物理学简史综述

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1、物理学简史,古希腊时期,阿基米德,杠杆原理：给我一个支点，我就能撬起地球。 浮力定律：物体在浮体中所受的浮力，等于物体所排 开的浮体的重量。 反射定理：一光的反射角等于一光的射入角。,杠杆原理,杠杆内部的固定点称为“支点”。 使杠杆旋转的力F叫做“动力”，是输入力。 动力作用于杠杆的位置叫做“动力点”。 阻碍杠杆旋转的力F叫做“阻力”，是输出力。 阻力作用于杠杆的位置叫做“阻力点”。 从支点到动力作用线的垂直距离D叫做“动力臂”。 从支点到阻力作用线的垂直距离D叫做“阻力臂”。 对于理想杠杆案例，输入杠杆的功率等于杠杆输出的功率。输出力与输入力之间的比率，等于这两个作用力分别与支点之间垂直距离

2、的反比率，称这相等式为“杠杆原理”，以方程表达：FD=FD,浮力原理,国王请金匠用纯金打造了一顶纯金王冠，做好了以后，国王怀疑金匠不老实，可能造假掺了“银”在里面，但是又不能把王冠毁坏来鉴定。怎样才能检验王冠是不是纯金的呢？阿基米德想了好久，一直没有好方法。有一天，他在洗澡的时候发现，当他坐在浴盆里时水位上升了，这使得他想到了：“上升了的水位正好应该等于王冠的体积，所以只要拿与王冠等重量的金子，放到水里，测出它的体积，看看它的体积是否与王冠的体积相同，如果王冠体积更大，这就表示其中造了假，掺了银。”阿基米德想到这里，不禁高兴的从浴盆跳了出来，光着身体就跑了出去，还边跑边喊“尤里卡！尤里卡！”（

3、 希腊语：“我发现了！” 现代世界上最著名的发明博览会就是以“尤里卡”命名的）。果然经过证明之后，王冠中确实含有其他杂质，阿基米德成功的揭穿了金匠的诡计，国王对他当然是更加的信服了。,亚里士多德,亚里士多德：提出世间万物都是由水火土气，以太构 构成的。 认为一物需要不断的施力才会运动 认 为物质下落速度与质量呈正比。 认为不存在绝对 空间填满物质，作为力的介质，不存在超距作用。 赞成托勒密的地球（当时已提出地是球）是宇宙的中 心理论等等,五元素说,土：又冷又干燥，对应现代固体概念。 水：又冷又潮湿，对应现代液体概念。 火：又热又干燥，对应现代热量概念。 气：又热又潮湿，对应现代气体概念。 以太

4、：构成天球和天体（恒星和行星）的神圣物质。 地球上的四种元素都有其自然的地方；地球是宇宙的中心，接着是水、空气、然后是火。这些元素也会进行自然的运动，不需任何外界的动力。因此人的躯体会沉入水中、水会随着空气蒸发、蒸发后的水汽随着雨降下、火可以在空气中燃烧，这些元素有着永恒的运动循环。,德谟克利特和毕达哥拉斯,德谟克利特：提出原子假说，认为万物皆原子构成。 亚里士多德反对其观点。 毕达哥拉斯：发现勾股定理，无理数。本人不相信无 理数的存在。其徒却宣布毕达哥拉斯发现2的平方根是 无理数，毕达哥拉斯将其淹死。,中世纪时期,中世纪时期,013世纪，誉为黑暗时期，千余年久，整个世界竟然没有大的物理学研究

5、成果，教会势力极大，压迫人们相信古希腊的学说，尤其是亚里士多德的学说，而他的学说恰恰是错的。,复兴时期,推翻托勒密！,哥白尼认为地球，及其他行星是围着太阳转的！ 太阳是宇宙的中心。 为了纪念这位伟大的科学家，将112号元素命名为 鎶。,推翻亚里士多德！,伽利略发现在忽略空气阻力的情况下，物质的下 落速度与质量无关！并且用望远镜发现地球 围绕太阳转。 霍金：“如果我能回到过去，我会去看伽利略，当他将望远镜对向夜空时。” 伽利略发现，自由落体时，物质呈加速度下坠。 发现惯性。 发现伽利略变换,约翰内斯开普勒,发现开普勒三大定律，以及开普勒定律，成为证 明宇宙大爆炸的最佳证据。 施影响于牛顿,开普勒

