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1、物理学发展简史物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而 认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。 物理学的各分支 学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着 实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。 随着物理学各分支学科的发展， 人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互 相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。 物理学家力图寻找 一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但 现在离实现这目标
2、还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。 经典力学 经典力学是研究宏观物体做低速机械运动的现象和规律的学科。宏观是相对于原子等微观粒 子而言的；低速是相对于光速而言的。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常 生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动 自远古以来，由于农业生产 需要确定季节，人们就进行天文观察。16 世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、 精密的观察。17 世纪开普勒从这些观察结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不 多在同一时期，伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动现象的初步 理论。牛顿深入研究了这些经验规律和
3、初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本 规律，为经典力学奠定了基础。亚当斯根据对天王星的详细天文观察，并根据牛顿的理论， 预言了海王星的存在，以后果然在天文观察中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和 万有引力定律被普遍接受了。 经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量：一个力 学系统在某一时刻的状态，由它的某一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个 不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式（如热运动、电磁运动等）的力学系统来 说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量 决定。 在经典力学中，力学系统的总能量和总动量有特别重要的
4、意义。物理学的发展表明， 任何一个孤立的物理系统，无论怎样变化，其总能量和总动量数值是不变的。这种守恒性质 的适用范围已经远远超出了经典力学的范围，现在还没有发现它们的局限性。 早在 19 世 纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟的分支学科，它包含了丰富的内容。例如：质点 力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。经典力学的应用范围，涉 及到能源、航空、航天、机械、建筑、水利、矿山建设直到安全防护等各个领域。当然，工 程技术问题常常是综合性的问题，还需要许多学科进行综合研究，才能完全解决。械运动中， 很普遍的一种运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动的产生、传播、转化和
5、吸收 的分支学科。人们通过声波传递信息，有许多物体不易为光波和电磁波透过，却能为声波透 过；频率非常低的声波能在大气和海洋中传播到遥远的地方，因此能迅速传递地球上任何地 方发生的地震、火山爆发或核爆炸的信息；频率很高的声波和声表面波已经用于固体的研究、 微波技术、医疗诊断等领域；非常强的声波已经用于工业加工等。热学、热力学和经典统计 力学 热学是研究热的产生和传导，研究物质处于热状态下的性质及其变化的学科。人们很 早就有冷热的概念。对于热现象的研究逐步澄清了关于热的一些模糊概念（例如区分了温度和 热量），并在此基础上开始探索热现象的本质和普遍规律。关于热现象的普遍规律的研究称为 热力学。到19
6、世纪，热力学已趋于成熟。 物体有内部运动，因此就有内部能量。19 世纪 的系统实验研究证明：热是物体内部无序运动的表现，称为内能，以前称作热能。19 世纪中 期，焦耳等人用实验确定了热量和功之间的定量关系，从而建立了热力学第一定律：宏观机 械运动的能量与内能可以互相转化。就一个孤立的物理系统来说，不论能量形式怎样相互转 化，总的能量的数值是不变的，因此热力学第一定律就是能量守恒与转换定律的一种表现。 在卡诺研究结果的基础上，克劳修斯等科学家提出了热力学第二定律，表达了宏观非平衡过 程的不可逆性。例如：一个孤立的物体，其内部各处的温度不尽相同，那么热就从温度较高 的地方流向温度较低的地方，最后达
7、到各处温度都相同的状态，也就是热平衡的状态。相反 的过程是不可能的，即这个孤立的、内部各处温度都相等的物体，不可能自动回到各处温度 不相同的状态。应用熵的概念，还可以把热力学第二定律表达为：一个孤立的物理系统的熵 不会着时间的流逝而减少，只能增加或保持不变。当熵达到最大值时，物理系统就处于热平 衡状态。 深入研究热现象的本质，就产生了统 计力学。统计力学应用数学中统计分析的方法，研究大量粒子的平均行为。统计力学根据物 质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理 论物理的一个重要分支。 非平衡统计力学所研究的问题复杂，直到20 世纪中期以后才取 得了比较大的
