期末复习要点(11级)

宁夏大学物理电气信息学院期末考试试卷DATE\@"M/d/yyyy"6/21/2014第31页共31页物理学史和物理学方法论复习要点亚里士多德关于万物组成的理论。天文学方面：他认为天体永远围绕地球这一宇宙中心作匀速圆周运动；组成地上物体的四种基本元素（水、火、气、土）都“趋向于自己特有的空间”，天体由第五种元素“以太”构成。开普勒行星运动三定律的提出。被称为“星子之王”的第谷·布拉赫在天体观测方面获得不少成就，死后留下20多年的观测资料和一份精密星表。他的助手开普勒利用了这些观测资料和星表，进行新星表编制。然而工作伊始便遇到了困难，按照正圆轨道来编制火星运行表一直行不通，火星这个“狡猾家伙”总不听指挥，老爱越轨。经过一次次分析计算，开普勒发现，如果火星轨道不是正圆，而是椭圆，那么矛盾不就烟消云散了吗。经过长期细致而复杂计算以后，他终于发现：行星在通过太阳的平面内沿椭圆轨道运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。这就是行星运动第一定律，又叫“轨道定律”。当开普勒继续研究时，“诡谲多端”的火星又将他骗了。原来，开普勒和前人都把行星运动当作等速来研究的。他按照这一方法苦苦计算了1年，却仍得不到结果。后来他发现，在椭圆轨道上运行的行星速度不是常数，而是在相等时间内，行星与太阳的联线所扫过的面积相等。这就是行星运动第二定律，又叫“面积定律”。开普勒又经过9年努力，找到了行星运动第三定律：太阳系内所有行星公转周期的平方同行星轨道半长径的立方之比为一常数，这一定律也叫“调和定律”。《自然哲学的数学原理》中牛顿对第二运动定律的叙述。“运动的变化正比于外力，变化的方向沿外力作用的直线方向”熵的概念的提出。答；克劳修斯发表了《力学的热理论的主要方程之便于应用的形式》一文，在文中明确表达了“熵”的概念库仑定律的得到。;库仑是法国工程师和物理学家。1785年,库仑用扭称实验测量两电荷之间的作用力与两电荷之间距离的关系。他通过实验得出:“两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这两球中心之间的距离平方成反比。”同年，他在《电力定律》的论文中介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。

库仑定律是库仑受到牛顿万有引力的启发下提出的,通过观察公式我们可以发现它们惊人的相似,它们的本质是否就相同呢?

我们把自然界的力分为四种,从大到小依次为强核力,库仑力,万有引力,弱核力.目前已经把核力和库仑力统一了,和万有引力却没有,这也是科学家们致力研究的一个问题,称为"大统一论".

库仑受到卡文迪许实验的启示,设计了实验计算出了静电常量K的值,使之有了应用价值.两实验都运用了等效放大的原理.

