大学物理：第一章 绪论

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1、 大学物理（文科大学物理（文科） 绪绪 论论一、什么是物理学？一、什么是物理学？ 古希腊人把对自然现象的观察和理解笼统地包含在一古希腊人把对自然现象的观察和理解笼统地包含在一门学问中即门学问中即自然哲学自然哲学。牛顿关于物理学的名著称为。牛顿关于物理学的名著称为自自然哲学的数学原理然哲学的数学原理。自然科学分化为物理、化学、天。自然科学分化为物理、化学、天文学、地理学、生物学、力学等（数学仅是一种工具）文学、地理学、生物学、力学等（数学仅是一种工具）只是近三百年多年的事。什么是物理学？只是近三百年多年的事。什么是物理学？物理学就是研物理学就是研究物质结构、运动和相互作用的基本规律以及它们的各究

2、物质结构、运动和相互作用的基本规律以及它们的各种实际应用的学科。种实际应用的学科。与其他学科相比，它更着重于对物与其他学科相比，它更着重于对物质世界最普遍最基本的规律的追求。物理学作为自然科质世界最普遍最基本的规律的追求。物理学作为自然科学的基础学科，历来是人类物质文明发展的动力。作为学的基础学科，历来是人类物质文明发展的动力。作为人类追求真理、探索未知世界奥妙的工具，物理学是一人类追求真理、探索未知世界奥妙的工具，物理学是一种哲学观和方法论。种哲学观和方法论。1二、文科学生为什么要学物理？二、文科学生为什么要学物理？ 人类社会的进步与物理学的发展是息息相关的，没有人类社会的进步与物理学的发展

3、是息息相关的，没有物理学，就没有科学和技术。毫无疑义，物理学，就没有科学和技术。毫无疑义， 物理学在过去、物理学在过去、现在和将来都是科学与技术发展的动力与源泉。现在和将来都是科学与技术发展的动力与源泉。 在当今科学技术高速发展的时代，在当今科学技术高速发展的时代，物理学愈来愈成物理学愈来愈成为包括人文科学在内的各类人才所必需具备的基本知识。为包括人文科学在内的各类人才所必需具备的基本知识。各种管理工作都与科学技术分不开，而科学技术更离不开各种管理工作都与科学技术分不开，而科学技术更离不开物理学。因此，许多大学都在人文社科、经济管理等专业物理学。因此，许多大学都在人文社科、经济管理等专业开设了

4、物理学课程。开设了物理学课程。2三、文科学生怎样学物理？三、文科学生怎样学物理？ 第一、认真领会物理学知识体系。第一、认真领会物理学知识体系。包括物理学发展的包括物理学发展的历史、物理学对物质世界及其运动的基本认识、物理学思历史、物理学对物质世界及其运动的基本认识、物理学思想及其科学研究方法、正确的自然观与宇宙观、物理学基想及其科学研究方法、正确的自然观与宇宙观、物理学基本原理、物理学在技术中的应用。本原理、物理学在技术中的应用。 第二、正确对待物理中的数学。第二、正确对待物理中的数学。物理学的基本概念物理学的基本概念和基本原理都是通过数学语言来表达的。没有数学，物理和基本原理都是通过数学语言

5、来表达的。没有数学，物理便不成体系，物理问题就无法说清楚。要完全回避数学，便不成体系，物理问题就无法说清楚。要完全回避数学，是不现实的。本课程涉及到的是微积分初步知识和矢量的是不现实的。本课程涉及到的是微积分初步知识和矢量的基本知识。为了照顾大家的数学基础，教材作了一些简化基本知识。为了照顾大家的数学基础，教材作了一些简化处理。学习时还可以参阅附录。碰到数学不要有畏难情绪。处理。学习时还可以参阅附录。碰到数学不要有畏难情绪。只要你下决心去搞懂它，是不困难的。只要你下决心去搞懂它，是不困难的。 第三、要学会自学第三、要学会自学。3四、文科物理讲什么？四、文科物理讲什么？ 1.1.物理学的发展历史

6、物理学的发展历史。主要内容：中国和西方古代物理。主要内容：中国和西方古代物理学思想；科学革命与科学观的形成；经典物理学理论体系学思想；科学革命与科学观的形成；经典物理学理论体系的建立以及近代物理学的发展；物理学对人类文明的贡献。的建立以及近代物理学的发展；物理学对人类文明的贡献。 2.2.物质世界的基本运动形式及物理学的基本原理。物质世界的基本运动形式及物理学的基本原理。物物质的运动形式包括机械运动、热运动、电磁运动、宏观高质的运动形式包括机械运动、热运动、电磁运动、宏观高速运动、振动和波动、微观粒子运动及其规律。速运动、振动和波动、微观粒子运动及其规律。 3.3.物理学对物质世界的基本认识。

7、物理学对物质世界的基本认识。内容包括：物质世内容包括：物质世界的层次、形态与基本相互作用；物理学与宇宙观；物质界的层次、形态与基本相互作用；物理学与宇宙观；物质世界的对称性和统一性；物理学认识的真理性。世界的对称性和统一性；物理学认识的真理性。 4.4.物理学在技术科学的应用物理学在技术科学的应用。高新技术、环境科学、。高新技术、环境科学、生命科学是生命科学是2121世纪极为重要的、也是人们最为关注的几个世纪极为重要的、也是人们最为关注的几个技术科学领域。将讨论物理学在这些领域中的应用。技术科学领域。将讨论物理学在这些领域中的应用。4 第一章第一章 从自然哲学到现代物理学从自然哲学到现代物理学

8、 物理学的发展经历了古代物理学时期（物理学的发展经历了古代物理学时期（1616世世纪以前）、经典物理学时期（纪以前）、经典物理学时期（1616世纪世纪1919世纪）世纪）和近现代物理学时期（和近现代物理学时期（2020世纪以来）。世纪以来）。 1.1 古代物理学思想古代物理学思想1.1.1 中国古代物理学思想中国古代物理学思想 1.关于物质本原的认识关于物质本原的认识 中国古代，关于对物质本原的研究主要有中国古代，关于对物质本原的研究主要有“阴阴阳学说阳学说”、“五行思想五行思想”、“原子观点原子观点”、“元元气说气说”诸理论。诸理论。5 （1 1）阴阳学说）阴阳学说 易经易经的注解书的注解书

9、易传易传指出：指出：“易有太极，是生两仪，两仪生四易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦象，四象生八卦”， “ “太极太极”指宇宙本原指宇宙本原（物质的原始态），（物质的原始态），“两仪两仪”就是阴阳，就是阴阳，“四象四象”是春夏秋冬四时，是春夏秋冬四时，“八卦八卦”即天、地、即天、地、山、泽、水、火、风、雷，把自然现象归纳山、泽、水、火、风、雷，把自然现象归纳成为八种基本现象。老子说：成为八种基本现象。老子说：“万物负阴而万物负阴而抱阳抱阳”。按阴阳学说，世间万物的千变万化、。按阴阳学说，世间万物的千变万化、生生不息都归结于阴阳之间的彼此消长、对生生不息都归结于阴阳之间的彼此消长、对立统

10、一、相互作用和相互转化。立统一、相互作用和相互转化。 （2 2）五行思想）五行思想 “ “五行五行”指指“金木水火土金木水火土”五种基本五种基本物质或元素。认为世间万物皆由这五种元素构成。五物质或元素。认为世间万物皆由这五种元素构成。五种元素之间具有相生和相克的基本关系即：土生金、种元素之间具有相生和相克的基本关系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。火克金、金克木、木克土。老子约公元前600500年 6 （3 3）原子观点）原子观点 墨经墨经记述，记述，“端，体之无厚而最前者也端，体之无厚而最前者也

11、”。解释是，端的尺寸非常小（解释是，端的尺寸非常小（“无厚无厚”），内部无间隙，不能再分割，），内部无间隙，不能再分割，是构成物质的最小颗粒。是构成物质的最小颗粒。庄子庄子天下天下指出：指出：“一尺之棰，日取一尺之棰，日取其半，万世不竭其半，万世不竭”，认为物质可无限分割。，认为物质可无限分割。 （4 4）元气理论）元气理论 “ “元气说元气说”可以概括为：天地是包含元气的可以概括为：天地是包含元气的实体，万物由物质性的元气构成，是气的不同凝聚状态。万物从混实体，万物由物质性的元气构成，是气的不同凝聚状态。万物从混沌中产生和发展，是元气运动所致。有形的物体不可灭，无形的元沌中产生和发展，是元气

12、运动所致。有形的物体不可灭，无形的元气也不可灭，元气的运动也不可灭。气也不可灭，元气的运动也不可灭。 2.2.关于时间、空间和运动的认识关于时间、空间和运动的认识 魏国的尸佼给宇宙以定义：魏国的尸佼给宇宙以定义：“上下四方曰宇，往古今来曰宙上下四方曰宇，往古今来曰宙”，宇即空间，宙即时间。，宇即空间，宙即时间。庄子庄子的定义：的定义：“有实而无乎处者，有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也。宇也；有长而无本剽者，宙也。”意思是，宇是实在的且无所不在，意思是，宇是实在的且无所不在，宙有长短但无始终，说明了时空的无限属性。宙有长短但无始终，说明了时空的无限属性。 7 关于运动与静止，墨家定义：

13、关于运动与静止，墨家定义：“动，域徙也动，域徙也”“”“止，以久也止，以久也”，即运动意味物体空间位置（域）的改变（徙），即运动意味物体空间位置（域）的改变（徙）， 静止意味物体静止意味物体处于空间某位置有一段时间（久）。至于时空与运动的关系，墨家处于空间某位置有一段时间（久）。至于时空与运动的关系，墨家写道：写道：“宇域徙宇域徙 ，说在长宇久，说在长宇久” “” “宇徙而又处宇，宇南北，在旦宇徙而又处宇，宇南北，在旦又在暮又在暮”。即物体在空间移动，是空间随着时间的由近及远的变化，。即物体在空间移动，是空间随着时间的由近及远的变化，物体离开原空间而占据另一空间，好比物体从南到北，经历的时间物

14、体离开原空间而占据另一空间，好比物体从南到北，经历的时间从早到晚。这样，时间与空间的联系便统一于物体的运动中了从早到晚。这样，时间与空间的联系便统一于物体的运动中了。 吕氏春秋吕氏春秋中描述的中描述的“刻舟求剑刻舟求剑”的故事：一个人坐在行船上，的故事：一个人坐在行船上，手中剑掉到水中。他在船上掉剑位置刻上记号，以便捞剑。作者笑手中剑掉到水中。他在船上掉剑位置刻上记号，以便捞剑。作者笑话掉剑人以行船为参照系去找剑是独劳的。晋代束皙说：话掉剑人以行船为参照系去找剑是独劳的。晋代束皙说：“乘船以乘船以涉水，水去船不徙矣涉水，水去船不徙矣”“”“仰游云以观，日月常动而云不移仰游云以观，日月常动而云不

15、移”。是对。是对运动相对性的描述运动相对性的描述. .春秋伟春秋伟考灵曜考灵曜记述：记述：“地恒动不止，而地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉也人不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉也”，是相对性，是相对性原理的思想原理的思想。 8 墨经：“力，刑之所以奋也”“重之谓下，举重，奋也”。 “刑”即“形”为物体，“奋”为“运动状态的改变”，这与牛顿定律不谋而合。南宋吴曾在能改斋漫录中记述一个故事：燕昭王养的一头肥猪太大，最大的秤也不能称出猪的重量，便命“水官”用船去称重，才称出猪的重量。墨家曾写道：“沉形之衡也，则沉浅非形浅也，若易五之一”。意思是，浮体放入水中平衡时，

16、浮体下沉一定深度，浮体的重量与水对物体下沉部分的浮力相等，好比五件物品与一件物品的等价交换。可见古人对浮力已有较深刻的认识。至于弹力，我国古人早就有所认识并加以利用了，如弓箭、弹弓、管乐器中的簧片等，而且在许多书籍中也记载了外力与形变的正比关系。张衡的预报地震的地动仪，用到了惯性和杠杆原理等力学知识。张衡（78-139） 9 4.关于光的认识关于光的认识 中国古代在光的直线传播、光的反射和折射、光的色中国古代在光的直线传播、光的反射和折射、光的色散、小孔成像实验有许多研究。我国春秋战国时期，墨散、小孔成像实验有许多研究。我国春秋战国时期，墨子及其弟子在子及其弟子在墨经墨经中就已记载着光的直线传

17、播（影中就已记载着光的直线传播（影的形成和小孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的的形成和小孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置反射现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及大小与所用镜面的曲率相联系。及大小与所用镜面的曲率相联系。墨经墨经记述的小孔记述的小孔成像实验如图成像实验如图1-1-11-1-1，物体通过小孔成的像是倒立的。光，物体通过小孔成的像是倒立的。光照在物体（人）上，从物体上发出的投射到屏上的一切照在物体（人）上，从物体上发出的投射到屏上的一切。光线均相交于针孔处，光线均相交于针孔处，物体下部发出的光线像物体下部发出的光线像

18、箭一样射到高处，上部箭一样射到高处，上部发出的光线射到低处发出的光线射到低处。图1-1-1墨子（公元前479年前381年）10 宋代的沈括在宋代的沈括在梦溪笔谈梦溪笔谈中对凹面镜和凸面镜的中对凹面镜和凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面均有创造性的阐述。南宋末的赵友钦对小孔成像进行了均有创造性的阐述。南宋末的赵友钦对小孔成像进行了全面而系统的实验（改变光源、改变物距、改变像距、全面而系统的实验（改变光源、改变物距、改变像距、改变孔的形状大小），得出了一些有意义的结论如大孔改变孔的形状大小），得出了一些有意义的结论如大孔成像（明

19、亮部分）和大孔形状相同，小孔成像和光源形成像（明亮部分）和大孔形状相同，小孔成像和光源形状相同。状相同。 沈括说沈括说“虹乃雨中日影也，日照雨则虹乃雨中日影也，日照雨则有之有之”。朱熹认为虹是。朱熹认为虹是“日色散射雨气日色散射雨气”。中唐道士张果还用白石英制作了三。中唐道士张果还用白石英制作了三棱镜，记录了世界上第一幅色散光谱图棱镜，记录了世界上第一幅色散光谱图并且画出了光图，也许注意到了光的折并且画出了光图，也许注意到了光的折射现象。射现象。沈括（1031-1095）11 5.关关于于电电和和磁磁的的认认识识 “电电”字字最最早早见见于于西西周周的的青青铜铜器器的的铭铭文文中中（雷雷电电现

20、现象象的的记记录录）。东东汉汉王王充充在在论论衡衡中中记记述述：“顿顿牟牟缀缀芥芥，磁磁石石引引针针”（顿顿牟牟即即琥琥珀珀），即即摩摩擦擦过过的的琥琥珀珀可可以以吸吸引引轻轻小小物物体体如如芥芥籽籽、磁磁铁铁可可以以吸吸引引铁铁针针。他他还还用用“元元气气”理理论论解解释释静静电电和和静静磁磁现现象象，认认为为芥芥籽籽和和琥琥珀珀、铁铁针针和和磁磁石石具具有有相相同同的的“气气性性”，因因而而互互相相感感动动而而吸吸引引（“气气有有潜潜通通”）。雷雷电电是是如如何何产产生生的的？历历代代学学者者用用“元元气气说说”作作了了许许多多解解释释。先先秦秦的的慎慎到到提提出出：“阳阳与与阴阴夹夹持持

21、，则则磨磨轧轧有有光光而而为为电电”（磨磨轧轧即即摩摩擦擦）。淮淮南南子子坠坠形形训训中中指指出出：“阴阴阳阳相相薄薄为为雷雷，激激扬扬为为电电”，即即阴阴阳阳二二气气彼彼此此撞撞击击产产生生雷雷，而而相相互互渗渗透透产产生生电电。王王充充认认为为，雷雷电电是是因因为为阴阴阳阳二二气气之之争争、产产生生爆爆炸炸而而形形成成的的。明明代代刘刘伯伯温温概概括括了了历历代代学学者者的的观观点点：“雷雷者者，天天气气之之郁郁而而激激发发也也，阴气团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电阴气团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。12 吕氏春秋吕氏春秋记载：记载：“慈石召铁，或引之也慈石召铁，或

22、引之也”“”“石，石，铁之母也。以有慈石，故能引其子铁之母也。以有慈石，故能引其子”，明确地描述了磁，明确地描述了磁石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。淮南子淮南子还还记述了磁石吸引物质只限于铁，写道：记述了磁石吸引物质只限于铁，写道：“若以慈石之能若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣连铁也，而求其引瓦，则难矣”“”“及其于铜则不通及其于铜则不通”。沈括对指南针形制的改进有重大贡献。在研究磁针时，沈括对指南针形制的改进有重大贡献。在研究磁针时，他还发现了地磁偏现象。他还发现了地磁偏现象。 6.关于声的认识关于声的认识 中国古人对声学的研究有许多发现和创造，

23、尤其在乐中国古人对声学的研究有许多发现和创造，尤其在乐律研究方面有许多重要成果。另外对声音的产生与传播、律研究方面有许多重要成果。另外对声音的产生与传播、共振与共鸣等现象也做了许多理论和实验研究。共振与共鸣等现象也做了许多理论和实验研究。 北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是声学在建北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是声学在建筑上应用的杰作。筑上应用的杰作。131.1.2 西方古代物理学思想 1.关于物质本原 古希腊哲学家们对宇宙本原、万物组成、大地构造等问题，进行了许多思考和辩论，提出了各种观点。其中主要有“元素论”和“原子论”等理论。 （1）元素论 泰勒斯认为大地漂浮在水面上，万物本原是水

24、。阿那克西米尼认为大地像是“漂浮在空气中的一片宽大的树叶”，万物本原应是“气”。赫拉克立特把物质本原归于“火”。恩培多克勒认为，万物的本原应由四种“元素”组成即“土、水、气、火”，亚里士多德认为认为，冷、热、湿和干是更基本的性质，四元素是这四种性质两两组合而成的物质本原，湿与冷组合成水，湿与热组合成气，干与冷组合成土，干与热组合成火。亚里士多德(Aristotel,约前384-前322)14（2 2）原子论）原子论 德谟克利特建立了德谟克利特建立了“原子论原子论”观点。原子论的观点。原子论的大致要点是：大致要点是：（1 1）宇宙万物都由原子构成，原子是不可分割、不可破灭的）宇宙万物都由原子构成

25、，原子是不可分割、不可破灭的极小而结实的物质单元；极小而结实的物质单元；（2 2）宇宙中除了原子和虚空，不存在其它任何东西；）宇宙中除了原子和虚空，不存在其它任何东西；（3 3）原子从恒古以来就存在，既不能创造，也不能消灭；）原子从恒古以来就存在，既不能创造，也不能消灭； 德谟克利特（Democritus,约前460-前361）（4 4）原原子子在在数数量量上上是是无无限限的的，在在形形式式上上是是多多样样的的，它它们们在在一一个个无无限限的的虚虚空空中中永永远远处处于于涡涡旋旋运运动动之之中中，因因此此形形成成各各种种复复合合物物。由由于于组组成成物物体体的的原原子子在在数数量、形状、次序、