8、进展。对于一个包含有大量粒子的宏观物理系统来说，系统处于无序状态的几 率超过了处于有序状态的几率。孤立物理系统总是从比较有序的状态趋向比较无序的状态， 在热力学中，这就相应于熵的增加。 处于平衡状态附近的非平衡系统的主要趋向是向平衡 状态过渡。平衡态附近的主要非平衡过程是弛豫、输运和涨落，这方面的理论逐步发展，已 趋于成熟。近2030年来人们对于远离平衡态的物理系统,如耗散结构等进行了广泛的研究， 取得了很大的进展，但还有很多问题等待解决。 在一定时期内，人们对客观世界的认识总 是有局限性的,认识到的只是相对的真理,经典力学和以经典力学为基础的经典统计力学也 是这样。经典力学应用于原子、分子以
9、及宏观物体的微观结构时,其局限性就显示出来,因 而发展了量子力学。与之相应,经典统计力学也发展成为以量子力学为基础的量子统计力学。 经典电磁学、经典电动力学 经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科。 人们很早就接触到电和磁的现象,并知道磁棒有南北两极。在 18世纪,发现电荷有两种：正 电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥,异性相吸,作用力的方向在电荷之间或 磁极之间的连接线上,力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很 相似。18 世纪末发现电荷能够流动,这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。 19 世纪前期,奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后
10、安培发现作用力的方向和电流的方向, 以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后,法拉第又发现,当磁棒插入 导线圈时,导线圈中就产生电流。这些实验表明,在电和磁之间存在着密切的联系。 在电和磁之间的联系被发现以后,人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似,另 一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念,认为电流产生围绕着导线的磁力线, 电荷向各个方向产生电力线,并在此基础上产生了电磁场的概念。 现在人们认识到,电磁 场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场,这个电场又以力作用于其他电荷。 磁体和电流在其周围产生磁场,而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。
11、电 磁场也具有能量和动量,是传递电磁力的媒介,它弥漫于整个空间。 19 世纪下半叶,麦 克斯韦总结了宏观电磁现象的规律,并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化 着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来 表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组,是经典电磁学的基本方程。麦克 斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在,其传播速度等于光速,这一预言后来为赫兹的实验所 证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律,肯定了光也 是一种电磁波。 由于电磁场能够以力作用于带电粒子,一个运动中的带电粒子既受到电场 的力,也受到磁场的力
12、,洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式,人们 就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电 动力学的基础。 事实上,发电机无非是利用电动力学的规律,将机械能转化为电磁能：电 动机无非是利用电动力学的规律将电磁能转化为机械能。电报、电话、无线电、电灯也无一 不是经典电磁学和经典电动力学发展的产物。经典电动力学对生产力的发展起着重要的推动 作用,从而对社会产生普遍而重要的影响。光学和电磁波 光学研究光的性质及其和物质的 各种相互作用，光是电磁波。虽然可见光的波长范围在电磁波中只占很窄的一个波段，但是 早在人们认识到光是电磁波以前，人们就对光进行了
13、研究。 17 世纪对光的本质提出了两种假说：一种假说认为光是由许多微粒组成的；另一种假说认为 光是一种波动。19 世纪在实验上确定了光有波的独具的干涉现象，以后的实验证明光是电磁 波。20 世纪初又发现光具有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光具有波粒二 象性。 光可以为物质所发射、吸收、反射、折射和衍射。当所研究的物体或空间的大小远 大于光波的波长时，光可以当作沿直线进行的光线来处理；但当研究深入到现象细节，其空 间范围和光波波长差不多大小的时候，就必须要考虑光的波动性。而研究光和微观粒子的相 互作用时，还要考虑光的粒子性。 光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子 结构的
14、非常有效的方法。利用光的干涉效应可以进行非常精密的测量。物质所放出来的光携 带着关于物质内部结构的重要信息，例如：原子所放出来原子光谱的就和原子结构密切相关。 近年来利用受激辐射机制所产生的激光能够达到非常大的功率，且光束的张角非常小，其电 场强度甚至可以超过原子内部的电场强度。利用激光已经开辟了非线性光学等重要研究方向， 激光在工业技术和医学中已经有了很多重要的应用。 现在用人工方法产生的电磁波的波长， 长的已经达几千米，短的不到一百万亿分之一厘米，覆盖了近 20 个数量级的波段。电磁波传 播的速度大，波段又如此宽广已成为传递信息的非常有力的工具。 在经典电磁学的建立与 发展过程中，形成了电磁场的概念。在物理学其后的发展中，场成了非常基本、非常普遍的 概念。在现代物理学中，场的概念已经远远超出了电磁学的范围，成为物质的一种基本的、 普遍的存在形式。狭义相对论和相对论力学 在经典力学取得很大成功以后，人们习惯于将 一切现象都归结为由机械运动所引起的。在电磁场概念提出以后，人们假设存在一种名叫“以 太”的媒质，它弥漫于整个宇宙，渗透到所有的物体中，绝对静止不动，没有质量，对物体 的运动不产生任何阻力，也不受万有引力的影响。可以将以太作为一个绝对静止的参照系， 因此相对于以太作匀速运动的参照系都是惯性参照系。