实际上我们可以这样理解.公式中库仑力之所以与r的2成反比是因为是因为电磁波或电磁场辐射出去以球面的形式向外扩散，球面与半径的平方成正比，自然单位面积上的辐射程度与半径的平方成反比.力线思想和场的概念的创建及其重要意义。电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线将电荷（或磁极）联系在一起。力线就象是从电荷（或磁极）发出、又落到电荷（或磁极）的一根根皮筋一样，具有在长度方向力图收缩，在侧向力图扩张的趋势。法拉第力线的实质是场，是近距理论的核心。在带电体、磁体、电流周围空间存在着某种由电或磁产生的象以太那样的连续介质，起着传递电力和磁力的媒介作用，并称其为“电场”和“磁场”。第一次提出的作为近距作用的“场”的概念。类比流体力学：对场的物理图象作了直观的描述。他关于力线和场的概念，对传统的科学观念是一个重大突破，把近距媒递作用观念引进了物理学中，对电磁学以及整个物理学的发展都产生了深远的影响。广义相对论建立之初，爱因斯坦提出的三项实验检验。广义相对论的三个实验检验其一是行星轨道的椭园绕太阳的旋转，爱因斯坦在1915年和1916年的论文中已圆满地解释了水星近日点的进动，解开了这个长期使人困惑不解的疑团(水星近日点的进动是1859年被勒维烈发现的，勒维烈根据自己发现海王星的经验，误认为水星轨道内有一颗未知的行星或行星群存在)。其二是，由于引力作用，大质量的星球射到我们这里的光线，它的谱线移向光谱红端，即所谓光的引力红移。1924年，亚当斯通过对天狼星伴星的观察，证实了这一预言，自1958年穆斯保尔效应发现以后，才开始在实验室中利用γ射线共振吸收来进行红向位移的实测。其三是引力场使光线弯曲，这一实验检验颇有戏剧性爱因斯坦提出了三个可供实验验证的推论：水星轨道近日点的反常进动光线在引力场中的偏折光谱线的引力红移超导、超流现象及其发现。离子，电子，磁矩，各种准粒子，光子等之间的相互作用，决定了系统的物理性质及相变。相变－相互作用与热运动的竞争（多个相变来源于多种相互作用的共存）传统超导：电子－声子相互作用，电子对高温超导：电子－（自旋涨落,声子,激子？）－电子热导－载流子：声子、电子、磁子、顺磁子（自旋涨落）及散射机制超导4个研究：1957，提出BCS理论，第一个成功的微观超导理论。很好地解释了大多数元素的超导性质。基本思想：电声子的相互作用。1960，发现单电子超导隧穿效应，1962，预言约瑟夫森效应1986，发现Ba-La-Cu-O系统物质的高温超导性超流：一种物质状态，完全无黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。超流体是被彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳在1937年发现的。有关超流体的研究被称为量子流体力学。超导相关的一个重要的现象是超流，在1937-1938年期间由俄国物理学家卡皮察PyotrKapitsa(1894–1984)发现,1978年因这一发现获得诺贝尔奖.卡皮察发现当温度进一步降低到大约2.2K时，液氦的粘滞性完全消失，可以毫无阻尼的流动。这一现象命名为超流动性。麦克斯韦电磁场理论的完善。1）麦克斯韦电磁场理论的建立过程W·汤姆逊以理论物理学家的素养，对法拉第的理论进行了类比研究和数学概括，有力地支持了法拉第通过力线表达出来的近距作用观点，为麦克斯韦电磁学数学理论的研究提供了方向性和方法论的启示。第一篇论文——《论法拉第力线》（1856年）运用类比方法研究法拉第力线，成功地实现了关于法拉第力线的数学表述。。第二篇论文——《论物理力线》（1861年）。创造性地提出位移电流和涡旋电场的两大重要假设。取得了对电磁现象认识的决定性突破，为最终创立电磁场理论奠定了基础。第三篇论文——《电磁场的动力学理论》(1864年)。用场的观点总结了电磁理论，构建了全新的理论框架。从他的方程组直接推导出磁干扰传播的波动方程，证明了磁扰动的横波性质，并再次证明了这个传播速度就等于韦伯实验中的数值。1873年出版《电磁通论》。集电磁学大成的划时代著作，全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。Maxwell未决重大问题：电磁场是怎样产生的？（2）麦克斯韦之后的完善工作：1870年，赫姆霍兹用能量守恒原理讨论电磁场。1884－1890年，赫兹完善麦克斯韦理论1892年，洛伦兹作出重大修正，提出经典电子论——电子的运动是一切电磁场的根源。补充、发展了经典电磁理论，创立了经典电子论X射线和天然放射性的发现。一．X射线的发现1895年11月8日，进行阴极射线实验时，伦琴用黑纸板把放电管包起来，房间是暗室。发现一米外的荧光屏发出微弱荧光。连续六个星期反复实验。1895年12月28日，发表论文《论一种新的射线》：新射线来自于被阴极射线击中的固体；新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转；所有物体对新射线几乎都是透明的；新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光，能显示出装在盒子里的砝码、猎枪的弹膛和人手指骨的轮廓。极大轰动。1901年，成为第一个诺贝尔物理学奖的获得者。X射线这个名称也是伦琴最先采用的，他在给孔特的信中说：“我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做X光吧”，后人为了纪念他，又把它称为“伦琴射线”。伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究X射线，反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的，仅1896年一年内，关于X射线研究的论文达1000多篇。二、天然放射性的发现在X射线发现不久，贝克勒尔对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，他把这种铀化合物放在用黑纸包起来的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒几小时，把底片取出来进行冲洗，他发现了“荧光物质在底片上的黑色轮廓”，他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃，继续进行试验，也得到了同样的结果。这就是最早发现的放射性现象，铀是贝克勒尔发现的第一个放射性元素。玻尔的氢原子理论及其提出过程。玻尔氢原子理论三条假设：1)定态假设：原子中电子的轨道不是任意的，只能取分立的几个，在以上轨道运动的电子不辐射电磁波，原子处于相应的定态。2)跃迁假设：原子中的电子从一定态跃迁到另一定态，若相应的能量En>Ek，则原子将放出一个光子，其频率： 3）角动量量子化：如果电子绕核转的是圆轨道的话，它的角动量也应是量子化的，即(n=1(n=1，2，3…)由定态跃迁原理通过运用经典力学的计算和引入量子条件，玻尔推出了原子的玻尔半径大小a，并得到了定态能量En。将定态能量代入跃迁公式，即得氢光谱规律公式：从而使氢光谱的谱线规律很自然的得到解释。提出过程:汉森的拜访：1912年7月回到哥本哈根，1913年初，玻尔的好友、光谱学家汉森(H.M.Hansen)在拜访玻尔时问到原子结构和光谱学中的谱线有什么关系？并向玻尔详细介绍了巴尔末的发现，以及谁也无法对巴尔末公式作出解释。斯塔克的启示：1913年2月玻尔注意到德国物理学家斯塔克(J.Stark)在《原子动力学原理》一书中的一段话：“一个光谱的全部谱线是由单独一个电子造成的，是在这个电子从一个（几乎）完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程中辐射出来的。”他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一起，这样，玻尔突然领悟到，他可以用这一理论解释巴尔末公式了。玻尔曾说过：“我一看到巴尔末公式，整个情形就一下子弄清楚了。”跃迁理论的提出：1913年3月、6月、9月，分别写出了《原子构造和分子构造（1）（2）（3）》三篇论文（人称“三部曲”），提出了定态跃迁的原子模型。光的波粒二象性的早期实验证实。(1)杨氏双缝干涉实验，光衍射实验证明了光具有波动性。

