chap3 物理科学910

1、自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学1 / 1373.1 物理学的起源与发展物理学的起源与发展3.2 物质世界与原子结构物质世界与原子结构Chap. 3 物理学与物质世界物理学与物质世界3.4 粒子物理粒子物理3.3 原子核与核能利用原子核与核能利用自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学2 / 1373. 1.1 物理学的起源物理学的起源 1.公元前公元前600年以前年以前 公元前公元前650-前前550年，古希腊人发现年，古希腊人发现摩摩擦琥珀擦琥珀可使之吸引轻物体，发现磁石吸铁。可使之吸引轻物体，发现磁石吸铁。泰勒斯首先记录了这个现象。泰勒斯首先记录了这个现象。 3.1 3.1 物理

2、学的起源与发物理学的起源与发展展自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学3 / 137 2.公元前公元前600-1年年 公元前公元前480-前前380年间战国时期，年间战国时期，墨经墨经中记中记有通过对平面镜、凹面镜和凸面镜的实验研究，发有通过对平面镜、凹面镜和凸面镜的实验研究，发现物像位置和大小与镜面曲率之间的经验关系。同现物像位置和大小与镜面曲率之间的经验关系。同时时墨经墨经中还记载了杠杆平衡的现象中还记载了杠杆平衡的现象(中国墨子学中国墨子学派派)。公元前。公元前480-前前380年间战国时期，研究筑城防御年间战国时期，研究筑城防御之术，发明之术，发明云梯云梯(中国墨子学派中国墨子学派)

3、。公元前四世纪，。公元前四世纪，柏拉图学派已认识到光的直线传播和光反射时入射柏拉图学派已认识到光的直线传播和光反射时入射角等于反射角。公元前角等于反射角。公元前350年左右，认识到年左右，认识到声音由空声音由空气运动产生气运动产生，并发现管长一倍，振动周期长一倍的，并发现管长一倍，振动周期长一倍的规律规律(古希腊亚里士多德古希腊亚里士多德)。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学4 / 137 公元前三世纪，实验发现斜面、杠杆、滑轮的公元前三世纪，实验发现斜面、杠杆、滑轮的规律以及浮力原理，奠定了静力学的基础规律以及浮力原理，奠定了静力学的基础(古希腊古希腊阿基米德阿基米德)。同时发明举水

4、的螺旋，至今仍见用于。同时发明举水的螺旋，至今仍见用于埃及埃及(古希腊阿基米德古希腊阿基米德)。公元前。公元前250年左右，战国年左右，战国末年的末年的韩非子韩非子有度篇有度篇中，有中，有“先王立司南以先王立司南以端朝夕端朝夕”的记载，的记载，“司南司南”大约是古人用来识别南大约是古人用来识别南北的器械北的器械(或为指南车或为指南车,或为磁石指南勺或为磁石指南勺)。论衡论衡叙述司南形同水勺，磁勺柄自动指南，它是后来指叙述司南形同水勺，磁勺柄自动指南，它是后来指南针发明的先驱。南针发明的先驱。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学5 / 137 公元前公元前221年，秦始皇统一中国度、量、衡，

5、年，秦始皇统一中国度、量、衡，其进位体制沿用到二十世纪。公元前二世纪，中其进位体制沿用到二十世纪。公元前二世纪，中国西汉记载用漏壶国西汉记载用漏壶(刻漏刻漏)计时，水钟使用更早。计时，水钟使用更早。公元前二世纪，发明水钟、水风琴、压缩空气抛公元前二世纪，发明水钟、水风琴、压缩空气抛弹机弹机(用于战争用于战争)(埃及悌西比阿斯埃及悌西比阿斯)。公元前一世纪，。公元前一世纪，最先记载过磁铁石的排斥作用和铁屑实验最先记载过磁铁石的排斥作用和铁屑实验(罗马卢罗马卢克莱修克莱修)。公元前。公元前31年，中国西汉时创用平向水轮，年，中国西汉时创用平向水轮，通过滑轮和皮带推动风箱，用于炼铁炉的鼓风。通过滑轮

6、和皮带推动风箱，用于炼铁炉的鼓风。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学6 / 1373. 11500年年 (1) 1400年年 一世纪左右，发明蒸汽转动器和热空气推一世纪左右，发明蒸汽转动器和热空气推动的转动机，这是蒸汽涡轮机和热气涡轮机动的转动机，这是蒸汽涡轮机和热气涡轮机的萌芽的萌芽(古希腊希隆古希腊希隆)。一世纪，发现盛水的球。一世纪，发现盛水的球状玻璃器具有放大作用状玻璃器具有放大作用(罗马塞涅卡罗马塞涅卡)。300年年至至400年，中国史载晋代已有指南船，可能是年，中国史载晋代已有指南船，可能是航海罗盘的最早发明。航海罗盘的最早发明。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学7