26、位置不同，故物体彼此各异；量、形状、次序、位置不同，故物体彼此各异；（5 5）原原子子在在虚虚空空中中只只有有通通过过直直接接接接触触压压迫迫、撞撞击等，它们才能相互作用，超距作用不可能击等，它们才能相互作用，超距作用不可能。 15 2.关于运动和力关于运动和力 亚里士多德将物体的运动分为亚里士多德将物体的运动分为自然运动和强迫运动自然运动和强迫运动。自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动。自自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动。自然运动的物体要寻找其天然位置，例如，含土元素的重物然运动的物体要寻找其天然位置，例如，含土元素的重物的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和

27、水的的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和水的轻重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中轻重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中下降，气泡在水中上升。物体下落的快慢即速度与重量成下降，气泡在水中上升。物体下落的快慢即速度与重量成正比。强迫运动指借助推力才能进行的运动正比。强迫运动指借助推力才能进行的运动。 阿基米德 （Archimedes,约前 287-前212）不不推推，物物体体就就处处于于静静止止状状态态。物物体体运运动动的的速速度度与与施施加加的的外外力力成成正正比比，与与在在介介质质中中受受到到的的阻阻力力成成反反比比。阿阿基基米米德德论论平平面面的的平平衡衡

28、和和论论浮浮体体中中论论证证了了杠杠杆杆原原理理和和浮浮力力定定律律。他他曾曾经经声声称称：“给给我我一一个个稳稳定定的的支点，我就能把地球挪动支点，我就能把地球挪动”。 16 阿拉伯学者阿勒阿拉伯学者阿勒- -哈齐尼通过实验测定了许多物质如金、哈齐尼通过实验测定了许多物质如金、银、铜、铁、铅、水银、象牙、酒等比重。提出了一个重银、铜、铁、铅、水银、象牙、酒等比重。提出了一个重要的物理思想：物质的量与它的重量并不是一回事。另外要的物理思想：物质的量与它的重量并不是一回事。另外他还以路程与时间之比来表示速度。他还以路程与时间之比来表示速度。 3.关于光学关于光学 希腊数学家欧基里德首先将几何知识

29、引入光学研究并将希腊数学家欧基里德首先将几何知识引入光学研究并将光学看成几何学的一个分支（现称为几何光学）。他研究光学看成几何学的一个分支（现称为几何光学）。他研究了平面镜和球面镜成像问题，提出了反射角等于入射角的了平面镜和球面镜成像问题，提出了反射角等于入射角的反射定律，还发现凹面镜的聚焦作用并假定焦点在球心与反射定律，还发现凹面镜的聚焦作用并假定焦点在球心与球面之间。他肯定了光是直线传播的，由此而研究投影现球面之间。他肯定了光是直线传播的，由此而研究投影现象，指出光源大小和物体大小不同，会产生不同的投影。象，指出光源大小和物体大小不同，会产生不同的投影。 天文学家托勒密系统地研究了光的折射

30、，最先测定了天文学家托勒密系统地研究了光的折射，最先测定了光通过两种介质界面时的入射角和折射角。光通过两种介质界面时的入射角和折射角。17 天文学家阿里斯塔克最先利用当时的光学知识进行天天文学家阿里斯塔克最先利用当时的光学知识进行天文数据的测量。例如，他测得日地间距离为月地间距离的文数据的测量。例如，他测得日地间距离为月地间距离的2020倍（实际上为倍（实际上为400400倍）、月亮直径约为地球直径的倍）、月亮直径约为地球直径的1/21/2（实际为（实际为1/41/4）、太阳直径约为地球直径的）、太阳直径约为地球直径的1010倍（实际为倍（实际为100100倍）。倍）。 阿拉伯学者阿勒阿拉伯学

31、者阿勒- -哈增反对托勒密关于眼睛发出哈增反对托勒密关于眼睛发出光线才能看到物体的学说，认为光线是太阳或发光体发出光线才能看到物体的学说，认为光线是太阳或发光体发出并照射到物体上，眼睛接收到这些光线才看到物体。他对并照射到物体上，眼睛接收到这些光线才看到物体。他对反射定律作了进一步的研究，指出入射线、反射线、法线反射定律作了进一步的研究，指出入射线、反射线、法线都在同一平面。都在同一平面。 英国的罗杰培根发明了暗室。他描述了光的反英国的罗杰培根发明了暗室。他描述了光的反射定律和折射现象，研究了球面镜的像差。用光的折射解射定律和折射现象，研究了球面镜的像差。用光的折射解释了虹的成因，提出了用透镜

32、校正视力和用透镜组构成望释了虹的成因，提出了用透镜校正视力和用透镜组构成望远镜的可能性。远镜的可能性。18 4.关于其它物理学知识关于其它物理学知识 卢克莱修用原子论对磁石吸铁进行解释，认为卢克莱修用原子论对磁石吸铁进行解释，认为磁体发射出细微粒子流，撞击、驱散磁石和铁之间磁体发射出细微粒子流，撞击、驱散磁石和铁之间的空气，形成了真空，铁原子力求进入真空，因而的空气，形成了真空，铁原子力求进入真空，因而表现出吸引。其它物体如金和木具有特殊结构，故表现出吸引。其它物体如金和木具有特殊结构，故不能被吸引。皮埃尔德马里古特认识到，磁针不能被吸引。皮埃尔德马里古特认识到，磁针断为两截，每一截又变成磁针

33、异性磁极相吸、同性断为两截，每一截又变成磁针异性磁极相吸、同性磁极相斥；铁与磁石摩擦可以磁化。磁极相斥；铁与磁石摩擦可以磁化。 关于热现象，亚里士多德把热看成是物质元素关于热现象，亚里士多德把热看成是物质元素的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的，把的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的，把火看作是由最轻、最滑、最活泼的粒子组成的。火看作是由最轻、最滑、最活泼的粒子组成的。19 关于声，亚里士多德把声音看作一种运动，认为关于声，亚里士多德把声音看作一种运动，认为发声的物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，发声的物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，从而发生传播，当碰到障碍时就象

34、小球被反射一样产生从而发生传播，当碰到障碍时就象小球被反射一样产生回声。回声。 总而言之，从古代到总而言之，从古代到1515世纪，中国和西方关于世纪，中国和西方关于对自然界物理现象的认识，既缺乏系统的科学实验，也对自然界物理现象的认识，既缺乏系统的科学实验，也未形成完备的科学理论体系，基本上处于对自然的有限未形成完备的科学理论体系，基本上处于对自然的有限观察和零星的记载阶段。一些物理现象的理论解释也受观察和零星的记载阶段。一些物理现象的理论解释也受到局限，许多甚至是错误的，物理学在技术上的应用水到局限，许多甚至是错误的，物理学在技术上的应用水平也是很低的，平也是很低的，物理学仍属于哲学的范畴物

35、理学仍属于哲学的范畴。尽管如此，。尽管如此，古代物理学思想和一些思维方式对后来物理学新体系的古代物理学思想和一些思维方式对后来物理学新体系的建立和发展的影响仍然是非常重要的。建立和发展的影响仍然是非常重要的。20 1.2 科科学学革革命命和和科科学学观观的的形形成成1.2.1.欧欧洲洲文文艺艺复复兴兴运运动动 文文艺艺复复兴兴是是1414世世纪纪中中叶叶到到1717世世纪纪初初发发生生在在欧欧洲洲的的伟伟大大的的思思想想解解放放、艺艺术术创创造造、科科学学发发现现运运动动。“文文艺艺复复兴兴”一一词词，意意指指古古代代灿灿烂烂的的文文化化在在经经历历长长期期的的衰衰落落和和沉沉寂寂之之后后，现

36、现在在又又得得到到复复兴兴。文文艺艺复复兴兴的的指指导导思思想想是是人人文文主主义义或或人人本本主主义义，这这是是从从神神的的世世界界回回到到人人的的世世界界的的一一种种资资产产阶阶级级价价值值观观。英英国国哲哲学学家家富富兰兰西西斯斯培培根根提提出出了了“知知识识就就是是力力量量”的的口口号号，并并且且指指出出科科学学的的目目的的就就是是要要用用新新发发明和明和新发现来改善人类的生活。恩格斯所说：新发现来改善人类的生活。恩格斯所说：“这是一次人类从来没有经历过的最伟大、这是一次人类从来没有经历过的最伟大、进步的变革，是一个需要巨人而且产生了进步的变革，是一个需要巨人而且产生了巨人巨人在思维能

37、力、热情和性格方面，在思维能力、热情和性格方面，在多才多艺和学习博学方面的巨人的时代在多才多艺和学习博学方面的巨人的时代” 。 富兰西斯培根(Francis Bacon,1561-1626)21 达达芬奇是这些巨人中的杰出代表。他是一个多才芬奇是这些巨人中的杰出代表。他是一个多才多艺的天才，多艺的天才，最后的晚餐最后的晚餐蒙娜丽沙蒙娜丽沙等绘画作品千等绘画作品千古不朽。他不仅是画家、雕刻家、音乐家，而且是哲学家、古不朽。他不仅是画家、雕刻家、音乐家，而且是哲学家、工程师、物理学家、数学家、生物学家。他在物理学上的工程师、物理学家、数学家、生物学家。他在物理学上的成就：初步表述了惯性原理；研究过

38、材料的强度；研究了成就：初步表述了惯性原理；研究过材料的强度；研究了抛体运动（弹道）、单摆运动，提出了运动合成概念；证抛体运动（弹道）、单摆运动，提出了运动合成概念；证明了杠杆原理；重新发现了阿基米德的液体压力概念，提明了杠杆原理；重新发现了阿基米德的液体压力概念，提出了连通器原理，研究过液体的流动；认识到光有类似于出了连通器原理，研究过液体的流动；认识到光有类似于水波和空气中波的波动特点；通过绘画，研究过光和影的水波和空气中波的波动特点；通过绘画，研究过光和影的规律、眼睛的构造并说明了视网膜上像形规律、眼睛的构造并说明了视网膜上像形成的原因。研究过水力、热力动力机械并成的原因。研究过水力、热

39、力动力机械并试图从减少摩擦和部件磨损来提高机械效试图从减少摩擦和部件磨损来提高机械效率；设计过永动机并得出永动机不可实现率；设计过永动机并得出永动机不可实现的结论的结论达芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）22 总之，总之，文艺复兴运动的意义文艺复兴运动的意义在于，在政治、文化、在于，在政治、文化、科学等各个领域引起了前所未有的思想大解放，彻底动科学等各个领域引起了前所未有的思想大解放，彻底动摇了封建制度和神权统治的根基，给世界留下了一大批摇了封建制度和神权统治的根基，给世界留下了一大批文学、艺术、科学、政治理论成果与精神财富，为近代文学、艺术、科学、政治理论成果与精

40、神财富，为近代科学的兴起和新科学观的诞生奠定了基础科学的兴起和新科学观的诞生奠定了基础。1.2.2 科学革命科学革命 真正的科学革命是从波兰天文学家哥白尼否定地心真正的科学革命是从波兰天文学家哥白尼否定地心说、提出日心说开始突破的。中世纪的教会把上帝创造说、提出日心说开始突破的。中世纪的教会把上帝创造世界及与之适应的地心说奉为不可违反的教条世界及与之适应的地心说奉为不可违反的教条。 哥白尼（Nikolaus Copernicus,1473-1543） 哥白尼详细分析了有关行星运动的大量哥白尼详细分析了有关行星运动的大量资料，经过许多年的观测和计算，最终完资料，经过许多年的观测和计算，最终完成了

41、科学巨著成了科学巨著天体运行论天体运行论，提出了以，提出了以太阳为中心的宇宙结构体系，推翻了主宰太阳为中心的宇宙结构体系，推翻了主宰西方思想长达千余年的托勒密的地心说西方思想长达千余年的托勒密的地心说。 23 布鲁诺又扬弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是布鲁诺又扬弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是无限的，在太阳系外还有无数的世界。他的观点更加有力无限的，在太阳系外还有无数的世界。他的观点更加有力地冲击了关于宇宙有限、地球中心的宗教教义。地冲击了关于宇宙有限、地球中心的宗教教义。 哥白尼的日心说假定行星都在轨道上做圆周运动。哥白尼的日心说假定行星都在轨道上做圆周运动。丹麦天文学家第谷经过丹麦

42、天文学家第谷经过2121年的艰苦观测，记录了行星位置，年的艰苦观测，记录了行星位置，得到了详细而精确的数据。当他用数据去拟合哥白尼学说得到了详细而精确的数据。当他用数据去拟合哥白尼学说时，发现日心说中的行星圆轨道模型只是粗略近似。第谷时，发现日心说中的行星圆轨道模型只是粗略近似。第谷的学生、德国天文学家开普勒摆脱了的学生、德国天文学家开普勒摆脱了“匀速圆周运动匀速圆周运动”观观念，经历了长达念，经历了长达1717年的研究，终于从第谷浩繁的数据中发年的研究，终于从第谷浩繁的数据中发现并归纳出现并归纳出行星运动三大定律行星运动三大定律： 图1-2-1（1）行星做椭圆轨道运动，太行星做椭圆轨道运动，

43、太阳位于椭圆的一个焦点上；阳位于椭圆的一个焦点上；（2 2）太阳到行星的矢径在相同）太阳到行星的矢径在相同时间内扫过相等的面积（时间内扫过相等的面积（如图1-2-1）24 （3 3）行星绕太阳的运动周期的平方正比于它绕太阳的）行星绕太阳的运动周期的平方正比于它绕太阳的圆轨道的半长轴圆轨道的半长轴a a的立方即的立方即T2/a3=T2/a3=常数。开普勒定律对后常数。开普勒定律对后来牛顿的万有引力定律的发现具有奠基性作用。来牛顿的万有引力定律的发现具有奠基性作用。 16321632年，意大利科学家伽利略的巨著年，意大利科学家伽利略的巨著关于托勒密关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话和哥白尼两大世

44、界体系的对话对哥白尼学说进行了理性对哥白尼学说进行了理性论证。伽利略宣传哥白尼学说、抨击托勒密体系和经院哲论证。伽利略宣传哥白尼学说、抨击托勒密体系和经院哲学，曾受到教会的迫害。后来伽利略又继续力学的研究工学，曾受到教会的迫害。后来伽利略又继续力学的研究工作，秘密出版了作，秘密出版了关于力学和局部运动两门新学科的谈话关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明和数学证明一书。伽利略为以后牛顿力学的建立铺平了一书。伽利略为以后牛顿力学的建立铺平了道路。道路。 总之，科学革命的实质是思想大革命。科学革命使科总之，科学革命的实质是思想大革命。科学革命使科学从服从于经院哲学和神学的束缚中解放了出来，也

45、使自学从服从于经院哲学和神学的束缚中解放了出来，也使自然科学从自然哲学中分化并走上独立发展的道路进而逐渐然科学从自然哲学中分化并走上独立发展的道路进而逐渐形成系统的学科体系。从哥白尼的日心说开始到后来牛顿形成系统的学科体系。从哥白尼的日心说开始到后来牛顿力学体系的建立标志着第一次科学革命的完成力学体系的建立标志着第一次科学革命的完成。 251.2.3 科学观的形成科学观的形成 科学观涉及到人们对自然的看法、对科学本质的理解以及科学科学观涉及到人们对自然的看法、对科学本质的理解以及科学研究的态度、思维和方法。研究的态度、思维和方法。 科学研究方法是科学观的一个重要方面，它指导人们如何认识科学研究

46、方法是科学观的一个重要方面，它指导人们如何认识自然并掌握自然规律。弗兰西斯自然并掌握自然规律。弗兰西斯培根是最早倡导新科学方法的人培根是最早倡导新科学方法的人之一。他认为，一切知识来源于感觉，科学在整理感性材料时，用之一。他认为，一切知识来源于感觉，科学在整理感性材料时，用的是观察、实验、归纳、分析、比较的理性方法，经验、实验是真的是观察、实验、归纳、分析、比较的理性方法，经验、实验是真理的来源和检验标准，利用一定的仪器有程序地进行的实验才是科理的来源和检验标准，利用一定的仪器有程序地进行的实验才是科学知识的源泉。笛卡儿也认为实验可以提供学知识的源泉。笛卡儿也认为实验可以提供“原始前提的必要素

47、材原始前提的必要素材”，还能检验结论的正确性。伽利略同样强调，人们必须通过实验，还能检验结论的正确性。伽利略同样强调，人们必须通过实验去阅读去阅读“自然之书自然之书”。当时的科学家不仅强调了经验、实验在认识。当时的科学家不仅强调了经验、实验在认识中的作用，而且还开始对实验方法进行研究。系统的实验研究方法中的作用，而且还开始对实验方法进行研究。系统的实验研究方法是把对自然的研究变为真正的科学的重要标志。实际上，物理学在是把对自然的研究变为真正的科学的重要标志。实际上，物理学在本质上就是一门实验学科本质上就是一门实验学科。26 根据获得的经验和实验资料建立科学理论体系，还必根据获得的经验和实验资料

48、建立科学理论体系，还必须进行理论概括。培根提出了经验归纳法即从大量的个别须进行理论概括。培根提出了经验归纳法即从大量的个别经验事实中概括出一般原理的方法，还提出了正确归纳的经验事实中概括出一般原理的方法，还提出了正确归纳的步骤即列举正面和反面事例、提出假说、通过实验进行选步骤即列举正面和反面事例、提出假说、通过实验进行选择修正、最后得出科学结论。培根对假说不够重视，认为择修正、最后得出科学结论。培根对假说不够重视，认为只要对资料进行系统整理，正确的假说就会自然显现出来。只要对资料进行系统整理，正确的假说就会自然显现出来。实际上并非如此简单，所以他的归纳法有明显缺陷，但是实际上并非如此简单，所以

49、他的归纳法有明显缺陷，但是其方法论思想具有深远意义。其方法论思想具有深远意义。 笛卡儿则不同，他更强调理论思维即理性，把理论笛卡儿则不同，他更强调理论思维即理性，把理论思维作为知识的出发点。他认为一切科学都应该按照数学思维作为知识的出发点。他认为一切科学都应该按照数学形式建立起来，从明晰的原理出发并通过逻辑途径和数学形式建立起来，从明晰的原理出发并通过逻辑途径和数学方法进行论证，就可以得出科学结论，而实验只具有检验方法进行论证，就可以得出科学结论，而实验只具有检验理论结果的作用。笛卡儿的唯理论方法也是有缺点的，它理论结果的作用。笛卡儿的唯理论方法也是有缺点的，它忽视了实验和经验的作用，培根的经

50、验归纳法不了解数学忽视了实验和经验的作用，培根的经验归纳法不了解数学的作用，两者的相互补充是近代科学新方法论的基础。的作用，两者的相互补充是近代科学新方法论的基础。27 真正代表近代科学新方法论精神的是伽利略和牛顿。真正代表近代科学新方法论精神的是伽利略和牛顿。 实验实验和数学演绎相结合的方法到了伽利略之和数学演绎相结合的方法到了伽利略之后已经成熟。伽利略开创的近代科学研究方法可概后已经成熟。伽利略开创的近代科学研究方法可概括为：括为：对自然现象进行观测，总结出规律；提出理对自然现象进行观测，总结出规律；提出理论假设，解释实验现象；利用数学和逻辑得到推论；论假设，解释实验现象；利用数学和逻辑得

