,约翰开普勒（1571-1630）是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家，是第一个站出来捍卫哥白尼的日心说的科学家。他以数学的和谐性探索宇宙，提出了行星运动三定律，在天文学方面做出了巨大的贡献，被后世的科学史家称为“天上的立法者”。,开普勒在整理老师第谷遗留下的大量天文观测资料时，发现火星的圆周轨道理论计算与第谷的观测资料有8分的误差，相当于火星在0.02秒转过的角度。从此入手，发表了开普勒三定律。,二、经典物理学的发展简史,开普勒第一定律（轨道定律）：行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦点上；,开普勒第二定律（面积定律）：行星与太阳之间所联直线在相等时间内扫过椭圆的面积相等。,开普勒第三定律（周期定律）：行星绕日周期T的平方与它绕太阳的椭圆轨道“半长轴”R的立方成正比。,轨道定律和面积定律发表在1609年出版的新天文学一书中，而周期定律发表在1619年出版的世界的和谐一书中。,二、经典物理学的发展简史,开普勒的发现，为牛顿创立经典力学理论奠定了基础。开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一。从此开始，数学方程就成为表达物理定律的基本方式。,开普勒的发现不仅从理论上支持了哥白尼的日心说，而且使日心说得到了发展。他的第一定律否定了圆形轨道论；第二定律否定了匀速运动论；第三定律建立了各行星之间的联系。,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。1630年11月15日，开普勒在讨要薪金的途中，不幸因病死于一家客栈。,二、经典物理学的发展简史,运动学的奠基人伽利略,伽利略(1564-1642)是意大利著名的物理学家、天文学家和数学家，是经典力学的主要奠基人。一生有三大主要贡献：,伽利略发现月亮表面凹凸不平，银河也是由无数颗暗淡的星星组成的，木星有四颗卫星，土星光环，太阳黑子的周期出现（太阳自转）等。,二、经典物理学的发展简史,伽利略的第二大贡献是首创了“实验与数学方法、逻辑论证相结合”的科学研究方法，被誉为“近代科学之父”。,伽利略的第三大贡献是在运动学上的成就，是经典力学的主要奠基人之一。,伽利略提出了力、重心、速度、加速度、惯性参照系等重要概念；提出了摆的定律、惯性定律、落体运动定律、运动的独立性原理、运动的合成与分解、运动的相对性原理等。,二、经典物理学的发展简史,运动的相对性原理精彩地描述了匀速直线运动的船舱里所观察到的现象。他指出在这样的船舱里所观察到的现象将同船静止时完全一样：人们跳向船尾不会比跳向船头来得远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进正下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇继续随便地四处飞行，绝不会向船尾集中，或者为赶上船的运动而显出疲累的样子这些现象表明，在封闭的船舱里所作的任何观察和实验，都不能判断船究竟是在运动还是停止不动的。这就是著名的伽利略相对性原理，这个原理的发现，是人类科学认识史上的一个重大飞跃。,二、经典物理学的发展简史,伽利略的主要著作包括：固体的重心、星界信使、关于太阳黑子的书信、关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话以及关于两门新科学的谈话和数学证明等。,1633年，69岁高龄的伽利略被罗马宗教裁判所判处终身监禁。直到300多年后的1979年，教会才宣布为伽利略平反。,二、经典物理学的发展简史,牛顿的伟大综合和理论飞跃,牛顿1642年生于英国。出生前3个月父亲逝世，两岁母亲改嫁，在舅舅和姥姥家长大。,1661年考入剑桥大学。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。,1687年在好朋友哈雷资助下出版旷世之作自然哲学的数学原理。,二、经典物理学的发展简史,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,自然哲学的数学原理的出版，标志着经典力学体系的建立。,二、经典物理学的发展简史,牛顿曾说：“如果我所见的比笛卡儿远一点，因为我是站在巨人们的肩膀上的缘故”。,站在巨人的肩膀上,开普勒的行星运动三定律和惠更斯向心加速度公式及胡克平方反比的猜测为牛顿发现万有引力做了准备；伽利略、笛卡儿、惠更斯等人对力学的研究为牛顿建立三定律及一些重大的推论做了准备；牛顿创立的微积分就是在研究笛卡儿解析几何时受到了启发;斯涅耳和笛卡儿发现了光的折射定律，格里马第发现了衍射现象和干涉现象，玻意耳、笛卡儿和胡克等人对物体的颜色理论为牛顿的光学理论作了准备。牛顿顺应形势，完成了人类对自然科学的第一次大综合。