6、三大定律,开普勒第一定律，也称椭圆定律、轨道定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。 开普勒第二定律，也称等面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。 开普勒第三定律，也称周期定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是艾萨克牛顿的万有引力定律的一个重要基础。,发展时期,自然和自然的法则隐藏在黑暗之中。 上帝说：让牛顿出世吧， 于是一切豁然开朗。 亚历山大蒲柏,艾萨克牛顿,万有引力的发现者，三大

7、运动定律发现者。 阐明动量与角动量守恒，认为时空间是绝对 的。认为力是瞬时作用。发现白光是由可见 光谱叠加而成的。认为光是粒子,牛顿三大运动定律,牛顿第一运动定律（Newtons first law of motion）表明，除非有外力施加，物体的运动速度不会改变。根据这定律，假设没有任何外力施加或所施加的外力之和为零，则运动中物体总保持匀速直线运动状态，静止物体总保持静止状态。物体所显示出的维持运动状态不变的这性质称为惯性。所以，这定律又称为惯性定律。物体的惯性与其质量有关。 牛顿第二运动定律（Newtons second law of motion）说明了物体的加速度与物体所受的净力成正比

8、，并和物体的质量成反比。而物体加速度的方向与净力的方向相同。以物理学的观点来看，牛顿第二定律亦可以表述为“物体随时间变化之动量变化率和所受外力之和成正比”。即动量对时间的一阶导数等于外力之和。 牛顿第三定律（Newtons third law）表明，当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反。力必会成双结对地出现：其中一道力称为“作用力”；而另一道力则称为“反作用力”，又称“抗力”；两道力的大小相等、方向相反。它们之间的分辨，是纯然任意的；任何一道力都可以被认为是作用力，而其对应的力自然地成为伴随的反作用力。这成对的作用力与反作用力称为“配对力”。,托马斯杨,通过双缝实验，

9、证明光的波性，推翻了牛顿的 观点。,夏尔奥古斯丁德库仑,发现库伦定律： 在真空中两个静止点电荷之间的相互作用力与距 离平方成反比，与电量乘积成正比，作用力的方 向在它们的连线上，同号电荷相斥，异号电荷相 吸。,安德烈马里安培,提出了安培定则即右手螺旋定则。随后很快在几个月之内连续发表了3篇论文，并设计了9个著名的实验，总结了载流回路中电流元在电磁场中的运动规律，即安培定律。1821年安培提出分子电流假设，第一次提出了电动力学这一说法。 安培是电动力学中的牛顿。 詹姆斯麦克斯韦,热力学,开尔文勋爵：发明绝对温标。发现且公式化热 力学一，二定律。 鲁道夫克劳修斯：创造熵的概念，对热力学和黑洞 的研

10、究有极其深远的影响。,热力学四大定律,热力学第零定律：在不受外界影响的情况下，只要A和B同时与C处于热平衡，即使A和B没有热接触，他们仍然处于热平衡状态。这个定律说明，互相处于热平衡的物体之间必然具有相等的温度。 热力学第一定律：能量守恒定律对非孤立系统的扩展。此时能量可以以功W或热量Q的形式传入或传出系统。 热力学第二定律：熵增定理：孤立系统熵不会减少简言之，热不能自发的从冷处转到热处，而不引起其他变化。任何高温的物体在不受热的情况下，都会逐渐冷却。 热力学第三定律：完整晶体于绝对温度零度时（即摄氏-273.15度），熵皆为零。,詹姆斯克拉克麦克斯韦,创建麦克斯韦方程组，统一光电磁。,麦克斯

11、韦方程组,麦克斯韦方程组的解释,迈克尔法拉第,制造了世界上最简单的电池之一的电池。 发现了磁力线。 创造了场的概念。是经典场论的创始人。 爱因斯坦的房间里挂着三幅人物像：麦克斯韦、 牛顿、法拉第,玛丽居里,发现放射性，找出了核迁变的原因。 唯一一个获得两次获得诺贝尔奖的女性。 第一个获得诺贝尔奖的女性。,约瑟夫汤姆森,发现电子，发现电子的波粒二象性，化学上， 发现了同位素,欧尼斯特卢瑟福,发现原子核，发现一堆电子围着原子核转， 发现质子。,辉煌时代,量子力学的发展,马克思普朗克提出量子论，是量子力学跨出 的第一步。量子力学最重要的常量：普朗克 常量，就是他发现的。,光子的发现,爱因斯坦通过光电