51、到推论；对推论进行客观、可重复、精确定量的实验检验；对推论进行客观、可重复、精确定量的实验检验；修改理论及假设；实验检验理论及假设；修改理论及假设；实验检验理论及假设；。这这种严谨的方法所得出的结论建立在强有力的实验基种严谨的方法所得出的结论建立在强有力的实验基础之上，因而是可靠的。他所倡导的这种理论和实础之上，因而是可靠的。他所倡导的这种理论和实验结合的科学研究方法至今仍是自然科学家所遵循验结合的科学研究方法至今仍是自然科学家所遵循的研究准则。的研究准则。28 1.3 经典物理学体系的建立经典物理学体系的建立 文艺复兴运动和科学革命使人的思想得到了解放，资文艺复兴运动和科学革命使人的思想得到

52、了解放，资本主义的发展为科学研究提供了物质基础。在此历史环本主义的发展为科学研究提供了物质基础。在此历史环境下，诞生了近代自然科学。牛顿力学的建立，完成了境下，诞生了近代自然科学。牛顿力学的建立，完成了人类历史上第文一次自然科学大统一，标志着经典物理人类历史上第文一次自然科学大统一，标志着经典物理学理论体系正在形成。经典物理学理论有三大支柱即牛学理论体系正在形成。经典物理学理论有三大支柱即牛顿的经典力学、热力学与统计物理和经典电磁学理论顿的经典力学、热力学与统计物理和经典电磁学理论（包括光学）。（包括光学）。1.3.1 经典力学体系经典力学体系 牛顿（Isaac Newton,1642-172

53、7） 1.伽利略伽利略近代力学的奠基人近代力学的奠基人 伽利略被科学界誉为近代力学的奠基人。伽利伽利略被科学界誉为近代力学的奠基人。伽利略的两部著作略的两部著作关于托勒密和哥白尼两大世界体关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话系的对话和和关于力学和局部运动两门新学科关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明的谈话和数学证明（两门新学科指材料力学和（两门新学科指材料力学和运动学），为力学的发展打下了思想基础。运动学），为力学的发展打下了思想基础。 29 在在力力学学研研究究中中，伽伽利利略略既既涉涉及及到到静静力力学学，也也深深入入到到运运动动学学和和动动力力学学。他他研研究究过过物物体体的的重

54、重心心和和平平衡衡，研研究究过过材材料料强强度度，利利用用浮浮力力定定律律制制作作过过静静力力学学天天平平，等等等等。然然而而更更重重要要的的是是运运动动学学和和动动力力学学的的研研究究成成就就，他他发发现现了了摆摆的的等等时时性性，研研究究了了自自由由落落体体运运动动和和抛抛体体运运动动规规律律，研研究究过过物物体体的的惯惯性性，区分了速度和加速度概念。区分了速度和加速度概念。伽利略（Galileo Galilei,1564-1642） 关关于于物物体体的的运运动动，亚亚里里士士多多德德曾曾把把运运动动分分为为强强迫迫运运动动和和自自然然运运动动。伽伽利利略略认认为为不不能能把把运运动动分分

55、为为自自然然运运动动和和强强迫迫运运动动，应应当当根根据据运运动动的的基基本本特特征征即即速速度度进进行行分分类类，由由此此提提出出了了匀匀速速运运动动和和变变速速运运动动的的分分类类方方法法。他他首首先先定定义义了了匀匀速速运运动动是是指指任任何何相相等等的的时时间间间间隔隔内内通通过过相相等等的的距距离离，进进而而给给出出了了瞬瞬时时速速度度的的概概念念即即物物体体在在给给定定时时刻刻的的速速度度30 伽利略从落体运动的研究出发来研究变速运动，并假伽利略从落体运动的研究出发来研究变速运动，并假定落体运动是匀加速运动。他对匀加速运动给出了这样定落体运动是匀加速运动。他对匀加速运动给出了这样定

56、义，若一物体从静止出发，并且在相等的时间间隔内定义，若一物体从静止出发，并且在相等的时间间隔内获得相等的速度增量，则称之为匀加速运动。获得相等的速度增量，则称之为匀加速运动。 自由落体运动是否是匀加速运动？他认为要通过实自由落体运动是否是匀加速运动？他认为要通过实验来检验。他设计了著名的斜面实验，因为斜面上的运验来检验。他设计了著名的斜面实验，因为斜面上的运动慢得多，便于测量。斜面实验的结论可以推广到竖直动慢得多，便于测量。斜面实验的结论可以推广到竖直的自由落体运动（斜面坡度达到的自由落体运动（斜面坡度达到9090度的极限情况）。由度的极限情况）。由此得出，自由落体运动就是匀加速运动，从同一高

57、度自此得出，自由落体运动就是匀加速运动，从同一高度自由下落的物体，不论其重量如何，必然同时落地。他由由下落的物体，不论其重量如何，必然同时落地。他由斜面运动提出了加速度概念。传说伽利略曾经在比萨斜斜面运动提出了加速度概念。传说伽利略曾经在比萨斜塔上做过实验，证实了落体加速度与物体重量无关的结塔上做过实验，证实了落体加速度与物体重量无关的结论。有人说，他用大小相同而重量不同的的铁球和木球论。有人说，他用大小相同而重量不同的的铁球和木球同时放下，观众看到两球同时落地，但历史考证对该传同时放下，观众看到两球同时落地，但历史考证对该传说存疑。说存疑。31 伽利略在他的著作中所形成的惯性思想，为后来牛顿

58、定律的建伽利略在他的著作中所形成的惯性思想，为后来牛顿定律的建立和惯性概念的引入开辟了道路。他曾设计了斜面对接的理想实验立和惯性概念的引入开辟了道路。他曾设计了斜面对接的理想实验（图（图1-3-11-3-1）。小硬球从光滑斜面的某一高度下落到底部再沿对接）。小硬球从光滑斜面的某一高度下落到底部再沿对接的斜面上升将达到同意一水平高度。对接斜面越平缓，上升到原高的斜面上升将达到同意一水平高度。对接斜面越平缓，上升到原高度的时间越长。当对接斜面过渡到坡度为零的水平面时，伽利略得度的时间越长。当对接斜面过渡到坡度为零的水平面时，伽利略得出结论说，小球将以恒的定速度（匀速）永远运动下去。这就是伽出结论说

59、，小球将以恒的定速度（匀速）永远运动下去。这就是伽利略关于惯性的思想。笛卡儿则比较完整地表述了惯性原理。他指利略关于惯性的思想。笛卡儿则比较完整地表述了惯性原理。他指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持静止或匀速运动状出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持静止或匀速运动状态，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动。笛卡儿的表述态，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动。笛卡儿的表述对对牛顿的综合工作有深远的影响对对牛顿的综合工作有深远的影响。图1-3-1 伽利略研究了抛体运动，把抛伽利略研究了抛体运动，把抛体运动看成是物体在水平方向的匀体运动看成是物体在水平方向的匀速运动和竖直方

60、向的匀加速运动的速运动和竖直方向的匀加速运动的合成，而且两种运动互不影响，这合成，而且两种运动互不影响，这是关于运动叠加或合成的原理。是关于运动叠加或合成的原理。 32 他用运动合成的观点论述了运动的相对性：在一个封闭的做匀他用运动合成的观点论述了运动的相对性：在一个封闭的做匀速运动的平稳的船舱里，由于一切物体都参与了船的匀速运动，因速运动的平稳的船舱里，由于一切物体都参与了船的匀速运动，因此各物体的相对运动关系保持不变。从桅杆上掉下的物体仍然会落此各物体的相对运动关系保持不变。从桅杆上掉下的物体仍然会落到桅杆脚下，不会因船的运动而落到桅杆后面，人跳向船尾不会比到桅杆脚下，不会因船的运动而落到

61、桅杆后面，人跳向船尾不会比跳向船头来得远，人们感觉不到船在运动。这就是我们今日所称的跳向船头来得远，人们感觉不到船在运动。这就是我们今日所称的力学相对性原理或伽利略相对性原理。这个原理的发现是人类科学力学相对性原理或伽利略相对性原理。这个原理的发现是人类科学认识史上的一个重大飞跃。认识史上的一个重大飞跃。 2碰撞的研究及碰撞的研究及“活力活力” 在力学体系形成过程中，碰撞是一个重要研究课题。最早建立在力学体系形成过程中，碰撞是一个重要研究课题。最早建立碰撞理论的是笛卡儿，他在碰撞理论的是笛卡儿，他在哲学原理哲学原理一书中肯定了运动量就是一书中肯定了运动量就是物质的量和速度的乘积，只是当时还没有

62、建立物质的量和速度的乘积，只是当时还没有建立“质量质量”的概念，也的概念，也就无法写出动量的表达式。他还总结了就无法写出动量的表达式。他还总结了7 7条碰撞规律，但由于缺乏条碰撞规律，但由于缺乏对动量矢量性的了解，对动量矢量性的了解，7 7条规律只有两条正确。这两条规律描述了条规律只有两条正确。这两条规律描述了动量传递的思想动量传递的思想。 33 荷兰物理学家惠更斯从荷兰物理学家惠更斯从16521652年开始研究弹性物体的碰撞，发现年开始研究弹性物体的碰撞，发现了动量守恒和弹性碰撞机械能守恒的规律，并且明确地指出了动量了动量守恒和弹性碰撞机械能守恒的规律，并且明确地指出了动量的方向性。认为的方

63、向性。认为“在两个物体的碰撞中，大的程度与速度的平方乘在两个物体的碰撞中，大的程度与速度的平方乘积的总和保持不变积的总和保持不变”，“大的程度大的程度”即后来质量概念，这里第一次即后来质量概念，这里第一次提到提到mvmv2 2这个量。碰撞的研究也为建立作用力和反作用力定律准备了这个量。碰撞的研究也为建立作用力和反作用力定律准备了一定的条件。一定的条件。 17-1817-18世纪，世纪，“力力”的概念还不完全清晰，人们从不同的意义的概念还不完全清晰，人们从不同的意义上使用这个概念描述了力的各种效应，从而引起了关于上使用这个概念描述了力的各种效应，从而引起了关于“运动量运动量”或或“力力”的量度的

64、一场争论。笛卡儿学派主张以的量度的一场争论。笛卡儿学派主张以mvmv量度运动量或力。量度运动量或力。而德国数学家、物理学家莱布尼兹则引进而德国数学家、物理学家莱布尼兹则引进“活力活力”的概念，主张用的概念，主张用mvmv2 2（后来变成（后来变成 mvmv2 2/2/2即动能）对与运动量或力进行量度，认为宇宙即动能）对与运动量或力进行量度，认为宇宙中中“活力守恒活力守恒”，且发现力和路程的乘积（实际上是功）与活力成，且发现力和路程的乘积（实际上是功）与活力成正比。正比。“活力守恒活力守恒”已非常接近机械能守恒原理。以后研究表明已非常接近机械能守恒原理。以后研究表明，动量和动能是从不同的角度衡量

65、机械运动量的两物理量。动量和动能是从不同的角度衡量机械运动量的两物理量。34 3.万万有有引引力力定定律律的的发发现现 万万有有引引力力定定律律的的发发现现是是牛牛顿顿从从运运动动现现象象研研究究自自然然力力的的一一个个辉辉煌煌的的范范例例。牛牛顿顿根根据据向向心心力力公公式式和和开开普普勒勒定定律律得得出出行行星星受受中中心心力力吸吸引引作作用用、该该吸吸引引力力与与半半径径的的平平方方成成反反比比。还还指指出出“这这些些指指向向物物体体的的力力应应与与物物体体的的性性质质和和量量有有关关”， 从从 而而 把把 质质 量量 引引 进进 到到 万万 有有 引引 力力 定定 律律 。 还还有有许

66、许多多人人为为万万有有定定律律作作出出过过贡贡献献。笛笛卡卡儿儿认认为为宇宇宙宙空空间间充充满满了了“以以太太” ” ，以以太太围围绕绕天天体体形形成成旋旋涡涡运运动动，带带动动天天体体（如如太太阳阳）周周围围的的物物体体（如如行行星星）转转动动，旋旋涡涡压压力力卷卷吸吸着着周周围围物物体体趋趋向向中中心心物物体体表表现现出出引引力力现现象象。16451645年年，法法国国布布里里阿阿德德假假设设“从从太太阳阳发发出出的的力力和和离离太太阳阳距距离离的的平平方方成成反反比比”。16661666年年，比比萨萨大大学学玻玻列列利利提提出出，引引力力是是距距离离的的幂幂的的函函数数。英英国国的的胡胡

67、克克于于16801680年年提提出出引引力力反反比比于于距距离离的的平平方方的的猜猜测测。哈哈雷雷和和伦伦恩恩在在16791679年年按按圆圆形形轨轨道道和和开开普普勒勒定定律律，导出了行星的引力与其到太阳的距离的平方成反比。导出了行星的引力与其到太阳的距离的平方成反比。 35 牛顿在牛顿在16841684年年论运动论运动的演讲：叙述了向心力定律，证明的演讲：叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动下的平方反比关系。不久又在另一篇文章中：定了椭圆轨道运动下的平方反比关系。不久又在另一篇文章中：定义了质量的概念并探讨了引力与质量的关系，从而完善了万有引义了质量的概念并探讨了引力与质量的关系，从而完善

68、了万有引力定律的发现。力定律的发现。 苹果已成了万有引力的象征：有一次他独自坐在花园里，苹果已成了万有引力的象征：有一次他独自坐在花园里，忽然看到一个苹果从树上掉下来，他吃了一惊，便沉浸在对引力忽然看到一个苹果从树上掉下来，他吃了一惊，便沉浸在对引力的思考中。他想这种力的作用范围可能要比通常设想的大得多，的思考中。他想这种力的作用范围可能要比通常设想的大得多，比如说一直延伸到月亮，很可能这个力就是使月亮维持轨道运动比如说一直延伸到月亮，很可能这个力就是使月亮维持轨道运动的原因。这个故事说明牛顿已觉察到天体运动与地球上物体运动的原因。这个故事说明牛顿已觉察到天体运动与地球上物体运动的统一性的统一

69、性。 4.牛顿的牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理物理学史物理学史 上第一次大综合上第一次大综合 16871687年牛顿出版了年牛顿出版了自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理（简称（简称原理原理）这）这部划时代的科学巨著，从而奠定了他在世界科学史上的崇高地位部划时代的科学巨著，从而奠定了他在世界科学史上的崇高地位。36 原理原理创造性地综合了前人和他本人的成果，总结了动力创造性地综合了前人和他本人的成果，总结了动力学原理并宣布了万有引力定律，缔造了天地统一和以三大运动定律学原理并宣布了万有引力定律，缔造了天地统一和以三大运动定律为基础的力学体系。牛顿说过：为基础的力学体系。牛顿说过：“

70、如果我看得更远那是因为站在巨如果我看得更远那是因为站在巨人的肩膀上。人的肩膀上。”这里的巨人指伽利略、开普勒、哥白尼、胡克和笛这里的巨人指伽利略、开普勒、哥白尼、胡克和笛卡儿等。卡儿等。 原理原理共分两大部分。共分两大部分。第一部分为导论第一部分为导论，给出了质量、运动量、，给出了质量、运动量、力、惯性等定义，提出了绝对时间、绝对空间、绝对运动和绝对静力、惯性等定义，提出了绝对时间、绝对空间、绝对运动和绝对静止的概念，写出了著名的三个运动定律以及矢量的合成分解法则、止的概念，写出了著名的三个运动定律以及矢量的合成分解法则、运动叠加原理、动量守恒原理、伽利略相对性原理。第一定律即惯运动叠加原理、

71、动量守恒原理、伽利略相对性原理。第一定律即惯性定律，第二定律的形式是性定律，第二定律的形式是（mvmv）= =ftft而不是现在的而不是现在的f=maf=ma。第。第三定律是作用力和反作用力定律。三定律是作用力和反作用力定律。第二部分的第一篇第二部分的第一篇研究了万有引研究了万有引力定律和有心力，给出了点状物体和均匀球体的引力公式：力定律和有心力，给出了点状物体和均匀球体的引力公式：f=Gmf=Gm1 1m m2 2/r/r2 2。第二篇第二篇指出了笛卡尔漩涡学说的错误。指出了笛卡尔漩涡学说的错误。第三篇第三篇用万有用万有引力解释了天体的运动，宣布了宇宙中任何物体之间普遍存在着万引力解释了天体

72、的运动，宣布了宇宙中任何物体之间普遍存在着万有引力。有引力。37 牛顿还用一个理想实验，直观说明了轨道运动的力与牛顿还用一个理想实验，直观说明了轨道运动的力与重力是同一种力重力是同一种力：在高山上水平射出一炮弹，速度不够时，：在高山上水平射出一炮弹，速度不够时，重力使炮弹落在地上。当速度足够大时，炮弹就绕地球运重力使炮弹落在地上。当速度足够大时，炮弹就绕地球运动而不掉下来。动而不掉下来。 牛顿定律在原则上可以解决所有力学问题，对多牛顿定律在原则上可以解决所有力学问题，对多质点系统，直接应用牛顿定律烦琐，又逐渐发展起了动量、质点系统，直接应用牛顿定律烦琐，又逐渐发展起了动量、动量矩、机械能三个守

73、恒定律。动量矩、机械能三个守恒定律。1818世纪，力学家和数学家世纪，力学家和数学家又致力于寻找一种比牛顿定律更广泛、更简便的普遍力学又致力于寻找一种比牛顿定律更广泛、更简便的普遍力学原理，形成了分析力学。牛顿力学与天文学结合又形成了原理，形成了分析力学。牛顿力学与天文学结合又形成了天体力学。牛顿力学的另一发展方向是推广到连续介质形天体力学。牛顿力学的另一发展方向是推广到连续介质形成了弹性力学、流体力学、材料力学、空气动力学和变质成了弹性力学、流体力学、材料力学、空气动力学和变质量体力学等，它们是解决许多工程问题的基础。量体力学等，它们是解决许多工程问题的基础。 牛顿首次大量地用数学方法系统地

74、整理和阐述物理牛顿首次大量地用数学方法系统地整理和阐述物理理论以及在观察、实验的基础上归纳出自然规律的方法，理论以及在观察、实验的基础上归纳出自然规律的方法，为以后各种物理理论体系的建立树立了典范。为以后各种物理理论体系的建立树立了典范。 381.3.2 经典光学理论体系经典光学理论体系 光学的发展可分为五个时期即萌芽时期（光学的发展可分为五个时期即萌芽时期（1515世纪以世纪以前）、几何光学（前）、几何光学（16-1816-18世纪）、波动光学（世纪）、波动光学（1919世纪）、世纪）、量子光学（量子光学（2020世纪初）和现代光学（世纪初）和现代光学（2020世纪世纪6060年代起）。年代