(2)1905年，赫兹发现的光电效应证明了光的粒子性。物质粒子的波粒二象性及其早期实验证实。波粒二象性（wave-particleduality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。在量子力学里，微观粒子有时会显示出波动性（这时粒子性较不显著），有时又会显示出粒子性（这时波动性较不显著），在不同条件下分别表现出波动或粒子的性质。这种量子行为称为波粒二象性，是微观粒子的基本属性之一。1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。薛定谔：光既有粒子性，又有波动性，描述它的既有几何光学，又有波动光学，并且几何光学是波动光学的极限。物质粒子也具有波粒二象性，描述它也应该既有质点力学，也有波动力学。固体能带论的创立。正固体能带理论的研究工作已经进行了整整半个世纪.早期的工作着重于研究在周期性势场作用下电子波函数及其能量状态的一般特征,在此基础上建立起固体能带论模型,从而为固体物理的研究奠定了一个重要的基础.固体的能带的形成是通过原子之间的相互作用实现的。当若干个原子相互靠近时，由于彼此之间的力的作用，原子原有能级发生分裂，由一条变成多条。组成一条能带的众多能级间隔很小，故可近似看成连续。固体的导电性能由其能带结构决定。对一价金属，价带是未满带，故能导电。对二价金属，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电，绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。半导体的禁带宽度从0.1～4电子伏，绝缘体的禁带宽度从4～7电子伏。在任何温度下，由于热运动，满带中的电子总会有一些具有足够的能量激发到空带中，使之成为导带。由于绝缘体的禁带宽度较大，常温下从满带激发到空带的电子数微不足道，宏观上表现为导电性能差。半导体的禁带宽度较小，满带中的电子只需较小能量就能激发到空带中，宏观上表现为有较大的电导率能带理论（Energybandtheory）是讨论晶体（包括金属、绝缘体和半导体的晶体）中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动，即是单电子近似的理论；对于晶体中的价电子而言，等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子波函数反对称而带来交换作用，是一种晶体周期性的势场。能带理论是现代固体电子技术的理论基础，对于微电子技术的发展起了不可估量的作用。能带理论研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成，原子又包括原子核和最外层电子，它们均处于不断的运动状态。为使问题简化，首先假定固体中的原子核固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近似理论，它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出。具体的计算方法有自由电子近似法、紧束缚近似法、正交化平面波法和原胞法等。前两种方法以量子力学的微扰理论作为基础，只分别适用于原子实对电子的束缚很弱和很强的两种极端情形；后两种方法则适用于较一般的情形，应用较广。中微子的预言及其实验检验。一．中微子概念的提出，与原子核的β衰变有直接联系。1914年查德威克证明α射线和γ射线德能谱是分立的，在衰变中发射德粒子所带走德能量正好与原子核初态末态的能量差相等。然而，β射线的能谱是连续的。也就是说，β衰变发射出来的电子能量从零到最大值都有分布。有些电子的能量竟会小于初态与终态的能量差。那部分能量哪去了？1930年泡利提出：“只有假定在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（称之为中子）一起被发射出来，使中子和电子的能量之和为常数，才能解释连续β谱。”这里泡利指的中子即是中微子。二．中微子的间接验证：1941年，我国物理学家王金昌首先提出了一个间接探测中微子的方法。他指出：“当一个β+放射性原子不是放射一个正电子，而是俘获一个Ｋ层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放出的中微子。原子核外电子的效应可以忽略不计。因此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的β射线被放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的。”1942年，美国物理学家艾伦(J.S.Allen)按上述方案进行了测量，取得了肯定的结果，但未完全成功。1952年又重新进行了实验，测出了原子的反冲能。带维斯(R.Davis)也成功地重复了艾伦1942年的实验。这样，通过间接的实验证实了中微子的存在。中微子的直接检测：在核反应中，中微子的发射数量级极大，通过对核裂变产物的探测，有可能确证中微子的存在。1956年，洛斯·阿拉莫斯实验室的美国物理学家柯恩(C.Cowan)核莱因斯(F.Reines)首先在核反应堆中检测到。他们设计了一个规模巨大的实验方案，他们研究下面反应过程通过探测出反应产物：正电子e+和中子n，并测出确切的反中微子与质子p的反应截面，就可以证明反中微子的存在。通过艰苦的工作，他们终于在1956年宣布实验结果与理论预期相符吉布斯对热力学与分子运动论两个方面的理论综he19世纪70年代起形成的关于阴极射线的本质的两种对立的观点。关于阴极射线的本质，当时在国际上有两种截然不同的意见。阴极射线的本质之争：“粒子说”，“以太振动说”，持续近二十年，并引发一系列重大成果。大多数英国物理学家（如J.J.汤姆孙）认为阴极射线是一种带电的粒子流，因为它可以被电场或磁场偏转。汤姆孙等英国物理学家由实验中还测得阴极射线速度比光速小2个数量级。19世纪90年代初，德国物理学家由实验中得知，阴极射线甚至可以穿透薄金属箔，据此他们认为阴极射线不可能是粒子流。J.J.汤姆生对阴极射线、β射线、光电流本质的研究。大多数英国物理学家（如J.J.汤姆孙）认为阴极射线是一种带电的粒子流，因为它可以被电场或磁场偏转。1897年，J.J.汤姆生从阴极射线证实电子的存在，测出的荷质比与塞曼效应所得数量级相同。其后，确证电子存在的普遍性，并直接测量电子电荷。1897年，J.J.汤姆生重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场，发现，改变放电管中气体种类、电极材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，这意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。并计算出了阴极射线粒子（电子）的荷质比。1899年，汤姆生测其荷质比，证明这一负电荷也是电子1899年，J.J.汤姆生用磁场偏转法测光电流的荷质比。结果与阴极射线相近，证明光电流也是由电子组成的。J.J.汤姆生作出判断：不论是阴极射线、β射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子——电子。这种带电粒子比原子小千倍。至此，分子和原子的实在性被证实。卢瑟福的原子有核模型的提出。卢瑟福与1895年来到英国卡文迪许实验室，跟随汤姆逊学习，成为汤姆逊第一位来自海外的研究生。