,二、经典物理学的发展简史,牛顿运动三定律,惯性定律：物体不受外力作用时作匀速直线运动或保持静止。运动基本定律：物体在外力作用下运动的加速度和外力成正比，并且加速度的方向和外力的方向相同。F=ma作用和反作用定律：一个物体对另一个物体的作用力同时引起另一个物体对该物体的大小相等、方向相反的反作用力，作用力与反作用力在同一直线上。,二、经典物理学的发展简史,万有引力定律及其验证,自然界中任何两个物体都以一定的力相互吸引，吸引力的大小同两个物体的质量乘积成正比，同他们之间距离的平法成反比。这就是万有引力定律。,牛顿通过思考“月球为什么不掉下来”，和一个假想实验“高山上的大炮”，然后受胡克“平方反比”猜测的启发，得到了万有引力定律：,二、经典物理学的发展简史,万有引力定律遇到的第一个挑战是关于地球的形状,牛顿指出，行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆起，使行星成为两极扁平的扁球体。牛顿近似估算出地球的扁率为1/230。,18世纪30年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长雅克卡西尼（1677-1756）等人的强烈反对，他们根据笛卡儿的旋涡理论假说和错误的纬度长度的测量，说地球是两极凸出的椭球体。,为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于1735-1736年先后派出两个测量远征队，分赴赤道地区的秘鲁和高纬度地区的拉普兰德，分别在两地的经度圈上测量等角的一段弧长。测量结果基本证实了牛顿的结论。,二、经典物理学的发展简史,万有引力思想的第二个辉煌胜利是彗星轨道、周期的计算。,1682年彗星出现时，有人说，它是人类的罪恶造成的，因此人们纷纷跪地祈祷，惊恐万分。,牛顿根据天文资料，应用万有引力定律，说明和计算了彗星的运动轨道。,二、经典物理学的发展简史,牛顿的好朋友，英国天文学家哈雷(1656-1742)，根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出1531年、1607年、1682年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。由此预言，1758年还将出现这一彗星。,1743年，克雷洛曾计算了木星和土星对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于1759年4月经过近日点。,1758年，这成了当时一件众人十分瞩目的大事。彗星到期未出现，科学家着急得很。1759年3月12日，这颗星出现了，迟到的原因，正是因为它受木星和土星的吸引而姗姗来迟了，这正说明了万有引力定律的成功。,二、经典物理学的发展简史,海王星的发现是万有引力定律最伟大的胜利,1781年，赫舍尔（1738-1822）发现天王星，踞太阳约28亿公里，绕一周要84年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是有人开始怀疑万有引力定律的普适性。但也有人想，在发现天王星之前人们认为土星就是边界，后来发现了天王星，是不是天王星之外还有其他行星，造成天王星脱轨？,英国的亚当斯和法国的勒维烈几乎同时独立承担起寻找这一“新星”的工作。亚当斯几乎早一年算出了未知行星的轨道和质量，但在格林威治天文台遭到了冷遇，拖了九个月才去寻找，而且很不认真，使海王星从眼皮底下溜走了。与亚当斯相比，勒维烈要幸运得多，他将自己的计算结果写信告诉了柏林天文台的伽勒，伽勒于1846年9月23日，在勒维烈推算处相距不到1的地方发现了这颗星。因此，海王星被称为“笔尖上的发现”。,海王星的发现不仅揭开了天王星越轨之谜，也宣告了万有引力定律的彻底胜利。,二、经典物理学的发展简史,自然哲学的数学原理,牛顿的自然哲学的数学原理是自然科学划时代的著作。在科学史上，只有象欧几里得的几何原本、达尔文的物种起源等名著才能与之相比。,原理以其宏大的篇幅、精湛的思想、严谨的体系和丰富的内容成为物理学发展史上一部光辉的经典著作。,二、经典物理学的发展简史,3、经典热学的建立,热学现象的初期研究,1690年巴本(法国)首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；1698年托马斯萨维里（英国)制成一具蒸汽水泵；1705年托马斯纽可门（英国)在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸。是一个广义的把热转变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏形。1769年詹姆斯瓦特（法国）改进了纽可门机，把冷凝过程从汽缸内分离出来。