7、 / 137 根据敦煌等地出土文物，在公元七、八根据敦煌等地出土文物，在公元七、八世纪，中国唐朝已采用刻板印书，是世界上世纪，中国唐朝已采用刻板印书，是世界上最早的印刷术。十世纪，中国发明了使用火最早的印刷术。十世纪，中国发明了使用火药的火箭。十世纪左右，著药的火箭。十世纪左右，著光学光学，明确，明确光的反射定律并研究了球面镜和抛物面镜光的反射定律并研究了球面镜和抛物面镜(阿阿拉伯阿尔拉伯阿尔哈赛姆哈赛姆)。 (2) 401-1000年年自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学8 / 137 (3) 1001-1500年年 约公元约公元10411048年间，中国宋朝毕昇发明活字印刷年间，中国宋

8、朝毕昇发明活字印刷术，早于西方四百年（术，早于西方四百年（梦溪笔谈梦溪笔谈） 。约。约1200年至年至1300年，欧洲人开始使用眼镜。年，欧洲人开始使用眼镜。1231年，中国宋朝人发年，中国宋朝人发明明“震天雷震天雷”是一种充有火药、备有导火线的铁器，可是一种充有火药、备有导火线的铁器，可用投射器射出，是火炮的雏型。用投射器射出，是火炮的雏型。1241年，蒙古人使用火年，蒙古人使用火箭作武器，西方认为这是战争中首次使用火箭。箭作武器，西方认为这是战争中首次使用火箭。1259年，年，中国宋朝抗击金兵时，使用一种用竹筒射出子弹的火器中国宋朝抗击金兵时，使用一种用竹筒射出子弹的火器,是火枪的雏型。十

9、三世纪中叶，根据实验观察，描述凹是火枪的雏型。十三世纪中叶，根据实验观察，描述凹镜和透镜的焦点位置及其散度镜和透镜的焦点位置及其散度(英国罗杰英国罗杰培根培根)。十三世。十三世纪，用空气运动解释星光的闪烁纪，用空气运动解释星光的闪烁(意大利维塔罗意大利维塔罗)。十三世。十三世纪，指出虹霓是由日光的反射和折射作用所造成的纪，指出虹霓是由日光的反射和折射作用所造成的(意大意大利维塔罗利维塔罗)。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学9 / 1374. 1501-1650年年(1) 哥白尼哥白尼 1533年，年，60岁的哥白尼在罗马做了一系列的讲演，提岁的哥白尼在罗马做了一系列的讲演，提出了他的

10、学说的要点。出了他的学说的要点。1543年年5月月24日去世的那一天他写日去世的那一天他写的书的书天体运行论天体运行论出版。出版。 (2) 伽利略伽利略 1583年，伽利略用自身的脉搏作时间单位，发现单摆年，伽利略用自身的脉搏作时间单位，发现单摆周期和振幅无关，创用单摆周期作为时间量度的单位周期和振幅无关，创用单摆周期作为时间量度的单位(意大意大利伽利略利伽利略)。1590年，做自由落体的科学实验，发现落体加年，做自由落体的科学实验，发现落体加速度与重量无关，否定了亚里士多德关于降落加速度决定速度与重量无关，否定了亚里士多德关于降落加速度决定于重量的臆断，引起了一些人的强烈反对于重量的臆断，引

11、起了一些人的强烈反对(意大利伽利略意大利伽利略)。1590年，发现投射物的运行路线是抛物线年，发现投射物的运行路线是抛物线(意大利伽利略意大利伽利略)。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学10 / 137伽利略伽利略伽利雷伽利雷 (15641642) 是意大利文艺复兴是意大利文艺复兴后期伟大的意大利天文后期伟大的意大利天文学家哲学家、物理学家学家哲学家、物理学家,数学家。数学家。 伽利略家族姓伽利伽利略家族姓伽利雷，他的全名是雷，他的全名是Galileo Galilei，但现已通行称，但现已通行称呼他的名呼他的名Galileo，而不，而不称呼他的姓。因为翻译称呼他的姓。因为翻译问题，所以姓

12、众说纷纭问题，所以姓众说纷纭,以伽利略以伽利略伽里雷为准。伽里雷为准。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学11 / 137 伽利略伽利略伽利雷伽利雷也是近代实验物理学的开拓者也是近代实验物理学的开拓者,被誉为被誉为“近代科学之父近代科学之父”。 1564年年2月月15日生于比日生于比萨，萨，1642年年1月月8日卒于比萨。日卒于比萨。 1590年伽利略在比萨斜塔上做了年伽利略在比萨斜塔上做了“两个球同时两个球同时落地落地”的著名实验的著名实验，从此推翻了亚里士多德，从此推翻了亚里士多德“物体物体下落速度和重量成比例下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续的学说，纠正了这个持续了了190