75、起）。此处着重介绍经典光学包括几何光学和波动光学的发展此处着重介绍经典光学包括几何光学和波动光学的发展。 1几何光学几何光学 从托勒密开始，经历了从托勒密开始，经历了15001500年终于得到了严格的折射定年终于得到了严格的折射定律。折射定律连同反射定律和光的直线传播原理一起，构律。折射定律连同反射定律和光的直线传播原理一起，构成了几何光学的理论基础成了几何光学的理论基础。 2波动光学波动光学 17041704年，牛顿提出了光的微粒学说：光是微粒流，从光年，牛顿提出了光的微粒学说：光是微粒流，从光源飞出，在真空和均匀媒质中因惯性而匀速直线运动。用源飞出，在真空和均匀媒质中因惯性而匀速直线运动。

76、用此观点解释了光的直线传播、光的反射和光的折射此观点解释了光的直线传播、光的反射和光的折射。39 惠惠更更斯斯、胡胡克克和和欧欧拉拉坚坚决决主主张张光光的的波波动动说说。惠惠更更斯斯认认为为光光是是发发光光体体中中微微小小粒粒子子的的振振动动，是是弥弥漫漫于于宇宇宙宙空空间间的的介介质质“以以太太”中中的的波波的的传传播播过过程程. .他他用用子子波波和和波波阵阵面面的的概概念念引引进进了了著著名名的的惠惠更更斯斯原原理理，解解释释了了反反射射和和折折射射定定律律。但但他他没没有有把把波波动动过过程程的的特特性性给给予予足足够够的的说说明明，没没有有指指出出光光波波长长，没没有有认认识识到到波

77、波的的叠叠加加性性，没没能能解解释释光光的的干干涉涉、衍衍射射和和偏偏振振，而而且且以以太太这这种种物物质质也也值值得得怀怀疑疑。由由于于牛牛顿顿的的权权威威，微微粒粒说说占占统统治治地地位位达达一一个个世世纪纪之之久久。 1919世世纪纪初初，托托马马斯斯杨杨和和菲菲涅涅耳耳为为光光的的波波动动理理论论奠奠定定了了坚坚实实的的基基础础，人人们们开开始始普普遍遍接接受受光光的的波波动动说说。18011801年年，杨杨做做了了著著名名的的双双缝缝干干涉涉实实验验。18151815年年，菲菲涅涅耳耳将将干干涉涉原原理理和和惠惠更更斯斯原原理理结结合合，形形成成了了惠惠更更斯斯- -菲菲涅涅耳耳原原

78、理理，解解释释了了光光的的衍衍射射。18081808年年，马马吕吕斯斯发发现现了了光光的的偏偏振振。杨杨用用光光的的横横波波假假设设说说明明了了光光的的偏偏振振现现象象。但但人人们们把把光光仍仍然然看看成成是是“以以太太”中的机械弹性波。中的机械弹性波。40 18651865年，麦克斯韦提出了一套完整的电磁场方程并由年，麦克斯韦提出了一套完整的电磁场方程并由此推出了电磁场传播的波动方程，预示电磁场以横波形式此推出了电磁场传播的波动方程，预示电磁场以横波形式在空间传播，求出了电磁波的速度为光速。在空间传播，求出了电磁波的速度为光速。18681868年，麦克年，麦克斯韦又发表了斯韦又发表了关于光的

79、电磁理论关于光的电磁理论论文，把光概括到了论文，把光概括到了电磁理论中，将电、磁、光统一起来。电磁理论中，将电、磁、光统一起来。 18881888年赫兹由实年赫兹由实验测定了电磁波的速度，正好等于光速。至此完全确立了验测定了电磁波的速度，正好等于光速。至此完全确立了光的电磁说。光的电磁说。 1919世纪末到世纪末到2020世纪初，人们对光学的研究已经深入世纪初，人们对光学的研究已经深入到光的发射、光与物质的相互作用的微观机制中，光的电到光的发射、光与物质的相互作用的微观机制中，光的电磁理论在解释光和物质相互作用的某些现象时遇到了困难，磁理论在解释光和物质相互作用的某些现象时遇到了困难，例如黑体

80、热辐射实验、光电效应实验等。例如黑体热辐射实验、光电效应实验等。19001900年普朗克提年普朗克提出了能量子概念成功地解释了黑体辐射。出了能量子概念成功地解释了黑体辐射。 19051905年，爱因年，爱因斯坦提出了光子假说，圆满地解释了光电效应。光子理论斯坦提出了光子假说，圆满地解释了光电效应。光子理论为后来许多实验如康普顿效应所证实，从而形成了量子光为后来许多实验如康普顿效应所证实，从而形成了量子光学。学。2020世纪世纪6060年代激光问世以来，形成了现代光学年代激光问世以来，形成了现代光学 411.3.3 经典热力学与统计物理学体系经典热力学与统计物理学体系 1早期的热学研究早期的热学

81、研究 古代对热的不同看法只停留在思辩和猜测的水平上，没有科学古代对热的不同看法只停留在思辩和猜测的水平上，没有科学的证明。的证明。1717世纪以后，热的本质问题又引起了人们的兴趣。存在着世纪以后，热的本质问题又引起了人们的兴趣。存在着两种观点：一种是从物质内部的运动解释热现象，另一种是用意想两种观点：一种是从物质内部的运动解释热现象，另一种是用意想的特殊物质即热质来解释热现象，热质说一度占了上风。不少人根的特殊物质即热质来解释热现象，热质说一度占了上风。不少人根据摩檫生热，认为热是物质内部分子运动的表现，但尚缺乏足够的据摩檫生热，认为热是物质内部分子运动的表现，但尚缺乏足够的实验依据，因此人们

82、未普遍接受。实验依据，因此人们未普遍接受。 1818世纪中叶以后，多数物理学家用热质来解释自然界的冷热变世纪中叶以后，多数物理学家用热质来解释自然界的冷热变化化. .热质说者称热由无重量的某种特殊物质组成。在热质说指引下热质说者称热由无重量的某种特殊物质组成。在热质说指引下, ,热学也有一定进展热学也有一定进展. .波尔哈夫在做混合物的实验时断言波尔哈夫在做混合物的实验时断言“热不能创热不能创造也不能消灭造也不能消灭”，提出了混合时热量守恒的思想。英国化学家布莱，提出了混合时热量守恒的思想。英国化学家布莱克是热质说的主要倡导克是热质说的主要倡导者。者。42 他在研究热传导时，提出了比热、热容量

83、概念，得出了量热学他在研究热传导时，提出了比热、热容量概念，得出了量热学基本公式基本公式Q=Q=cmtcmt，而且区分了温度和热量的概念即温度是，而且区分了温度和热量的概念即温度是“热的热的强度强度”、热量是、热量是“热的数量热的数量”，还发现了潜热。当时热质说之所，还发现了潜热。当时热质说之所以能占上风，是因为热质说能很好地解释一些热现象如温度的变以能占上风，是因为热质说能很好地解释一些热现象如温度的变化是吸收和放出热质引起、热传导是热质的流动、摩檫或碰撞生化是吸收和放出热质引起、热传导是热质的流动、摩檫或碰撞生热是热质被逼出来的缘故。热是热质被逼出来的缘故。 1818世纪末，热质说受到了严

84、重的挑战。伦福德于世纪末，热质说受到了严重的挑战。伦福德于17971797年向皇年向皇家学会提交了家学会提交了论摩檫激起的热源论摩檫激起的热源的报告，叙述了他的机械功的报告，叙述了他的机械功生热的发现，他观察到大炮镗孔时剧烈发热，浸在水中的炮筒使生热的发现，他观察到大炮镗孔时剧烈发热，浸在水中的炮筒使水温快速上升。他认为热是物质运动的一种形式。水温快速上升。他认为热是物质运动的一种形式。17991799年，英国年，英国化学家戴维利用钟表机件使放在真空容器里的两块冰摩檫融化成化学家戴维利用钟表机件使放在真空容器里的两块冰摩檫融化成水，他断言，热质是不存在的，热质守恒不成立，热是物体微粒水，他断言

85、，热质是不存在的，热质守恒不成立，热是物体微粒的运动或振动。伦福德和戴维的正确观点为热质说的最终破灭提的运动或振动。伦福德和戴维的正确观点为热质说的最终破灭提供了令人信服的论据供了令人信服的论据. .43 但热质说在当时并未因此而推翻。这个问题直到但热质说在当时并未因此而推翻。这个问题直到1919世世纪热力学第一定律建立后，才得到真正解决纪热力学第一定律建立后，才得到真正解决。 2能量守恒定律与热力学理论的建立能量守恒定律与热力学理论的建立 能量守恒原理的建立是生产技术、哲学和自然科学能量守恒原理的建立是生产技术、哲学和自然科学长期发展的结果。在中国古代和古希腊，就已经提出运长期发展的结果。在

86、中国古代和古希腊，就已经提出运动不灭又不可创造的思想。在近代科学产生以来，对能动不灭又不可创造的思想。在近代科学产生以来，对能量守恒原理的认识是从力学的研究开始的。到量守恒原理的认识是从力学的研究开始的。到1919世纪世纪2020年代，人们已弄清了功和机械能变化的量度关系。机械年代，人们已弄清了功和机械能变化的量度关系。机械能守恒实际上是能量守恒在机械运动中的特殊情况。能守恒实际上是能量守恒在机械运动中的特殊情况。 永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量守恒原理的例证。很早以来，一些发明者企图创造一种守恒原理的例证。很早以来，一些发明者企图创造

87、一种理想机械，这种机械（第一类永动机）在不消耗任何燃理想机械，这种机械（第一类永动机）在不消耗任何燃料和动力的情况下不断地进行有效的工作。但各种设计料和动力的情况下不断地进行有效的工作。但各种设计巧妙的永动机最后都以失败告终。巧妙的永动机最后都以失败告终。44 1717世纪末期，法国人巴本发明了第一世纪末期，法国人巴本发明了第一台活塞式蒸汽机，尔后还出现了各种其他台活塞式蒸汽机，尔后还出现了各种其他蒸汽机。瓦特最有名，他设计的蒸汽机效蒸汽机。瓦特最有名，他设计的蒸汽机效率最高。蒸汽机的发明和利用为能量守恒率最高。蒸汽机的发明和利用为能量守恒与转化定律（热力学第一定律）的发现创与转化定律（热力学

88、第一定律）的发现创造了最基本的物质基础。而提高热机效率造了最基本的物质基础。而提高热机效率的研究则导致了热力学第二定律的建立的研究则导致了热力学第二定律的建立。 瓦特（James Watt,1736-1819） 蒸汽机的动力应用促使人们去深入探讨机械运动和热运蒸汽机的动力应用促使人们去深入探讨机械运动和热运动之间的相互转化，而在其他领域，各种运动形式之间的动之间的相互转化，而在其他领域，各种运动形式之间的相互联系和转化，也相继被发现。如动物电、温差电及其相互联系和转化，也相继被发现。如动物电、温差电及其逆效应、电流的热效应、电流产生机械运动、电流的磁效逆效应、电流的热效应、电流产生机械运动、电

89、流的磁效应、电磁感应、电解、化学反应热、伏特化学电池、紫外应、电磁感应、电解、化学反应热、伏特化学电池、紫外线的化学作用等等，还有古人已发现的摩檫生电、摩檫生线的化学作用等等，还有古人已发现的摩檫生电、摩檫生热。热。人们逐渐形成了能量人们逐渐形成了能量概念并认识到各种运动形式是能概念并认识到各种运动形式是能量的不同表现形式。量的不同表现形式。 45 能量守恒定律就是在对力、热、光、能量守恒定律就是在对力、热、光、电、化学等各种运动形式相互联系的基础电、化学等各种运动形式相互联系的基础上建立起来的。到上建立起来的。到1919世纪世纪4040年代，能量守年代，能量守恒定律已经完全确立。公认对能量守

90、恒定恒定律已经完全确立。公认对能量守恒定律（热力学第一定律）的建立贡献最大的律（热力学第一定律）的建立贡献最大的是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。迈尔提出了是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。迈尔提出了焦耳（Janes Prescott Joule,1818-1889）力（即能量）的不灭性和可转化原理，并初步计算了热功力（即能量）的不灭性和可转化原理，并初步计算了热功当量。焦耳从当量。焦耳从18371837年起到年起到18781878年花了年花了4040年的时间，先后用年的时间，先后用不同的方法进行了不同的方法进行了400400多次关于热功当量的实多次关于热功当量的实 验，以精确验，以精确的数据为能量守恒定律提供了

91、无可置疑的实验事。的数据为能量守恒定律提供了无可置疑的实验事。1841847 7年，亥姆霍兹在年，亥姆霍兹在论力的守恒论力的守恒中写道：中写道：“自然界作为自然界作为整体来说，它蕴藏着一定数量的能量，既不会减少，也不整体来说，它蕴藏着一定数量的能量，既不会减少，也不会增加。因此，自然界中的能量是永恒的和不变的，就象会增加。因此，自然界中的能量是永恒的和不变的，就象物质的数量守恒一样。我把这种形式定义的普遍规律物质的数量守恒一样。我把这种形式定义的普遍规律称为称为能量守恒定律能量守恒定律”。46 热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在涉及热现热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在涉及热现象过程中

92、的具体体现。德国克劳修斯于象过程中的具体体现。德国克劳修斯于18501850年给出了热力年给出了热力学第一定律的数学表达式。学第一定律的数学表达式。 热力学第二定律（能量耗散定律）是关于热能与热力学第二定律（能量耗散定律）是关于热能与机械能（或其他形式能量）转化的一种特殊规律，基本内机械能（或其他形式能量）转化的一种特殊规律，基本内容是：涉及到热的过程是不可逆的，在实用上是寻求热机容是：涉及到热的过程是不可逆的，在实用上是寻求热机效率的最大可能性。克劳修斯和英国开尔文分别给出了关效率的最大可能性。克劳修斯和英国开尔文分别给出了关于热力学第二定律的说法。热力学第二定律的发现与热机于热力学第二定律

93、的说法。热力学第二定律的发现与热机效率的研究分不开。卡诺于效率的研究分不开。卡诺于18241824年提出了在热机理论中有年提出了在热机理论中有重要地位的卡诺定理，该定理成了热力学第二定律的先导。重要地位的卡诺定理，该定理成了热力学第二定律的先导。克劳修斯引出了新的物理概念克劳修斯引出了新的物理概念熵，得出了热力学第二定熵，得出了热力学第二定律的数学式，用熵的概念表述了热力学第二定律即自然界律的数学式，用熵的概念表述了热力学第二定律即自然界一切自发过程总是沿着熵不减少的方向进行的。一切自发过程总是沿着熵不减少的方向进行的。 热力学第一、第二定律构成了热力学的理论基础，热热力学第一、第二定律构成了

94、热力学的理论基础，热力学是物理学的重要组成部分。力学是物理学的重要组成部分。19121912年，德国的能斯脱建年，德国的能斯脱建立了热力学第三定律（绝对零度不可能达到）。立了热力学第三定律（绝对零度不可能达到）。47 3分子运动论及统计物理学分子运动论及统计物理学 1919世纪中叶，物理学界普遍认识到热和分子运动的联系。克劳世纪中叶，物理学界普遍认识到热和分子运动的联系。克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼是分子运动论的主要奠基者，他们对修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼是分子运动论的主要奠基者，他们对分子动理论进行了系统研究，运用概率统计方法分子动理论进行了系统研究，运用概率统计方法, ,由系统的微观运由系统

95、的微观运动状态预言系统热运动的宏观性质。克劳修斯在动状态预言系统热运动的宏观性质。克劳修斯在18571857年第一次引年第一次引进了统计思想，提出了理想气体分子模型，得到了气体压强和分进了统计思想，提出了理想气体分子模型，得到了气体压强和分子平均平动能成正比、分子的平动能又与绝对温度成正比的认识。子平均平动能成正比、分子的平动能又与绝对温度成正比的认识。 麦克斯韦得出了气体分子在碰撞后沿各个方向运动的概率麦克斯韦得出了气体分子在碰撞后沿各个方向运动的概率相等的结论。他还指出，气体分子速度大小范围可以从相等的结论。他还指出，气体分子速度大小范围可以从0 0到无穷大到无穷大. .用概率方法得到了平

96、衡态下气体分子速度和速率分布定律。玻耳用概率方法得到了平衡态下气体分子速度和速率分布定律。玻耳兹曼又把麦克斯韦速度分布律推广到有外力场作用的情况，得出兹曼又把麦克斯韦速度分布律推广到有外力场作用的情况，得出了粒子按能量大小分布的规律即玻耳兹曼定律。他把熵和热力学了粒子按能量大小分布的规律即玻耳兹曼定律。他把熵和热力学状态的几率状态的几率W W联系起来，得出了物理学中最重要的公式之一联系起来，得出了物理学中最重要的公式之一S=S=klnWklnW（墓碑），明确地说明了熵的统计意义，揭示热力学第二（墓碑），明确地说明了熵的统计意义，揭示热力学第二定律的实质。他指出，不可逆性由概率引起，一个孤立系统

97、总是定律的实质。他指出，不可逆性由概率引起，一个孤立系统总是向概率最大的宏观态演化。向概率最大的宏观态演化。48 以上工作为统计力学奠定了基础。吉布斯大大改进和以上工作为统计力学奠定了基础。吉布斯大大改进和发展了麦克斯韦、玻耳兹曼的统计方法，于发展了麦克斯韦、玻耳兹曼的统计方法，于19021902年出版了年出版了统计力学基本原理统计力学基本原理一书，这标志着平衡态经典统计力一书，这标志着平衡态经典统计力学的建立。学的建立。 统计物理学使人们对物质的认识从宏观领域进入统计物理学使人们对物质的认识从宏观领域进入到了微观领域。到了微观领域。2020世纪，量子力学建立后，经典统计物理世纪，量子力学建立

98、后，经典统计物理学经过改造又建立了量子统计物理学。量子统计物理学强学经过改造又建立了量子统计物理学。量子统计物理学强有力地推动了对固体、液体和等离子体中各种物理性质的有力地推动了对固体、液体和等离子体中各种物理性质的研究。研究。2020世纪世纪5050年代以后，非平衡态热力学和统计物理学年代以后，非平衡态热力学和统计物理学得到了迅速发展。得到了迅速发展。2020世纪世纪6060年代以来，以比利时物理学家年代以来，以比利时物理学家普利高津为代表所创造的关于非平衡系统自组织现象的理普利高津为代表所创造的关于非平衡系统自组织现象的理论，在物理学、化学、生物学、医学、生态演化、天体演论，在物理学、化学

99、、生物学、医学、生态演化、天体演化等领域内的应用取得了重大进展。但非平衡态理论还很化等领域内的应用取得了重大进展。但非平衡态理论还很不完善，有待于继续研究和发展。不完善，有待于继续研究和发展。 491.3.4 经典电磁学理论体系经典电磁学理论体系 从文艺复兴时期开始，电学和磁学进入了系统的实验从文艺复兴时期开始，电学和磁学进入了系统的实验研究，但两者是独立发展的。自奥斯特发现电流具有磁效研究，但两者是独立发展的。自奥斯特发现电流具有磁效应以后，电和磁便形成了一个统一的整体应以后，电和磁便形成了一个统一的整体。 1.电学和磁学的早期研究电学和磁学的早期研究 古代中国和古希腊，就有了摩檫起电、磁石

