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1、第三节：经典物理学的全面第三节：经典物理学的全面 发展发展 光学的进展光学的进展 热学的成就热学的成就 电磁学的建立电磁学的建立本节教学目的和要本节教学目的和要 求求1. 1. 了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学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；的推动作用； 2. 2. 把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索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，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去 脉；脉； 3. 3. 理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点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；掌
2、握热力学第二定律的自然观意义； 4. 4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重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。要地位和作用。1 1光学的进光学的进 展展 1. 1. 几何光学几何光学：16211621年荷兰年荷兰斯涅尔斯涅尔发现光的发现光的折射定折射定 律律 2. 2. 波动光学的兴起波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论：牛顿的光的颜色的理论 3. 3. 光的本质的探讨光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质：光究意是什么，是某种物质 的运动形式的运动形式波动？还是某种实物微粒？胡克波动？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、惠更斯等人主
3、张波动说，牛顿则更倾向于微 粒说。微粒说在粒说。微粒说在1818世纪占据统治地位。世纪占据统治地位。 4. 4. 波动说的胜利波动说的胜利：1919世纪初英国世纪初英国托马斯托马斯杨杨的双的双 缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释 了了“干涉现象干涉现象”和和“衍射现象衍射现象”。法国的。法国的菲涅菲涅 尔尔以数学形式证明了波动说。以数学形式证明了波动说。菲涅尔菲涅尔 托托 马马 斯斯 杨杨菲涅尔的波带法菲涅尔的波带法衍衍 射射 现现 象象折射定律折射定律干干 涉涉 现现 象象波动说与微粒说波动说与微粒说 的交锋的交锋惠更惠更 斯与斯与 光的光的 波
4、动波动 说说波动说波动说二、热学的成二、热学的成 就就2.12.1热的本质热的本质 在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的在十八世纪，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。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热是一种物质；另一种认为热是物质分子 的微小运动。的微小运动。 拉瓦锡在拉瓦锡在17891789年的年的初等化学概论初等化学概论中把中把 热物质当做一种元素引入，称之为热素或热物质当做一种元素引入，称之为热素或 热质（热质（caloriquecalorique）
5、。）。热质说热质说 拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质拉瓦锡认为：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。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。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。物体
6、，成为各种热现象的载体。热机：从技术到热机：从技术到 理论理论 蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短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九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理 论。论。 这一局面因卡诺于这一局面因卡诺于18241824年出版年出版关于火的关于火的 动力及其适于产生这种动力的发动机之考动力及其适于产生这种动力的发动机之考 察察一书而改变。一书而改变。SadiSadi Nicolas Nicolas
7、LonardLonard CarnotCarnot 卡诺卡诺(1796-1832)(1796-1832)出身于出身于 法国望族。法国望族。 18141814年卡诺毕业于法国年卡诺毕业于法国 综合工科学校后到工兵综合工科学校后到工兵 部队服役，部队服役，18201820年退役年退役 后专心从事物理学理论后专心从事物理学理论 研究。研究。 他的父亲是拿破仑一世他的父亲是拿破仑一世 政府要人；弟弟是一位政府要人；弟弟是一位 持自由观点的政治家；持自由观点的政治家； 一位侄子是法兰西第三一位侄子是法兰西第三 共和国总统。共和国总统。热机的效率热机的效率 瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改瓦特致力于
8、提高蒸汽机的效率。但是经过改 进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热 能的能的93%-95%93%-95%都被浪费掉。都被浪费掉。 卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想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。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外做功和做完功返回原状的过程结合起来考 虑。虑。热质守热质守 恒恒 卡诺在卡诺在关于火的动力
9、关于火的动力一书中是立足于一书中是立足于 热质说来考察热机效率的。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，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。率，就要尽量避免这种损失。卡诺循环：理想卡诺循环：理想 热机热机卡诺进一步设想了没有任何损失的理想卡诺进一步设想
10、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）、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）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺 循环。循环。热力学的奠基热力学的奠基 人人 卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式 ，因此他
11、被称作热力学的奠基人。，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。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。还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。 但是不幸的是他在但是不幸的是他在3636岁就死于霍乱。岁就死于霍乱。热动热动 说说 伦福德伦福德(1753-1814) (1753-1814) 纠正了纠
12、正了 热是一种无质流体的说法。热是一种无质流体的说法。 伦福德出身于美国，后到欧伦福德出身于美国，后到欧 洲慕尼黑管理一个兵工厂，洲慕尼黑管理一个兵工厂， 他发现当钻削制造炮筒的青他发现当钻削制造炮筒的青 铜坯料时，金属坯料烫得象铜坯料时，金属坯料烫得象 火一样。火一样。 当时传统的解释是，当金属当时传统的解释是，当金属 被切削成刨花时，热质就从被切削成刨花时，热质就从 金属中逸出。金属中逸出。 但是伦福德注意到，只要镗但是伦福德注意到，只要镗 钻不停止，金属就不停地发钻不停止，金属就不停地发 热。热。热质热质 伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发 现当钻削制造
13、炮筒的青铜坯料时，金属现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属 坯料烫得象火一样。坯料烫得象火一样。 当时传统的解释是，当金属被切削成刨当时传统的解释是，当金属被切削成刨 花时，热质就从金属中逸出。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，但是伦福德注意到，只要镗钻不停止， 金属就不停地发热。金属就不停地发热。机械运动转化机械运动转化 为热为热 伦福德得出结论，是镗具的机械运动转伦福德得出结论，是镗具的机械运动转 化为热。化为热。17981798年伦福德向皇家学会报告年伦福德向皇家学会报告 了他在慕尼黑的实验。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他还试图给出一
14、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。数值。不过他的数值偏高。 17991799年伦福德回到英国，当选为皇家学年伦福德回到英国，当选为皇家学 会会员。会会员。18041804年到巴黎定居，娶了拉瓦年到巴黎定居，娶了拉瓦 锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作 对。对。热运动说的处热运动说的处 境境 伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有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人支持也有人反对。热质说的统治地位一时 还难以动摇。还难以动摇。 当时以热质
15、守恒这一基本原理为基础，热学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。，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。广阔的观点来理解热和运动的相互转化。2.22.2能量守恒定律的能量守恒定律的 发现发现能量守恒定律提出的背景能量守恒定律提出的背景 (1)(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色由于十八世纪以来物理学前沿的
16、扩大，形形色 色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引 起人们注意。起人们注意。 (2)(2)十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然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。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。和力等等东西归根结底是同一种东西。2.22.2能量守恒定律的发能量守恒定律的发
