物理学思想史和方法论物理学史PPT

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1、 第一篇第一篇 古代物理学古代物理学 - -启明之光启明之光第一章第一章 中国古代的物理学萌芽中国古代的物理学萌芽第二章第二章 西方古代古代物理学进展西方古代古代物理学进展1第一章第一章 中国古代的物理学萌芽中国古代的物理学萌芽第一节：物质本原思想第一节：物质本原思想一元素与原子的观点一元素与原子的观点1.阴阳学说阴阳学说2.五行思想五行思想（3.原子的观点）原子的观点）二二元气说元气说第二节：物理学知识的积累第二节：物理学知识的积累一一.力学力学二二.热学热学三三.光学光学四四.电磁学电磁学五五.声学声学六六.天文学天文学2概况概况 在古代，无论是古希腊还是中国，都谈不上有在古代，无论是古希

2、腊还是中国，都谈不上有“物理学物理学”。当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不。当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成和发展的成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成和发展的先导和渊源。是物理学发展的孕育和萌芽时期。先导和渊源。是物理学发展的孕育和萌芽时期。 在中国，在中国，自夏、商、西周起自夏、商、西周起，随着手工技术的发展，随着手工技术的发展，物理知识开始积累。物理知识开始积累。春秋战国时期春秋战国时期科学技术蓬勃发展，

3、中科学技术蓬勃发展，中国古代物理学开始形成国古代物理学开始形成 ；秦汉时期秦汉时期，形成一个发展高峰；，形成一个发展高峰；宋元时期宋元时期达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。明末至清初明末至清初以后以后，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期，西方物理知识开始向中国输入。西方物理知识开始向中国输入。3一一. .元素与原子的观点元素与原子的观点 1. 1. 阴阳学说阴阳学说 阴阳是中国古代哲学的一对范畴。阴阳的最初涵义

4、是表阴阳是中国古代哲学的一对范畴。阴阳的最初涵义是表示阳光的向背，向日为阳，背日为阴。示阳光的向背，向日为阳，背日为阴。 后来，又给它赋予了一定的意义后来，又给它赋予了一定的意义，把自然界和社会上一，把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳，用阴阳概念来解释自然界两种对切对立的现象抽象为阴阳，用阴阳概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力，用来解释天文气象、四季变化、立和相互消长的物质势力，用来解释天文气象、四季变化、万物兴衰等自然现象。万物兴衰等自然现象。 如气候的寒暖，方位的上下、左右、内外，运动状态的如气候的寒暖，方位的上下、左右、内外，运动状态的躁动和宁静，以及天地、男女、昼夜、君

5、臣、夫妻等。躁动和宁静，以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等。 阳代表阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、太阳等阳性和具有这些特征的事物；太阳等阳性和具有这些特征的事物； 阴代表阴代表消极、退让、柔弱、消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、下降、寒冷、晦暗、雌性、雌性、月亮等阴性和具有这些特征的事物。月亮等阴性和具有这些特征的事物。第一节：物质本原思想第一节：物质本原思想4 认为：认为：阴阳的对立统一运动，是自然界一切事物发生、发阴阳的对立统一运动，是自然界一切事物发生、发展、变化及消亡的根本原因。是自然界一切事物运动变化的固展、变化及消亡的根

6、本原因。是自然界一切事物运动变化的固有规律。阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律。有规律。阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律。阴阳学说的阴阳学说的基本内容基本内容包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消长和阴阳转化四个方面。长和阴阳转化四个方面。 “阴阳有序、整体和谐阴阳有序、整体和谐”是世间的最佳状态，也是是世间的最佳状态，也是事物稳定的基本保证。事物稳定的基本保证。5 周易周易以阴阳的范畴为基础，说明天地变化及各种现以阴阳的范畴为基础，说明天地变化及各种现象：象：“易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦”（易经（易经系辞上）。意思

7、是：宇宙的的本原是系辞上）。意思是：宇宙的的本原是太极太极（物（物质的原始状态），太极生出天地（阴阳），天地生出四时质的原始状态），太极生出天地（阴阳），天地生出四时（春、夏、秋、冬），再生出（春、夏、秋、冬），再生出八卦八卦（天、地、山、泽、水、（天、地、山、泽、水、火、风、雷）。火、风、雷）。 白纸白纸称为无极，画上一个称为无极，画上一个圆圈圆圈，称为无极生太极（宇宙），中间一条称为无极生太极（宇宙），中间一条曲线分成黑白两个部分，称为太极生曲线分成黑白两个部分，称为太极生两仪，中间的两仪，中间的曲线曲线表示了阴阳的相互表示了阴阳的相互运动和相互转化。黑白两个半球中各运动和相互转化。黑白两

8、个半球中各有一个与之颜色相反的有一个与之颜色相反的小圆圈小圆圈，称为，称为阴阳子，表示阴中有阳，阳中有阴。阴阳子，表示阴中有阳，阳中有阴。 6四象和阴阳的组合再生四象和阴阳的组合再生八卦八卦：乾、坤、震、撰、坎、离、艮：乾、坤、震、撰、坎、离、艮（gngn）、兑。）、兑。 八卦八卦则是其形式化和符号化：则是其形式化和符号化：为阴，为阴，为阳为阳，分，分别称作别称作阴爻（阴爻（yo)yo)和和阳爻阳爻，阴爻和阳爻的组合构成，阴爻和阳爻的组合构成四象四象：22237周易是以阴（阴爻）、阳（阳爻周易是以阴（阴爻）、阳（阳爻）为基本单位而）为基本单位而形成的一种对事物的理论性把握。阴与阳二单位的不同组