13、0年之久的错误结论。年之久的错误结论。 1609年，伽利略创制了天文望远镜（后被称为年，伽利略创制了天文望远镜（后被称为伽利略望远镜），并用来观测天体，他发现了月球伽利略望远镜），并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。 文艺复兴首先发生于意大利，很快就扩大到波文艺复兴首先发生于意大利，很快就扩大到波兰及欧洲其他国家。兰及欧洲其他国家。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学12 / 137(3) 笛卡儿笛卡儿 1637年，提出光的粒子假说，并用以推出光年，提出光的粒子假说，并用以推出光的折射定律的折射定律(法国笛卡儿法国

14、笛卡儿)。1638年，提出一种无所年，提出一种无所不在的不在的“以太以太”假说，拒绝接受超距作用的解释，假说，拒绝接受超距作用的解释，坚持认为力只能通过物质粒子和与之紧邻的粒子相坚持认为力只能通过物质粒子和与之紧邻的粒子相接触来传播，把热和光看成是接触来传播，把热和光看成是“以太以太”中瞬时传播中瞬时传播的压力的压力(法国笛卡儿法国笛卡儿)。1643年，发明年，发明水银气压计水银气压计(意意大利托里切利、维维安尼大利托里切利、维维安尼)。16401690年，观察到年，观察到气压对沸腾和凝结的影响气压对沸腾和凝结的影响(英国波义耳英国波义耳)。 气压对天气的影响气压对天气的影响 随着高度的增加，

15、空气稀薄，气压减小，所以从平随着高度的增加，空气稀薄，气压减小，所以从平原地区一下子到了高原地区如西藏，就会出现高原反应。原地区一下子到了高原地区如西藏，就会出现高原反应。大气压对人体的影响大气压对人体的影响 呆上一段时间，这些不适也会消失。我们为什么能呆上一段时间，这些不适也会消失。我们为什么能承受这么大的大气压？承受这么大的大气压？ 人体内也有压强，皮肤内外受到的压强是相等的。人体内也有压强，皮肤内外受到的压强是相等的。介绍中医的拔火罐疗法。所以飞机在高空飞行和宇航员介绍中医的拔火罐疗法。所以飞机在高空飞行和宇航员在太空行走时必须加压。在太空行走时必须加压。大气压对沸腾和凝结的影响大气压对

16、沸腾和凝结的影响 在高山上煮东西不易熟怎么办？在高山上煮东西不易熟怎么办？ （使用像压力锅这样的，增大压强，提高沸点）自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学13 / 137 1. 力学与分析力学的建立力学与分析力学的建立(1)牛顿力学牛顿力学 1638年，伽利略的年，伽利略的两门新科学的对话两门新科学的对话出出版，给出了匀速，加速运动的定义，有体系的物版，给出了匀速，加速运动的定义，有体系的物理学诞生了。理学诞生了。 1678年，牛顿的年，牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理出出版，给出了运动三定律和万有引力定律，物理学版，给出了运动三定律和万有引力定律，物理学诞生了。诞生了。 3.

17、1.2 物理学的建立物理学的建立自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学14 / 137 1788年，法国的拉格朗日建立了年，法国的拉格朗日建立了分析分析力学力学，理论物理学诞生了。，理论物理学诞生了。 1834年，哈密顿发表了历史性论文年，哈密顿发表了历史性论文“一一种动力学的普遍方法种动力学的普遍方法”(On a general method in dynamics)，成为动力学发展过程，成为动力学发展过程中的新里程碑文中的主要观点是从光学研中的新里程碑文中的主要观点是从光学研究中类比出来的称为哈密顿原理。究中类比出来的称为哈密顿原理。(2)分析力学分析力学自然科学概论自然科学概论物理科学

18、物理科学15 / 137 (1)瓦特改进蒸汽机瓦特改进蒸汽机 1764年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，年，学校请瓦特修理一台纽可门式蒸汽机，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，在修理的过程中，瓦特熟悉了蒸汽机的构造和原理，并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续并且发现了这种蒸汽机的两大缺点：活塞动作不连续而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始而且慢；蒸汽利用率低，浪费原料。以后，瓦特开始思考改进的办法。直到思考改进的办法。直到1765年的春天，在一次散步时，年的春天，在一次散步时，瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低是蒸汽在缸瓦特想到，既然纽可门蒸汽机的热效率低

19、是蒸汽在缸内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？内冷凝造成的，那么为什么不能让蒸汽在缸外冷凝呢？瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。瓦特产生了采用分离冷凝器的最初设想。出现第一次出现第一次工业革命。工业革命。2. 热力学与统计物理学的建立热力学与统计物理学的建立自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学16 / 137(2) 焦耳测定热功当量焦耳测定热功当量 1843年年8月月21日在英国学术会上，焦耳报告了他日在英国学术会上，焦耳报告了他的论文的论文论电磁的热效应和热的机械值论电磁的热效应和热的机械值，他在报告，他在报告中说中说1千卡的热量相当于千卡的热量相当于460千克米的功。他的