12、效应发现了光可以描述为一个个 粒子组成的，将这些粒子命名为光子。,德布罗意假说波粒二象,结合爱因斯坦的光量子，和杨的双缝实验，给出了波粒 二象性的假说：量子既是波，又是粒。对量子力学后来 的发展有极其深远的影响。,推翻卢瑟福玻尔模型,建立在电子的波粒二象性及概率的情况下，建立了 玻尔模型。提出哥本哈根诠释和互补性原理。,薛定谔和他的波动力学,提出薛定谔方程，波动力学的创始人。 波动力学是量子力学的一种表述形式，主要是以 波函数及其模数的平方去表示物体的状态及该状态出 现的概率。对于波函数随时间的变化，是遵从薛定谔 方程式。 并且提出薛定谔猫。,海森堡和他的矩阵力学,提出矩阵力学，提出：“不确定

13、性原理”mxp普朗克常量 矩阵力学是量子力学其中一种的表述形式，它是由海森 堡、玻恩和约尔当于1925年完成的。矩阵力学的思想出发点是针对玻 尔模型中许多观点，诸如电子的轨道、频率等，都不是可以直接观察 的。反之，在实验中经常接触到的是光谱线的频率、强度、偏极化， 以及能阶。海森堡计划创造一个理论，只是用光谱线的频率、强度、偏极化等观念。他的做法是受到爱因斯坦在相对论中对时间、空间作“操作定义”分析的影响。,泡利不相容原理,泡利不相容原理（Pauli exclusion principle） 表明，两个全同的费米子不能处于相同的量子 态。这原理是由沃尔夫冈泡利于1925年通过 分析实验结果得到

14、的结论。例如，由于电子是 费米子，在一个原子里，每个电子都拥有独特 的一组量子数，两个电子各自拥有的一组量子 数不能完全相同，假若它们的主量子数，角量 子数，磁量子数分别相同，则自旋磁量子数必定不同，它们必定拥有相反的自旋磁量子数。换句话说，处于同一原子轨道的两个电子必定拥有相反的自旋方向。泡利不相容原理简称为泡利原理或不相容原理。,量子纠缠-上帝效应,最早被爱因斯坦等人观察到，是薛定谔命名， 在量子力学里，两个粒子在经过短暂时间彼此耦合后，单 独搅扰其中任意一个粒子会不可避免地影响到另一个粒子 的性质，尽管粒子与粒子之间可能相隔很长一段距离， 这种关联现象称为量子纠缠（quantum ent

15、anglement） 像光子、电子一类的微观粒子，或者像分子、巴克明斯特 富勒烯、甚至像小钻石一类的介观粒子，都可以观察到量 子纠缠现象。由两个以上粒子组成的量子系统也可能会发 生量子纠缠。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。,量子隧穿,量子隧穿效应 （Quantum tunnelling effect），是一种衰减波耦合效应，其量子行为遵守薛定谔波动方程。假若条件恰当，任何波动方程都会显示出衰减波耦合效应。数学地等价于量子隧穿效应的波耦合效应也会发生于其它状况。例如，遵守麦克斯韦方程组的光波或微波；遵守常见的非色散波动方程的绳波或声波。若要使隧穿效应发生，

16、必须有一个 2 型介质的薄区域，像三明治一般，夹在两个1型介质的区域。2型介质的波动方程必须容许实值指数函数解（上升指数函数或下降指数函数），而1型介质的波动方程则必须容许行进波解。在光学里，1型介质可能是玻璃，而2型介质可能是真空。在量子力学里，从粒子运动这方面来说，1型介质区域是粒子总能量大于位能的区域，而 2 型介质是粒子总能量小于位能的区域（称为位势垒）。假若条件恰当，从1型介质区域入射至2型介质区域，行进波的波幅会穿透过 2 型介质区域，再以进行波的形式，出现于第二个 1 型介质区域。在量子力学里，穿透过的波幅可以合乎物理地解释为行进粒子。遵守薛定谔波动方程，穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率给出了粒子隧穿的透射系数，也就是其透射概率。对于遵守其它种波动方程的光波、微波、绳波、声波等等，穿透波幅可以物理地解释为行进能量，而穿透波幅的绝对值平方和入射波幅的绝对值平方的比率则给出了穿透能量和入射能量的比率。,量子跃迁,量子跃迁，