100、吸铁、司古代中国和古希腊，就有了摩檫起电、磁石吸铁、司南等历史记载。但对电、磁现象进行比较系统的研究，是南等历史记载。但对电、磁现象进行比较系统的研究，是从从1616世纪以后才开始的。世纪以后才开始的。16001600年，英国科学家吉尔伯特用年，英国科学家吉尔伯特用天然磁石制成一个大石球，把小磁针放在磁石上面，发现天然磁石制成一个大石球，把小磁针放在磁石上面，发现小磁针与指南针在地球上的行为一样。由此设想地球是一小磁针与指南针在地球上的行为一样。由此设想地球是一个巨大的磁石。他制作了第一个验电器以检验物体是否带个巨大的磁石。他制作了第一个验电器以检验物体是否带电。还发现了多种物质（除琥珀外，还

101、有金刚石、蓝宝石、电。还发现了多种物质（除琥珀外，还有金刚石、蓝宝石、硫磺、树脂等）具有摩檫起电性质。硫磺、树脂等）具有摩檫起电性质。16601660年，德国的格里年，德国的格里凯发明了用硫磺球产生大量电荷的摩檫起电机，凯发明了用硫磺球产生大量电荷的摩檫起电机，17051705年豪年豪客斯比用玻璃球代替硫磺球做成摩檫起电机。客斯比用玻璃球代替硫磺球做成摩檫起电机。 50 17201720年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体和绝年，格雷研究了电的传导现象，发现了导体和绝缘体的区别，又发现了静电感应现象。缘体的区别，又发现了静电感应现象。17331733年，杜菲通过年，杜菲通过实验区分出两种电荷

102、，并总结出同性相斥异性相吸的静电实验区分出两种电荷，并总结出同性相斥异性相吸的静电基本特性。克莱斯特于基本特性。克莱斯特于17451745年发明的莱顿瓶提供了一种储年发明的莱顿瓶提供了一种储存电的方法。美国伟大的科学家、政治家和美国独立之父存电的方法。美国伟大的科学家、政治家和美国独立之父富兰克林在电学中作了许多重要工作，大大丰富了人类对富兰克林在电学中作了许多重要工作，大大丰富了人类对电的认识。他发现了尖端放电，发明了避雷针。他利用风电的认识。他发现了尖端放电，发明了避雷针。他利用风筝从雷云中收集的电荷给莱顿瓶充电而得到电火花，从而筝从雷云中收集的电荷给莱顿瓶充电而得到电火花，从而证明闪电是

103、一种电现象，统一了天电和地电。他认为摩檫证明闪电是一种电现象，统一了天电和地电。他认为摩檫起电是电从一个物体向另一物体转移引起的，从而发现了起电是电从一个物体向另一物体转移引起的，从而发现了电荷守恒原理。他第一个用数学上的正负表示两种电荷，电荷守恒原理。他第一个用数学上的正负表示两种电荷，还首创了导体、充电、放电等一直沿用至今的术语。至此，还首创了导体、充电、放电等一直沿用至今的术语。至此，已经建立了静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理等已经建立了静电力基本特性、电荷守恒和静电感应原理等电的初步认识，但还没有建立关于电的定量规律，电的知电的初步认识，但还没有建立关于电的定量规律，电的知识还不

104、能成为一门严密的科学。识还不能成为一门严密的科学。51 2.库仑定律的建立库仑定律的建立 库仑定律是电磁学基本定律之一，它的发现使电磁学进库仑定律是电磁学基本定律之一，它的发现使电磁学进入了定量的研究，是电磁学真正成为一门学科的开始。入了定量的研究，是电磁学真正成为一门学科的开始。 1818世纪中叶，人们对电力和磁力的认识作出了类似世纪中叶，人们对电力和磁力的认识作出了类似于万有引力的各种猜测。牛顿曾经证明过，如果万有引力于万有引力的各种猜测。牛顿曾经证明过，如果万有引力服从平方反比定律，则均匀球壳内的物体应无作用。富兰服从平方反比定律，则均匀球壳内的物体应无作用。富兰克林在克林在175517

105、55年做了一个对电力的规律有重要启示的银罐实年做了一个对电力的规律有重要启示的银罐实验，他将空银灌带电，用细线吊一个小软木球放到灌里，验，他将空银灌带电，用细线吊一个小软木球放到灌里，发现木球并未受到电的作用，而且当木球接触到灌内壁后发现木球并未受到电的作用，而且当木球接触到灌内壁后再取出来也不带电。英国电学家普列斯特利从富兰克林的再取出来也不带电。英国电学家普列斯特利从富兰克林的实验结果中随即意识到实验结果中随即意识到“电的吸引遵从与万有引力相同的电的吸引遵从与万有引力相同的定律即按距离的平方的反比而变化定律即按距离的平方的反比而变化”。在此之前，德国的。在此之前，德国的埃皮努斯和瑞士的埃皮

106、努斯和瑞士的DD伯努利也有过电力平方反比关系的伯努利也有过电力平方反比关系的猜测。上述关于电力规律的研究仅停留在猜测阶段猜测。上述关于电力规律的研究仅停留在猜测阶段。52库仑(C.A.Coulomb,1736-1806) 决定性的研究工作是由法国科学家库决定性的研究工作是由法国科学家库仑完成并公诸于世的（仑完成并公诸于世的（17851785年）。库仑设年）。库仑设计了精密的扭秤实验，精确测得同类电荷计了精密的扭秤实验，精确测得同类电荷斥力的平方反比关系。他又把异类电荷引斥力的平方反比关系。他又把异类电荷引力与单摆受地球引力作用类比，设计了电力与单摆受地球引力作用类比，设计了电摆实验，进而得出电

107、荷引力的平方反比关摆实验，进而得出电荷引力的平方反比关系。他还用上述方法测过磁力，也得出了系。他还用上述方法测过磁力，也得出了磁力同距离的平方反比关系。他用金属球互相接触的方法，磁力同距离的平方反比关系。他用金属球互相接触的方法，获得了各种大小的电荷，最终得出了完整形式的库仑定律获得了各种大小的电荷，最终得出了完整形式的库仑定律即即f=kqf=kq1 1q q2 2/r/r2 2。这个定律与牛顿万有引力定律惊人地相似。这个定律与牛顿万有引力定律惊人地相似。 实际上苏格兰的罗比森和卡文迪什在库仑之前十实际上苏格兰的罗比森和卡文迪什在库仑之前十多年就已经作过电力定量的实验研究，确定了电力平方反多年

108、就已经作过电力定量的实验研究，确定了电力平方反比定律，可惜没有及时发表而未对科学的发展起到应有的比定律，可惜没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用推动作用。53 3.电流的发现与研究电流的发现与研究 1818世纪末，电学的研究从静电领域发展到动电领域。世纪末，电学的研究从静电领域发展到动电领域。17911791年，意大利解剖学教授伽伐尼发现，当两种连接起来年，意大利解剖学教授伽伐尼发现，当两种连接起来的金属导体的两端分别与肌肉和神经接触时，会引起青蛙的金属导体的两端分别与肌肉和神经接触时，会引起青蛙四肢的抽搐。他设想这是由神经传到肌肉的一种特殊电流四肢的抽搐。他设想这是由神经传到肌肉的

109、一种特殊电流引起的，金属起着传导作用，于是把这种电流称为引起的，金属起着传导作用，于是把这种电流称为“动物动物电电”。而伏打则认为青蛙抽搐是外部电作用的结果。伏打。而伏打则认为青蛙抽搐是外部电作用的结果。伏打发现，将相连接的两种金属浸在液体或潮湿的物质中会出发现，将相连接的两种金属浸在液体或潮湿的物质中会出现电效应。现电效应。18001800年，伏打把锌片和铜片夹在盐水浸湿的纸年，伏打把锌片和铜片夹在盐水浸湿的纸片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源这就是著名的片中，重复地叠成一堆，形成了很强的电源这就是著名的伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或稀酸中也可做成电源。伏打电堆。把锌片和铜片插入盐水或

110、稀酸中也可做成电源。这种电源可以提供持续的电流，从而将电学的研究引入到这种电源可以提供持续的电流，从而将电学的研究引入到了动电的途径。了动电的途径。18261826年，欧姆建立了电路定律即欧姆定律。年，欧姆建立了电路定律即欧姆定律。54 4. 电磁联系的发现电磁联系的发现 在在18201820年之前，电和磁是独立研究的。丹麦物理学家奥年之前，电和磁是独立研究的。丹麦物理学家奥斯特信奉康德的哲学，认为自然界各种基本力是可以相互斯特信奉康德的哲学，认为自然界各种基本力是可以相互转化的，深信电和磁有某种联系。转化的，深信电和磁有某种联系。18201820年，他做起了这类年，他做起了这类实验，探索到电

111、流的磁效应。奥斯特的发现，为物理学新实验，探索到电流的磁效应。奥斯特的发现，为物理学新的大综合开辟了道路，正如法拉第所说：的大综合开辟了道路，正如法拉第所说：“猛然打开了科猛然打开了科学中黑暗领域的大门学中黑暗领域的大门”。奥斯特的发现使物理学界大为震。奥斯特的发现使物理学界大为震动，许多人迅速投入了相关研究。毕奥和萨伐尔确定了载动，许多人迅速投入了相关研究。毕奥和萨伐尔确定了载流直导线对磁针的作用力。拉普拉斯提出了电流元概念，流直导线对磁针的作用力。拉普拉斯提出了电流元概念，从数学上推出毕奥从数学上推出毕奥萨伐尔定律。安培提出了确定磁针偏萨伐尔定律。安培提出了确定磁针偏转的右手定则，提出了地

112、球磁性由绕地球从西向东的圆电转的右手定则，提出了地球磁性由绕地球从西向东的圆电流引起的设想，提出了磁铁的磁性来源于流引起的设想，提出了磁铁的磁性来源于“分子电流分子电流”假假说并把一切磁现象归结于电流间的相互作用说并把一切磁现象归结于电流间的相互作用, ,推出了电流推出了电流元之间的相互作用力公式（在形式上与万有引力定律相似）元之间的相互作用力公式（在形式上与万有引力定律相似）. .安培定律的建立奠定了电磁理论的基础。安培定律的建立奠定了电磁理论的基础。55 电流的磁效应又引起了逆向思考：磁是否可以生电？电流的磁效应又引起了逆向思考：磁是否可以生电？许多物理学家围绕该课题做了大量的实验。十年后

113、，英国许多物理学家围绕该课题做了大量的实验。十年后，英国的法拉第和美国的亨利才发现磁生电现象即电磁感应。亨的法拉第和美国的亨利才发现磁生电现象即电磁感应。亨利早一年发现电磁感应，但未发表。法拉第不但独立地发利早一年发现电磁感应，但未发表。法拉第不但独立地发现了电磁感应，而且工作的深度和广度远远超过亨利。因现了电磁感应，而且工作的深度和广度远远超过亨利。因此，人们把电磁感应发现的功劳归于法拉第。此，人们把电磁感应发现的功劳归于法拉第。18211821年，他年，他进行了一系列磁生电的实验研究。他开始以为稳恒磁场也进行了一系列磁生电的实验研究。他开始以为稳恒磁场也可以产生稳恒电流，以致于年复一年的实

114、验均告失败。但可以产生稳恒电流，以致于年复一年的实验均告失败。但他坚信电与磁是相互联系的、磁一定可以生电。直到他坚信电与磁是相互联系的、磁一定可以生电。直到18311831年年8 8月月2929日终于发现，绕在一个铁环上的两个互相绝缘的日终于发现，绕在一个铁环上的两个互相绝缘的线圈，稳定电流不能在另一线圈中产生感应电流，仅当电线圈，稳定电流不能在另一线圈中产生感应电流，仅当电流改变时才能感生另一电流。接着，他又做了其它实验并流改变时才能感生另一电流。接着，他又做了其它实验并进行了总结。进行了总结。1111月月2424日，法拉第向皇家学会报告了他的发日，法拉第向皇家学会报告了他的发现：变化的电流

115、、变化的磁场、运动的稳恒电流、运动的现：变化的电流、变化的磁场、运动的稳恒电流、运动的磁铁、磁极附近运动的导线都可以感生出电流。磁铁、磁极附近运动的导线都可以感生出电流。56法拉第(M.Faraday,1791-1867) 关于感应电流的方向，法拉第叙述得不关于感应电流的方向，法拉第叙述得不太明确。太明确。18331833年，俄国的楞次在考察电磁年，俄国的楞次在考察电磁感应现象的全过程后，提出了确定感应电感应现象的全过程后，提出了确定感应电流方向的楞次定律。流方向的楞次定律。18331833年由纽曼以定律年由纽曼以定律的形式给出了电磁感应的定量规律。的形式给出了电磁感应的定量规律。184718

116、47年，亥姆霍兹揭示出楞次定律是能量守恒年，亥姆霍兹揭示出楞次定律是能量守恒定律在电磁现象中的具体反映。法拉第的定律在电磁现象中的具体反映。法拉第的贡献不仅是发现电磁感应，他还是电化学贡献不仅是发现电磁感应，他还是电化学的奠基人，也发现了磁光效应和物质的抗磁性。他创建的奠基人，也发现了磁光效应和物质的抗磁性。他创建的力线思想和场的概念为电磁场理论奠定了基础。电磁的力线思想和场的概念为电磁场理论奠定了基础。电磁感应定律是发电机的理论基础，其确立开创了人类利用感应定律是发电机的理论基础，其确立开创了人类利用电能的新时代电能的新时代. . 5.力线和场的初步思想力线和场的初步思想 法拉第关于力线和场

117、的思想对电磁学乃至整个物理学法拉第关于力线和场的思想对电磁学乃至整个物理学的发展都有重要影响。他不同意电磁力是超距作用的观的发展都有重要影响。他不同意电磁力是超距作用的观点，首先提出了场的思想点，首先提出了场的思想。 57 他认为，带电体或磁体（电流）在其周围空间会产生他认为，带电体或磁体（电流）在其周围空间会产生一种媒质或一种媒质或“紧张紧张”状态，叫做状态，叫做“场场”，电磁作用是依靠，电磁作用是依靠场来传递的。为了直观地描述场的形式，他又引入场来传递的。为了直观地描述场的形式，他又引入“力线力线”的概念。例如用铁屑可以显示出磁力线排成的图形。他的概念。例如用铁屑可以显示出磁力线排成的图形

118、。他认为，电力和磁力不是通过虚空的超距作用、而是通过电认为，电力和磁力不是通过虚空的超距作用、而是通过电力线和磁力线传递的；电力线或磁力线由带电体或磁极发力线和磁力线传递的；电力线或磁力线由带电体或磁极发出，弥漫于空间，作用于其中的每一个电磁物体；力线的出，弥漫于空间，作用于其中的每一个电磁物体；力线的传播速度是有限的。法拉第用力线的概念表述了电磁感应传播速度是有限的。法拉第用力线的概念表述了电磁感应现象：电磁感应是由于导线切割磁力线而引起的，感生电现象：电磁感应是由于导线切割磁力线而引起的，感生电流的大小与切割的磁力线的数目成正比。几十年后，开尔流的大小与切割的磁力线的数目成正比。几十年后，

119、开尔文评价说：文评价说：“在法拉第的许多贡献中，最伟大的一个就是在法拉第的许多贡献中，最伟大的一个就是力线的概念了，借助它可以把电场和磁场的许多性质简明力线的概念了，借助它可以把电场和磁场的许多性质简明而富有启发性地表示出来而富有启发性地表示出来”。58 麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831-1879 电磁学丰硕的实验研究成果以及法拉第电磁学丰硕的实验研究成果以及法拉第的力线和场的概念为麦克斯韦建立统一的的力线和场的概念为麦克斯韦建立统一的电磁场理论准备了条件电磁场理论准备了条件。 麦克斯韦经过近十余年的努力，分三步麦克斯韦经过近十余年的努力，分三步建立起电磁理论。建立起

120、电磁理论。18561856年，用精确的数学形年，用精确的数学形式表述法拉第的力线概念。式表述法拉第的力线概念。18621862年，引入了年，引入了“位移电流位移电流”假设（变化的电场引起介质假设（变化的电场引起介质电位移的变化）并认为位移电流与传导电流一样在空间激电位移的变化）并认为位移电流与传导电流一样在空间激发磁场，保证了理论的对称性即变化的电场产生涡旋磁场、发磁场，保证了理论的对称性即变化的电场产生涡旋磁场、变化的磁场产生涡旋电场（感生电场）变化的磁场产生涡旋电场（感生电场）. . 18651865年，年，确立了电磁场的概念，通过数学方法总结了电磁场基本确立了电磁场的概念，通过数学方法总

121、结了电磁场基本方程组方程组, ,推出了电磁场所遵循的波动方程，预言了电磁波推出了电磁场所遵循的波动方程，预言了电磁波的存在的存在, ,计算出电磁波的传播速度为光速，进而确立了光计算出电磁波的传播速度为光速，进而确立了光的电磁理论。的电磁理论。18731873年出版了年出版了电磁理论电磁理论这部经典名著这部经典名著。 59 德国物理学家赫兹在18871888年期间用实验证实了麦克斯韦预言的电磁波的存在，并且测出了电磁波的波长，根据波长和电磁振荡频率计算出电磁波速度是光速。赫兹还用实验证实了电磁波能产生反射、折射、干涉、衍射和驻波。经过赫兹等人的修改，麦克斯韦方程由原来的八个方程变成了具有完美对称

122、性的四个方程而确定下来。麦克斯韦曾提出过“电磁以太说”， 1900年前，电磁以太被逐渐看作是宇宙中的基本实体。 麦克斯韦的电磁理论实现了电磁光的统一，这是自牛顿实现天上和地上的运动的统一后的又一次大统一。他的理论成果也是现代无线电电子工业的理论基础。 1.4 20世纪物理学的发展世纪物理学的发展60 1919世纪末，物理学包括力学、热学、电磁学和光学世纪末，物理学包括力学、热学、电磁学和光学都已形成了完整的理论体系。不少人认为，都已形成了完整的理论体系。不少人认为， 物理学大物理学大厦已经落成，物理学上基本的、原则的问题已经解决，厦已经落成，物理学上基本的、原则的问题已经解决，伟大的发现不会再

123、有。然而，在这一段时间却陆续出现伟大的发现不会再有。然而，在这一段时间却陆续出现了许多无法用经典理论解释的实验事实，从而引发了物了许多无法用经典理论解释的实验事实，从而引发了物理学史上一场暴风骤雨式的革命理学史上一场暴风骤雨式的革命. .1.4.1 现代物理学革命的开端现代物理学革命的开端 开尔文在开尔文在19001900年为展望年为展望2020世纪物理学而发表的讲演世纪物理学而发表的讲演中说：中说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。只要做一些零碎的修补工作就行了。”“”“但在物理学晴但在物理学晴朗天空的远处，还有