20、报告没千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要有得到支持和强烈的反响，这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。进行更精确的实验。 焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了焦耳还用鲸鱼油代替水来作实验，测得了热功当量热功当量的平均值为的平均值为423.9千克米千克米/千卡千卡。接着又用水银来代替。接着又用水银来代替水，不断改进实验方法，直到水，不断改进实验方法，直到1878年，这时距他开始年，这时距他开始进行这一工作将近四十年了，他已前后用各种方法进进行这一工作将近四十年了，他已前后用各种方法进行了四百多次的实验。他在行了四百多次的实验。他在1849年用磨擦使水变热的年用

21、磨擦使水变热的方法所得的结果跟方法所得的结果跟1878年的是相同的，即为年的是相同的，即为423.9千克千克重米重米/千卡。千卡。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学17 / 137(3) 热力学第一定律热力学第一定律能量守恒能量守恒 亥姆霍兹对物理学的主要贡献是发现了能量亥姆霍兹对物理学的主要贡献是发现了能量守恒定律。他原来是研究生理学的，在对生理过守恒定律。他原来是研究生理学的，在对生理过程和动物热的来源进行分析的时候，发现著名化程和动物热的来源进行分析的时候，发现著名化学家李比希的活力学说有问题。李比希认为活的学家李比希的活力学说有问题。李比希认为活的机体会从一种机体会从一种“活力活

22、力”取得能量。亥姆霍兹认为，取得能量。亥姆霍兹认为，如果生物机体除了从食物发热取得能量外，还可如果生物机体除了从食物发热取得能量外，还可以从某种以从某种“活力活力”得到能量，那么生物机体就成得到能量，那么生物机体就成了永动机。说得通俗一点，就是人不吃饭也可以了永动机。说得通俗一点，就是人不吃饭也可以从从“活力活力”中得到能量而活下去。中得到能量而活下去。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学18 / 137 亥姆霍兹认为亥姆霍兹认为永动机永动机是不可能实现的。他是不可能实现的。他把自己的观点加以整理，写成把自己的观点加以整理，写成论力的守恒论力的守恒一文，送到德国一文，送到德国物理学年鉴物理

23、学年鉴。它被主编波。它被主编波根道夫退了回来。根道夫退了回来。1847年年7月月23日，亥姆霍兹在日，亥姆霍兹在柏林物理学会的一次讲演中报告了这篇论文。柏林物理学会的一次讲演中报告了这篇论文。他全面阐述了能量守恒和转换他全面阐述了能量守恒和转换 来表示来表示“活力活力”，也就是现在所说的动能。也就是现在所说的动能。这篇论文表明，亥姆这篇论文表明，亥姆霍兹是能量守恒定律的创立者之一。霍兹是能量守恒定律的创立者之一。“永动机永动机”饮水鸟饮水鸟自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学19 / 137(4) 热力学第二定律热力学第二定律 克劳修斯克劳修斯,德意志帝国物理学家。热力学奠基德意志帝国物理

24、学家。热力学奠基人之一。人之一。1822年年1月月2日生于普鲁士的克斯林（今日生于普鲁士的克斯林（今波兰科沙林），波兰科沙林），1888年年8月月24日卒于波恩。日卒于波恩。1840年入柏林大学，年入柏林大学，1847年获哈雷大学哲学博士学位。年获哈雷大学哲学博士学位。1850年因发表论文年因发表论文论热的动力以及由此导出的论热的动力以及由此导出的关于热本身的诸定律关于热本身的诸定律而闻名。而闻名。1855年任苏黎世年任苏黎世工业大学教授，工业大学教授，1867年任德意志帝国维尔茨堡大年任德意志帝国维尔茨堡大学教授，学教授，1869年起任波恩大学教授。年起任波恩大学教授。自然科学概论自然科学概

25、论物理科学物理科学20 / 137 在在1850年那篇论文中，克劳修斯肯定了年那篇论文中，克劳修斯肯定了J.P.焦焦耳由实验确立的热与功的相当性（热功当量）而完耳由实验确立的热与功的相当性（热功当量）而完全否定了热质说；他分清了热能与内能这两概念的全否定了热质说；他分清了热能与内能这两概念的关系和区别并明确关系和区别并明确内能内能U属物质的一种状态函数而属物质的一种状态函数而功功A与与热量热量Q则否，因此就对理想气体而言写出了则否，因此就对理想气体而言写出了热力学第一定律的表达式热力学第一定律的表达式dQdUdA。他认为。他认为 “热不能自发地从低温物体向高温物体转移热不能自发地从低温物体向高

26、温物体转移”。这。这观点就是首先由他提出的热力学第二定律的克氏表观点就是首先由他提出的热力学第二定律的克氏表述述 。基本内容：基本内容：热可以转变为功，功也可以转变为热；热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。也必产生一定的功。 热力学第一定律的另一种表述是：第一类永热力学第一定律的另一种表述是：第一类永动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能动机是不可能造成的。这是许多人幻想制造的能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能不断地作功而无需任何燃料和动力的机器，是能够无中生有、源源不断提供能

