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1、高中物理第一轮总复习 1 发现布朗运动的科学家布朗布朗（Robert Brown，17731858）是英国植物学家。1773年 12月 21日诞生于苏格兰的蒙特罗斯。布朗从小就很聪明，性格倔强。他先在阿巴丁的马里歇尔学院学习，毕业后进入爱丁堡大学攻读医学。1795 年应征入伍，前往爱尔兰服役，在英军中任助理外科医师。服役期间，他边为军队工作，边进行自修。他利用业余时间收集各种植物，制作标本。1789 年布朗来到伦敦，一个偶然的机会，拜见了英国伦敦皇家学会公长尤素福彭克斯，并跟随他作了一段研究工作。1800 年布朗取得博士学位，后由彭克斯介绍参加澳大利亚远洋考察船“调查者号” ，负责研究植物。1
2、801 年开始远行，在大洋洲进行了为期五年的考察活动，收集近 3900种的标本，系统地整理写入澳洲植物志一书中，对植物分类学做出贡献。1811年布朗当选为英国伦敦皇家学会会员。1820 年，任大英博物馆馆长。1822 年当选为柯尼斯学会会员，1849到 1853年任会长。布朗还兼任几个国家的科学院院士。布朗在物理学中的贡献是发现了著名的布朗运动。1827年 6月，布朗用显微镜观察克拉花花粉，发现悬浮在液面上的花粉微粒在杂乱无章地、不断地运动。布朗对这个现象进行了反复研究。开始，他错误地认为，花粉虽然死了，但是好像有一种具有生命潜力的东西遗留下来，促使花粉微粒不断地运动。他这样写道：“它们（花粉
3、微粒）的运动既不是由液体的流动引起的，也不是液体渐渐蒸发引起的、而是由于微粒本身的原因引起的。 ”接着，他把这个研究推广到各种各样的植物，观察了他收集到的所有新鲜花粉，都看到了类似现象。后来布朗又对煤粉、玻璃粉、各种岩石粉、金属粉等无生命物质的微粒进行了观察，也都看到了类似花粉的不停地运动的现象，各种粉末都存在着某种活性。布朗感到问题不那么简单，一时无法正确解释这个现象。1828年 6月到 8月，布朗接连发表了论植物花粉中的微粒 、 论有机物和无机物中活性分子的普遍存在两篇文章，宣布了他的重大发现。以后人们就把这种现象叫做“布朗运动” 。对于布朗运动，直到 1860年才由英国物理学家麦克斯韦根
4、据他自己建立的分子运动论做出初步的解释，他认为这种杂乱无章的运动是水分子对悬浮微粒不断撞击引起的。布朗运动的发现，给物质是由分子组成的理论提供了第一个直接的证据。布朗在植物学方面也取得了很多研究成果。他在澳大利亚考察的时候，精心收集了四百多种植物标本。回国以后，他按照安东尼德尤奇建立的自然分类系统，对这些植物进行了科学的分类，分成无子叶类植物、单子叶植物、双子叶类植物三大类。布朗还创建了现代分类法，把植物分成被子植物和裸子植物。此外，布朗在植物学史上首次发现植物细胞中心有小核，1831 年把它叫做“细胞核” ，这个名称一直沿用到现在。布朗于 1858年 6月 10日在伦敦逝世，终年 85岁。布
5、 朗生平简介布朗(RobertBrown,17731858年)，英国植物学家。1773年12月21日生于苏格兰蒙德罗斯。父亲是一位牧师。布朗在阿伯丁和爱丁堡大学学医。21岁时，他在英国军队中当助理外科医生。18011805年期间，他以博物学家身份参加考察团，去澳大利亚海岸勘察。回来后当上林纳协会的图书馆馆长。1858年6月10日，病逝于伦敦。科学成就1、发现了布朗运动他在物理学上的贡献是发现了悬浮在液体或气体中微小粒子所作的无规则运动布朗运动。布朗运动是用显微镜才能看到的悬浮在液体或气体中微小粒子所作的无规则运动。布朗最早研究了这种运动，1827年8月发表了有关文章。布朗采集了克拉花属植物的花