124、两朵小小的令人不安的乌云朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云”。正。正是这两朵小小的乌云（指当时无法解释的热辐射实验和是这两朵小小的乌云（指当时无法解释的热辐射实验和迈克尔孙迈克尔孙- -莫雷实验），掀起了物理学革命的高潮。而莫雷实验），掀起了物理学革命的高潮。而三个重大发现（三个重大发现（x x射线、放射性、电子的发现），揭开射线、放射性、电子的发现），揭开了近代物理的序幕了近代物理的序幕。61 1.世纪之交的三大发现世纪之交的三大发现 电子、电子、x x射线和放射性三大发现都来源于对阴极射射线和放射性三大发现都来源于对阴极射线的研究线的研究。 (1) (1) 电子的发现电子的发现 阴

125、极射线是低压气体放电过程出阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。从阴极发出的射线称之为阴极射现的一种奇特现象。从阴极发出的射线称之为阴极射线。对阴极射线的本性作出正确解释的是英国剑桥大线。对阴极射线的本性作出正确解释的是英国剑桥大学教授学教授JJJJ汤姆逊。他从汤姆逊。他从18901890年起，通过实验证明年起，通过实验证明了阴极射线是带负电的粒子流，荷质比是氢离子的了阴极射线是带负电的粒子流，荷质比是氢离子的20002000倍左右，为所有物质共有，应是比原子更小的粒倍左右，为所有物质共有，应是比原子更小的粒子。原子不可再分的传统观念将被打破。汤姆逊采用子。原子不可再分的传统观念将被打

126、破。汤姆逊采用 “电子电子”来称呼这种粒子。且测量证明电子电量约与来称呼这种粒子。且测量证明电子电量约与氢离子电量相同，从而说明电子的质量约为氢原子的氢离子电量相同，从而说明电子的质量约为氢原子的1/20001/2000。虽然普遍认为是汤姆逊发现了电子，更准确。虽然普遍认为是汤姆逊发现了电子，更准确地说是汤姆逊发现了自由电子。而预言和发现原子内地说是汤姆逊发现了自由电子。而预言和发现原子内部的束缚电子的是洛伦兹和他的学生塞曼。部的束缚电子的是洛伦兹和他的学生塞曼。62 （2 2）x x射线的发现射线的发现 x x射线是德国的伦琴发现的。射线是德国的伦琴发现的。18951895年年1111月月8

127、 8日傍晚，伦琴在实验室做阴极射线管气体放电实日傍晚，伦琴在实验室做阴极射线管气体放电实验。他在暗室中做实验，把放电管用黑纸包起来以免受可验。他在暗室中做实验，把放电管用黑纸包起来以免受可见光的影响。他惊奇地发现，在放电时，离放电管一段距见光的影响。他惊奇地发现，在放电时，离放电管一段距离的一个涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出闪光。他确信不可离的一个涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出闪光。他确信不可能是阴极射线引起的，因为阴极射线穿透能力弱，不可能能是阴极射线引起的，因为阴极射线穿透能力弱，不可能穿过放电管的玻璃外壳。他意识到已经发现了一种新的射穿过放电管的玻璃外壳。他意识到已经发现了一种新的射线。由于不了

128、解它的性质，故取名为线。由于不了解它的性质，故取名为x x射线。又经过一个射线。又经过一个多月反复实验发现，这种射线人眼看不见，具有很强的穿多月反复实验发现，这种射线人眼看不见，具有很强的穿透性，能穿透许多普通光线不能穿透的材料，直线传播而透性，能穿透许多普通光线不能穿透的材料，直线传播而不被磁场偏转，可使荧光物质发光、使照片底片感光，能不被磁场偏转，可使荧光物质发光、使照片底片感光，能显示人手骨骼等。显示人手骨骼等。18961896年年1 1月，他把月，他把论一种新射线论一种新射线的的报告并附上手掌的报告并附上手掌的x x射线照片公之于众。这一发现在全世射线照片公之于众。这一发现在全世界引起

129、了轰动。界引起了轰动。19121912年，德国的劳厄通过晶体的年，德国的劳厄通过晶体的x x射线衍射线衍射实验，证实射实验，证实x x射线是波长很短的电磁波。英国的莫塞莱射线是波长很短的电磁波。英国的莫塞莱于于19131913年证实年证实x x射线是原子内层电子跃迁所发出的辐射。射线是原子内层电子跃迁所发出的辐射。63 （3 3） 放射性的发现放射性的发现 放射性是在对放射性是在对x x射线的研究中射线的研究中发现的。发现的。18961896年，贝克勒尔对哪些荧光或磷光物质能产年，贝克勒尔对哪些荧光或磷光物质能产生生x x射线进行了研究，结果他所试验的物质并不发出射线进行了研究，结果他所试验的

130、物质并不发出x x射射线。线。2 2月下旬，他改用能发磷光的铀盐做实验，发现铀月下旬，他改用能发磷光的铀盐做实验，发现铀盐能自发地发射出可穿透黑纸的射线，这种射线还能使盐能自发地发射出可穿透黑纸的射线，这种射线还能使照相底片感光、使气体电离、象照相底片感光、使气体电离、象x x射线一样穿透几乎一射线一样穿透几乎一切物质，但同切物质，但同x x射线和荧光完全无关。人们称这种射线射线和荧光完全无关。人们称这种射线为为“贝克勒尔射线贝克勒尔射线”。“放射性放射性”是后来居里夫人取的是后来居里夫人取的名字。居里夫妇又把贝克勒尔的工作推向深入。他们不名字。居里夫妇又把贝克勒尔的工作推向深入。他们不局限于

131、铀盐，决定对各种元素进行普查。局限于铀盐，决定对各种元素进行普查。18981898年年4 4月发月发现了钍有放射性，现了钍有放射性，7 7月发现了放射性是铀的几百倍的钋，月发现了放射性是铀的几百倍的钋，9 9月发现了放射性是铀的百万倍的镭。钋和镭的发现大月发现了放射性是铀的百万倍的镭。钋和镭的发现大大促进了人们对放射性的研究。大促进了人们对放射性的研究。64 卢瑟福等人又发现天然放射性是由几种不同的射线卢瑟福等人又发现天然放射性是由几种不同的射线组成的，其中有两种带电的射线（一种带正电，一种组成的，其中有两种带电的射线（一种带正电，一种带负电，分别命名为带负电，分别命名为射线和射线和射线，后证

132、实为氦核流射线，后证实为氦核流和电子流）。法国的维拉德又发现镭还有不带电的第和电子流）。法国的维拉德又发现镭还有不带电的第三种射线，被叫做三种射线，被叫做射线。卢瑟福等经过研究认为，放射线。卢瑟福等经过研究认为，放射性过程伴随着元素的蜕变。射性过程伴随着元素的蜕变。元素不变的观念受到了元素不变的观念受到了冲击。冲击。 总之，电子的发现证实原子是有结构总之，电子的发现证实原子是有结构的，的，x x射线是电子内层轨道跃迁产生的，射线是电子内层轨道跃迁产生的，也与原子结构有密切联系，它们的发现也与原子结构有密切联系，它们的发现是原子物理的开端。放射性射线是原子是原子物理的开端。放射性射线是原子核内发

133、出的，它的发现打开了核物理的核内发出的，它的发现打开了核物理的大门。大门。 居里夫人（Maria Sklodowska Curie,1867-1934）65 2两朵令人不安的两朵令人不安的“乌云乌云” 开尔文的开尔文的“两朵乌云两朵乌云”就是关于以太漂移速度测定就是关于以太漂移速度测定“零结果零结果”解释的困难和关于能量均分定理对热辐射和固解释的困难和关于能量均分定理对热辐射和固体比热解释的困难。体比热解释的困难。 以太学说的困惑以太学说的困惑 1919世纪，光的波动理论复兴，麦克斯世纪，光的波动理论复兴，麦克斯韦设想用以太的力学运动来解释电磁现象。此后，以太的韦设想用以太的力学运动来解释电磁

134、现象。此后，以太的存在在物理学界获得了广泛的承认。人们认为：以太是传存在在物理学界获得了广泛的承认。人们认为：以太是传播光和电磁波的媒质，是充满全部空间、绝对静止、极其播光和电磁波的媒质，是充满全部空间、绝对静止、极其稀薄的刚性物质；以太是一种特殊的惯性参照系，光在以稀薄的刚性物质；以太是一种特殊的惯性参照系，光在以太中沿各个方向的传播速度都为太中沿各个方向的传播速度都为c c（真空中的光速）；对（真空中的光速）；对其他相对于以太运动的参照系，光和电磁波的传播速度不其他相对于以太运动的参照系，光和电磁波的传播速度不是是c c。这样，以太参照系便成了。这样，以太参照系便成了“绝对空间绝对空间”，

135、利用在静，利用在静止以太中以恒定速度传播的光信号，又可以确定出宇宙空止以太中以恒定速度传播的光信号，又可以确定出宇宙空间一切地点都同步的间一切地点都同步的“绝对时间绝对时间”。于是，以太就成了牛。于是，以太就成了牛顿绝对时空观的物质化身。顿绝对时空观的物质化身。 66 人们一直试图用实验证实以太的存在。既然以太静止，人们一直试图用实验证实以太的存在。既然以太静止，则从相对于以太运动的物体上来看，好象以太在漂移。地则从相对于以太运动的物体上来看，好象以太在漂移。地球在转动，从地面上看，与地球运动相反方向有球在转动，从地面上看，与地球运动相反方向有“以太风以太风”。只要测定出以太相对于地面的漂移速

136、度，就能证实以。只要测定出以太相对于地面的漂移速度，就能证实以太的存在。到太的存在。到18791879年，虽然有许多学者以不同的方法进行年，虽然有许多学者以不同的方法进行过多次有关以太测量的实验，但都未能测出以太漂移速度。过多次有关以太测量的实验，但都未能测出以太漂移速度。迈克尔逊是当时精密光学测量方面的著名专家，以他名字迈克尔逊是当时精密光学测量方面的著名专家，以他名字命名的干涉仪，其灵敏度达命名的干涉仪，其灵敏度达1010-8-8。他于。他于18811881年第一次在德年第一次在德国进行以太漂移的测量，后来又与化学家莫雷合作改进实国进行以太漂移的测量，后来又与化学家莫雷合作改进实验精度，于

137、验精度，于18871887年在美国进行测量，但得到的都是以太漂年在美国进行测量，但得到的都是以太漂移速度为零的结果。这就是说，没有什么以太风，不同的移速度为零的结果。这就是说，没有什么以太风，不同的方向光速相同。洛伦兹为了解释迈克尔逊方向光速相同。洛伦兹为了解释迈克尔逊- -莫雷实验，竞莫雷实验，竞提出了十一个假设但都不能自圆其说。这意味着寻找特殊提出了十一个假设但都不能自圆其说。这意味着寻找特殊参照系的企图失败，经典物理赖以建立的牛顿的绝对时空参照系的企图失败，经典物理赖以建立的牛顿的绝对时空观遇到严重困难。因此，开尔文把以太漂移的观遇到严重困难。因此，开尔文把以太漂移的“零结果零结果”看作

138、是一朵看作是一朵“乌云乌云”。67 能能量量均均分分定定理理的的困困难难 能能量量均均分分定定理理是是统统计计物物理理的的一一个个重重要要定定理理。由由这这一一定定理理可可以以推推出出固固体体比比热热为为恒恒量量，常常温温下下与与实实验验偏偏离离不不大大，但但在在低低温温下下理理论论与与实实验验出出现现了了明明显显的的矛矛盾盾。把把能能量量均均分分定定理理用用于于热热辐辐射射实实验验规规律律的的解解释释同同样样存存在在问问题题。热热辐辐射射实实验验两两个个定定律律：黑黑体体辐辐射射总总能能量量与与绝绝对对温温度度的的四四次次方方成成正正比比(w= (w= T T4 4) ) ，称称为为斯斯忒忒

139、潘潘- -玻玻尔尔兹兹曼曼定定律律。热热辐辐射射能能量量强强度度最最大大所所对对应应的的波波长长与与温温度度成成反反比比( (m mT T =b)=b)，称称为为维维恩恩位位移移定定律律。18961896年年，维维恩恩从从热热力力学学理理论论出出发发建建立立了了辐辐射射能能量量密密度度的的分分布布公公式式维维恩恩公公式式，但但只只在在短短波波长长、温温度度低低时时才才与与实实验验符符合合。英英国国的的瑞瑞利利根根据据经经典典能能量量均均分分定定理理和和电电磁磁理理论论导导出出了了一一个个辐辐射射能能量量密密度度的的分分布布公公式式瑞瑞利利- -金金斯斯公公式式（金金斯斯于于19051905年年

140、纠纠正正了了一一个个因因子子）。该该公公式式在在长长波波范范围围与与实实验验符符合合很很好好，但但在在波波长长很很短短（紫紫外外端端）时时，辐辐射射能能量量密密度度却却出出现现无无穷穷大大（发发散散）。这这个个结结果果后后来来被被称称为为“紫紫外外灾灾难难”。这就是开尔文所说的第二朵这就是开尔文所说的第二朵“乌云乌云”。 68 3现代物理学革命的开端现代物理学革命的开端 开尔文希望他所提出的两朵乌云在经典物理学的框架开尔文希望他所提出的两朵乌云在经典物理学的框架内很快消散。它们不但没有消散，而且演变成了一场暴内很快消散。它们不但没有消散，而且演变成了一场暴风雨。正是在这两朵乌云里，孕育了两个伟

141、大的革命性风雨。正是在这两朵乌云里，孕育了两个伟大的革命性的理论的理论相对论和量子论。实际上，电子的发现打破了相对论和量子论。实际上，电子的发现打破了原子不可分的传统观念，开辟了原子物理学新领域；放原子不可分的传统观念，开辟了原子物理学新领域；放射性的发现为原子核物理作好了必要的准备；以太漂移射性的发现为原子核物理作好了必要的准备；以太漂移测定的失败为狭义相对论的创立提供了重要依据；经典测定的失败为狭义相对论的创立提供了重要依据；经典理论对热辐射解释所暴露出来的问题是量子理论建立的理论对热辐射解释所暴露出来的问题是量子理论建立的前奏。在世纪之交的年代，物理学正在向微观、高速领前奏。在世纪之交的

142、年代，物理学正在向微观、高速领域进发。域进发。1.4.2 爱因斯坦相对论的建立爱因斯坦相对论的建立 1.狭义相对论的诞生狭义相对论的诞生69 狭义相对论是关于时间、空间和物质运动的理论。它狭义相对论是关于时间、空间和物质运动的理论。它是是2020世纪以来物理学发展最伟大的成就之一。它和量子世纪以来物理学发展最伟大的成就之一。它和量子力学构成了现代物理学及高技术发展的基石。狭义相对力学构成了现代物理学及高技术发展的基石。狭义相对论的建立，对人类时空观、物质观、运动观、宇宙观都论的建立，对人类时空观、物质观、运动观、宇宙观都有重大影响。有重大影响。 在狭义相对论建立之前，洛伦兹和庞加莱做了先行性在

143、狭义相对论建立之前，洛伦兹和庞加莱做了先行性工作，提出了两个惯性系之间的坐标和时间的变换关系工作，提出了两个惯性系之间的坐标和时间的变换关系式即著名的洛伦兹变换。洛伦兹还导出了质量与速度关式即著名的洛伦兹变换。洛伦兹还导出了质量与速度关系以及光速是物体在以太中运动速度的极限。庞加莱表系以及光速是物体在以太中运动速度的极限。庞加莱表述了相对性原理和光速不变原理，已类似于爱因斯坦狭述了相对性原理和光速不变原理，已类似于爱因斯坦狭义相对论的基本原理，但在实质有明显差别。庞加莱承义相对论的基本原理，但在实质有明显差别。庞加莱承认以太的存在，认为只有在静止的以太中光速才严格为认以太的存在，认为只有在静止

144、的以太中光速才严格为c c。他们已经走到了狭义相对论的边缘，只因未能跳出绝对他们已经走到了狭义相对论的边缘，只因未能跳出绝对时空观的框架，而无缘创立狭义相对论。只有爱因斯坦时空观的框架，而无缘创立狭义相对论。只有爱因斯坦能打破传统观念的束缚，凭着自己的独立思考，创立了能打破传统观念的束缚，凭着自己的独立思考，创立了崭新的革命性的物理学理论崭新的革命性的物理学理论相对论。相对论。 70爱因斯坦（Albert Einstein,1879-1955） 爱因斯坦，一位举世闻名的科学家。爱因斯坦，一位举世闻名的科学家。19051905年，年，2626岁的爱因斯坦发表了涉及三个领岁的爱因斯坦发表了涉及三个

145、领域（光量子概念、布朗运动理论、狭义相对域（光量子概念、布朗运动理论、狭义相对论）的四篇重要论文，每一篇论文都足以使论）的四篇重要论文，每一篇论文都足以使他在物理学史上占据不朽的地位。他在物理学史上占据不朽的地位。19161916年发年发表广义相对论。同年还发表了论文表广义相对论。同年还发表了论文关于辐关于辐射的量子理论射的量子理论，提出了自发辐射和受激辐，提出了自发辐射和受激辐射以及跃迁几率的概念，奠定了激光的理论射以及跃迁几率的概念，奠定了激光的理论基础。基础。 19171917年他以广义相对论为基础，开创了现代宇宙年他以广义相对论为基础，开创了现代宇宙学。学。19211921年，因光量子

146、理论获诺贝尔奖。年，因光量子理论获诺贝尔奖。19241924年，建立了年，建立了玻色玻色- -爱因斯坦统计。爱因斯坦统计。19331933年年1010月定居美国。月定居美国。19501950年发表年发表了新的统一场论论文。了新的统一场论论文。19551955年年4 4月逝世。爱因斯坦一生的月逝世。爱因斯坦一生的贡献不仅是相对论，在其他理论物理学领域（包括量子论、贡献不仅是相对论，在其他理论物理学领域（包括量子论、统计理论、激光理论和凝聚态物理）也有非常重要的地位，统计理论、激光理论和凝聚态物理）也有非常重要的地位，以他的成就至少有以他的成就至少有5 5次获得诺贝尔奖的资格次获得诺贝尔奖的资格。

147、71 少年时代的爱因斯坦就萌发了相对论思想。他在少年时代的爱因斯坦就萌发了相对论思想。他在1616岁时就想到了一个追光的理想实验：岁时就想到了一个追光的理想实验：“如果我以光速追如果我以光速追随光线运动，我应该看到这样一条光线，就好象一个在随光线运动，我应该看到这样一条光线，就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是经验还空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是经验还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从这是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从这样一个观察者的观点来判断，一切都应当象一个相对于样一个观察者的观点来判断，一切都应当象一个相对于地球是静止的观察者所看到

148、的那样按照同样的规律进行。地球是静止的观察者所看到的那样按照同样的规律进行。因为，第一个观察者怎么会知道他是处在均匀的快速运因为，第一个观察者怎么会知道他是处在均匀的快速运动状态中了？动状态中了？” ” 充分显示了他高超的才智和敏锐的洞充分显示了他高超的才智和敏锐的洞察力。以后察力。以后1010年，他阅读了洛伦兹的著作，取得了观念年，他阅读了洛伦兹的著作，取得了观念上突破。奥地利马赫关于牛顿绝对时空观的批判，也对上突破。奥地利马赫关于牛顿绝对时空观的批判，也对爱因斯坦的思想产生了深刻的影响。爱因斯坦后来谈到爱因斯坦的思想产生了深刻的影响。爱因斯坦后来谈到迈克尔逊实验零结果对他的影响时说过：迈克