27、量的机器。显然，够无中生有、源源不断提供能量的机器。显然，第一类永动机违背能量守恒定律。第一类永动机违背能量守恒定律。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学21 / 137 开尔文（开尔文（Lord Kelvin 18241907） 19世世纪英国卓越的物理学家。原名纪英国卓越的物理学家。原名W.汤姆逊汤姆逊（William Thomson），），1824年年6月月26日生于爱日生于爱尔兰的贝尔法斯特，尔兰的贝尔法斯特，1907年年12月月17日在苏格兰日在苏格兰的内瑟霍尔逝世。由于装设大西洋海底电缆有的内瑟霍尔逝世。由于装设大西洋海底电缆有功，英国政府于功，英国政府于1866年封他为爵士，

28、后又于年封他为爵士，后又于1892年封他为男爵，称为开尔文男爵，以后他年封他为男爵，称为开尔文男爵，以后他就改名为开尔文。开尔文是热力学的主要奠基就改名为开尔文。开尔文是热力学的主要奠基人之一，在热力学的发展中作出了一系列的重人之一，在热力学的发展中作出了一系列的重大贡献。大贡献。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学22 / 137 他根据盖他根据盖-吕萨克、卡诺和克拉珀龙的理论吕萨克、卡诺和克拉珀龙的理论于于1848年创立了热力学温标。他指出：年创立了热力学温标。他指出：“这个温这个温标的特点是它完全不依赖于任何特殊物质的物理标的特点是它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质。性质。”这是现

29、代科学上的标准温标。他是热力这是现代科学上的标准温标。他是热力学第二定律的两个主要奠基人之一（另一个是克学第二定律的两个主要奠基人之一（另一个是克劳修斯），劳修斯），1851年他提出热力学第二定律：年他提出热力学第二定律：“不不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。生其他影响。”这是公认的这是公认的热力学第二定律热力学第二定律的标的标准说法。准说法。热不可能自发地、不付代价地从低温物体传热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体到高温物体( (不可能使热量由低温物体传递到高不可能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化，这

30、是按照热传导温物体，而不引起其他变化，这是按照热传导的方向来表述的的方向来表述的) )。 (克劳修斯在1850年提出)不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不可能从单一热源取热，把它全部变为功而不产生其他任何影响不产生其他任何影响( (这是从能量消耗的角度说这是从能量消耗的角度说的的, ,它说明第二类永动机是不可能实现的）。它说明第二类永动机是不可能实现的）。 (开尔文于1851年提出) 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学23 / 137 他指出，如果此定律不成立，就必须承认可以他指出，如果此定律不成立，就必须承认可以有一种永动机，它借助于使海水或土壤冷却而无限有一种永动机，它借助于使海

31、水或土壤冷却而无限制地得到机械功，即所谓的第二种永动机。他从热制地得到机械功，即所谓的第二种永动机。他从热力学第二定律断言，能量耗散是普遍的趋势。力学第二定律断言，能量耗散是普遍的趋势。1852年他与焦耳合作进一步研究气体的内能，对焦耳气年他与焦耳合作进一步研究气体的内能，对焦耳气体自由膨胀实验作了改进，进行气体膨胀的多孔塞体自由膨胀实验作了改进，进行气体膨胀的多孔塞实验，发现了焦耳汤姆孙效应，即气体经多孔塞实验，发现了焦耳汤姆孙效应，即气体经多孔塞绝热膨胀后所引起的温度的变化现象。这一发现成绝热膨胀后所引起的温度的变化现象。这一发现成为获得低温的主要方法之一，广泛地应用到低温技为获得低温的主

32、要方法之一，广泛地应用到低温技术中。术中。1856年他从理论研究上预言了一种新的温差年他从理论研究上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。一定的热量（称为汤姆孙热）。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学24 / 137 玻耳兹曼（玻耳兹曼（18441906）, Boltzmann ，奥地利物理学家。，奥地利物理学家。统计物理学的奠基人之一。统计物理学的奠基人之一。1844年年2月月20日生于维也纳，日生于维也

33、纳，卒于卒于1906年年 9月月5日。日。1863年入维也纳大学，于年入维也纳大学，于1866年获博士学位，后在维也纳的物理研究所年获博士学位，后在维也纳的物理研究所任助理教授。此后历任拉茨、维也纳、慕尼黑任助理教授。此后历任拉茨、维也纳、慕尼黑和莱比锡等大学的教授。和莱比锡等大学的教授。 (5) 统计物理学的建立统计物理学的建立自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学25 / 137 (1)1820年年,丹麦的奥斯特发现丹麦的奥斯特发现电流的磁效应电流的磁效应. (2)1831年年,法拉第发现电磁感应定律法拉第发现电磁感应定律. 迈克尔迈克尔法拉第法拉第(Michael Faraday，17