卢瑟福好学勤奋，在汤姆逊的指导下，卢瑟福在做他的第一个实验——放射性吸收实验时发现了α射线。卢瑟福设计的巧妙的实验，他把铀、镭等放射性元素放在一个铅制的容器里，在铅容器上只留一个小孔。由于铅能挡住放射线，所以只有一小部分射线从小孔中射出来，成一束很窄的放射线。卢瑟福在放射线束附近放了一块很强的磁铁，结果发现有一种射线不受磁铁的影响，保持直线行进。第二种射线受磁铁的影响，偏向一边，但偏转得不厉害。第三种射线偏转得很厉害卢瑟福检验了在他学生的实验中反射回来的确是α粒子后，又仔细地测量了反射回来的α粒子的总数。测量表明，在他们的实验条件下，每入射约八千个α粒子就有一个α粒子被反射回来。用汤姆逊的实心带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角散射，但对大角度散射无法解释。多次散射可以得到大角度的散射，但计算结果表明，多次散射的几率极其微小，和上述八千个α粒子就有一个反射回来的观察结果相差太远。汤姆逊原子模型不能解释α粒子散射，卢瑟福经过仔细的计算和比较，发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内，α粒子穿过单个原子时，才有可能发生大角度的散射。也就是说，原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内。在这个假设的基础上，卢瑟福进一步计算了α散射时的一些规律，并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说，原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上，而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时，就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。量子力学的三种表述方式及其提出。量子力学的三种表示形式1、薛定谔方程2、矩阵力学3、路径积分薛定谔从“一切都同时是粒子和波”的观点出发，得到了波动方程矩阵力学在数学运算中运用的是不可交换的量和以前罕见的计算规则，并且藐视任何图象解释。它是一种代数方法，从所观察的光谱线的分立性着手，强调不连续的成分。尽管它弃绝空间和时间的经典描述，但从根本上说，它的基本概念还是粒子矩阵力学是海森堡博士提出的，主要由约尔丹、玻恩、泡利、玻尔发展，他用观察量原子辐射出来的光的频率、强度等，就等于知道了电子在原子中的轨道的模型，以比较简单的线性谐振子作为提出新理论为出发点，按经典力学，任意一个单一的周期性系统，（其坐标可用傅里叶级数展开）用数集坐标（qmk=Amke^(iωmkt)来表示满足原子光谱组合原则。费曼总是以自己独特的方式来研究物理学。他不受已有的薛定谔的波函数和海森堡的矩阵这两种方法的限制，独立地提出用跃迁振幅的空间-时间描述来处理几率问题。他以几率振幅叠加的基本假设为出发点，运用作用量的表达形式，对从一个空间-时间点到另一个空间-时间点的所有可能路径的振幅求和。这一方法简单明了，成了第三种量子力学的表述法。时空观（牛顿力学的、狭义相对论的、广义相对论的）牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义思想。他承认时间、空间的客观存在，但却把它们看成是与运动着的物质相脱离的。他所提出的形而上学的绝对时空观，虽然在解决宏观低速下运动物体的运动规律时能很好的适用，但在离开宏观低速的条件时，便无能为力了。是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换广义相对论的假设是；宇宙一直处于静态，也就是说宇宙大小是一定的，总的空间大小不变，并且一切按着时间轴变化，广义相对论是探讨四维世界的，空间是三维的，然后加上一维的时间，就构成了四维的时空超导、超流现象及其发现超导现象：即零电阻现象。在一定的温度下，金属导体的电阻为零，金属的电阻率突然变为零，使电子的运动速率保持不变，物质的运动惯性在这里表现的特别好，永远以某一个速率运动下去，称为超导现象。超流现象：即零阻力现象。在一定的温度下，将液体置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。称为超流现象。最早发现超导现象的科学家是卡末林•昂纳斯。1908年，昂纳斯实现了4He液化，创造了4.2K的低温条件下研究物质性质的可能性，接着用4He冷却金属汞，1911年4月的一天，他的实验显示，汞的电阻随温度的降低而缓慢下降。当温度降至4.2K，汞的电阻突然消失了。昂纳斯又把用汞制成的金属环浸泡在液4He中，并用电磁感应的办法，在金属环中激发起环行电流。经严格的检测发现，在长达一年的期间，环行电流没有任何衰减的迹象。后来，1913年昂纳斯又发现，锡(Sn)和铅(Pb)也具有类似于汞的性质，两者的电阻分别在3.7K和7.25K突然减小到零。昂纳斯把这种电阻减小到零的物质特性称为“超导电性”。超流现象是被彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳在1937年发现的。卡皮察发现当温度进一步降低到大约2.2K时，液氦的粘滞性完全消失，可以毫无阻尼的流动。这一现象命名为超流动性。有关超流体的研究被称为量子流体力学。热质说热质说是历史上关于热的本质的一种错误观点，是在19世纪初期以前流行的一种对热的本性解释的学说。它认为“热”是一种没有质量，也没有体积的流质，称之为“热质”。含热质越多的物体，温度就越高、所以物体温度的高低是取决于热质的含量。它还认为热质可以渗入一切物体之中，热质可以从温度高的物体向温度低的物体流动。后来人们逐渐认识到热现象是与构成物质的微粒的运动相联系，热质并不存在。到19世纪中期有关热质说即被废弃。以太以太是古希腊哲学家所设想的一种物质，19世纪的物理学家，认为它是一种曾被假想的电磁波的传播媒质。但后来的实验和理论表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说，没有任何观测证据表明“以太”存在，因此“以太”理论被科学界所抛弃。17世纪的笛卡儿最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。19世纪，科学家们逐步发现光是一种波，而生活中的波大多需要传播介质（如声波的传递需要借助于空气，水波的传播借助于水等）。受经典力学思想影响，于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质，而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。以太的假设事实上代表了传统的观点：电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系，当参照系改变，光速也改变。慢中子效应意大利实验物理学家费米在罗马大学改用中子进行人工核反应。当他用中子对当时已知的92种元素逐一进行轰击实验时，不但发现了许多元素的同位素，而且发现了著名的慢中子效应，即经过石蜡减速之后的慢中子更能引起人工核反应。正是由于这一重大实验发现，费米获得1938年的诺贝尔物理学奖，为后来核能技术的开发奠定了初步的技术基础。中子通过含有大量氢的物质的时候，和氢原子核——质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。

