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1、第三节 站在巨人的肩膀上-掌门 1 对 11、 了解物理知识的一些现代应用。2、 了解科学探究的主要环节。3、 了解物理学家的科学精神与伟大情怀。我国的四大发明1、 指南针指南针是利用磁铁在地磁场中的指极性制成的。春秋战国时代，公元前 4 世纪的管子地数篇中记载：“上有慈石者，下有铜金” ， 淮南子说山训中记载：“慈石能吸铁，及其于铜则不行也” 。慈石即磁石，我国古代无“磁”字，在汉以前都把磁石写作“慈石” ，即慈爱的石头，用以比喻慈母对子女的召引。最早的指南针是用一块天然磁石，琢成勺子的形状，使勺柄指向南极，勺头指向北极。 “勺”放在标有 24 个方向的铜制的光滑的底盘上。勺底呈球面状，与光
2、滑的底盘摩擦阻力很小，能在底盘上自由转动，指示方向。这种世界上最古老的的指南仪器，称为“司南” ，距今大约有 2000 多年历史。 “司南”造成“勺”状，是模拟“北斗星座”而来的， “勺”柄相当于北斗星柄部的三颗星。由于“司南”在使用时要放在“底盘”上，所以有人称“司南”叫“罗盘” 。又因司南是天然磁石琢制而成的，在琢制过程中因受震动而容易失去磁性，而且使用时也不太方便，所以难以推广。到了北宋初年，人们掌握了人工磁化的方法，指南针的制造也因此得到了很大发展。2、 造纸术大约在 3500 多年前的商朝，我国就有刻在龟甲和兽骨上的文字，称甲骨文。到了春秋战国时代，用竹和木片替代龟甲与兽骨，称为竹简
3、和木牍。甲骨和竹简都很笨重，战国时思想家惠施外出讲学，仅书简就装了五车，所以有“学富五车”的典故。西汉时宫廷贵族中用蚕丝做原料织成丝绵纸写字，称帛书，但价格昂贵。东汉时期，蔡伦总结前人制造丝织品的经验，发明了用树皮、麻头、破布等造纸法造出的纸写成奏折奏报朝廷，皇帝看后很赞赏，后来封他为尤亭侯，于是人们将这种纸称为“蔡侯纸” 。后来，造纸术在 7 世纪经朝鲜传到日本，8 世纪中叶传到阿拉伯，12 世纪起，欧洲也仿效中国的方法造纸了。3、 印刷术印刷术最早起始于隋朝雕版印刷，经北宋刻字工人毕升在公元 1004 年至 1048 年间，用质细且带粘性的胶泥，做成方柱体，在上面刻上反写单字，放在窖里烧硬
4、，形成活字，从此活印刷使印刷术进入一个新时代。后来人们又发明了木活字和金属活字，使活字印刷得到了改进。13 世纪后，活字印刷传到朝鲜、日本，15 世纪，德国人学会了用合金铸字，这样，毕升首创的活字印刷术便在欧洲推广开来。4、 火药火药是中国古代的四大发明之一，它究竟是谁发明的，尚无定论；但火药与炼丹有关则是肯定的。炼丹的主要原料是硫黄、硝石，再加上烧炼用的木炭。炼丹方士们在长期的实践过程中，逐渐熟悉了这些材料的性能，他们从偶然发生的爆炸事故中发现，将这三种材料要点点击快乐自主研学的粉末按一定比例混合，即会燃烧，甚至爆炸。在武经总要中就记载了三个火药配方，可称是人类历史上最早的火药成分的记载。它
5、们跟现代火药的配方很接近：硝石 75%，硫黄 10%，石灰岩 15%。火药燃烧后会产生很多气体，这些气体在高温下体积急剧膨胀 1000倍以上，由于这是在极短时间内发生的，因而产生了爆炸。三国时有位技师马钧，用纸包火药的方法做出了娱乐用的“爆仗” 。开辟了火药应用的先河。现在的爆竹、礼花等都是由它演变而来的。到了唐朝末年，火药开始用在军事上，起先是造火炮，即用抛石机把火药点着抛射出去，烧伤敌人，后来改用弓箭将火药射出去烧伤敌人。到了宋朝，人们将火药装填在竹筒里，扎上细小的定向棒，这就是世界上第一种火药火箭。大约在公元12251248 年间，我国的火药制造术传到了波斯、印度和阿拉伯国家，几十年后又