34、91-1867)19世纪最伟大的实验科学家之一。主要从事电学、磁学、世纪最伟大的实验科学家之一。主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系磁光学、电化学方面的研究，并在这些领域取得了一系列重大发现。列重大发现。1821年提出年提出“由磁产生电由磁产生电”的大胆设想，的大胆设想，并开始了艰苦的探索。并开始了艰苦的探索。1821年年9月他发现通电的导线能月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动，第一次实现了电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验电磁运动向机械运动的转换，从而建立了电动机的实验室模型。接

35、着经过无数次实验的失败，终于在室模型。接着经过无数次实验的失败，终于在1831年发年发现了现了电磁感应电磁感应定律。定律。3.3.电磁学与电动力学电磁学与电动力学自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学26 / 137(3)麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论 麦克斯韦，麦克斯韦，19世纪伟大的英国物理学家、数学世纪伟大的英国物理学家、数学家。家。1831年年11月月13日生于苏格兰的爱丁堡，日生于苏格兰的爱丁堡， 1879年年11月月5日在剑桥逝世。日在剑桥逝世。 麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤计物理学

36、、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存他预言了电磁波的存在在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。 手机放在广播或者音箱旁边时，嘟嘟响电磁脉冲激光

37、武器电磁脉冲激光武器1电磁脉冲激光武器电磁脉冲激光武器2电磁脉冲激光武器电磁脉冲激光武器3自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学27 / 1371. 相对论相对论 爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955），举世闻名的德裔美国科学家，现代），举世闻名的德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人。物理学的开创者和奠基人。 爱因斯坦爱因斯坦1900年年毕业于苏黎世工业大学，毕业于苏黎世工业大学，1909年开始在大学年开始在大学任教，任教，1914年任威廉皇家物理研究所所长兼年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国，柏林大学教授。后被迫移居美国，194

38、0年入年入美国籍。美国籍。3. 1.3 物理学的发展物理学的发展自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学28 / 1371951年为其庆祝72岁的一幅照片拍得 7.4万美元 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学29 / 137 他利用业余时间开展科学研究，在他利用业余时间开展科学研究，在1905年，年，26岁的爱因斯坦连续发表了三篇论文岁的爱因斯坦连续发表了三篇论文(光量子光量子、布朗运动布朗运动和和狭义相对论狭义相对论)，在物理学三个，在物理学三个不同领域中取得了历史性成就，特别是狭义相对不同领域中取得了历史性成就，特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出，推动了物理学理论论的建立和光量子

39、论的提出，推动了物理学理论的革命。同年，以论文的革命。同年，以论文分子大小的新测定法分子大小的新测定法,取得苏黎世大学的博士位。取得苏黎世大学的博士位。 1915年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作年爱因斯坦发表了广义相对论。他所作的的光线经过太阳引力场要弯曲光线经过太阳引力场要弯曲的预言，于的预言，于1919年年由英国天文学家亚瑟由英国天文学家亚瑟斯坦利斯坦利爱丁顿的日全食观测爱丁顿的日全食观测结果所证实。结果所证实。1916年他预言的引力波在年他预言的引力波在1978年也年也得到了证实。得到了证实。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学30 / 137 2. 量子论量子论 (1)1900

40、年年,普朗克提出辐射能量量子化普朗克提出辐射能量量子化假设假设,成功解决了黑体辐射问题。成功解决了黑体辐射问题。 (2)1905年年,爱因斯坦提出光量子概念爱因斯坦提出光量子概念,解解决光电效应问题。决光电效应问题。 (3)1911年年,卢瑟夫提出原子结构的行星卢瑟夫提出原子结构的行星模型。模型。 (4)1913年年,玻尔的原子理论诞生。玻尔的原子理论诞生。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学31 / 137Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947姓名：马克斯姓名：马克斯普朗普朗克克 职务：教授职务：教授 德国物理学家，量子德国物理学家，量子物理学的开创

41、者和奠物理学的开创者和奠基人，基人，1918年诺贝尔年诺贝尔物理学奖的获得者。物理学奖的获得者。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学32 / 137（5）量子力学的诞生）量子力学的诞生 1925年，德国海森伯提出矩阵力学；年，德国海森伯提出矩阵力学； 1926年，奥地利薛定谔提出了波动力学，年，奥地利薛定谔提出了波动力学，并证明波动力学与矩阵力学等价；并证明波动力学与矩阵力学等价； 1928年，英国的狄拉克发表相对论量子力年，英国的狄拉克发表相对论量子力学。学。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学33 / 137 量子力学与经典力学的差别首先表现在量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒

42、子的状态和力学量的描述及其变化规律对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描上。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。年首先找到的，被称为薛定谔方程。自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学34 / 137 当微观粒子处于某一状态时，它的力学当微观粒子处于某一状态时，它的力学量量(如坐标、动量

