物理学史课件

物理学史讲座——从牛顿到爱因斯坦

“自然和自然的法则

在黑暗中隐藏；

上帝说：让牛顿去吧！于是，一切都已照亮。”

——蒲柏（英国诗人）

爱因斯坦：“卓别林先生您的艺术全世界的人都能看懂，您一定能成为一位伟大的艺术家。”

卓别林：“爱因斯坦先生，您的著作全世界没有几个人能看懂，但您已经成为一位伟大的科学家

近代科学并不是某个人在某一天创造的。但是如果一定要举出某个人某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天

—杨振宁牛顿运动定律第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。第二定律物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同第三定律

两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等、方向相反，作用在一条直线上

评说：从地面上物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹，人造卫星、宇宙飞船……所有这些动要遵从牛顿运动定律和由此树立起来的经典力学的规律，充分显示了牛顿科学工作的魅力。万有引力定律自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m1和m2乘积成正比，与它们之间的距离r的二次方成反比，方向在它们的连线上

1992年，中国启动载人航天工程。2003年10月15日9时，我国神州五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。实现了中华民族千年的飞天梦想。

评说：

尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕……宇宙留给人们的思考和疑问向深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？有没有地外文明？如果有它们在哪里？爱因斯坦曾经说：“一个最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”同学们：你们想加入破解它们的行列吗？·如何看牛顿？

对于前辈科学家的认识也是一个历史发展的过程。历史告诉我们，牛顿以其过人的天才和超越自身时代的发现，改变了人类对世界的认识和理解，并已浸润到当今人类生活的各个方面。牛顿的科学思维是清晰的，牛顿的科学态度是严谨的，牛顿的科学成果是划时代的。所以人们不吝惜将最热情的赞誉给予这位伟大的科学家。他死后，英国为他举行了国丧，他的灵柩被安葬在威斯敏斯特教堂，成为英国的英雄。但是，随着一些尘封已久的资料的公开，人们又不得不相信，这位科学的代言人曾经深陷炼金术的泥沼而不能自拔，并沉溺于宗教狂热之中；他与胡克、弗拉姆斯蒂德、莱布尼兹的争斗中凸显了他盛气凌人的霸气和学术道德的缺失。那么，我们今天如何看牛顿？

《牛顿传》作者怀特说：“用陆续挖掘出来的材料为牛顿画像，画出来的形象不一定十分美丽，但真实的人生本来如此，并不都是美丽的。我们应该骄傲地接受这样一个人，既接受他独特的才华与天分，也接受他怪异的行径与失败。”是的，牛顿犯过的错误和性格上的弱点也许比人们知道的更多；但也仍是一位无以伦比的巨人！让我们永远记住，人类曾经存在过这样一位伟大的智者，并从他的科学思想和科学成果中获得教学和启迪。5、牛顿站在谁的肩上？

牛顿：

“如果我比别人看得远一些，那是因为我站在巨人们的肩上。”

伽利略—近代物理的先驱。爱因斯坦评价道：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”

他失明了，因为在自然界已经没有剩下什么他没看见过的东西了

——伽利略墓志铭伽利略的科学功绩

(1)确立描述运动的基本特征量——速度和加速度

(2)探索落体运动的规律：v=gt、h=gt2/2

(3)发现惯性定律——隔了一代人，被牛顿总结成动力学的基本定律之一

理想实验的魅力：运动不需要力的维持。

（4）提出了运动的相对性原理评说：

这段十分精辟的观察事实，揭示了一条极为重要的真理，即从船中发生的任何一种现象，均无法判断船究竟是在匀速运动还是停着不动。地球就像一条大船，由于地球上所有的物体都参加了地球的运动，因此彼此并不感觉与地球静止时有什么差异。人们将这个论断称为“伽利略相对性原理”。

（5）开创了实验科学：把观察和实验作为研究的基础，并把它与数理逻辑的推理紧密结合起来，是人类科学思维方式的巨大进步。开普勒——天空的立法者

爱因斯坦评开普勒：“在开普勒生活的时代，人们还根本没有确信自然界是受着规律支配的。他在没有人支持和极少有人了解的情况下，全靠自己的努力专心致志地以几十年艰辛和坚韧的工作，从事于行星运动的经验研究以及这种运动的数学定律的研究，使他获得这种力量的，是他对自然规律存在的信仰，这种信仰该是多么深挚呀！”行量运动三定律

