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1、物理学的过去、现在与未来主讲 昭通师专物理系 卢巧 一、物理学的学科特点:n物理学是一门实验科学。它的根基是实 验,一切理论都要以实验作为惟一的检验 者。n物理学是一门严密的理论科学,以物理 概念为基石,以物理规律为主干,建立了 经典物理学与现代物理学及其各分支的严 密的逻辑体系。n物理学是一门定量的精密科学,它与数 学密切结合。物理学是一门基础科学,是其他自然科学和各种工 程 技术、国民经济、特别是现代新技术革命的基础。物理学是一门带有方法论性质的科学。 物理学同时具备以上五个特点,这正是物理学作为一 门 成熟的、精确的基础自然科学的标志。换句话说,物理学的学科结构中要有:实验基础 、 逻辑
2、体系、数学表述、思想方法、应用价值这五种基 成 分。n物理学的分支物理学经典物理现代物理力学 热学 电磁学 光学相对论 量子论 非线性二、物理学的发展历程时间 t关 键 概 念 的 发 展力学 电磁学热学相对论量子论1600 1700 1800 1900n三、物理学的分野(在古代将天上星空区 域与地上的国州互相对应,称作分野。 “ 分野”是指划分的范围或界限)n(1)实验n(2)唯象理论n(3)理论构架n(4)数学以经典力学的发展为例,理解物理学的分野。 (三个代表人物:第谷、开普勒、牛顿)第谷 牛顿开普勒n第谷(丹麦科学家)n 经过20年的天文观测,第谷发现了许 多新的天文现象,如黄赤交角的
3、变化、月 球运行的二均差,并重新测量了岁差数值 (每年51)。n 第谷对天文学的贡献是不可磨灭的, 他所做的观测精度之高,是他同时代的人 望尘莫及的。第谷编制的一部恒星表相当 准确,至今仍然有使用价值。第谷用过的望远镜第谷在天文台工作n在第谷的工作基础上,开普勒经过大量的 计算,编制成鲁道夫星表,表中列出 了1005颗恒星的位置。n 这个星表比其他星表要精确得多,因 此直到十八世纪中叶,鲁道夫星表仍 然被天文学家和航海家们视为珍宝,它的 形式几乎没有改变地保留到今天。n开普勒(Johannes Kepler,n1571-1630),德国天文学家。n1600年,开普勒到布拉格担任n第谷的助手。1
4、601年第谷去世n后,他继承了第谷的事业,利n用第谷多年积累的观测资料,n仔细分析研究,发现了行星沿n椭圆轨道运行,并且提出行星n运动三定律(即开普勒定律),n为牛顿发现万有引力定律打下n了基础。开普勒第一定律(椭圆定律)开普勒第二定律(等面积定律)开普勒第三定律(和谐定律)n牛顿n 在整个科学史上,牛顿被认为是最伟大 的科学家,因为他是一个真正集实验科学 家、理论科学家和数学家三位一体的人物。牛顿的理论贡献最辉煌的成就是万有引 力定律的发现。他认为太阳吸引行星,行星 吸引行星,以及吸引地面上一切物体的力都 是具有相同性质的力,还用微积分证明了开 普勒定律中太阳对行星的作用力是吸引力。n 牛顿
5、还通过了大量实验,证明了任何两 物体之间都存在着吸引力,总结出了万有引 力定律。n 牛顿的理论贡献得益于数学。在同一时 期哈雷和胡克等科学家都在探索天体运动奥 秘,其中以胡克较为突出,他早就意识到引 力的平方反比定律,但他缺乏象牛顿那样的 数学才能,不能得出定量的表示。n经典力学n从第谷开始(主要是观测)实验领域(1)n开普勒唯象理论(从现象开始)(2)n牛顿变成了理论构架(与数学有密切关系) (3)n电磁学n从库仑开始实验领域(1)n安培、法拉第发展了唯象理论(2)n麦克斯韦方程式(完全解释了电磁现象)n赫兹预言了电磁波的存在理论构架(3 )n三、物理学各个时期的特点、代表人物、 研究方法等
6、n1、古代物理学时期(公元前8世纪至公元 15世纪 )n(1)古代物理学的特点n 物理现象虽被发现和记录下来,但 未形成系统的理论。n 受神学的支配很强。n 天才的臆测建立在笼统的直觉观察 之中。 n在研究方法上主要是表面的观察、直觉 的猜测和形式逻辑的演绎。n在知识水平上基本上是现象的描述、经 验的肤浅的总结和思辨性的猜测。n在内容上主要有物质本原的探索、天体 的运动、静力学和光学等有关知识,其中 静力学发展较为完善;在发展速度上比较 缓慢,社会功能不明显 。n(2)代表人物n 亚里士多德(公元前384-公元前322):马其 顿国王私人医生的儿子,18岁进入柏拉图学院 ,约在公元前342 年