把中子源和被轰击的物体放在大量石蜡中，放射性会增加很多倍。水也会产生类似的效应。费密用“慢中子”解释了这一现象。他认为，由于质子和中子的质量相等，所以当快中子与静止的质子发生碰撞时，快中子损失能量变为“慢中子”，慢中子与重原子核的反应截面比快中子大得多。慢中子的发现为后来研究重核裂变的链式反应和原子核反应堆的理论设计奠定了基础。黑洞视界黑洞视界①黑洞的边界。经典黑洞的视界相当一单向膜,物质和辐射只进不出。...史瓦西黑洞的视界为半径等于引力半径的球面，和无限红移面重合。②数值等于宇宙年龄和光速乘积的一段距离。是我们所能看到的最远距离。距离大于视界的两个事件无因果联系。视界问题是...视界是一个物理名词。当一个黑洞形成后，所有物质都会向中心塌缩成一个非常细小的质点，称为奇点，黑洞的表面层称为“事件视界”。而这表面层和中心奇点的距离就是史瓦西半径。任何物质要从黑洞的史瓦西半径跑到外面去，它的逃离速度便要大于光速。但根据狭义相对论，光速是速度的极限，因此，一切物质到了事件视界便被扯向中心的奇点，永不能逃出来。“θ-τ疑难”θ-τ疑难：当时对最轻的奇异粒子（现在称为K介子）的衰变过程发现了一个疑难：质量、寿命、电荷都相同的两种粒子--θ介子和τ介子，衰变时，θ衰变为两个π介子，它们的宇称为正；τ衰变为3个π介子，它们的宇称则为负。也就是说θ粒子与τ粒子衰变时，表现出具有完全相反的宇称。鉴于质量、寿命和电荷都相同，这两种粒子应为同一种，但从其衰变行为看，如果宇称守恒，则θ和τ就不可能是同一种粒子。