1782年瓦特又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，推动活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的第一次工业革命。,蒸汽机的发明,二、经典物理学的发展简史,1603年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度变化，瓶中空气膨胀或收缩。1631年，法国化学家詹雷伊(JeanRey,1582-1630)把伽利略的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。1650年，意大利费迪男二世(G.D.Ferdinand)用蜡封住管口，在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成现代形式的第一支温度计。1659年法国天文学家伊斯梅尔博里奥(IsmaelBuolliau)制造了第一支用水银作为测温物质的温度计。,温度计的设计与制造,二、经典物理学的发展简史,伽利略验温计,二、经典物理学的发展简史,温标的确立,摄尔修斯(1701-1744,瑞典天文学家)，用水银作为测温物质，以水的沸点为00C，冰的熔点为1000C，中间100个等分。8年后接受了同事施特默尔（M.Stromer）的建议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标。至1779年全世界共有温标19种。,列奥米尔(1683-1757,法国)以酒精和1/5的水的混合物作为测温物质，1730年制作的酒精温度计，取水的冰点为00R，使酒精体积增加1/1000的温度变化作为10R，这样水的沸点即为800R，称为列氏温标。,华伦海特(1686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰)制造了第一支实用温度计：他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F，冰的熔点定为320F，人体的温度为960F，1724年，他又把水的沸点定为2120F。后来称其为华氏温标。,二、经典物理学的发展简史,19世纪50年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。,据此，1854年，开尔文(威廉.汤姆逊)提出开氏温标，T=273.15+t。又称热力学温标，它与测温物质的性质无关，即任何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的。1954年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为273.16K。,二、经典物理学的发展简史,热力学第一定律,能量守恒和转换定律：任一过程中，系统吸收的热量等于系统内能的增加和对外界作功的总和。Q=U+A,德国人迈尔的贡献,罗伯特迈尔（1814-1878)在1841、1842和1845年分别写了论文“论力的质和量的测定”、“论无机界的力”和“与有机运动相联系的新陈代谢”，其中第一和第三篇均因“引入思变性内容”而被拒绝发表。这三篇文章中，迈尔首次提出了能量守恒的思想。,二、经典物理学的发展简史,海尔曼亥姆霍兹,1821年8月31日生于德国波茨坦，生物物理学家的鼻祖，培养了一大批优秀人才，赫兹、普朗克等人都是他的学生。1847年，发表著名论文力的守恒，阐述了有心力作用下机械能守恒原理：“当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张力总是守恒的。”这里活力是动能，张力是势能。但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表。,二、经典物理学的发展简史,焦耳(1818-1889)是英国著名的实验物理学家。1849年发表论热功当量。1878年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为423.85公斤米/千卡。,焦耳,到1850年时，能量转化和守恒的观点逐渐被科学界普遍接受，被称为“热力学第一定律”。,恩格斯对此给予了高度评价，将它和进化论、细胞学说并列为19世纪的三大发现。,二、经典物理学的发展简史,第一类永动机（不需要热源就可以不断输出有用功的机器）是不可能实现的。,热力学第一定律的另一种表述,永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索。,早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国人亨内考的设计(上)。,后来列奥多也设计了一台类似的装置（下）。,二、经典物理学的发展简史,二、经典物理学的发展简史,二、经典物理学的发展简史,热力学第二定律,热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的，确定了各种形式能量之间转化的当量关系。