7、,他成为亚力山大大帝的 私人教师。一生著作颇丰,在科学领域里起着 奠基性的作用。n n主要观点: (1)提出物理学名称的第一人,强调科学分类。 (2)若物体不受力,运动即停止。 (3)物体越重,下落速度应该越大。 (4)地球是宇宙的中心,太阳、行星和月亮应该 围绕它转。n亚氏观点从归纳日常生活出发,加上哲学思辩 ,后来发展为经院哲学,成为自然科学的障碍 。n某些大科学家“比起亚里士多德不过是小 学生。” 达尔文(3)中国古代的物理学 力学方面我国古代力学知识源远流长,积累丰富 。 早在2000多年以前的战国时期,在“墨经” 中, 记述了墨子。 (公元前478前392)等哲学家对力学方面的 一
8、些精辟见解,如“力,刑之所以奋也。”, 表达 了力是使人和物的“奋”即由静到动的根本 原 因。还对杠杆进行了研究,指出:“相衡,则 本 短标长。”说明了在称量重物时,要想与砝 码 平衡,就要调整重臂“本”和力臂“标”, 这一 记录比阿基米德早二百多年。我国科学家的 朴素的宇宙观,例东汉的张衡强调:“宇之 表 无极,宙之端无穷”。 n n电磁学方面n 在静电学方面,在西汉末年,(公元 前20年)就有记载,在磁学方面更有骄人 记录:n1) 4000年前,黄帝与蚩尤打仗,但蚩尤 作雾,黄帝则使用指南车来辨别方向,使 蚩尤大败。n2)郦道元在“水经注”中,写到秦始皇为 了防避刺客,用磁石建造阿房宫的北
9、阙门 ,若刺客身怀刀刃将被磁门吸住。n3)指南针比法人古约特早几百年。n天文学n 比较突出的是张衡(公元78年139年 ),生于河南南阳石桥镇,公元111年担任 了东汉主持天象观测、编订历法的太史令 ,发明了浑天仪、候风地动仪。国际天文 学组织用他的名字命名了一颗小行星和月 球上的一座环行山。n声学n 1979年出土了战国时期制造的曾侯已 编钟,说明了古代祖先对音节音律方面的 极高造诣,北京天坛的回音壁等,巧妙地 应用了声学原理,至今仍令人为之瞩目。n 中国是世界上科学发展最早的国家, 这是我们民族的骄傲。(4)古代物理学时期对于西方又可分为两个阶段 :n古希腊-罗马阶段(公元前8世纪至公元5
10、纪) 。n主要有古希腊的原子论、阿基米德Archimedes ,公元前287-公元前212)的力学、托勒密 (Claudius Ptolemaeus,约90-168)的天文学等 。n中世纪阶段(公元5世纪至公元15世纪)主要 有 勒哈增(AL-Hazen,约965-1038)的光学、冲力说 等。2、经典物理学时期(17世纪初19世纪末) 这个时期资本主义生产促进了技术与科学的发 展,形成了比较完整的经典物理学体系。系统的 观 察实验和严密的数学推导相结合的方法,被引进 物 理学中,导致了17世纪主要在天文学和力学领域 中 的“科学革命”。牛顿力学体系的建立,标志着 近代 物理学的诞生。经过18
11、世纪的准备,物理学在19 世纪获得了迅速和重要的发展。终于在19世纪末 以 经典力学、热力学和统计物理学、经典 电磁场理论为支柱,使经典物理学的发展达到 了 它的顶峰。 (1)代表人物 伽利略伽利雷 (15641642) 是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学 家、哲学家、物理学家、数学家。也是近代实验物 理 学的开拓者,被誉为“近代科学之父”。 17岁进入 比 萨大学攻读医学,后来转攻数学,毕业后任大学教 授。他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格 斯 称他是“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说 , 创立新说的巨人之一”。n n伽利略在科学史上的地位n 伽利略的科学发现,不仅在物理学史
