第三节经典物理学的全面发展

第三节经典物理学的全面发展第一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四本节教学目的和要求1.了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学的推动作用；2.把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉；3.理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点掌握热力学第二定律的自然观意义；4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重要地位和作用。第二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四光学的进展1.几何光学：1621年荷兰斯涅尔发现光的折射定律2.波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论3.光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质的运动形式—波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。微粒说在18世纪占据统治地位。4.波动说的胜利：19世纪初英国托马斯·杨的双缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了“干涉现象”和“衍射现象”。法国的菲涅尔以数学形式证明了波动说。第三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四菲涅尔托马斯·杨菲涅尔的波带法衍射现象折射定律干涉现象第四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四波动说与微粒说的交锋惠更斯与光的波动说波动说第五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四二、热学的成就

2.1热的本质在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。拉瓦锡在1789年的《初等化学概论》中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。第六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热质说拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。这种物质实体－－热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。第七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热机：从技术到理论蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。这一局面因卡诺于1824年出版《关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察》一书而改变。第八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四SadiNicolasLéonardCarnot卡诺(1796-1832)出身于法国望族。1814年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队服役，1820年退役后专心从事物理学理论研究。他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总统。第九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热机的效率瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-95%都被浪费掉。卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。第十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热质守恒卡诺在《关于火的动力》一书中是立足于热质说来考察热机效率的。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。第十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四卡诺循环：理想热机卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。第十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热力学的奠基人卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。但是不幸的是他在36岁就死于霍乱。第十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热动说伦福德(1753-1814)纠正了热是一种无质流体的说法。伦福德出身于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。第十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热质伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。第十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四机械运动转化为热伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数值偏高。1799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。第十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热运动说的处境伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。第十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.2能量守恒定律的发现能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。(2)十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。第十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.2能量守恒定律的发现德国人迈尔（1814-1878）作为随船医生在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。1841年他完成《关于无机界各种力的意见》一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了李比希主编的《化学和药学年鉴》上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。第十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.2能量守恒定律的发现英国的焦耳擅长实验。他对所有他想得到的有热量产生过程进行热测量。

1840年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正比－－焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：41,450,000尔格的功产生1卡的热量。为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为4.18焦耳/卡。第二十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四成果无处发表当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒绝发表他的文章。1847年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时几乎没有听众，只有一位23岁的年青人威廉·汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。1849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文，他的成果终于获得完全承认。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。第二十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四能量守恒定律的发现对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国生理学家和物理学家赫姆霍兹（1821-1894）则立足于力学基础之上，追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定律的确立者。第二十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四《论“力”的守恒》1847年赫姆霍兹独立完成《论“力”的守恒》一文，并于7月23日在柏林物理学会的年会上宣读1854年赫姆霍兹在《自然力的相互作用》一文中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为‘力的守恒原理’”。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。以1850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。

第二十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四意义能量守恒与转化定律被认为是物理学的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯），恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。该定律的发现标志着近代物理学第二次理论大综合。第二十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四2.3热力学第一、第二定律的建立

热力学第一定律的建立热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无关。在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。

第二十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一定律的克劳修斯表述

1850年4月克劳修斯在《物理和化学年鉴》上发表了《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》提出热力学第一定律表述：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。”

第二十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第一定律的开尔文表述

1851年开尔文发表《以焦耳先生的单位热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热的动力学理论》一文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：“物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量”。这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。第二十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热力学第二定律的建立

热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。第二十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二定律的克氏表述在1854年《物理和化学年鉴》上发表的《论机械热理论第二基本定律的一个改变形式》一文中，克劳修斯给出了通常所说的热力学第二定律的“克氏表述”：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化。”

第二十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四熵1865年4月克劳修斯在《关于热的动力理论的主要方程的各种应用的方便形式》中提出了一个与变化途径无关的状态函数S。定义dS=dQ/T，S表示物体的热转变含量，并用了一个与能量的德文字（Energie）相近的从希腊文转写过来的词Entropie来命名S。1923年普朗克到南京东南大学作热力学第二定律方面的讲学，胡复刚为之翻译，首次把Entropie译作熵。第三十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四“克氏表述”的精练形式在1865年的论文中，克劳修斯把热力学第二定律表述为：对于可逆过程而言，熵等于0；对于不可逆过程而言，熵总是大于0。1875年在《热的动力理论》中又提出了热力学第二定律“克氏表述”的更为精炼的形式：“热不可能自发地从一冷体传到一热体”。

第三十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四“宇宙热寂说”

1867年在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生联合会议上，克劳修斯他把整个宇宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出：

(1)宇宙的总能量是一个常数；

(2)宇宙的熵趋向某一个极大值。这就是后来引起很多争议的“宇宙热寂说”的正式提出。第三十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四第二类永动机不存在在1856年的《论动力的起源和转变》中，开尔文把热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第二定律的永动机称作第二类永动机。热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机是不存在的。