1956年的夏天，杨振宁与李政道一起，查阅了当时已有的关于“宇称守恒”这个概念的实验基础以后，指出：这一疑难的关键在于人们认为微观粒子的在运动过程种宇称守恒，强相互作用和电磁相互作用的过程中，宇称守恒是经过实验检验的，但在弱相互作用过程中，宇称并没有得到判决性的检验，没有根据说它一定守恒。如果“宇称守恒”在弱相互作用中并不成立，那么“宇称”的概念就不能应用在θ粒子和τ粒子的衰变机制中。这样，θ粒子与τ粒子就可以是同一种粒子，θ-τ疑难即可迎刃而解。

与此同时，他们还建议可以用β衰变等实验来检验他们的推测。几个月后，哥伦比亚大学美籍华裔吴健雄教授与美国华盛顿国家标准局的四位物理工作者一起，用钴60的衰变实验证实了在这种β衰变过程中宇称确实不守恒。

此后还有其他的实验证实。

弱相互作用下的宇称守恒原理被推翻。杨振宁与李政道因此共获1957年诺贝尔物理奖。同年获得爱因斯坦科学奖。1950年：Bell实验室用直拉法生长出锗单晶贝尔实验室1948年,贝尔实验室肖克利WilliamShockley(1910–89),布列顿WalterH.Brattain(1902–87)和巴丁JohnBardeen(1908–91)发明了三极管。引起电子学的一次深刻革命。1956年获诺贝尔物理奖EPR悖论爱因斯坦、B.波多尔斯基和N.罗森1935年为论证量子力学的不完备性而提出的一个悖论。又称EPR论证。EPR是这三位物理学家姓的头一个字母。这一悖论涉及到如何理解微观物理实在的问题互补原理927年9月，玻尔在纪念伏打逝世一百周年的科摩国际物理学会议上发表了“量子公设和原子论的最近发展”的讲演，首次全面地阐述了互补性原理。玻尔认为微观粒子现象的任何观察，都将涉及一种不可忽略的和观察仪器之间的相互作用。描述同一微观现象，可用很不相同的波动图象和粒子图象，但二者却互相补充，缺一不可。被哥本哈根学派推祟为普适的哲学原理。玻恩：“就这样，古典的科学的哲学变成了现代的科学的哲学，这种哲学在尼耳斯·玻尔的互补原理中达到了顶峰”。迈克尔逊-莫雷实验答：迈克尔逊－莫雷实验，是1881年迈克尔逊和莫雷在德国做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此确定了光速不变原理，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。光谱线的引力红移答：由广义相对论可推知，处在引力场中的辐射源发射出来的光，当从远离引力场的地方观测时，谱线会向长波方向（即向光谱红端）移动，移动量与源及观测者两处引力势差的大小成正比。光谱线的这种位移称为引力红移。索尔威会议答：索尔维会议是比利时企业家组织举行的国际物理学会议。议题：“电子和光子”，新量子论的最高级讲坛。第一届索尔维会议由洛伦茨主持的,会议以他的名字命名的,参加本次会议的著名人物还有彭加勒——科技哲学的创始人，同时是著名数学家和物理学家，他的庞加莱猜想是数学上最著名的猜想之一，于06年6月被证明。以及居里夫人、爱因斯坦等。1927年10月，第五届索尔维会议在比利时首都布鲁塞尔成功召开了。在这次会议期间，量子力学中最为中重要的波函数塌缩问题第一次被它的创立者们所讨论。第五届索尔未会议上，哥本哈根解释为许多物理学家所接受，成为正统的解释。伽利略伽利略(1564~1642，意)1609年，自制望远镜观测。发现：月亮表面是粗糙不平的；天空的任何部分都可看到无数的星体；银河由千千万万的星星组成的。1610年，《星界信使》出版，公布了发现。1632年，《关于两大世界体系的对话》，对哥白尼学说作出了理性论证。1633年，罗马宗教裁判所，长达几个月的审讯，强迫在“悔罪书”上签字，当众表示“公开放弃、诅咒和痛恨地动说的异端邪说”。禁止出版《关于两大世界体系的对话》，被关监，后改判在家终身监禁。后花3年时间写成《关于力学和局部运动两门新科学的谈话和数学证明》，秘密送往荷兰于1638年出版。1979年，罗马教皇提出为伽利略恢复名誉。伽利略(1564～1642)：自由落体，为力学奠定了思想基础。伽利略和牛顿的研究方法：科学思维和实验研究相结合。伽利略的落体实验伽利略的斜面实验法拉第法拉第：19世纪电磁学领域最伟大的实验物理学家。铁匠的儿子，兄妹10人。小学没毕业就失学，当了装订工。后成为戴维助手。1821年受任为皇家研究所试验室主任。1824年被选为皇家学会会员。1825年任皇家研究院院长。主要贡献发现电磁感应；提出力线的思想，为场的理论建立作出贡献；对光的磁化、电流的化学现象、反磁性发现等有独到见解吉布斯·吉布斯[1]（JosiahWillardGibbs，1839年2月11日－1903年4月28日），美国物理化学家、数学物理学家。他奠定了化学热力学的基础，提出了吉布斯自由能与吉布斯相律。他创立了向量分析并将其引入数学物理之中。1873年34岁的吉布斯才发表他的第一篇重要论文，采用图解法来研究流体的热力学，并在其后的论文中提出了三维相图。1876年吉布斯在康涅狄格科学院学报上发表了奠定化学热力学基础的经典之作《论非均相物体的平衡》的第一部分。1878年他完成了第二部分。这一长达三百余页的论文被认为是化学史上最重要的论文之一，其中提出了吉布斯自由能，化学势等概念，阐明了化学平衡、相平衡、表面吸附等现象的本质。1882-1889年吉布斯很聪明了避开对光的本质的讨论，应用向量分析建立了一套新的光的电磁理论。1889年之后吉布斯撰写了一部关于统计力学的经典教科书《统计力学的基本原理》，他使用刘维尔的成果，对玻尔兹曼提出的系综这一概念进行扩展，从而将热力学建立在了统计力学的基础之上。1901年吉布斯获得当时的科学界最高奖赏柯普利奖章玻尔尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔（NielsHenrikDavidBohr，1885年10月7日～1962年11月18日)），丹麦物理学家。他通过引入量子化条件，提出了玻尔模型来解释氢原子光谱，提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学，对二十世纪物理学的发展有深远的影响。玻尔为丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。哥本哈根大学科学硕士和博士（PhD），丹麦皇家科学院院士，曾获丹麦皇家科学文学院金质奖章，英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位，诺贝尔物理学奖。开尔文开尔文（LordKelvin1824～1907），19世纪英国卓越的物理学家。原名W.汤姆孙（WilliamThomson），1824年6月26日生于爱尔兰的贝尔法斯特，1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔逝世。由于装设大西洋海底电缆有功，英国政府于1866年封他为爵士，后又于1892年封他为男爵，称为开尔文男爵，以后他就改名为开尔文。

1846年开尔文被选为格拉斯哥大学自然哲学教授，自然哲学在当时是物理学的别名。开尔文担任教授53年之久，到1899年才退休。1904年他出任格拉斯哥大学校长，直到逝世。

二、科学成就

开尔文的科学活动是多方面的。他对物理学的主要贡献在电磁学和热力学方面。那时电磁学刚刚开始发展。逐步应用于工业而出现了电机工程，开尔文在工程应用上作出了重要的贡献。热力学的情况却是先有工业，而后才有理论。从18世纪到19世纪初，在工业方面已经有了蒸汽机的广泛应用，然而到19世纪中叶以后，热力学才发展起来。开尔文是热力学的主要奠基者之一。