6、传到欧洲。超导现象1911 年，荷兰物理学家昂尼斯（18531926）发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到 4.15K 附近时，水银的电阻突然降到零某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度）T c现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都能在不同条件下显示出超导性如钨的转变温度为 0.012K，锌为0.75K，铝为 1.196K，铅为 7.193K经典理论对超导现象产生的原因无法解释，为
7、了从微观上对这一现象进行解释，花费了固体物理学家近半个世纪的心血，直到 1957 年才由巴丁、库珀和施里弗建立了完整的超导微观理论（BCS 理论） 为此，他们荣获 1972 年诺贝尔物理学奖我们知道，在大的电磁铁或电机中，通过线圈的电流很强，为了避免产生过多的热量，线圈就必须用较粗的导线绕或采取冷却措施如果用超导体做线圈，就可以避免这种缺点现在用超导体制造电机方面的研究工作已取得较大的进展超导电缆的研究和应用，也有很大进展超导电缆埋在地下，损耗小，有利于节约能量，保护环境和节约土地超导现象在高能物理领域也有重要应用用超导线圈制成的电磁铁能产生强大的磁场，对于核聚变时约束等离子体和粒子加速器实验
8、装置都有很大用处目前阻碍超导现象大规模应用的主要问题是它要求低温如果能得到在室温下工作的超导材料，可能会使整个工业的发展发生巨大的变化对新的超导材料的研究工作，我国走在世界的前列居里夫妇我要把人生变成科学的梦，然后再把梦变成现实。-居里夫人比埃尔居里(Pierre Curie)1859 年 5 月 15 日生于巴黎一个医生家庭里在他的儿童和少年时期，性格上好个人沉思，不易改变思路，沉默寡言，反应缓慢，不适应普通学校的灌注式知识训练，不能跟班学习，人们都说他心灵迟钝，所以从小没有进过小学和中学父亲常带他到乡间采集动、植、矿物标本，培养了他对自然的浓厚兴趣，学到了如何观察事物和如何解释它们的初步方
9、法居里 14 岁时，父母为他请了一位数理教师，他的数理进步极快，16 岁便考得理学士学位，进入巴黎大学后两年，又取得物理学硕士学位1880 年，他 21 岁时，和他哥哥雅克居里一起研究晶体的特性，发现了晶体的压电效应1891 年，他研究物质的磁性与温度的关系，建立了居里定律：顺磁质的磁化系数与绝对温度成反比他在进行科学研究中，还自己创造和改进了许多新仪器，例如压电水晶秤、居里天平、居里静电计等1895 年 7 月 25 日比埃尔居里与玛丽居里结婚 玛丽居里(Marie Curie)1867 年 11 月 7 日生于沙皇俄国统治下的华沙，父亲是中学教员16 岁她以金质奖章毕业于华沙中学，因家庭无
10、力供她继续读书，而不得不去担任家庭教师达六年之久后来靠自己的一点积蓄和姐姐的帮助，于 1891 年去巴黎求学在巴黎大学，她在极为艰苦的条件下勤奋地学习，经过四年，获得了物理和数学两个硕士学位居里夫妇结婚后次年，即 1896 年，贝可勒耳发现了铀盐的放射性现象，引起这对青年夫妇的极大兴趣，居里夫人决心研究这一不寻常现象的实质她先检验了当时已知的所有化学元素，发现了钍和钍的化合物也具有放射性她进一步检验了各种复杂的矿物的放射性，意外地发现沥青铀矿的放射性比纯粹的氧化铀强四倍多她断定，铀矿石除了铀之外，显然还含有一种放射性更强的元素居里以他作为物理学家的经验，立即意识到这一研究成果的重要性，放下自己
11、正在从事的晶体研究，和居里夫人一起投入到寻找新元素的工作中不久之后，他们就确定，在铀矿石里不是含有一种，而是含有两种未被发现的元素1898 年 7 月，他们先把其中一种元素命名为钋，以纪念居里夫人的祖国波兰没过多久，1898 年 12 月，他们又把另一种元素命名为镭为了得到纯净的钋和镭，他们进行了艰苦的劳动在一个破棚子里，日以继夜地工作了四年自己用铁棍搅拌锅里沸腾的沥青铀矿渣，眼睛和喉咙忍受着锅里冒出的烟气的刺激，经过一次又一次的提炼，才从几吨沥青铀矿渣中得到十分之一克的镭由于发现放射性，居里夫妇和贝可勒耳共同获得了 1903 年诺贝尔物理学奖1906 年，比埃尔居里因车祸不幸逝世，年仅 47
