近代物理学奠基人和革命者自己

近代物理学奠基人和革命者自己第一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五一、认识史上的飞跃1、背景认为必须有力的作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就会停止。在中世纪的欧洲长期被教会奉为教条。

（1）亚里斯多德的学说第二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五

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，用自己制作的望远镜证明了哥白尼的“日心说”，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）伽利略的贡献第三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五创立自由落体定律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。突出成就：通过观察、实验和推理得出结论第四页，共三十五页，编辑于2023年，星期五你知道牛顿捡到了哪些“光滑的卵石”和“美丽的贝壳”？

“我好像是一个在海边玩耍的孩子，为不时发现比通常更光滑的卵石或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，面对展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”

——牛顿临终遗言2、飞跃（牛顿经典力学体系的建立）第五页，共三十五页，编辑于2023年，星期五（1）内容牛顿（1642—1727）牛顿曾经使用过的望远镜第六页，共三十五页，编辑于2023年，星期五

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》第七页，共三十五页，编辑于2023年，星期五①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惯性定律、加速度定律和作用力与反作用力定律第八页，共三十五页，编辑于2023年，星期五英国著名诗人波普曾写过一首赞美牛顿的诗：自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。上帝说：“让牛顿去吧!”于是，一切成为光明。

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（2）标志1687年科学巨著《自然哲学的数学原理》的发表3、意义第九页，共三十五页，编辑于2023年，星期五“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己的理性的眼光大量世界。”第十页，共三十五页，编辑于2023年，星期五（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）万有引力定律适用于一切天体运动和宇宙中的所有物体。其确立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，成为近代科学形成的标志。（3）万有引力定律准确算出了地球的平均密度和扁平率，正确解释了潮汐的成因。（海王星的发现）3、意义从此，科学摆脱了神学的束缚向前发展，19世纪进入全面繁荣时期，各门自然科学的理论体系纷纷建立。第十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五对地球认识的变化第十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五1781年天王星被发现，科学家用牛顿力学计算它的轨道，可是计算结果总是同观测纪录不大相符。经反复核算，观测无误。那问题是否出现在牛顿力学上面？法国的勒维列和英国的亚当斯坚信牛顿力学的正确，大胆猜想计算结果之所以不理想，是因为太阳系中还有一颗未知的行星，我们没有考虑到它对天王星的引力作用。他们用牛顿力学算出了这颗未知行星的位置和质量。1848年9月23日，柏林天文台台长在收到勒维列来信的当晚，用望远镜对准勒维列所指出的位置，一下子就看到了一颗新的行星—海王星。勒维列无需观测星空，就在笔尖上发现了新行星。牛顿力学又创造了新的奇迹。

海王星和冥王星的发现第十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五哈雷慧星轨道的推算

长期以来，人们一直认为彗星是神秘的，不吉利的灾星，根本不能用科学来说明。牛顿的好友哈雷用牛顿力学算出了1682年出现的彗星的轨道，指出它的回归周期是75—76年，由此预言它将在1758年再次出现。53年以后的1758年（当时哈雷已去世），这颗彗星果然如期出现。哈雷慧星的发现验证了万有引力定律的科学性。第十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期五

“走进威斯敏斯特教堂，人们所瞻仰的不是君王们的陵寝，而是国家为感谢那些为国增光的最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。”－－伏尔泰位于英国伦敦威斯敏斯特教堂的艾撒克·牛顿勋爵墓地

第十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期五质疑与思考：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。”

高速运动的微观粒子发生的现象，是经典力学无法解释的！

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。第十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期五19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。二、驱走乌云的太阳第十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期五（1）19世纪的物理学领域，在牛顿力学的基础上，声学、光学、电磁和热学有了进一步发展。（2）19世纪末，物理学界的重大研究课题是黑体辐射，量子理论就是在此过程中发现的。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。1、背景2、量子论的诞生和发展（1）诞生第十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期五黑体辐射任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(blackbody)，以此作为热辐射研究的标准物体。

所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。第十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期五普朗克，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。普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳、忠于职守，他的业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山运动。

量子力学的创立者第二十页，共三十五页，编辑于2023年，星期五普朗克与爱因斯坦在一起第二十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五（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。（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）该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。（2）发展3、意义第二十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”第二十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五

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”。第二十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期五狭义相对论发表100多年，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。

三、爱因斯坦的“时空”

1、相对论的主要内容第二十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期五1、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四维时空和物质的分布相联系的重要思想第二十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期五爱因斯坦的“时空弯曲”概念第二十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期五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。”第二十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期五（1）相对论的建立是对牛顿力学体系的继承和发展，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。（3）同量子论一起构成代物理学的基本理论框架。2、意义第二十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期五爱因斯坦与奥本海默第三十页，共三十五页，编辑于2023年，星期五探究：相对论和牛顿经典力学之间的关系既否定有发展的关系1、继承、发展（1）牛顿力学体系反映的是宏观物体低速运动的客观规律；相对论反映的是物体高速运动的客观规律，是对牛顿力学的继承和发展。（2）相对论发展了牛顿力学，把牛顿力学概括在相对论力学之中。牛顿力学只是相对论力学在低速运动状态下的一个特例。2、否定相对论否定了牛顿力学体系的绝对时空观，提出时空不是绝对不变的，而是随着物质的运动而变化，物质质量随运动速度的变化而变化，并提出了质能转化原理，奠定了利用原子能的理论基础，加深了人们对物质和运动的认识，具有了科学和哲学的双重意义。第三十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期五1955年4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：

我们全都获益不浅，

全世界都感谢他的教诲；

那专属他个人的东西，

早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，

光华四射，

把无限的光芒同他的光芒永相连结。

他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。第三十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期五经典力学奠基者（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三十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期五经典力学体系的创立和发展量子理论的诞生(从普