近代物理学的奠基者

近代物理学的奠基者第1页，共24页，2023年，2月20日，星期四经典力学奠基者（17世纪初）经典力学建立者（17世纪晚期）从经典力学发展到量子论、相对论（19世纪末～20世纪初）伽利略（意）牛顿（英）普朗克（德）爱因斯坦（德）近代物理学的发展过程第2页，共24页，2023年，2月20日，星期四■巨人肩上的思索■1、背景在中世纪的欧洲，亚里士多德的学说长期被教会奉为教条。近代科学诞生后，亚里士多德的力学不断受到质疑。第3页，共24页，2023年，2月20日，星期四

伽利略（1564—1642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了《星空使者》一书。1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，把哥白尼学说推到最终胜利的阶段。2、伽利略的贡献第4页，共24页，2023年，2月20日，星期四（1）匀速运动、匀加速运动（2）自由落体定律（3）用自己制造的望远镜证明了哥白尼的“日心说”

1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“自由落体”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落地下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。第5页，共24页，2023年，2月20日，星期四3、牛顿的贡献第6页，共24页，2023年，2月20日，星期四1666年秋天的一个傍晚，牛顿坐在花园的苹果树下，正在考虑一个运动的问题。忽然一只熟透的苹果掉了下来，正好落在牛顿的前面。这只苹果引起了牛顿的注意。他想，苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地面上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引离地面这么高的苹果树上的苹果，那它也肯定在吸引着月亮。经过研究、演算和论证，牛顿发现了万有引力定律。——引自《科学简史》第7页，共24页，2023年，2月20日，星期四（1）牛顿的运动三大定律构成了近代力学体系的基础，成为整个近代物理学的重要支柱。（2）牛顿的万有引力定律（3）科学巨著《自然哲学的数学原理》总结了他的力学体系及数学、天文学方面的研究成果。惯性定律加速度定律作用力和反作用力定律牛顿的运动三大定律万有引力定律经典力学体系第8页，共24页，2023年，2月20日，星期四

我之所以能比别人看得远些，是因为我站在巨人们的肩上。

——牛顿第9页，共24页，2023年，2月20日，星期四1、重大意义（1）牛顿力学体系对自然界的力学现象做了系统合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。（2）万有引力定律不仅适用于太阳系而且适用于用于一切天体运动和宇宙中的所有物体。使力学和天文学在理论上达到相当完备的程度，并且在科学实验中得到广泛的应用和验证，根据万有引力定律，人们准确地算出了地球的平均密度和扁平度，正确地解释了潮汐的成因。还在理论上首先预测了海王星的存在。（立。第10页，共24页，2023年，2月20日，星期四3）从此，科学摆脱了神学的束缚向前发展，成为近代科学形成的标志。19世纪近代科学进入全面繁荣时期，各门自然科学的理论体系纷纷建立。第11页，共24页，2023年，2月20日，星期四海王星和冥王星的发现第12页，共24页，2023年，2月20日，星期四■驱走乌云的太阳■质疑与思考：经典力学体系是最完美的物理学理论吗？19世纪末，面对经典物理学近乎完美的发展，有的物理学家表示：“19世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这座大厦。”

经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象的，一旦进入光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。第13页，共24页，2023年，2月20日，星期四

19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。第14页，共24页，2023年，2月20日，星期四1、背景（1）19世纪的物理学领域，以牛顿力学为基础，形成了完整的理论体系；（2）19世纪末，物理学界的重大研究课题士黑体辐射，量子理论就是在此过程中发现的。2、诞生（1）奥地利斯蒂芬：1879年发现黑体辐射的总能量与其温度之间的定量关系；（2）德国普朗克：1900年在《关于正常光谱能量分布定律的理论》中提出量子概念。标志着量子理论的诞生。第15页，共24页，2023年，2月20日，星期四普朗克，生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。第16页，共24页，2023年，2月20日，星期四3、发展（1）德国爱因斯坦：1905年解释光电效应，得出了光具有波粒二象性的结论；（2）法国德布罗意：1923年提出物质波理论；（3）奥、德物理学家：建立量子力学。4、意义（1）量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系，指导人们向物质运动的各个层面进行深入探讨；（2）理论从根本上改变了近代物理学中的传统观念，使物理学乃至整个自然科学的观念都发生重大变革。第17页，共24页，2023年，2月20日，星期四1999年12月，在20世纪最后一期的《时代》周刊中，评出了一位“世纪人物”。该刊称赞他为“天才、政治难民、人道主义者、原子弹和宇宙迷的开启者”，“以其伟大的思想和无与伦比的形象独占鳌头”。第18页，共24页，2023年，2月20日，星期四■爱因斯坦的“时空”■狭义相对论发表100周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。

第19页，共24页，2023年，2月20日，星期四1、狭义相对论2、广义相对论创立内容意义1905年《论动体的电动力学》1916年（1）时间和空间都与物质运动有关；（2）时间和空间随着物质运动的速度的变化而变化（1）物质存在的现实空间是弯曲的（2）空间结构取决于物质的质量和分布情况（3）空间弯曲的程度体现为引力场强度（4）空间时间不是独立的存在，它们是物质的存在形式。打破绝对时间和绝对空间，但不是对牛顿力学的全盘否定，而是继承和发展第一次阐述了思维时空和物质的分布相联系的重要思想第20页，共24页，2023年，2月20日，星期四这个故事形象地说明了时间和空间的相对性爱因斯坦关于相对论的比喻：

为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：“这就是我的相对论内容。”第21页，共24页，2023年，2月20日，星期四爱因斯坦的“时空弯曲”概念第22页，共24页，2023年，2月20日，星期四3、意义（1）相对论的建立是对近代物理学理论框架的重大突破，深刻揭示了空间和时间的本质属性。（2）这种全新的时空观，运动观和物质观的形成，是人类思想发展史中的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响。量子