开尔文在科学上的贡献主要有以下个方面：

1.电磁学方面的成就2.在热力学方面的成就3.装设大西洋海底电缆4.对电工仪表的研究

5.创立波动和涡流麦克斯韦“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界”。——普朗克1831年6月13日出生于爱丁堡。1847年入爱丁堡大学，三年后转入剑桥大学学习数学，威廉·汤姆孙当时已是这个学院的教授。1854年以一等优异成绩毕业,留校任教。曾在阿伯丁和伦敦的国王学院执教.在父亲1865年死后即回苏格兰家乡继承产业，并从事个人研究。1871年，被说服返剑桥大学，受聘创建剑桥大学卡文迪什实验室，并任第一任主任。1879年11月5日，麦克斯韦在剑桥死于癌症，年仅48岁。麦克斯韦第一任卡文迪许教授,立下了建设实验室的宗旨:“主的作为是精深博大的,发掘你所感兴趣的东西吧!”(圣经名言,刻在实验室的大门上)卢瑟福1898年，卢瑟福发现，天然放射性由几种不同的射线组成的，其中带正电的射线和带负电的射线分别命名为α射线和β射线。1902年，卢瑟福与索迪提出放射性元素的嬗变理论：放射性原子是不稳定的，它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。卢瑟福因此获1908年诺贝尔化学奖。卢瑟福和索迪进一步研究衰变谱系，发现铀衰变成镭，铀的半衰期大约是几百万年，镭的半衰期是1千多年，随后经历了半衰期都很短的三个阶段，又变成了半衰期较长的放射钋，最后变为稳定元素铅。索迪获1921年诺贝尔化学奖。1919年，卢瑟福观察到氮核俘获一个α粒子后放出一个氢核，同时变成了另一种原子核，后被证实为是氧17核。这是人类历史上第一次实现原子核的人工嬗变。卢瑟福一本书《新炼金术》。卢瑟福：应该用带电粒子碰撞去试探1909年，卢瑟福和盖革、马斯顿，用氦核轰击厚度为10-6米的金箔(α散射实验)。起初盖革什么现象也没看到，卢瑟福告诉他要仔细观察：“要多看细看，实验要重复几十次、几百次、几千次，才能发现偶然的现象。”结果，实验测得散射角大于900的比例约为1/8000。根据汤姆逊模型，α粒子的大角偏折是多次小偏折积累造成的。其概率约为1/103500。实验结果和模型明显不符卢瑟福放弃比汤姆逊模型，利用长冈半太郎的土星模型进行计算，结果与实验值基本相符。1911年发表论文《物质的α粒子和β粒子的散射和原子结构》，提出原子的有核模型。他写到：“经过思考，我认为反向散射必定是单次碰撞的结果，而当我作出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到数量级的任何结果的，这就使我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。”卢瑟福模型与经典理论的矛盾——两大困难1）原子坍塌：原子能量逐渐减少，电子运动半径将逐渐减小而很快落到核上，计算表明，原子的“寿命”仅有约10－12秒的时间——与原子是稳定的系统的事实矛盾。2）连续的原子光谱：电子要发射电磁波，能量逐渐减少，绕核旋转的频率将逐渐改变，它将向外发射连续光谱—与线光谱矛盾。表明这一模型不完善，且预示着需要有一个不同于经典物理的新理论狄拉克1902年8月8日生于英国。与海森堡、泡利、费米同时代。开始时学电气工程，不久转向纯数学。后来到剑桥大学的圣约翰学院从事数学研究。1925年，海森堡访问剑桥，狄拉克收到海森堡的第一篇矩阵力学文章清样。开始接触量子力学。读后得出结论：不可交换是实质性的新概念。1926年，狄拉克求得量子力学的完整公式。1932年，狄拉克任剑桥大学卢卡斯数学教授（这个职位十八世纪的牛顿曾担任过）直到狄拉克退休为止，他一直担任这个职务。1930年，狄拉克出版《量子力学原理》。对量子力学进行了更为普遍的综合。矩阵力学和波动力学只是作为一种特殊情况而出现。在狄喇克的体系中，需要使用一些非传统的数学。冯·诺依曼把量子力学理论放在了一个较为坚实的数学基础上。狄拉克方程：量子论和相对论的完美统一。量子力学从根本上摆脱了传统理论的框架，波粒二象性、互补性、物理量不可对易性、测不准关系等都与经典观念格格不入。全新的关于自然界的描述方法和思维方式。在科学与哲学领域引起巨大反响。狄拉克决心找出电子的相对论性方程。他把薛定谔方程对空间坐标的微商由二级修改为一级，使其具有时空对称性；把满足泡利电子自旋理论的二行二列矩阵，变为四行四列的矩阵，于1928年成功地建立起相对论性电子运动方程。狄喇克：“从此，人们有了一个新的波动方程，它与量子力学的基本原理相一致，而且与狭义相对论的对称性要求相符合。同时还证明，这一波动方程，自动给出了电子半量子数自旋，还给出了电子所具有的磁矩”。狄喇克根据方程的负能解，经过一年多努力，提出了一种崭新的真空图象的解决方案，并预言了反物质—正电子的存在。1932年8月，安德森在宇宙线实验中发现了这种新粒子。1928年，狄拉克从相对论和量子力学的一般原理出发，建立了相对论电子波动方程狄拉克方程。但狄拉克方程有四个解，其中两个正解分别对应正能态的电子的两个自旋态。狄拉克预言，另两个解应对应于电子负能态的“空穴”即反电子克劳修斯1822年1月2日生于普鲁士的克斯林（今波兰科沙林）的一个知识分子家庭从1850年起，曾先后任柏林炮兵工程学院、苏黎世工业大学、维尔茨堡大学、波恩大学物理学教授。因发表论文《论热的动力以及由此导出的关于热本身的诸定律》而闻名。1855年任苏黎世工业大学教授，1867年任德意志帝国维尔茨堡大学教授，1869年起任波恩大学教授。他最有名的论文《论热的移动力及可能由此得出的热定律》（ÜberdiebewegendeKraftderWärme）于1850年发表，其中涉及到热的力学理论。在这篇论文中，他提出了卡诺的定律与能量守恒的概念不一致，克劳修斯重新陈述了两条热力学定律以克服这个矛盾（第三定律由瓦尔特·能斯特于1906年至1912年间发表）。这篇论文使得他的科学事业开始起飞。克劳修斯在1857年改进了奥古斯特·克罗尼格（AugustKrönig）非常简单的气体运动模型，引进了分子的平移、旋转及振动运动，对分子运动论领域作出了贡献。在同一份研究中他还引进了一粒子的平均自由径概念。克劳修斯从热力学中推论出克劳修斯-克拉佩龙方程，这个关系是一种描述两态之间相变的方式，例如固态及液态，最初由埃米勒·克拉伯隆于1834年发表。克劳修斯主要从事分子物理、热力学、蒸汽机理论、理论力学、数学等方面的研究，特别是在热力学理论、气体动理论方面建树卓著。他是历史上第一个精确表示热力学定律的科学家。克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼被称为气体动理论的三个主要奠基人。由于他们的一系列工作使气体动理论最终成为定量的系统理论。到了19世纪50年代，克劳修斯等建立了热力学理论，并用热的运动学说作为基础来进行分子运动研究，这大大促进了分子运动学说的发展。l857年，克劳修斯发表了一篇具有奠基性质的论文《论我们称之为热的那种运动》，论文内容丰富，阐述了多个有关分子运动的问题。克劳修斯从气体是运动分子集合体的观点出发，认为考察单个分子的运动既不可能也毫无意义，系统的宏观性质不是取决于一个或某些分子的运动，而是取决于大量分子运动的平均值。克劳修斯在1867年发表的论文“AbhandlungenüberdiemechanischeWärmetheorie,ZweiteAbteilung”中，首次为熵概念提供了数学版本，并为它命名，他用了现已弃用的熵单位“克劳修斯”（符号为Cl）。1Cl=1