但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。,热力学第二定律的建立过程中，德国的克劳修斯、英国的威廉汤姆逊（即开尔文）和奥地利的玻尔兹曼等科学家做了重要贡献。,1824年萨迪卡诺发表了著名论文关于火的动力及适于发展这一动力的机器的思考，提出了在热机理论中有重要地位的卡诺定理，这个定理后来成了热力学第二定律的先导。,二、经典物理学的发展简史,1850年克劳修斯提出了热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。,1851年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。,另一种表述为：第二种永动机是不可能造成的。,所谓第二类永动机就是只从单一热源吸热并全部转化为有用功的热机。,二、经典物理学的发展简史,热力学第三定律,热力学第三定律是随着低温物理和分子运动论的发展而得到的。,绝对零度不可能达到，在物理学家的观念中似乎早已隐约预见到了。但是这样一条物理学的基本原理，直到1912年才正式提出来的。,德国物理化学家能斯特（18641941）在1906年提出能斯特定理，1912年热力学与比热一书中正式提出热力学第三定律：,绝对零度不可能达到!,所谓绝对零度就是零下273.15摄氏度，即0开尔文。这是所有物体温度的极限值。,二、经典物理学的发展简史,统计物理学,以观察和实验为基础，运用归纳和分析方法总结出热现象的宏观理论称为热力学。热力学以三天定律为核心。,另一条研究热现象规律的途径是从物质微观结构和分子运动论出发，用统计方法得出热运动的宏观规律，再由实验确认。这种方法获得的理论称为统计物理学（或气体动理论）。,经典统计物理学是19世纪由克劳修斯、麦克斯韦、波尔兹曼以及吉布斯等人在经典力学的基础上建立起来的。,热力学和统计物理学一起称为热学。,二、经典物理学的发展简史,4、经典电磁学的建立与发展,电磁现象的早期研究,在古代，人们对静电和静磁现象已分别有一些认识。如公元前7世纪，发现的摩擦生电，我国的指南针等。,英国人吉尔伯特(1544-1603)因为对电力的研究被誉为电学之父。1600年发表的磁石论成为物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。,1745年，荷兰莱顿大学教授马森布洛克（1692-1761)发明了收集电荷的莱顿瓶。,二、经典物理学的发展简史,富兰克林对雷电现象的研究,富兰克林的第一项重大贡献是统一了天电和地电。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。为破除这种迷信，富兰克林通过亲自进行大量的实验，证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。据此提出了制造避雷针的设想。,富兰克林（1706-1790年）是18世纪美国的实业家、科学家、社会活动家、思想家和外交家，美国独立宣言和美国宪法的起草人之一。,你热爱生命吗？那么别浪费时间，因为时间是组成生命的材料。,二、经典物理学的发展简史,富兰克林发现两个带有不同性质电荷的带电体，相互接触后可以呈现中性。因此把电荷分为“正电”和“负电”，并进一步得出结论正电和负电在本质上不应有什么差别；摩擦起电过程中，总是形成等量异种电荷；摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。,在1752年7月的一个雷雨天,富兰克林做了著名的费城实验：风筝上安上一根尖细的铁丝，用来捕捉电，铁丝与一把铜钥匙相连，钥匙塞在莱顿瓶中。,富兰克林的第二大贡献是发现了电荷守恒律。,二、经典物理学的发展简史,库伦定律从定性到定量,受万有引力“距离平方反比关系”的启发和精确的“库伦扭秤实验，库伦于1785年提出库仑定律，确定两个点电荷之间的电力大小。,库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究，数学的引入使电磁学真正成为一门科学。,二、经典物理学的发展简史,伽伐尼电流和伏打电堆,1780年，意大利科学家伽伐尼（17371798)在一次解剖青蛙时偶然发现了生物电流。,1791年意大利物理学家伏打经过反复实验认为金属才是电流的激发者，并把电流命名为伽伐尼电流。,1800年，伏打发明了伏打电堆，这是最原始的电池。,二、经典物理学的发展简史,丹麦物理学家奥斯特(17771851)于1820年发现了电流的磁效应通电导线可以使其周围的磁针偏转，即电流产生了磁场。,电流的磁效应,奥斯特发现的电流磁效应，是科学史上的重大发现它立即引起了那些懂得它的重要性和价值的人们的注意。在这一重大发现之后，一系列的新发现接连出现。