149、尔逊实验零结果对他的影响时说过：“如果承认迈如果承认迈克尔逊的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想克尔逊的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错误的，这是引导我走向相对论的最早想法法就是错误的，这是引导我走向相对论的最早想法”。72 爱爱因因斯斯坦坦终终于于在在19051905年年6 6月月创创立立了了惊惊世世骇骇俗俗的的狭狭义义相相对对论论。这这一一年年，爱爱因因斯斯坦坦发发表表了了论论动动体体的的电电动动力力学学这这一一历历史史性性文文献献，完完整整地地阐阐述述了了狭狭义义相相对对论论，揭揭示示了了空空间间、时时间间的的联联系系，从从而而引引起起了了物物理理学学的的革革命命。

150、他他果果断断地地把把“相相对对性性原原理理”（物物理理规规律律对对所所有有惯惯性性系系都都一一样样）和和“光光速速不不变变原原理理”（在在任任何何惯惯性性系系中中，光光在在真真空空中中速速度度相相同同）两两条条似似乎乎矛矛盾盾的的设设想想作作为为狭狭义义相相对对论论的的基基本本出出发发点点。在在他他的的理理论论里里，以以太太的的概概念念是是多多余余的的，不不需需要要特特设设绝绝对对静静止止的的参参照照系系。爱爱因因斯斯坦坦以以两两个个公公设设导导出出时时空空变变换换关关系系，进进而而又又推推导导出出运运动动物物体体“长长度度缩缩短短”、运运动动的的“时时钟钟变变慢慢”、“同同时时的的相相对对性

151、性”及及新新的的速速度度变变换换法法则则等等。由由此此形形成成了了一一套套全全新新的的时时空空观观，而而且且包包容容了了经经典典时时空空观观。同同年年9 9月月，爱爱因因斯斯坦坦又又发发表表了了另另一一篇篇关关于于相相对对论论的的论论文文物物体体的的惯惯性性同同它它所所含含的的能能量量有有关关吗吗？，提提出出了了著著名名的质能关系的质能关系E=mcE=mc2 2，在理论上为原子能时代开辟了道路。，在理论上为原子能时代开辟了道路。73 2 2广义相对论的创立广义相对论的创立 爱因斯把相对性原理推广到非惯性系，从惯性质量与爱因斯把相对性原理推广到非惯性系，从惯性质量与引力质量相等出发，建立了引力质

152、量相等出发，建立了“等效原理等效原理”（引力场和加（引力场和加速度等效）。他设想，在自由下落的飞船内，宇航员无速度等效）。他设想，在自由下落的飞船内，宇航员无法通过任何力学实验来确定飞船的加速度。这表明，不法通过任何力学实验来确定飞船的加速度。这表明，不仅匀速直线运动有相对性，而且加速运动也有相对性。仅匀速直线运动有相对性，而且加速运动也有相对性。这一广义的运动相对性不仅适用于力学现象，也适用于这一广义的运动相对性不仅适用于力学现象，也适用于其他物理现象，由此确定了其他物理现象，由此确定了“广义的相对性原理广义的相对性原理”（物（物理定律对无论以何种方式运动的参照系都成立）理定律对无论以何种方

153、式运动的参照系都成立） 19151915年，爱因斯坦创立了广义相对论，揭示了空间、年，爱因斯坦创立了广义相对论，揭示了空间、时间、物质、运动的统一性以及几何学和物理学的统一时间、物质、运动的统一性以及几何学和物理学的统一性，解释了引力的本质，为现代天体物理和宇宙学打下性，解释了引力的本质，为现代天体物理和宇宙学打下了重要的基础。广义相对论告诉我们，在引力物体的近了重要的基础。广义相对论告诉我们，在引力物体的近旁，空间和时间要被扭曲，行星的轨道运动并不是由于旁，空间和时间要被扭曲，行星的轨道运动并不是由于什么力的作用，而是由于时空扭曲引起的。基本论点是：什么力的作用，而是由于时空扭曲引起的。基本

154、论点是：引力来源于弯曲引力来源于弯曲。74 爱因斯坦提出了三项关于广义相对论理论的实验检验：爱因斯坦提出了三项关于广义相对论理论的实验检验：水星近日点的进动、光线在引力场中弯曲、光谱线的引力水星近日点的进动、光线在引力场中弯曲、光谱线的引力红移。红移。这已是确证了的事实。这已是确证了的事实。6060年代以来，关于类星体、年代以来，关于类星体、脉冲星、脉冲星、3k3k宇宙微波背景辐射的发现给广义相对论提供了宇宙微波背景辐射的发现给广义相对论提供了有力的支持。迄今为止，广义相对论的应用主要是在宇观有力的支持。迄今为止，广义相对论的应用主要是在宇观领域。领域。1.4.3 量子力学体系的形成量子力学体

155、系的形成 量子力学是研究微观世界的基本理论，与研究高量子力学是研究微观世界的基本理论，与研究高速运动的相对论一道成为了现代物理学的两大理论支速运动的相对论一道成为了现代物理学的两大理论支柱。量子力学的建立使人们的对物质世界的认识实现柱。量子力学的建立使人们的对物质世界的认识实现了从宏观到微观领域的重大飞跃。了从宏观到微观领域的重大飞跃。 1.早期的量子论早期的量子论 早期的量子论有三个主要标志即普朗克能量子假说、早期的量子论有三个主要标志即普朗克能量子假说、爱因斯坦光量子假说和玻尔的氢原子理论爱因斯坦光量子假说和玻尔的氢原子理论。75普朗克（Max K.E.L.Planck,1858-1947

156、） （1）普朗克能量子假说普朗克能量子假说 由于经典物理所导出的公式不由于经典物理所导出的公式不能很好地解释热辐射实验规律，出现了能很好地解释热辐射实验规律，出现了“紫外灾难紫外灾难”。普。普朗克最先在这个问题上取得突破。他设想，辐射空腔内有朗克最先在这个问题上取得突破。他设想，辐射空腔内有数目很多的能与周围电磁场交换能量的谐振子数目很多的能与周围电磁场交换能量的谐振子辐射着的辐射着的物质中心，振子能量只能取分立值且是最小能量单元的整物质中心，振子能量只能取分立值且是最小能量单元的整数倍，其中最小能量单元（能量子）数倍，其中最小能量单元（能量子）=hh（h h的数值为的数值为6.6510-27

157、尔格尔格秒，称为普朗克常量秒，称为普朗克常量),),最后从理论上导最后从理论上导出了与实验相符的普朗克辐射公式出了与实验相符的普朗克辐射公式.1900.1900年年1212月月1414日日, ,普朗普朗克在德国物理学会会议上宣读了他的有关能量子假设和辐克在德国物理学会会议上宣读了他的有关能量子假设和辐射射理论的论文理论的论文, ,这一天被看作量子论的诞生日。这一天被看作量子论的诞生日。 能量子思想完全违反了经典物理学中能量能量子思想完全违反了经典物理学中能量连续的观念。普朗克把不连续性（或量子性、）连续的观念。普朗克把不连续性（或量子性、）引入物理学，使人们对微观领域有了新的认识，引入物理学，

158、使人们对微观领域有了新的认识，对现代物理学的发展产生了革命性的影响。几对现代物理学的发展产生了革命性的影响。几年后，爱因斯坦和玻尔等人的工作，更显示了年后，爱因斯坦和玻尔等人的工作，更显示了能量子的重要意义。能量子的重要意义。76 （2）爱因斯坦光量子理论）爱因斯坦光量子理论 19051905年，爱因斯坦提出了比年，爱因斯坦提出了比能量子概念更具有革命性的光量子假说，圆满地解释了光能量子概念更具有革命性的光量子假说，圆满地解释了光电效应。电效应。19261926年，美国的刘易斯把光量子命名为年，美国的刘易斯把光量子命名为“光子光子”。 光电效应是金属在光的照射下有电子逸出表面的现象。光电效应是

159、金属在光的照射下有电子逸出表面的现象。实验发现：电子逸出金属表面的最大速度与光强无关（经实验发现：电子逸出金属表面的最大速度与光强无关（经典理论典理论: :逸出的动能应与光强成正比逸出的动能应与光强成正比),),存在光的临界频率存在光的临界频率（低于此值，无论多大光强都不会产生光电效应，按经典（低于此值，无论多大光强都不会产生光电效应，按经典理论没有临界值）和光电流产生的瞬时性（经典理论理论没有临界值）和光电流产生的瞬时性（经典理论: :电电子能量有积累过程）子能量有积累过程）. .爱因斯坦提出了光电方程解释了光爱因斯坦提出了光电方程解释了光电效应，含义是：能量为电效应，含义是：能量为hh的光

160、子流射向金属表面，光的光子流射向金属表面，光子被电子吸收，电子克服逸出功脱离表面，余下的是电子子被电子吸收，电子克服逸出功脱离表面，余下的是电子动能，如果光子能量不足以克服逸出功，就不会产生光电动能，如果光子能量不足以克服逸出功，就不会产生光电效应效应. .但爱因斯坦的但爱因斯坦的“光子光子” ” 并非牛顿的光的微粒。爱因并非牛顿的光的微粒。爱因斯坦认为，光量子不是单纯的粒子，它的动量和能量与光斯坦认为，光量子不是单纯的粒子，它的动量和能量与光波频率有关，因此光具有波粒二象性。波频率有关，因此光具有波粒二象性。19161916年，美国的密年，美国的密立根通过实验证实了爱因斯坦光量子理论的正确性

161、立根通过实验证实了爱因斯坦光量子理论的正确性。 77 19231923年，美国物理学家康普顿在研究年，美国物理学家康普顿在研究x x射线对物质的散射线对物质的散射时，发现了散射的射时，发现了散射的x x射线的波长随散射角的不同而变化射线的波长随散射角的不同而变化（康普顿效应）。他假设，光子与静止的自由电子碰撞，（康普顿效应）。他假设，光子与静止的自由电子碰撞，并用相对论动量守恒和能量守恒导出了康普顿散射公式。并用相对论动量守恒和能量守恒导出了康普顿散射公式。康普顿效应既是对光子理论也是对相对论的有力支持。印康普顿效应既是对光子理论也是对相对论的有力支持。印度物理学家玻色，完全脱离经典理论，把辐

162、射视为光子理度物理学家玻色，完全脱离经典理论，把辐射视为光子理想气体，也导出了普朗克公式想气体，也导出了普朗克公式。 （3）玻尔理论玻尔理论 电子的发现使人们认识到原子是有内电子的发现使人们认识到原子是有内部结构的。在此之前，人们把原子看成一个不可分割的整部结构的。在此之前，人们把原子看成一个不可分割的整体。电子带负电，而原子是电中性的，在原子内部必然有体。电子带负电，而原子是电中性的，在原子内部必然有带正电的部分。原子内部正负电荷之间如何作用？原子内带正电的部分。原子内部正负电荷之间如何作用？原子内电子数目有多少？怎样解释分立光谱、元素周期性和放射电子数目有多少？怎样解释分立光谱、元素周期性

163、和放射性？这些都是要解决的问题。为此，人们便提出了许多不性？这些都是要解决的问题。为此，人们便提出了许多不同的原子结构模型同的原子结构模型。 78 汤姆逊提出了实心球模型，假设原子带正电的主体部汤姆逊提出了实心球模型，假设原子带正电的主体部分均匀分布在一球体内，而电子象分均匀分布在一球体内，而电子象“葡萄干葡萄干”一样嵌在球一样嵌在球体内各点。该模型与观察到的氢原子光谱有矛盾，也不能体内各点。该模型与观察到的氢原子光谱有矛盾，也不能解释解释粒子的大角度散射。但它的意义在于打破了原子中粒子的大角度散射。但它的意义在于打破了原子中正负电荷对称的观念。正负电荷对称的观念。 卢瑟福提出了行星模型。卢瑟

164、福在卢瑟福提出了行星模型。卢瑟福在粒子散射实验粒子散射实验中发现，中发现，粒子通过铝铂时，有粒子通过铝铂时，有1/80001/8000的粒子散射角超过的粒子散射角超过90900 0，甚至反弹。他根据实验结果确认，质量很大而体积，甚至反弹。他根据实验结果确认，质量很大而体积很小（半径小于很小（半径小于1010-12-12cmcm）的正电荷（）的正电荷（+ +ZeZe）在原子中心，）在原子中心，电子象行星一样绕核旋转。但该模型结合经典理论不能解电子象行星一样绕核旋转。但该模型结合经典理论不能解释氢原子离散光谱（瑞士一位中学教师巴尔末已经找到了释氢原子离散光谱（瑞士一位中学教师巴尔末已经找到了氢原子

165、可见光谱的计算公式）和原子稳定性。因为电子绕氢原子可见光谱的计算公式）和原子稳定性。因为电子绕核运转时发射电磁波，能量乃至运动半径将连续减小，电核运转时发射电磁波，能量乃至运动半径将连续减小，电子会落到核上，看到的将是连续光谱且原子不稳定（事实子会落到核上，看到的将是连续光谱且原子不稳定（事实上，原子恒古不变，是稳定的）。上，原子恒古不变，是稳定的）。 79玻尔（(N.Bohr,1885-1962） 丹麦著名物理学家玻尔统一了卢瑟福模丹麦著名物理学家玻尔统一了卢瑟福模型、普朗克假说、爱因斯坦光子理论和光谱型、普朗克假说、爱因斯坦光子理论和光谱学知识，创造性地提出了自己的原子结构模学知识，创造性

166、地提出了自己的原子结构模型。玻尔假设：核外电子只能在一系列分立型。玻尔假设：核外电子只能在一系列分立轨道上运动但不辐射电磁波；一条轨道对应轨道上运动但不辐射电磁波；一条轨道对应于一个能量值，原子有能级；轨道要满足角于一个能量值，原子有能级；轨道要满足角动量量子化条件；电子在不同轨道上跃迁时才会产生光的动量量子化条件；电子在不同轨道上跃迁时才会产生光的辐射和吸收，相应的光波频率由两轨道能量差确定辐射和吸收，相应的光波频率由两轨道能量差确定。 他运用经典力学和量子化条件，得到了氢原子定态能他运用经典力学和量子化条件，得到了氢原子定态能量，成功地解释了氢原子光谱。玻尔模型虽然能很好地解量，成功地解释

167、了氢原子光谱。玻尔模型虽然能很好地解释氢原子和类氢离子光谱，但不能计算谱线强度。索末菲释氢原子和类氢离子光谱，但不能计算谱线强度。索末菲对玻尔理论作了全面推广和相对论修正，由此带来了角量对玻尔理论作了全面推广和相对论修正，由此带来了角量子数、能级简并概念及光谱精细结构。子数、能级简并概念及光谱精细结构。1912-19141912-1914年，劳年，劳厄、巴拉克、莫塞莱、西格班等人对原子内部厄、巴拉克、莫塞莱、西格班等人对原子内部x x射线辐射射线辐射进行了仔细的实验研究，揭示出了原子内部电子壳层结构，进行了仔细的实验研究，揭示出了原子内部电子壳层结构，确定了各元素原子序数与核电荷数相等的性质确

168、定了各元素原子序数与核电荷数相等的性质。 80 玻尔理论由于没有从根本上脱离经典框玻尔理论由于没有从根本上脱离经典框架，量子化条件的引入在逻辑上也不自洽，架，量子化条件的引入在逻辑上也不自洽，因而有明显的局限性。玻尔理论被人说成是因而有明显的局限性。玻尔理论被人说成是“量子观念和经典力学的混合物量子观念和经典力学的混合物”，不是彻，不是彻底的量子论。但其底的量子论。但其“定态定态”“跃迁跃迁”“能级能级”却是后来量子力学的基本概念却是后来量子力学的基本概念。 2.量子力学量子力学 量子力学体系是建立在物质波基础之上的。量子力学体系是建立在物质波基础之上的。（1 1）物质波）物质波 192419

169、24年，法国青年物理学家德布罗意在爱因年，法国青年物理学家德布罗意在爱因斯坦光的波粒二象性的启发下，提出了实物粒子的波动斯坦光的波粒二象性的启发下，提出了实物粒子的波动性假设，得出实物粒子波长和动量的关系性假设，得出实物粒子波长和动量的关系=h/ph/p。同时。同时指出，通过电子在晶体上的衍射，应当看到这种假定的指出，通过电子在晶体上的衍射，应当看到这种假定的波。波。19271927年，美国科学家戴维逊和革末在镍单晶样品上年，美国科学家戴维逊和革末在镍单晶样品上实现了电子衍射，英国的实现了电子衍射，英国的GPGP汤姆孙（汤姆孙（JJJJ汤姆孙的儿汤姆孙的儿子）通过多晶薄膜实现了电子衍射。这使得

170、人们确信了子）通过多晶薄膜实现了电子衍射。这使得人们确信了波粒二象性是物质（包括实物和场）的普遍属性波粒二象性是物质（包括实物和场）的普遍属性。德布罗意(Louis de Broglie,1892-1987)81 （2）量子力学理论体系）量子力学理论体系 量子力学是研究量子力学是研究原子、分子、凝聚态以及原子核和基本粒子原子、分子、凝聚态以及原子核和基本粒子的基本理论，它和相对论并称是的基本理论，它和相对论并称是2020世纪物理世纪物理学史上的最大事件。它的建立是基于德布罗学史上的最大事件。它的建立是基于德布罗意物质波的假设。德国的海森伯和薛定谔分意物质波的假设。德国的海森伯和薛定谔分别以不同

171、角度、不同思路建立了量子力学理别以不同角度、不同思路建立了量子力学理论。论。19251925年海森伯以不连续粒子为基本概念年海森伯以不连续粒子为基本概念,薛定谔（Erwin Schrodinger,1887-1961） 建立了矩阵力学。建立了矩阵力学。19261926年，薛定谔以年，薛定谔以“连续连续”的波为概念，的波为概念，采用微分方程，建立了波动力学。尽管两种力学在外观上采用微分方程，建立了波动力学。尽管两种力学在外观上很不同，但实质都是关于微观运动的理论。波动力学和矩很不同，但实质都是关于微观运动的理论。波动力学和矩阵力学统称为量子力学。由于人们对薛定谔波动力学所用阵力学统称为量子力学。

172、由于人们对薛定谔波动力学所用的数学方法比较熟悉和易掌握，因此薛定谔波动力学被认的数学方法比较熟悉和易掌握，因此薛定谔波动力学被认为是量子力学的一般适用形式为是量子力学的一般适用形式。 82 19281928年，狄拉克又将相对论和量子力学统一起来，建年，狄拉克又将相对论和量子力学统一起来，建立了电子的相对论性运动方程即狄拉克方程，为相对论量立了电子的相对论性运动方程即狄拉克方程，为相对论量子力学奠定了基础。该方程很自然地解释了电子自旋，并子力学奠定了基础。该方程很自然地解释了电子自旋，并预言了正负电子对的产生与湮没。预言了正负电子对的产生与湮没。19251925年，泡利不相容原年，泡利不相容原理