43、、角动量、能量等如坐标、动量、角动量、能量等)一般不一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是也就完全确定。这就是1927年，海森伯得出年，海森伯得出的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。对量子力学给出了进一步的阐释。 测不准关系：在同一个态中同时测量坐标和动量时，准确程度所受的限制。 自然科学概论自然科学概论物理科学

44、物理科学35 / 137 1. 凝聚态物理凝聚态物理 凝聚态物理学是从微观角度出发，研凝聚态物理学是从微观角度出发，研究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）究由大量粒子（原子、分子、离子、电子）组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与组成的凝聚态的结构、动力学过程及其与宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝宏观物理性质之间的联系的一门学科。凝聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。聚态物理是以固体物理为基础的外向延拓。 3. 1.4 现代物理学的研究领域现代物理学的研究领域自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学36 / 137 研究凝聚态物质的原子之间的结构、电子态研究凝聚态物质的原子之间的结构、电

45、子态结构以及相关的各种物理性质。结构以及相关的各种物理性质。 研究领域包括研究领域包括固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、固体物理、晶体物理、金属物理、半导体物理、电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理电介质物理、磁学、固体光学性质、低温物理与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、与超导电性、高压物理、稀土物理、液晶物理、非晶物理、低维物理（包括薄膜物理、表面与非晶物理、低维物理（包括薄膜物理、表面与界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构界面物理和高分子物理）、液体物理、微结构物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理（包括介观物理与原子簇）、缺陷与相变物理、纳米材料和准晶等。物

46、理、纳米材料和准晶等。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学37 / 137 （1）原子分子碰撞）原子分子碰撞 原子分子与各种粒子原子分子与各种粒子(正负电子、离子等正负电子、离子等)碰撞过程的碰撞过程的研究不仅有助于深入了解原子分子结构，揭示基本物理规研究不仅有助于深入了解原子分子结构，揭示基本物理规律，而且能为许多相关学科和应用领域律，而且能为许多相关学科和应用领域(如天体物理、等如天体物理、等离子体物理、凝聚态物理、分子反应动力学及核聚变研究、离子体物理、凝聚态物理、分子反应动力学及核聚变研究、X-射线激光研究等射线激光研究等)提供研究方法和基本数据。提供研究方法和基本数据。 （2）

47、原子分子与固体表面相互作用；）原子分子与固体表面相互作用； （3）原子对电子的局域化作用机制及其在固体材料）原子对电子的局域化作用机制及其在固体材料研究中的应用研究中的应用 ； （4）原子与激光光谱）原子与激光光谱 。 2. 原子分子物理原子分子物理自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学38 / 137 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。的第四态。等离子等离子体是一种很好的导电体，利体是

48、一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。的进一步发展提新的技术和工艺。 3. 等离子体物理等离子体物理物质第五态物质第五态玻色玻色-爱因斯坦凝聚态爱因斯坦凝聚态 物质在接近绝对零度(-273.16)这样的极低温下，物质出现的状态所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态玻色-爱因斯坦凝聚态（简称“玻爱凝聚态”）。自然

49、科学概论自然科学概论物理科学物理科学39 / 137 光学是研究光光学是研究光(电磁波电磁波)的行为和性质，以及光和的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。物质相互作用的物理学科。传统的光学只研究可见传统的光学只研究可见光，现代光学扩展到对全波段电磁波的研究，内容光，现代光学扩展到对全波段电磁波的研究，内容包括激光、非线性光学、包括激光、非线性光学、全息技术全息技术。 在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学在现代光学本身，由强激光产生的非线性光学现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包现象正为越来越多的人们所注意。激光光谱学，包括激光喇曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，括激光喇

50、曼光谱学、高分辨率光谱和皮秒超短脉冲，以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发以及可调谐激光技术的出现，已使传统的光谱学发生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运生了很大的变化，成为深入研究物质微观结构、运动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物动规律及能量转换机制的重要手段。它为凝聚态物理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了理学、分子生物学和化学的动态过程的研究提供了前所未有的技术。前所未有的技术。 4. 现代光学现代光学自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学40 / 137 现代声学研究主要涉及声子的运动、声现代声学研究主要涉及声子的运动、声子和物质的相互作用，以及一些

51、准粒子和电子和物质的相互作用，以及一些准粒子和电子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性子等微观粒子的特性。所以声学既有经典性质，也有量子性质。质，也有量子性质。 表面波、声全息、声成像、非线性声学、表面波、声全息、声成像、非线性声学、热脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物热脉冲、声发射、超声显微镜、次声等以物质特性研究为基础的研究领域都有很大发展。质特性研究为基础的研究领域都有很大发展。 5.现代声学现代声学多普勒效应原理多普勒效应现象自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学41 / 137 核物理学又称原子核物理学，是核物理学又称原子核物理学，是20世纪新建立的世纪新建立的一个物理学分支。一