,二、经典物理学的发展简史,二、经典物理学的发展简史,法拉第与电磁感应定律,法拉第(1791-1867)是英国物理学家、化学家，也是著名的自学成才的科学家。1791年出生于一个贫苦铁匠家庭。因家庭贫困仅上过几年小学，13岁时便在一家书店里当学徒。由于他爱好科学研究，专心致志，受到英国化学家戴维的赏识，1813年3月由戴维举荐到皇家研究所任实验室助手。,二、经典物理学的发展简史,1813年10月，法拉第随同戴维夫妇到欧洲大陆访问旅行，先后游历了法国、德国、意大利、瑞士等国，历时一年有余，1815年3月返回伦敦。这次访问使法拉第开阔了眼界，增长了才干，并结识了包括安培在内的一批物理学家，这为他此后50余年的科学研究工作特别是在物理学上的杰出成就打下了基础。,法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究；氯和碳的化合物；电磁转动；气体液化；光学玻璃；苯的发明；电磁感应现象；不同来源的电的同一性；电化学分解；静电学，电介质；气体放电；光、电和磁；抗磁性；“射线振动思想”；重力和电；时间和磁性等。,二、经典物理学的发展简史,二、经典物理学的发展简史,法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。,电磁感应定律的数学表达式,爱因斯坦曾指出，场的思想是法拉第最富有创造性的思想，是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想，为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。,二、经典物理学的发展简史,法拉第一生作出了很多的科学贡献，发表了大量实验方面的论文，后来这些论文汇集在电学实验研究这一巨著中。这部由三千多节组成的巨著真实而详细地记录了他一生中成功的和失败的16041个实验，凝聚了他的实验研究成果和对物理学的深刻见解，对以后的几代物理学家甚至对现代物理学家都有深刻的教益。,晚年致力于寻求重力与电的联系。1862年法拉第作了最后一次实验，研究磁场对光的影响，限于当时仪器水平，实验未能成功，但它直接导致了三十年后塞曼效应的发现。,在法拉第逝世的那一年，一位名叫爱迪生的美国青年在波士顿街头的一个旧书摊上买到几本残缺不全的法拉第著作，其中就有电学实验研究。爱迪生后来说：“这一笔小钱花得很值，是自己一生中收益最大的投资。”,二、经典物理学的发展简史,麦克斯韦电磁场理论的建立,二、经典物理学的发展简史,麦克斯韦15岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华。,1856年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁理论的论文，题为：论法拉第力线。,5年以后麦克斯韦又写了第二篇论文，题为论物理力线。,1865年麦克斯韦发表了关于电磁场理论的第三篇论文：电磁场的动力学理论，全面地论述了电磁场理论。,1873年出版的电学和磁学论一书。这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理相媲美的里程碑式的著作。,二、经典物理学的发展简史,电学和磁学论创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。,二、经典物理学的发展简史,麦克斯韦在电磁理论方面的工作可以和牛顿在力学理论方面的工作相媲美。对麦克斯韦的功绩，爱因斯坦作了很高的评价，他在纪念麦克斯韦的文集中写道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。”,通过对这个方程组的数学运算，麦克斯韦预言了电磁波的存在，电磁波的传播速度同光速一样。而光不过是波长在某一范围的电磁波，从而把电、磁和光现象统一了起来。,二、经典物理学的发展简史,赫兹的电磁波实验与马可尼的无线电通讯,德国物理学家赫兹(18571894)1886年10月用放电线圈做火花放电实验，偶然发现近旁未闭合的绝缘导电线圈中有电火花跳过，便敏锐地想到这可能是电磁共振。由此开始赫兹集中力量持续进行了有关电磁波特性的多方面实验。,1888年1月，赫兹发表了“论动电效应的传播速度”一文，公布了他关于电磁波实验的一系列成果。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。,二、经典物理学的发展简史,1895年，意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1899年,无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，于1909年与布劳恩一起获得诺贝尔物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时代。