——中世纪科学与近代科学的分水岭

第一定律：所有行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的一个焦点上第二定律：对于任一行星来说，它与太阳的连线在相等的时间扫过相等的面积第三定律：行星绕太阳运动轨道的半长轴a的立方与运动周期T的平方成正比即：a3/t2=K式中k是与任何行星无关，只可能与太阳有关的一个常量（3）一个精神上富有的人

生活的困苦，研究的艰辛，命运的坎坷，从未使他在科学研究的道路上退缩。他写道：“要把科学研究之锚沉入科学的海洋之底”，“我勇往直前，百折不回……为了给我的上帝塑造一座圣殿，我已经得到了金瓶……木已成舟、瓜熟蒂落。我正在写的这部书——是现在还是将来子孙后代读到它，那无关紧要。它可以为有一个读者而等上整整一个世纪。正如上帝自己为了有一个智者而等了六千年一样。”自撰墓志铭：“我曾测量天空，现在测量幽冥；灵魂飞向天国，肉体安息土中。”开普勒、伽利略与牛顿伽利略和开普勒是朋友，长期书信往来，却来曾谋面。开始时伽利略不知道行星绕日运动不再是匀速圆周运动，而开普勒不知道伽利略的惯性定律。后来，当开普勒的行星运动定律与伽利略的惯性定律会合时，历史进入了牛顿时代。可以说，牛顿所建立的万有引力定律，就是把伽利略和开普勒关于力与运动及行星定律的“歌词”谱上了数学的“乐曲”，成为人们可以吟唱的科学乐章。二、法拉第和麦克斯伟

——实验大师和理论巨将

牛顿曾说：“我不过像是在玩耍的小孩，不时为发现比寻常更光滑的一块石子或比寻常更美丽的一片贝壳而沾沾自喜，但对展现在我面前的浩瀚的真理海洋却全然没有发现”是的牛顿并没有揭示值得我们知道的每一样东西，其中就换电现象、磁现象。。。“江山代有才人出，各领风骚数百年”时代召唤着新的巨人1、变人类命运的伟大发现—电磁感应：

奥斯特梦圆“电生磁”：

“猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”法拉第心系磁生电思想：各种自然现象都是相互关联的。根据：磁铁能使临近的铁块感应带磁—磁化。静电荷能使邻近的导体中感应出另一种电荷—静电感应。联想：电与磁的性质是相同的。既然电流能产生磁效应，那么根据电与磁的相似性，磁也能产生电呀！志向：“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于想发现电磁及感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以有充分的发展。”成果：电磁感应现象的发现与人类社会的电气化。趣闻：法拉第与财政大臣的对话。2、创造全新的物理概念—场及其图示法概念是科学的细胞：有创见的科学是概念的提出，对科学理论的形成和发展，具有十分重要的意义。提出概念的基础：既是长期实践发展的产物，又是深入抽象思维的结果。法拉第的场概念及其图示（1）一个更为深刻的问题：、的作用是怎样的传递的？超距作用：不需要任何媒质，也不需要任何时间评说：具有神秘色彩与人类的理智的科学追求不符。牛顿的看法：

“很难想象没有别种无形的媒介，无生命无感觉的物质可以不需相互接触而对其他物质起作用和产生影响……没有其它东西作媒介，一个物体可超越距离通过真空对另一物体作用，并凭借它和通过它。作用力可以从一个物体传递到另一物体，在我看来，这种思想荒唐之极，我相信从来没有一个在哲学的问题上具有充分思考能力的人会沉迷其中。”法拉第：

引领人们摆脱困境的具有深刻洞察力的科学家。（2）具体内容

带电体周围空间存在着电场。磁体周围的空间存在着磁场。电力和磁力是通过电场和磁场来传递的电场的强弱与方向和磁场的强弱与方向可以用电场线和磁场线来描述。在对电场和磁场做了研究后，法拉第进一步强调了电磁场的重要性。他认为：描述电磁现象，重要的不是带电体和磁体这些看得见、摸的着的物质实体，而是带电体和磁体之间那种看不见，摸不着的然而又是客观存在的弥漫于整个空间的场。（3）法拉第的局限