6、粉，花粉粒子长约1/40001/5000英寸，它们的形状介乎圆柱体和长方体之间，将这种花粉浸入水中，他用显微镜观察到花粉的运动。他说：“它们的运动，不但是在液体中的位置发生变化，明显地改变了相互间的相对位置，而且经常改变粒子的形状。”接着布朗又说：“反复地观察这些运动后可以说，产生运动的原因却不是液体的流动，也不是缓慢的蒸发，而是粒子本身。”布朗的观察非常细致，然而他却从粒子形状的变化，误认为运动是由粒子本身引起的。出于植物学家的本能，他考虑会不会是由有机物的某种活力在起作用。布朗还用了枯萎的植物花粉，标本的花粉，甚至已经过了一百多年的花粉，继续做实验。结果都明显地看到同样的运动。他惊呼：“植
7、物死后这些分子保留生命力之长出乎意料。”进而，他又用无机物如玻璃、花岗石的粉末，以及烟粒子做实验，也观察到这种运动，当时没有找到引起运动的真正原因。随着分子动理论的发展，人们才了解到，布朗所观察到的微粒的不规则运动，是它们受到来自各个方热学篇分子热运动 能量守恒 气体第 2 页 共 29 页向的液体或气体分子的不平衡撞击所引起的。因此，布朗运动间接显示了物质分子处于永恒的热运动之中。布朗运动的发现，给物质是由分子组成的理论提供了第一个直接的证据。2、发现了植物细胞中有细胞核此外布朗在植物学方面也取得了很多研究成果，他创建了植物现代分类法，首次发现植物细胞中心有小核，1831年把它叫做“细胞核”
8、，这个名字一直沿用到现在。布朗运动布朗运动是微小粒子表现出的无规则运动。它是苏格兰植物学家布朗 1827年在显微镜下观察水中的花粉时首次发现的。以后人们发现在温度均匀和无外力作用的流体中都能观察到这种运动。在布朗运动发现后 50年里，人们一直不了解这种运动的原因。直到 1905年爱因斯坦发表了关于布朗运动理论的论文，才第一次明确解释了这种现象，同时这也成为分子运动论和统计力学发展的转折点。布朗运动代表了一种随机涨落现象，它的理论在其他领域也有重要应用。如对测量仪器的精度限度的研究；高倍放大电讯电路中的背景噪声的研究等。布朗运动 公元 1827年，英国生物学家布朗（Brown，17731858）
9、，用显微镜观看悬浮在一滴水中的花粉，发现它们像醉鬼走路一样，各自作毫无规则的运动。后来人们才知道，花粉之所以会不停息地作无序运动，是由于受水分子各方面不平衡撞击的结果，由于这个现象是布朗先生首先发现的，所以后人称它为布朗运动。布朗运动中的花粉，像醉鬼走路一般，完全不规则。那么醉鬼是怎么行动的呢？美国著名物理学家 G盖莫夫教授对此作了极为生动的描述：假定在某个广场的某个灯柱上靠着一个醉鬼，他突然打算走动一下，看他是怎么走的吧！先是朝一个方向颠簸几步，然后又折转方向再颠簸了几步，如此这般，每走几步就随意折一个方向。每次折转方向都是事先无法加以预计的。为了研究醉鬼的行动规律，盖莫夫教授假想广场上有一
10、个以灯柱脚为原点的直角坐标系。醉鬼所走的第 n个分段在两轴上的投影分别为Yn，Yn。于是，走 n段后醉鬼与灯柱的距离 R满足：R2（x 1x 2x n） 2（y 1y 2y n） 2注意到醉鬼的走路是无规则的，他朝灯柱走和背灯柱走的可能性相等。因此，在 X的各个取值中，正负参半。这样，在上式右端的第一项展开中，所有的两两乘积里，总可以找出大致数值相等符号相反，可以互相抵消的一对数来。n 的数目越大，这种抵消越彻底。因此，对于很大的 n，我们有：（x 1x 2x n） 2x 21x 22x 2nnx 2这里 x是醉鬼所走各段路程在 x轴上投影的均方根值。对 y，我们也可以得出同样的结果，即（y
11、1y 2y n）2y 21y 22y 2nny 2于是 R2n（x 2y 2）后式相当于醉鬼走每段路的平均路程长 d，代入可得这就是说，醉鬼在走了许多段不规则的弯曲路程后，距灯柱最可能的距离为各段路程的平均长度，乘以路段数的平方根。注意上面我们是运用了统计规律，对某个醉鬼来说，他走 n段路，未必就距离灯柱 。但如果有一大群醉dn鬼，互不干扰地从灯柱出发，颠颠簸簸地各自的弯弯路，那么他们距离灯柱的平均值就接近于 。人数越多，这种规律越精确。通过对布朗运动的理论分析，可以看出大量的无序运动中同样也含着相当精确的有规则的结果。这就是偶然中的必然统计规律的本质。布朗运动的意义尽管布朗运动本身并不是分子