,二、经典物理学的发展简史,5、光的本质是什么,古代对光本质的探讨,远古时候，人们认为光是人的眼睛里发出去的一种粒子，因为睁开眼睛就能看见物体。这种观点不能解释为什么在黑暗环境里即使睁开眼睛也看不见物体的原因。,古希腊时，人们认为光是客观存在的细小粒子流，能直线前进，碰到物体能反射。但这种观点解释不了两束光相遇时为什么不相互弹开的事实，也解释不了点灯之前这些粒子藏身在何处。,总之，古代人们普遍认为光的本质是“粒子”，这是光的微粒说的雏形。,二、经典物理学的发展简史,17世纪光的“波动说”的出现和发展,17世纪初，笛卡儿著光学一书，对光的本性虽然没有提出什么明确的观点，由于他的主张的核心是强调了媒质的影响，是以“作用”的传播为出发点，特别是以接触作用或近距作用为出发点，所以人们把他的主张归属于波动说这一面。,格里马第通过观察小孔衍射现象，再联想到水波的衍射，认为光是与水一样的波。,1663年，波意尔提出，物体的颜色是因为光照射的结果，格里马第也认为不同颜色的光是光波频率不同的结果。,二、经典物理学的发展简史,波意尔的助手胡克重复了格里马第的实验，并仔细观察了肥皂泡上光的颜色，通过深入研究，于1665年发表了非常著名的显微术，主张“光是一种振动”。,显微术很快为胡克赢得了学术声誉，并使光的波动说盛极一时。,惠更斯1690年出版了论光，提出了著名的惠更斯原理，提出了波前的概念，使光的波动说达到了兴盛的顶点。,波动说有一个基本的难题，就是光波传播的煤质问题。波动说巧妙地摆脱了这个难题，它假设了一种看不见摸不着的介质来实现光的传播，这种介质就叫做“以太”。,二、经典物理学的发展简史,第一次“微波战争”,1672年，牛顿作了有名的三棱镜分光实验，并向皇家学会评议委员会递交了一篇论文，名字叫做关于光与色的新理论。在这篇文章中，牛顿认为三棱镜分光是不同颜色“光粒子”的混合和分离。,胡克和波义耳正是当时评议会的成员，他们对此观点进行了激烈的抨击。牛顿在这之前本来还在波动和微粒说之间摇摆，经此打击，使牛顿坚定地走上了微粒说之路，并建立了统治光学界100多年的光的微粒学说。,二、经典物理学的发展简史,1665年牛顿发现的著名的“牛顿环”和1669年丹麦的巴塞林那斯发现的光在方解石晶体中的双折射现象都是光的“微粒说”学派给“波动说”学派提出的难题。,1704年牛顿发表了光学这一巨著，对光的波动说作了彻底和无情的反击。自此之后的一百多年时间内光的波动说销声匿迹，第一次微波战争以光的波动说彻底失败而告终。,二、经典物理学的发展简史,光的波动说的复兴与第二次“微波战争”,第二次微波战争是由一位天才般的叛逆者托马斯杨挑起来的。,1807年，杨总结出版了他的自然哲学讲义，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了他那个名扬四海的“杨氏双缝干涉实验”。,1800年“关于光和声的实验和问题”论文对微粒说提出异议；1801年“光和色的理论”论文形成波动光学的基本原理，提出了干涉的概念，估算出自然光的平均波长在1/3600至1/6000英寸之间。,二、经典物理学的发展简史,1808年法国的马吕斯发现了偏振的现象并用微粒说来解释，这可以看做对“波动说”的反击。,在以杨为代表的“波动说”学派的进攻面前，“微粒说”学派节节败退。,为了推进微粒说的发展，1818年法国科学院提出了有奖征文：利用精确的实验确定光线的衍射效应；依据实验，用数学归纳法推导出光线通过物体附近的运动情况。,竞赛评委会由许多知名科学家组成，这其中包括比奥、拉普拉斯和泊松，它们都是微粒说的拥护者。,二、经典物理学的发展简史,法国年轻工程师菲涅耳向组委会提交了一篇论文关于偏振光线的相互作用。他以严密的数学推理，从横波的观点出发，圆满的解释了光的偏振，并用半波带法定量的解释了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合得很好。,在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学家泊松应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明：如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后称为泊松亮斑），泊松认为这是不可能的，从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影的中央出现了一个亮斑。,二、经典物理学的发展简史,到了19世纪中期，微粒说挽回战局的唯一希望就是光速在水中的测定结果了。因为根据粒子论，这个速度应该比真空中的光速要快，而根据波动论，这个速度则应该比真空中要慢才对。,1819年5月6日，傅科向法国科学院提交了他关于光速测量实验的报告。在准确地得出光在真空中的速度之后，他也进行了水中光速的测量，发现这个值小于真空中的速度。