12、 上而且在整个科学史上都占有极其重要的 地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的 亚里士多德的错误观点,更创立了研究自 然科学的新方法。 n 伽利略在天文学方面的贡献:自制望远镜(1609年)为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举,2009年为国际天文年。发现木星的4颗卫星发现太阳黑子定出太阳自转周期木星卫星 伽利略望远镜对科学方法的贡献 斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实 验 之一。从斜面实验看伽利略的研究方法:对现象的观察 提出假设(匀加速运动假设) 进行数学和逻辑的推理 实验验证s-t2 形成理论 开创了科学实验方法,并将实验、观察和理论思维相结合 。 提出了思想实验。“伽
13、利略的发现,以及他所用的科学推理方法,是人类思 想史 上最伟大的成就之一,而且标志着物理学的真正的开端!” n伽利略被后人称为“现代物理之父”伽利略在解释其观察结论伽利略与斜塔晚年伽利略在被软禁期间,直到逝世前,一直未中断过 研究工作。1633年,69岁高龄时曾被罗马宗教裁判所判处终身监禁。但他仍致力于科研,于1638年又写出了 关于两门新科学对话一书。直到1979年,300多年后 ,教会才宣布为伽利略平反。罗马教庭对伽利略的审判 n伽利略的预见n “一门广博精深的科学已经启蒙,我 在这方面的工作只是它的开始,那些比我 更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到 各个遥远的角落。”n牛顿,(1643
14、年1月4日-1727年3月31日)n是英国伟大的数学家、物理学家、天文学 家和自然哲学家。1643年1月4日生于英格 兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村 ,1727年3月31日在伦敦病逝。n27岁,就担任了剑桥的数学教授。n1672年当选为英国皇家学会会员。 n1703年当选为英国皇家学会会长。n牛顿在科学上最卓越的贡献是:n微积分和经典力学的创建。 英国著名诗人Pope写道:Nature and natures law Lay hid in nightGod said : Let Newton beAnd all was light牛顿名言:我不知道在别人看来,我是什么样的 人;但在我自己看来
15、,我不过就象是一个 在海滨玩耍的小孩,为不时发现比寻常更 为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一 片贝壳而沾沾自喜,而对于展现在我面前 的浩瀚的真理的海洋,却全然没有发现。 -牛顿牛顿物理学的局限性当物体运动速率很高时(接近光速) , 当所描写的体系很小时(微观体系),当所 描述的物质系统很大,或引力很强时,牛顿 的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不 完全正确了,将由新的理论来代替。麦克斯韦:主要从事电磁理论、分子物 理学、统计物理学、光学、力学、 弹性理论方面的研究。尤其是他 建立的电磁场理论,将电学、磁学、 光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的 成 果,是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电 磁 波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验 验 证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的 无 线电技术,就是以电磁场理论为基础发展起来的 。(2)经典物理的主要研究方法伽利略开创了以观察实验为基础,运用 数学工具定量探究的物理学研究方法。牛顿 不仅仅完成了物理学发展史上的第一次大综 合,还实现了实验方法和数学方法、归纳方 法与演绎方法、分析方法与综合方法的大综 合,他还时常用理想实验法、假说法等研究 方法。(3)对社会发展的影响17世纪:牛顿力学的出现,大大推动了欧洲资本主义社会 的工业革命。出现了大工厂、大型机械装备,而大工业的迅 猛发展又为资本主