12、的运动，但由于它的形成原因是由于分子的撞击所致，所以它能反映分子的运动特征，这就是布朗运动的意义所在。具体地讲：（1）布朗运动的永不停息，说明分子的运动是永不停息的。（2）布朗运动路线的无规则，说明分子的运动是无规则的。（3）温度越高，布朗运动越剧烈，说明分子的规则运动的剧烈程度也与温度有关。在宏观上与温度有关的现象称为热现象。高中物理第一轮总复习 3 布朗运动和种种特征充分地表明：分子作永不停息的无规则的运动热运动。热、热运动与热现象“热”是物体内部物质运动的一种形式。请不要小看这么一句简单的话，物理学上对“热”下这么一个科学定义，经历了几代人的探索和研究，这里包括同 18世纪初出现的认为热
13、是一种特殊物质热质这种热质论的斗争。直到1744年罗蒙诺索夫在研究了摩擦生热等现象以后，在他的论文“论热与冷的原因”中才提出了热是运动的新的理论。他写道：“大家都知道，热是由运动激发的：两手由于互相摩擦而暖和，燧石擦钢飞出火星，铁在频频用力打击时变成灼热。由此我们得出结论，不必把物体的热当作是某种为了解释热现象而特别规定的微妙的物质的聚集，而应当把热作为是物体内部物质的运动。 ”罗蒙诺索夫的这段话既深刻又精辟。翻开热学史，可以清楚地看出第一次给热下科学定义的就是这一段话，不愧为是一伟大的创举。到 19世纪中，费厄和焦耳用许多论据和实验证明了热是运动形式这个观点。从此，热是物体内部物质的一种运动
14、形式这种说法也就具有了科学的地位，并一直被后人接受和承认。所谓热运动就是宏观物体内部大量微观粒子（如分子、原子、电子等）的一种连续的混乱的无规则运动，是物质的一种特殊运动形式，它比机械运动要更高级、更复杂。物体的冷热程度完全由大量微观粒子的这种无规则运动的强度所决定。所谓的无规则运动只是指大量微粒中各个单个微粒的运动的径迹表现得杂乱而没有规律。但这并不说明微粒的运动完全没有规律性，事实上，只要微粒数量足够大，这大量微粒无规则运动的总和总是能表现出新的现象和新的规律性，这些规律当然是不能从力学定律导出，而只能用统计方法导出。譬如，就大量分子微粒来说，大量分子热运动的平均平动动能就是一个统计规律，
15、它是表征分子无规则热运动强度最适当的物理量。平均平动动能越高，分子无规则热运动就越剧烈，物体也就越热，温度也就越高。至于热现象乃指一切与温度有关的物体性质的变化。例如膨胀、收缩、熔解、凝固、蒸发、凝结、扩散等等。应当指出，一个物体总是由大量微粒（分子）组成的，物体所表现出来的种种热现象应是大量分子热运动共同起作用的结果。只有一个微粒（分子）时，像膨胀、熔解等热现象根本没有意义。因此，单个分子无规则运动决不会产生热现象。另外，大量分子有规则运动也不能产生热现象。如把物体放在汽车上跟着汽车一起运动，这时每个分子除了无规则的运动外，还获得了和汽车相同的整体运动速度。全体分子的这种整体宏观机械运动并不
16、引起像膨胀、溶解一类的物体性质的任何变化，并没有热现象产生，也就是说物体分子的这种运动并不导致物体温度的改变。但话得说回，分子整体的宏观机械运动倒可以转变成为分子的无规则热运动。例如，把两块冰进行摩擦，由于冰块并不是绝对平滑的，冰块的表面分子之间可以发生各种形式的碰撞，碰撞的结果使许多分子获得了另外方向的混乱的速度，因而把向着摩擦方向的整体运动转变为无规则热运动。运动形式的这种转变就引起冰块变热，逐渐熔解。把分子有规则的运动转变为分子无规则热运动来进行加热的方式是多种多样的，除了摩擦生热以外，通电流也可以使导线发热。在金属导体内的电流是电子在沿着电场反方向整体运动所引起的。但电子不时地碰撞在平衡位置附近振动的原子，把自己的一部分能量传给了原子（实为离子） ，于是就引起了原子无规则热运动的加强，使得导线发热。燃烧使温度升高，则是因为氧原子与碳原子在结合过程中，把原来一部分分子内部的化学能转