,麦克斯韦在1856，1861和1865年发表了三篇关于电磁理论的论文，不仅实现了电、磁和光的统一，而且解决了波动说的“以太”疑难。从而宣布了光的“微粒说”的彻底失败。,二、经典物理学的发展简史,爱因斯坦的最终判决,1905年，爱因斯坦提出了“光的波粒二象性”，为长达数百年的“微波战争”作了一个科学的“和事老”。,光的粒子属性被“光电效应”、“康普顿效应”和“电子对效应”这三个重要的实验所证实。,三、危机的到来和三大自然发现,1、物理学完美了吗？,十九世纪末期，经典物理学已发展到相当完善的程度，在物理学界普遍蔓延着一种自豪和自满的情绪。,德国物理学家劳厄说，经典力学和经典物理学已“结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。,1888年，在美国科学促进会的克利夫兰年会上，作为物理组副主席的迈克尔逊说“无论如何，可以肯定，光学比较重要的事实和定律，以及光学应用比较有名的途径，现在已了如指掌了，光学未来研究和发展的动因已荡然无存了”。,三、危机的到来和三大自然发现,1894年，迈克尔逊在芝加哥大学重申了这一观点，并把光学扩展到整个物理学。“虽然任何时候也不能担保，物理学的未来不会隐藏比过去更使人惊讶的奇迹，但似乎十分可能，绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要在于把这些原理认真地应用到我们所注意的种种现象中去。正是在这里，测量科学显示了它的重要性定量的结果比定性的工作更为重要。一位杰出的物理学家指出：未来的物理学真理将不得不在小数点后六位去寻找”，这里“杰出的物理学家”指的是W汤姆生（即开尔文男爵）。,三、危机的到来和三大自然发现,开尔文在1899年12月31日的新年贺词中又说，物理大厦已经落成，后辈物理学家只要作一些修补工作就行了。但同时，他在展望20世纪物理学的发展前景时，又若有所思地讲到“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”。,开尔文所指的这两朵“乌云”是指当时不能使用经典物理学解释的两个实验，其一是“黑体辐射的紫外灾难”现象，其二是迈克尔逊-莫雷实验的“以太零结果”。,三、危机的到来和三大自然发现,普朗克曾写信给他老是约里说，他决心献身于理论物理学。约里回信劝他“年轻人，你为什么要断送自己的前程呢？要知道，理论物理学已经终结，微分方程已经确立，它们的解法已经制定，可供计算的只是个别局部的情况。可是你把自己的一生献给这一事业，值得吗？”,1894年，正读研究生的密立根也收到过类似的劝告。跟他一起的三位从事社会学和政治学研究的同事经常跟他开玩笑：社会科学这一新颖的、活生生的领域正在敞开大门，密立根这个傻瓜却钻进物理学这样一门已经僵死的科学之中。,三、危机的到来和三大自然发现,2、两朵乌云,黑体辐射的“紫外灾难”现象,对黑体辐射能量密度分布的研究，德国物理学家维恩建立起了黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在短波、较低温度时才和实验事实符合。,三、危机的到来和三大自然发现,英国物理学家瑞利和金斯在电动力学和统计物理学的基础上严格推导出一个公式，叫瑞利-金斯公式。,瑞利-金斯公式在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度是发散的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。,三、危机的到来和三大自然发现,迈克尔逊-莫雷实验的“以太零结果”,以太是光的波动说学派假设的一种光的传播媒介。,“以太”须具有的性质：固体，强度非常大，密度极小，充满整个宇宙（包括其中所有的物质内），与任何物体之间的摩擦力几乎为零。,由于以太充满整个宇宙空间，可以认为以太是唯一一种绝对静止的物体（这与相对性原理矛盾）。,太阳系以220km/s运动，地球以29.8km/s公转，而且地球还在自转。因此地球以及地球上的所有物体均相对于以太运动，应该能感受到“以太风”的存在。,三、危机的到来和三大自然发现,迈克尔逊和莫雷为了探测地面参考系相对于以太的运动速度，使用精密的迈克尔逊干涉仪探测光沿不同方向传播时的光程差，没有得到任何结果。,对第一朵乌云的深入研究，最终导致了量子力学的建立；而第二朵乌云最终导致了相对论革命的爆发。量子力学和相对论被认为是现代物理的两大支柱。,三、危机的到来和三大自然发现,3、世纪之交的三大自然发现,1895年伦琴发现X射线,1895年11月，德国物理学家伦琴在作阴极射线管中气体放电的实验时，为了避免可见光的影响，特地用黑纸把放电管包起来，并在暗室中进行。实验中伦琴偶然发现一定距离处一个荧光板产生了荧光。伦琴将荧光板翻转，并远离放电管，依然有荧光产生。,伦琴通过实验研究认为使荧光物质发光的绝不是阴极射线，因此命名为“X射线”。,三、危机的到来和三大自然发现,1895年12月28日，伦琴宣读了第一个报告“一种新射线”，并公布了他妻子的手指骨X光相片。