173、、电子自旋是矩阵力学之外的另外两大发现。泡利指出，理、电子自旋是矩阵力学之外的另外两大发现。泡利指出，一个完全确定的量子态中至多只能有一个电子一个完全确定的量子态中至多只能有一个电子, ,确定电子确定电子态需要三个量子数（分别决定能量、角动量及角动量取向）态需要三个量子数（分别决定能量、角动量及角动量取向）之外，还需第四个量子数。玻尔为了说明元素周期表，提之外，还需第四个量子数。玻尔为了说明元素周期表，提出了原子能量最小原理即原子中的一个电子轨道只容纳两出了原子能量最小原理即原子中的一个电子轨道只容纳两个电子且电子从低能轨道向高能轨道填充。泡利和玻尔的个电子且电子从低能轨道向高能轨道填充。泡利

174、和玻尔的思想促使荷兰青年物理学家乌伦贝克和古兹密特提出电子思想促使荷兰青年物理学家乌伦贝克和古兹密特提出电子自旋假设自旋假设, ,第四个量子数即电子自旋量子数（取第四个量子数即电子自旋量子数（取1/21/2，自旋，自旋取向量子数取取向量子数取1/2)1/2)，从而使光谱精细结构、斯特恩，从而使光谱精细结构、斯特恩- -盖拉盖拉赫实验等问题迎刃而解。电子自旋被纳入了量子力学体系，赫实验等问题迎刃而解。电子自旋被纳入了量子力学体系，以后自旋成了微观物理学中的重要概念。以后自旋成了微观物理学中的重要概念。 1925-19281925-1928，量子力学的宏伟大厦宣告落成。量子力学的宏伟大厦宣告落成。

175、831.4.4 20世纪物理学的飞速发展世纪物理学的飞速发展 量子力学和相对论的建立、应用促进了物理学的快速量子力学和相对论的建立、应用促进了物理学的快速发展，同时经典物理学也焕发了青春。发展，同时经典物理学也焕发了青春。2020世纪随着物理学世纪随着物理学的发展，从物理学中不断分化出名目繁多的新的分支学科的发展，从物理学中不断分化出名目繁多的新的分支学科如原子分子物理、核物理和粒子物理、凝聚态物理、低温如原子分子物理、核物理和粒子物理、凝聚态物理、低温物理、激光物理、非线性物理、计算物理、电子物理、无物理、激光物理、非线性物理、计算物理、电子物理、无线电物理、等离子物理、半导体物理等。物理学

176、与其他自线电物理、等离子物理、半导体物理等。物理学与其他自然科学和技术科学的结合又形成了许多边缘学科如天体物然科学和技术科学的结合又形成了许多边缘学科如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理、材料物理、大气物理、地球物理、化学物理、生物物理、材料物理、大气物理、海洋物理、信息物理、量子化学、量子生物学、分子理、海洋物理、信息物理、量子化学、量子生物学、分子生物学等，冠以生物学等，冠以“物理物理”类头衔的学科越来越多。类头衔的学科越来越多。 2020世纪涌现出来的高科技如信息科学、材料科学、世纪涌现出来的高科技如信息科学、材料科学、核能技术、空间技术、军事科学技术都渊源于物理学基础核能技术、空间

177、技术、军事科学技术都渊源于物理学基础理论。现代物理学已在微观、宏观、复杂系统乃至生命系理论。现代物理学已在微观、宏观、复杂系统乃至生命系统，把人类对自然界的认识引向了前所未有的高度统，把人类对自然界的认识引向了前所未有的高度。84 2020世纪，在物理学各个领域都有接连不断的激动人心世纪，在物理学各个领域都有接连不断的激动人心的新发现和新成就。的新发现和新成就。在微观领域，在微观领域，自汤姆逊发现电子、自汤姆逊发现电子、1 1卢瑟福发现质子以后，卢瑟福发现质子以后，19321932年，英国的查德威克又发现了年，英国的查德威克又发现了中子。还有许多核物理现象的各种发现，逐渐形成了原子中子。还有许

178、多核物理现象的各种发现，逐渐形成了原子核物理理论。核物理理论。19321932年，美国的安德森发现了正电子。正电年，美国的安德森发现了正电子。正电子的发现是人类认识反粒子的开端。子的发现是人类认识反粒子的开端。2020世纪世纪5050年代后，又年代后，又发现了更多的反粒子。到目前为止，已发现宇宙中物质基发现了更多的反粒子。到目前为止，已发现宇宙中物质基本粒子达数百种。本粒子达数百种。19641964年，盖尔曼提出夸克是构成核子的年，盖尔曼提出夸克是构成核子的更基本的粒子。更基本的粒子。在宇观领域，在宇观领域，对宇宙的探索逐渐形成了宇对宇宙的探索逐渐形成了宇宙演化的标准模型宙演化的标准模型大爆炸

179、宇宙模型：宇宙起源于一次最大爆炸宇宙模型：宇宙起源于一次最初事件，那时温度极高、密度极大，既没有原子和分子，初事件，那时温度极高、密度极大，既没有原子和分子，更没有星系和恒星；随着宇宙不断膨胀，温度下降，发生更没有星系和恒星；随着宇宙不断膨胀，温度下降，发生一系列相变，进而形成万物。粒子物理学家用大统一、超一系列相变，进而形成万物。粒子物理学家用大统一、超大统一理论描述温度极高的早期宇宙状态。这样，物理学大统一理论描述温度极高的早期宇宙状态。这样，物理学中研究最大对象的宇宙学和研究最小对象的粒子物理学便中研究最大对象的宇宙学和研究最小对象的粒子物理学便紧密地联结在一起了紧密地联结在一起了。 8

180、5 此外，此外，凝聚态物理凝聚态物理（研究大量分子、原子或离子聚集（研究大量分子、原子或离子聚集而成的固态和液态物质而成的固态和液态物质凝聚态物质的物理性质、微观结凝聚态物质的物理性质、微观结构、粒子运动形态及相互关系的学科）是当今物理学中发构、粒子运动形态及相互关系的学科）是当今物理学中发展最快、规模庞大、应用最广、内容最丰富的一个重要学展最快、规模庞大、应用最广、内容最丰富的一个重要学科分支。其中凝聚态结构理论、超导理论、导电理论、磁科分支。其中凝聚态结构理论、超导理论、导电理论、磁学理论、表面物理、固体发光、液态物理及低维物理的研学理论、表面物理、固体发光、液态物理及低维物理的研究成果最

181、为引人注目。另一个学科分支究成果最为引人注目。另一个学科分支非线性物理包括非线性物理包括混沌、分形、耗散结构等理论也已渗透到数学、天文学、混沌、分形、耗散结构等理论也已渗透到数学、天文学、生物学、生命科学、气象科学、环境科学等众多领域。各生物学、生命科学、气象科学、环境科学等众多领域。各个物理学学科分支的研究都十分活跃，而且在技术上获得个物理学学科分支的研究都十分活跃，而且在技术上获得了广泛的应用。当代物理学研究日益呈现出综合性、深入了广泛的应用。当代物理学研究日益呈现出综合性、深入性、复杂性、交叉性、创新性和可应用性等特点性、复杂性、交叉性、创新性和可应用性等特点。 以研究物质结构和运动的基

182、本规律为目标的物理学将以研究物质结构和运动的基本规律为目标的物理学将始终处于整个自然科学发展的前沿，自然界无穷的奥妙等始终处于整个自然科学发展的前沿，自然界无穷的奥妙等待着人们去探索，未来物理学的发展将永无止境待着人们去探索，未来物理学的发展将永无止境。86 1.5 物理学对人类社会文明的贡献物理学对人类社会文明的贡献 物理学对人类社会文明的作用和贡献主要体现在两个物理学对人类社会文明的作用和贡献主要体现在两个方面，一是对人的自然观产生深刻的影响。二是不断地方面，一是对人的自然观产生深刻的影响。二是不断地推动了人类社会的物质文明和技术进步推动了人类社会的物质文明和技术进步。1.5.1 物理学的

183、发展改变了人的自然观物理学的发展改变了人的自然观 物理学作为一种知识体系，它以尊重客观事实、推崇物理学作为一种知识体系，它以尊重客观事实、推崇科学理念、追求和谐统一的观念，改变着人的思维方式。科学理念、追求和谐统一的观念，改变着人的思维方式。物理学的发展促使人们的自然观不断深化。物理学是人物理学的发展促使人们的自然观不断深化。物理学是人类战胜愚昧的武器，是认识世界和改造世界的原动力。类战胜愚昧的武器，是认识世界和改造世界的原动力。物理学对自然的解释和对自然规律的发现实现了从对自物理学对自然的解释和对自然规律的发现实现了从对自然界愚昧的认识到古代朴素的自然观、再到机械自然观然界愚昧的认识到古代朴

184、素的自然观、再到机械自然观以至现代科学自然观的多次飞跃。物理学的观点、理论、以至现代科学自然观的多次飞跃。物理学的观点、理论、思维和研究方法和它的科学的思想精神渗透到社会科学思维和研究方法和它的科学的思想精神渗透到社会科学和哲学等领域，对人们的世界观的转变必然产生积极的和哲学等领域，对人们的世界观的转变必然产生积极的影响。影响。 87 物理学对经济和技术的促进作用，使人类的生产方式物理学对经济和技术的促进作用，使人类的生产方式和人们的生活观念也发生了巨大变化。和人们的生活观念也发生了巨大变化。 从亚里士多德关于物体运动的解释到力和力的本质从亚里士多德关于物体运动的解释到力和力的本质的理解再到基

185、本相互作用的认识，从托勒密地心说到哥白的理解再到基本相互作用的认识，从托勒密地心说到哥白尼日心说再到现代宇宙观，从中国和古希腊的关于万物本尼日心说再到现代宇宙观，从中国和古希腊的关于万物本原的认识到原子分子学说再到波粒二象性以及场和基本粒原的认识到原子分子学说再到波粒二象性以及场和基本粒子的认识，人们对宇宙万物起源、物质结构、物质本性、子的认识，人们对宇宙万物起源、物质结构、物质本性、运动和相互作用的理解经历了一次又一次的观念的转变。运动和相互作用的理解经历了一次又一次的观念的转变。相对论改变了人们对时间、空间和运动的认识。科学革命相对论改变了人们对时间、空间和运动的认识。科学革命从物理学开始

186、，使人的思想从封建神学中的束缚中解放出从物理学开始，使人的思想从封建神学中的束缚中解放出来、以科学的理性去认识大自然的规律，这对于人类的整来、以科学的理性去认识大自然的规律，这对于人类的整个思想文化都产生了历史性的影响。个思想文化都产生了历史性的影响。 88 物理学研究扩展了关于大自然知识的疆界，物理学理物理学研究扩展了关于大自然知识的疆界，物理学理论的发展已在多个方面把人类对自然界的认识提升到一个论的发展已在多个方面把人类对自然界的认识提升到一个前所未有的高度。在微观领域内的研究已深入到基本粒子前所未有的高度。在微观领域内的研究已深入到基本粒子和亚核世界并引起了人们测量观、因果观的深刻变革。

187、在和亚核世界并引起了人们测量观、因果观的深刻变革。在宇观领域内的研究已扩展到宇观领域内的研究已扩展到10102626m m的宇宙范围和的宇宙范围和10101717s s的宇的宇宙纪元并引起了人们时空观、宇宙观的变化。在宏观领域宙纪元并引起了人们时空观、宇宙观的变化。在宏观领域内的研究涉及到物质形态和运动形式多样性、复杂性，凝内的研究涉及到物质形态和运动形式多样性、复杂性，凝聚态和混沌现象等研究成果对已有知识体系形成了巨大冲聚态和混沌现象等研究成果对已有知识体系形成了巨大冲击。尤其是近年来在介观领域内的研究击。尤其是近年来在介观领域内的研究( (如原子团簇、纳如原子团簇、纳米结构米结构) )又拓

188、宽了人们对自然的认识范围。物理学也扩展又拓宽了人们对自然的认识范围。物理学也扩展和提高了人们对其它学科的理解如化学、生物学、农业科和提高了人们对其它学科的理解如化学、生物学、农业科学、环境科学、地球科学、天文学、宇宙学等，使人们对学、环境科学、地球科学、天文学、宇宙学等，使人们对自然界的认识更加全面而深入自然界的认识更加全面而深入。89 1.5.2 物理学是技术革命的源泉和动力物理学是技术革命的源泉和动力 物理学是各种技术学科和工程学科的共同基础。物理学物理学是各种技术学科和工程学科的共同基础。物理学的研究成果通过技术的方式直接转化为生产力，从根本上的研究成果通过技术的方式直接转化为生产力，从

189、根本上改变了人类的生产与生活方式，极大地推动了人类社会的改变了人类的生产与生活方式，极大地推动了人类社会的发展与进步。发展与进步。 1.力学和热学直接促进了第一次技术革命力学和热学直接促进了第一次技术革命 开始于十八世纪的第一次技术革命的主要标志是蒸汽机开始于十八世纪的第一次技术革命的主要标志是蒸汽机的发明和使用。蒸汽机的发明和改进以及动力机械技术吸的发明和使用。蒸汽机的发明和改进以及动力机械技术吸取了当时许多物理学（力学和热学）研究成果。在力学和取了当时许多物理学（力学和热学）研究成果。在力学和热学理论的指导下，蒸汽动力技术和机械技术的发明与改热学理论的指导下，蒸汽动力技术和机械技术的发明与

190、改进，极大地推动了机械加工业、航海业、纺织业、交通运进，极大地推动了机械加工业、航海业、纺织业、交通运输业、矿业以及军事技术等各行业的迅速发展输业、矿业以及军事技术等各行业的迅速发展。 2经典电磁理论的创立为第二次技术革命开经典电磁理论的创立为第二次技术革命开 辟辟了道路了道路90 以电的发明和使用为主要标志的第二次技术革命发以电的发明和使用为主要标志的第二次技术革命发生于十九世纪生于十九世纪7070年代。从此，人类开始了以电动力、电年代。从此，人类开始了以电动力、电照明、无线电通信为基础的现代文明生活，电气化时代照明、无线电通信为基础的现代文明生活，电气化时代随即取代了机械化时代。经典电磁学

191、理论是电工电子技随即取代了机械化时代。经典电磁学理论是电工电子技术、电机电器制造、电力传输技术、有线和无线电通信、术、电机电器制造、电力传输技术、有线和无线电通信、光学、微波和红外技术、电光源技术等技术领域的基础。光学、微波和红外技术、电光源技术等技术领域的基础。没有电磁学理论，就不可能有第二次技术革命没有电磁学理论，就不可能有第二次技术革命。 3.以相对论和量子力学为基石的近代物理学引以相对论和量子力学为基石的近代物理学引发了第三次技术革命发了第三次技术革命 2020世纪世纪4040年代，人类社会迎来了以原子能、计算机和年代，人类社会迎来了以原子能、计算机和空间技术为主要标志的第三次技术革命

192、。随之而来的是空间技术为主要标志的第三次技术革命。随之而来的是一系列高新技术如半导体与微电子、激光、超导、新能一系列高新技术如半导体与微电子、激光、超导、新能源技术、空间技术、海洋技术、信息技术、生物工程技源技术、空间技术、海洋技术、信息技术、生物工程技术、新材料技术等迅猛崛起。半个多世纪以，各种高科术、新材料技术等迅猛崛起。半个多世纪以，各种高科技产业的形成和发展，使世界面貌发生了翻天覆地的变技产业的形成和发展，使世界面貌发生了翻天覆地的变化。高新技术的理论基础是物理学尤其是近代物理学化。高新技术的理论基础是物理学尤其是近代物理学。911.5.3 物理学与技术进步的关系物理学与技术进步的关系

193、 物理学和技术的发展有着互相依赖、互相推动的关系。物理学和技术的发展有着互相依赖、互相推动的关系。在历史上，物理学与技术的相互关系曾表现出两种模式。在历史上，物理学与技术的相互关系曾表现出两种模式。对以蒸汽机的使用为特征的第一次技术革命来说，尽管蒸对以蒸汽机的使用为特征的第一次技术革命来说，尽管蒸汽机的发明吸取了早期物理学的研究成果，但更多的是生汽机的发明吸取了早期物理学的研究成果，但更多的是生产和技术向物理学提出问题和挑战，从而促进物理学理论产和技术向物理学提出问题和挑战，从而促进物理学理论的发展。反过来，物理学又更深刻地影响技术的进步和生的发展。反过来，物理学又更深刻地影响技术的进步和生产

194、力的发展。这就是所谓的产力的发展。这就是所谓的“生产、技术生产、技术物理物理技术、技术、生产生产”的发展模式的发展模式。 从根本上改变人类社会面貌的是第二种发展模式即从根本上改变人类社会面貌的是第二种发展模式即“物理物理技术、生产技术、生产物理物理”，这在第二次和第三次技术革这在第二次和第三次技术革命中充分体现了出来。在这种模式中，开始基本上是对自命中充分体现了出来。在这种模式中，开始基本上是对自然现象、规律的探索和知识的积累，并没有实际的应用目然现象、规律的探索和知识的积累，并没有实际的应用目的。一旦物理学理论被人们所掌握并得到应用，将带来技的。一旦物理学理论被人们所掌握并得到应用，将带来技

195、术的巨大进步，技术进步又将物理学推向一个新的发展起术的巨大进步，技术进步又将物理学推向一个新的发展起点点。 92 例如，电磁学理论导致了以电气化、无线电通讯为特例如，电磁学理论导致了以电气化、无线电通讯为特征的第二次技术革命。第三次技术革命所诞生的高新技术，征的第二次技术革命。第三次技术革命所诞生的高新技术，无一不需要前期的物理学理论和实验知识的积累。没有爱无一不需要前期的物理学理论和实验知识的积累。没有爱因斯坦的相对论质能关系以及量子力学和核物理的研究成因斯坦的相对论质能关系以及量子力学和核物理的研究成果，就不会有原子能。没有爱因斯坦的受激辐射理论，就果，就不会有原子能。没有爱因斯坦的受激辐

196、射理论，就不会有激光技术。没有量子力学以及固体理论、半导体理不会有激光技术。没有量子力学以及固体理论、半导体理论，就不会有晶体管，也不会有大规模集成电路和今天的论，就不会有晶体管，也不会有大规模集成电路和今天的信息技术。然而，现代物理学发展十分迅速，物理分支学信息技术。然而，现代物理学发展十分迅速，物理分支学科和边缘学科大量涌现，也得益于技术进步。科和边缘学科大量涌现，也得益于技术进步。 物理学是现代科学技术的基础，反过来科学技术又物理学是现代科学技术的基础，反过来科学技术又促进了物理学的发展。物理学在过去、现在乃至今后都处促进了物理学的发展。物理学在过去、现在乃至今后都处于中心学科的地位。它将不断推出新思想、新原理和新方于中心学科的地位。它将不断推出新思想、新原理和新方法，孕育着高新技术和新兴产业的生长点，其发展关系到法，孕育着高新技术和新兴产业的生长点，其发展关系到整个社会的进步和变化。物理与技术相互促进，是推动人整个社会的进步和变化。物理与技术相互促进，是推动人类社会向前发展的强大动力。类社会向前发展的强大动力。93