重在感性描述与缺少严格的推导证明；偏于直观形式上疏于数学表达。3、从求知少年到豁达长者

谢绝皇家学会会长和爵位；拒绝研制毒气用于战争；葬礼简朴；墓碑上只有：“迈克尔.法拉第，1791～1867”字样。4、麦克斯韦——一个走向科学颠峰的高才生广泛的兴趣、精湛的构思和对事物寻根究底的探索精神，来自于接受了良好的教育。霍普金斯教授：“小伙子，如果你没有秩序你永远成不了优秀的数学物理学家。”高才生俱乐部中的佼佼者—两个科目的最高奖集于一身。15岁时在《爱丁堡皇家学会学报》上发表了数学论文。5、麦克斯的科学贡献法拉第虽然有高超的实验技巧和丰富的想象力，提出了“场”和“力线”这些非常深刻的思想，但由于数学水平不高，所以无法把他的定性的见解提高到精确的定量的理论上去，而这个任务就由麦克斯韦完成了。积分形式微分形式物理意义

(5.3.1.1)安培环路定律

法拉第电磁感应定律

磁通连续性定律

.高斯定律揭示了变化着的电场和磁场之间的相互依存的关系揭示了电磁场确实是一种物质形态，它像实物一样也是有能量、动量、质量，而且它一经产生，便以光速按波动形式传播，为无线电通讯奠定了理论基础。用一组偏微分方程式完美地描述了电磁运动的基本规律预见了电磁波的横向振动性质及其传播速度速度，建立起光的电磁理论将表面上看来风马牛不相及的电现象、磁现象和光现象统一在一个完整的理论之中，揭开了物理学的新篇章。三、爱因斯坦

——科学革命的旗手1、人们如何谈论爱因斯坦朗之万：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星……因为他对科学的贡献更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构之中。”

汤姆逊：“爱因斯坦的相对论是历史上最伟大的成就之一，也许就是最伟大的成就。他不是发现了一个孤岛，而是发现了科学思想的新大陆。”约翰·布朗：“科学界的名人都有其自身的相对性：有的科学家因同行的称道而出名；有些受到学生的赞誉；还有些受到大众的崇拜。但是，很少人能够对任何人，在任何地方，任何时间都是名人。爱因斯坦则达到了这种普遍性……他的形象已经成为一种图标，它代表智慧、想象力和创造力；他的品牌作为“天才”的同义词是如此地深入人心，以致于他本人有一次不得不忏悔地说：我是爱因斯坦，但我并不是人们说的那个天才的爱因斯坦。”杨振宁：“爱因斯坦就是追求科学所需要的力量和毅力的象征。他的研究工作是在他之后的科学家的灵感和勇气。”

李政道：“我们的地球在太阳系中是一个不大的行星。我们的太阳在整个银河系四千亿颗恒星中也不是怎么出奇的星。我们银河系在整个宇宙中也是非常渺小的。可是，因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活过，我们这颗蓝色的地球就比宇宙的其他部分有特色，有智慧，有人的道德。”2、爱因斯坦告诉了我们什么光到底是什么？分子真的存在吗？狭义相对论改变了什么？（1）两个基本原理：相对性与光速不变性（2）从同时的相对性到时间和长度的相对性：（3）质速关系：（4）质能关系与原子核能的利用：E=mc2引力是什么？（1）光线弯曲（2）行星的进动（3）引力场方程与引力的演化（4）时空、物质与引力的关系统一场论追求什么？

爱因斯坦：“我完成不了这项工作了，我的这项研究即使被遗忘，但是将来仍会被重新发现。”约飞：“如果说这献身于统一场论的最后30年并未留下一些有用的成果的话，但却激发了许多深邃的思想，而且为此后的物理学提出了一系列问题。”现在，爱因斯坦遗留下来的关于统一场论的火炬，正在由后辈科学家门高高擎起，它像一座灯塔，永远照亮着年轻一代向科学高峰攀登的道路。3、爱因斯坦怎样看待自己？1921年获诺贝尔奖后说：“我不过是在自己的工作中没有退缩而已，没有别的。”“我有时自向，怎么偏偏是我创立了相对论呢？我认为其原因如下：一个正常的成年人不得会思考空间和时间的问题。他会认为这样的问题早在童年时代就搞清楚了，我则正相反、智力发展得很慢，成年以后才开始思考空间和时间问题。很显然，我对这些问题比儿童时期发育正常的人想得要深一些。”“让每一个人都作为个人受到尊重，而让任何人成为崇拜的偶像。我自己就是受到人们过分的赞扬和尊敬。”4、爱因斯坦的葬礼

这位伟大的学者在他生命的最后一天向家人留下遗嘱：不发讣告，不举行