12、 岁比埃尔居里去世后，居里夫人忍受着巨大的悲痛，接任了她丈夫在巴黎大学的物理学教授职位，成为该校第一位女教授她继续放射性的研究工作1910 年，她和法国化学家德别爱尔诺一起分析出纯镭元素，确定了镭的原子量和在元素周期表中的位置她还测出了氡和其他一些放射性元素的半衰期，整理出放射性元素衰变的系统关系由于这些重大成就，又荣获 1911 年诺贝尔化学奖，成为历史上仅有的两次获得诺贝尔奖的科学家居里夫妇亲自体验了镭的生理效应，他们曾不止一次地被镭射线烫伤他们与医生一起研究将镭用于治疗癌症，开创了放射性疗法第一次世界大战期间，她为了自己的祖国波兰和第二祖国法国，参加了战地卫生服务工作，组织 X 光汽车和
13、 X 光照相室为伤兵服务，还用镭来治疗伤兵，起了很大的作用大战结束后，居里夫人回到巴黎她创建的镭学研究所，继续自己的研究工作并培养青年学者晚年完成了钋和锕的提炼居里夫人在无任何防护设施的情况下从事了 35 年的镭元素研究，加上大战期间四年建立 X 射线室的工作，射线严重地损害了她的健康，引起她严重贫血1934 年 5 月她不得不离开自己心爱的实验室，并于 1934 年 7 月 4 日与世长辞居里夫妇一生澹泊、谦虚，不喜欢世俗的恭维与赞扬，不关心个人的名利和地位在发现镭和提炼成功以后，他们不请求专利，也不保留任何权利他们认为，镭是一种元素，应该属于全人类他们向全世界公开他们的提镭方法爱因斯坦和玻
14、尔的论战1949 年是爱因斯坦七十诞辰之年。这一年，美国出版界组织了一些哲学家和物理学家撰写庆贺爱因斯坦七十寿辰的论文。玻尔也被激参加撰写。玻尔写的论文显得非常奇特，几乎令人感到与庆贺极不协调。他在论文中阐述了他和爱因斯坦之间的争论，并证明爱因斯坦每次提出的思想实验都是错误的。当然，玻尔仍然象历来所强调的一样，再次指出爱因斯坦提的问题是极卓越和极宝贵的，它们对量子力学的迅速发展起了极重大的作用。论文集最后一篇文章是爱因斯坦的致答文。在答文中，爱因斯坦仍然坚持自己一贯的观点，并对玻尔的观点又一次进行批驳。这种庆贺文集，在世界上大约是绝无仅有的吧！不过，在文章的末尾、爱因斯坦总算说了几句客气话：我
15、感到有点尖锐。不过，下面的说法可作为我的辩解：人们只会同他的兄弟或者亲密的朋友发生真正的争吵；至于别人，那就不会争吵的。 看来，爱因斯坦和玻尔这两位科学巨擘之间的争论，一定是异乎寻常的激烈，不然的话是决不会在祝寿时都不放过。那么，他们是为什么事情争论呢？结果又是谁是谁非呢？由于牵涉到很古老但又很难回答的哲学问题，所以下面的简略回顾，多半只论及比较具体的科学内容，至于其中隐含的哲学内容，则只能浅涉一点点。爱因斯坦与玻尔的争论，是物理学史上持续时间最长、争论最激烈和最富有哲学意义的争论之一。他们间的争论开始于 1920 年 4 月，这次争论的具体内容在本书有关玻尔那一节曾有过描述。玻尔虽然在争论中
16、因企图放弃能量守恒的普适性而被证明是错误的一方，但玻尔强调要同经典物理观念作彻底决裂的说法，后来被证明是很正确的。 此后，在玻尔身边集结了一批极有才华而又具有极强批判能力的年青人，他们在玻尔的领导下，使量子力学取得了长足的进展。1926 年 6 月，德国物理学家玻恩提出了波函数的统计解释。这一解释的主要精神是说由量子力学波动方程求解，只能得到运动过程一个确定的几率，而不能再象牛顿力学那样给出确定的值。但自从牛顿以来，人们一直习惯于牛顿的理论，这种理论告诉我们，只要知道了粒子在某一时刻的位置和速度，并给出作用于该粒子的力，则根据牛顿第二定律所给出的方程求解，我们就可以精确知道粒子以后任何时刻的位置和速度。例如我们可以精确算出哈雷慧星于 85 年 11 月 8 日将在我国广大地区上空出现，也可以算出几十个世纪以后地球、月亮和太阳之间的精确位置等等。而现在玻恩宣布，我们对基本粒子的了解与经典物理