第三十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四热力学第三定律热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关，1848年汤姆逊提出绝对零度可能是温度下限的观点，1906年德国人斯特提出任何物体都不可能冷却到绝对零度。第三十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四电磁学的建立3.1从静电到动电的研究：

18世纪静电学研究最重要的成就是美国富兰克林提出的关于单电流体的一元论，并用著名风筝实验加以证明；

18世纪末电学从静电研究向流电研究发展，意大利伽伐尼发现动物电流、伏打在电堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理论。第三十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.2奥斯特的发现

1819年丹麦物理学家奥斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次课堂实验中发现：让一个罗盘靠近通电导线，罗盘指针发生转动，指向与电流方向成直角的方向。这次实验是电与磁之间的联系的第一次实验演示。1820年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。第三十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.3法拉第的电磁学研究法拉第（MichaelFaraday1791-1867）是一名铁匠的儿子。早年做装订工学徒（1805年），使他有机会接触许多书，常翻大英百科全书中的电学文章和拉瓦锡的化学教程等。第三十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四戴维的助手、实验天才1813年22岁的法拉第成为戴维的助手，任务是刷洗瓶子。实验室里的法拉第渐渐表现出他的天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。比如法拉第能熟练制备三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因此而失明。第三十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四让磁力产生电流？法拉第在1821年就设计了一个实验装置，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流。第三十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四读不到电流实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。他用安培(Ampère,André1775-1836)发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在第二个线圈中读不到电流。第四十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四没有轻易放过的现象在多次无效的尝试之后，一次在关闭第一线圈的电流的一刹那，第二线圈的电流计指针颤动了一下。据说十年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理论，就对之未加考虑。但法拉第没有轻易放过这一现象。第四十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四电磁感应经过反复实验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。第四十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四磁力线法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。第四十三页，共五十九页，编辑于2023年，星期四磁感应发电机一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作原理是一样的。第四十四页，共五十九页，编辑于2023年，星期四3.4麦克斯韦的数学升华法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像，成功地用力线模型解释了电磁现象。但是由于他是自学成才，不熟悉数学，因此不可能给他的理论给以数学表示。是数学天才麦克斯韦完成了这项工作，并且补充了更多的内容，从而奠定了电磁场理论的基础。第四十五页，共五十九页，编辑于2023年，星期四麦克斯韦麦克斯韦（JamesClerkMaxwell1831-1879）出生于苏格兰望族，是家中的独子。他从小就有数学方面的天分，但是被同学们称为傻瓜。十五岁时他把如何绘制卵形线的方法写成论文送到皇家学会宣读。1850年进剑桥大学。第四十六页，共五十九页，编辑于2023年，星期四《论法拉第的力线》麦克斯韦接受开尔文的忠告，通读了法拉第的论文集《电学实验研究》，他认识到关键在于在少数简单的观念的基础上把其中交错混乱的电磁学解释明白。1856年2月他发表了电磁学的第一篇论文《论法拉第的力线》，文章的目标首先放在用数学表示法拉第的见解上。第四十七页，共五十九页，编辑于2023年，星期四《论物理的力线》

1862年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇论文《论物理的力线》。这篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，从而巩固了电磁理论的基础。在该文中麦克斯韦论述了传递电作用的媒质具有什么样的结构，在媒质中产生什么样的张力和运动，怎样表示观测到的电磁现象等问题。第四十八页，共五十九页，编辑于2023年，星期四磁力管按照法拉第的思想，整个空间都充满了由磁力线构成的磁力管，各磁力管都具有横向扩展和纵向收缩的性质。好比旋转着的液体，由于收到离心力的作用，相对转轴横向扩展，在纵向收缩。麦克斯韦设想，磁力管内充满以太，而且都在作旋转运动，整个空间就被这样的以太漩涡充满。第四十九页，共五十九页，编辑于2023年，星期四麦克斯韦的“机械”电磁场模型但是这样挤得满满的以太漩涡自身不能很好地同时在同一方向旋转，因此麦克斯韦设想各漩涡之间夹有像滚珠轴承那样的粒子。在这样的模型中，磁场强度相当于漩涡的角速度；电场强度相当于漩涡发生形变时所产生的弹性力；电流强度相当于滚珠轴承粒子的流动。第五十页，共五十九页，编辑于2023年，星期四位移电流在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流的概念：即由轴承粒子的位移产生的电流。从位移电流概念出发能导出重要的结论。麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播速度几乎等于当时测得的真空中的光速。于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起电磁现象的情形一样，是以太的横向振动。第五十一页，共五十九页，编辑于2023年，星期四《电磁场的动力学理论》麦克斯韦在1864年发表了第三篇电磁学论文，对他的理论进行了重新构造。给出了现在叫做麦克斯韦方程组的电磁场偏微分方程组。在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称为电磁场理论。麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特征的媒质状态的变化来理解电磁作用。第五十二页，共五十九页，编辑于2023年，星期四《电磁通论》1873年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成之作《电磁通论》。他在该书的第一章中写道：这本书的立场是把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒质的力学状态引起