52、个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律；它研究原子核的结构和变化规律；射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技射线束的产生、探测和分析技术；以及同核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。核物理的发展，不断地为又有重大实践意义的学科。核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用的效率和经济指标，并为更大规模的核能利用能利用的效率和经济指标，并为更大规模的核能利用准备了条件。人工制备的各种同位素的应用已遍及理准备了条件。人工

53、制备的各种同位素的应用已遍及理工农医各部门。新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔工农医各部门。新的核技术，如核磁共振、穆斯堡尔谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联谱学、晶体的沟道效应和阻塞效应，以及扰动角关联技术等都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为现技术等都迅速得到应用。核技术的广泛应用已成为现代化科学技术的标志之一。代化科学技术的标志之一。 6. 原子核物理学原子核物理学自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学42 / 137 粒子物理学（粒子物理学（particle physics），研究比原），研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，子核更深层次的微观世界中物质的结构

54、、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学。其因和规律的物理学分支。又称高能物理学。其发展大致经历发展大致经历3个阶段。个阶段。 （1）第一阶段（）第一阶段（18971937） 可追溯到可追溯到1897年发现第一个基本粒子电子年发现第一个基本粒子电子 。 7. 粒子物理学粒子物理学自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学43 / 137 1932 年年 J.查德威克在用查德威克在用a粒子轰击核的实粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而形

55、成质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由所有物质都是由基本的结构单元基本的结构单元质子质子 、中子、电子构成的、中子、电子构成的统一的世界图像统一的世界图像。质子、中子、电子和。质子、中子、电子和A.爱因爱因斯坦提出并被斯坦提出并被 R.A.密立根和密立根和 A.H. 康普顿等人康普顿等人实验证实的实验证实的光子光子、W.泡利假设存在的泡利假设存在的中微子中微子（1956年最终被实验证实）以及年最终被实验证实）以及P.A.M.狄拉克狄拉克预言并被预言并被 C.D.安德森安德森 1932 年在宇宙线中观察年在宇宙线中观察到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子到的正电子都被认为是基本粒子或亚原

56、子粒子.自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学44 / 137 （2）第二阶段（）第二阶段（19371964） 先后陆续发现了先后陆续发现了众多的粒子。众多的粒子。 1937年从宇宙线中发现年从宇宙线中发现子，后来证实它不参与子，后来证实它不参与强作用，它和与之相伴的强作用，它和与之相伴的中微子同电子及与之相伴中微子同电子及与之相伴的电子中微子可归入一类的电子中微子可归入一类 ，统称为，统称为轻子轻子 。1947年发年发现现介子介子 ， 1950年发现年发现0介子介子 ， 1947 年还发现年还发现奇奇异粒子异粒子。50年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很

57、大发展，从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒大发展，从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期，各种粒子的反粒子被证实；发现了为数子的新时期，各种粒子的反粒子被证实；发现了为数不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现，其不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现，其中大部分是中大部分是强子强子，人们怀疑这些基本粒子的基本性。，人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们尝试将强子进行分类，提出颇为成功的强子分类人们尝试将强子进行分类，提出颇为成功的强子分类的的“八重法八重法”。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学45 / 137 这一阶段理论上最重要的进展是重正化理论的建这一阶段理论上最

58、重要的进展是重正化理论的建立和相互作用中对称性的研究。关于描述电磁场量子立和相互作用中对称性的研究。关于描述电磁场量子化的量子电动力学，通过重正化方法消除了发散困难，化的量子电动力学，通过重正化方法消除了发散困难，对于电子和对于电子和子反常磁矩以及兰姆移位的理论计算与子反常磁矩以及兰姆移位的理论计算与实验结果精确符合。量子电动力学经受众多实验检验，实验结果精确符合。量子电动力学经受众多实验检验，成为描述电磁相互作用的成功的基本理论。对称性与成为描述电磁相互作用的成功的基本理论。对称性与守恒定律联系在一起，关于相互作用中对称性的研究，守恒定律联系在一起，关于相互作用中对称性的研究，最为重要的结果

59、是最为重要的结果是1956年李政道、杨振宁年李政道、杨振宁 提出弱作用提出弱作用下宇称不守恒，下宇称不守恒，1957年被吴健雄等人的实验及其他实年被吴健雄等人的实验及其他实验证实，这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭验证实，这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这些研究推动弱作用理论的进展。宇称不守恒。这些研究推动弱作用理论的进展。 自然科学概论自然科学概论物理科学物理科学46 / 137 （3）第三阶段（）第三阶段（1964 ） 以提出强子以提出强子 结构的夸结构的夸克模型为标志。克模型为标志。 1964 年年 M.盖耳曼和盖耳曼和 G.兹韦克在强子分类八重法兹韦克在强子分类八

60、重法的基础上分别提出的基础上分别提出强子由夸克构成强子由夸克构成，夸克共有上夸克，夸克共有上夸克u、下夸克、下夸克d和奇异夸克和奇异夸克s三种，它们的电荷三种，它们的电荷 、重子数、重子数为分数为分数 。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据为是夸克存在的证据 。自然