cal/°C=4.1868

J/K法拉第费曼1918年5月11日，理查德·菲利浦·费曼(RichardPhillipsFeynman)出生于纽约市。他的父亲是麦尔维尔·阿瑟·费曼，母亲是露茜尔·菲利浦。但是费曼是在长岛南岸的法罗克维长大的。他有一个妹妹琼，比他小9岁，两个人的关系非常亲密，琼后来也成了一名物理学家。虽然麦尔维尔和露茜尔都是犹太人，但是他们对孩子的教育却没有狭隘偏执的宗教观念。麦尔维尔是1895年和父母一起来到美国的，那时他还是个5岁的孩子。他们是白俄罗斯的明斯克人。年轻的时候他对科学产生了浓厚的兴趣，可是他没有足够的经济来源来实现做物理学家的梦想。干了几种杂活之后，他成了一个制服加工公司的业务代表。在理查德出生之前，麦尔维尔就对妻子说：“如果生个男孩子，他准能当个科学家。”为了确保自己的预言实现，他尽了最大的努力。当儿子还坐着幼儿专用的高椅子时，麦尔维尔就买了一套浴室用的白色和蓝色瓷砖。他用各种方法来摆放它们，教理查德认识形状和简单的算术原理。当孩子长大一点时，麦尔维尔就带他去博物馆，并且给他读《不列颠百科全书》，然后用自己的语言耐心地解释。后来费曼愉快地回忆道：“没有压力，只有可爱的、有趣的讨论。”麦尔维尔教会了理蒂(小理查德的昵称)怎样思考。他让理蒂设想他遇见了火星人，火星人肯定要问很多关于地球的问题。比如说，为什么人在夜里睡觉呢？理蒂怎么回答这个问题呢？这种培养和教导是很有好处的。年轻的理查德很快就开始自己读《不列颠百科全书》了，他对上面的科学和数学文章尤其感兴趣。他从阁楼上找到一本旧课本，于是就照着课本自学起几何。尽管理查德是一个智力早熟的少年，但是他却觉得人文科学枯燥无味，他对历史和文学毫无兴趣。他认为英语的拼写太缺乏逻辑性，所以他即使到了成年以后也不擅长拼写。高中毕业之后，费曼进入麻省理工学院学习，最初主修数学和电力工程，后来他在物理学中找到了最适合自己的位置。1939年，他以优异的成绩毕业于麻省理工学院，又到普林斯顿大学念研究生。1942年6月，他获得了理论物理学博士学位略述伽利略的科学研究方法理想实验＋数学逻辑推理，推进了人类科学认识活动的进展一．实验与数学结合：精密科学的理想方法

1.

数学：自然观到方法论的转变

在数学从自然观转变到强调方法论过程中，伽利略起到了重要作用。他既重视数学

方法的应用，又抛弃了数学先验论的神秘观点。伽利略认为数学是科学认识、定量研究

的工具，即数学不仅是计算工具，还是逻辑分析的工具。

伽利略的一项运用数学方法的成就在于对塔塔格里亚由经验而得出的抛射体运动轨迹理论作了科学的解释和证明。伽利略对抛射体的运动进行了充分研究，他把抛体运动分解为两种运动：一种是竖直方向的