,X射线的发现引起了科学界的轰动，之后世界上很多实验室纷纷将研究方向转向对X射线的研究。,因为发现X射线，伦琴于1901年获得首届诺贝尔物理学奖。,X射线发现三个月后，维也纳医院首次应用X射线进行人体拍片。,三、危机的到来和三大自然发现,对于X射线究竟是什么的问题，事实上直到1912年才由德国物理学家劳厄从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波。不久以后，莫塞莱证实它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射。,劳厄发现晶体中的X射线衍射现象获得了1914年诺贝尔物理学奖。,WH布拉格、WL布拉格（英国）因用X射线对晶体结构的研究共同获得了1915年诺贝尔物理学奖。,三、危机的到来和三大自然发现,1896年贝克勒尔发现天然放射性现象,X射线发现后不久，法国科学家贝克勒尔很快想到，荧光物质在阳光照射下，在产生荧光的同时是否也产生X射线？,贝克勒尔把一块铀化合物荧光物质放在用黑纸包住的照相底片上，然后放到阳光下暴晒,结果在照相底片上发现了与荧光物质形状相同的像。贝克勒尔于1896年2月24日向科学院报告了实验结果，认为阳光的照射使荧光物质产生了X射线。但3月2日，他又作了一个报告，宣布了一个惊人的发现。,三、危机的到来和三大自然发现,原来，贝克勒尔第一次报告后他还想继续实验。但由于阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉，结果再次实验前检查底片时，底片仍旧被铀盐感光了。贝克勒尔经过分析，认为：使底片感光的射线与日晒和荧光无任何关系，它是铀盐自身产生的辐射现象。这种辐射后来被称为“贝克勒尔射线”。,贝克勒尔发现放射性现象后不久，波兰女物理学家玛丽居里也投身到放射性的研究，并把它作为博士论文的选题。,贝克勒尔曾经宣称要找到比铀的放射性还要大得多的元素是不大可能的。但居里夫人不保守，不久就发现钍的放射性与铀差不多。,三、危机的到来和三大自然发现,放射性元素钍发现后，居里夫人的丈夫皮埃尔居里也开始参与进来。他们一起通过对大量矿渣的提纯和分析，分别于1897年和1898年发现了两种新的元素钋和镭。钋的放射性比纯铀强400倍，而镭的放射性比铀强200万倍。,因为对放射性研究的杰出贡献，贝克勒尔与居里夫妇一起分享了1903年诺贝尔物理学奖。,三、危机的到来和三大自然发现,为了研究贝克勒尔射线的本质，1898年，卢瑟福用强磁铁使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股，一股极易被吸收，他称之为射线；另一种具有较强的穿透力，称之为射线。,1900年,法国科学家维拉德又发现了铀射线的第三种成分不被磁场偏转的射线。,射线的本质是氦核；射线本质上是电子；而射线的本质是电磁波（或光子）,三、危机的到来和三大自然发现,1897年汤姆逊发现电子,JJ汤姆逊(1856-1940)，英国科学家。28岁就受聘于剑桥大学卡文迪许实验室当教授、实验室主任，领导实验室工作长达42年。在他的领导下，实验室新发现不断涌现（电子、云雾室、X射线和放射性的早期研究等），并且培养了大批科学人才，其中不少人先后获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴拉克和GP汤姆逊等。他本人也因为对电子的发现，获1906年诺贝尔物理学奖。,三、危机的到来和三大自然发现,电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的。,1858年德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时发现了阴极射线。,对阴极射线的本质的认识存在两个学派：德国学派的以太波的观点：普吕克尔，赫兹等英国学派的带电微粒说：瓦尔利,克鲁克斯,舒斯等。,1895年法国物理学家佩兰(Perrin)将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果为负电。支持了带电微粒说。,三、危机的到来和三大自然发现,汤姆逊支持带电微粒说。于1897年改进了赫兹的放电管，让阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转，通过对偏转量的测定，计算出了阴极射线的荷质比和速度，发现其荷质比的数值大约是氢离子的千多倍，速度大约是光速的1/10。,汤姆逊还用威尔逊云室测量阴极射线的电荷，发现其电荷与氢离子是同一数量级。也就是说，这种粒子的质量比氢离子小三个数量级。,三、危机的到来和三大自然发现,最后，汤姆逊改用其他阴极材料，得到完全相同的结果。证实阴极射线是所有物质的普适成分。,以上面的实验结果为基础，汤姆逊宣布发现了一种新的微观粒子电子。,1913年，美