9、合形成的一种对事物的理论性把握。阴与阳二单位的不同组合形成八卦，将八卦中之任意两卦叠合即形成六十四卦。形成八卦，将八卦中之任意两卦叠合即形成六十四卦。每卦每卦有六爻，共组成有六爻，共组成384爻。八卦的卦、爻、位之间，有复杂的关爻。八卦的卦、爻、位之间，有复杂的关系，系，64卦的卦象变化和爻数就更加复杂，它反映了事物之间卦的卦象变化和爻数就更加复杂，它反映了事物之间错综复杂的相互关系。错综复杂的相互关系。在易学中，事物的性质即由阴与阳所在易学中，事物的性质即由阴与阳所占整体成份之多少及阴阳空间相对位置关系所决定。占整体成份之多少及阴阳空间相对位置关系所决定。8. .五行思想五行思想 五行五行：

10、金、木、水、火、土五种基本物质或元素。：金、木、水、火、土五种基本物质或元素。“水曰水曰炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑。”（尚书（尚书洪范）洪范） 构成构成：世界万物皆由上述五种元素构成。：世界万物皆由上述五种元素构成。“以土与金、木、以土与金、木、火、水杂，以成百物火、水杂，以成百物”（国语（国语郑语）。郑语）。 相互关系相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。火、火生金；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。 发展：发展：五行说的起源早于五行说的

11、起源早于“太极太极”和和“道道” ，在殷末已普遍流传；春秋战国时期，五行说与在殷末已普遍流传；春秋战国时期，五行说与阴阳说相结合，形成了阴阳五行说，形成了五阴阳说相结合，形成了阴阳五行说，形成了五行相生相克的关系。宋代以后，五行作为由太行相生相克的关系。宋代以后，五行作为由太极到万物的中间环节，被容纳于宇宙生成体系极到万物的中间环节，被容纳于宇宙生成体系之中。宇宙由太极而生，太极生出阴阳，阴阳之中。宇宙由太极而生，太极生出阴阳，阴阳生出五行，五行相互作用，生出男女及世间万生出五行，五行相互作用，生出男女及世间万物。物。和西方比较：和西方比较：古希腊的四根说，古印度的四大说，无金。古希腊的四根说

12、，古印度的四大说，无金。91. 1. 概述：概述：中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成，而不像的物质所构成，而不像“五形说五形说”是各种元素的组合。在是各种元素的组合。在“道道”和和“太极太极”的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说元气说”。 春秋战国时期，春秋战国时期，老子老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气，认为由最高

13、范畴的道生出阴阳二气，进而产生万物。进而产生万物。庄子庄子继承和发扬老子的学说，提出继承和发扬老子的学说，提出“通天下通天下一气一气”的思想。战国末期的的思想。战国末期的荀（荀（xnxn）况）况也指出气是构成万也指出气是构成万物的基本元素。物的基本元素。 元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐、元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了“元气自然论元气自然论”；由；由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了宋

14、代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论元气本体论”。二二 元气说元气说102 2“元气说元气说”的主要思想的主要思想气是充满整个宇宙气是充满整个宇宙 客观存在的物质，是万物本原。客观存在的物质，是万物本原。 王充在论衡中说：王充在论衡中说：“天地，含气之自然也。天地，含气之自然也。”论论衡衡 谈天，谈天，“天地合气，万物自生天地合气，万物自生”论衡论衡 自然。自然。 王充（王充（27-27-约约9797）：）：东汉时期的唯物主义哲学家和进步东汉时期的唯物主义哲学家和进步思想家，创立了以气为基础的元气自然论。主要著作有论思想家，创立了以气为基础的元气自然论。主要著作有论衡，共衡，共30

15、30卷，卷，8585篇，涉及力学、声学、光学、热学、电磁篇，涉及力学、声学、光学、热学、电磁学等多方面的知识，是我国中古时期的一部百科全书。学等多方面的知识，是我国中古时期的一部百科全书。气有聚散两态，太虚为气，气形转化气有聚散两态，太虚为气，气形转化 张载（张载（1020102010771077，宋）：，宋）：“太虚者，气之体太虚者，气之体形聚形聚为物，形溃反原为物，形溃反原”正蒙正蒙 乾称乾称 王夫之王夫之（1619161916921692，明末清初，明末清初) )：“虚空者，气之量，虚空者，气之量，气弥沦无崖而希微不形，则人见虚空而不见气。凡虚空者，气弥沦无崖而希微不形，则人见虚空而不见

16、气。凡虚空者，气也。气也。聚则显，显则人谓之有；散则隐，隐则人谓之无聚则显，显则人谓之有；散则隐，隐则人谓之无。”张子正蒙注张子正蒙注太和。太和。11气分阴阳，永远处于运动变化之中气分阴阳，永远处于运动变化之中物质不灭思想物质不灭思想 王夫之张子正蒙注王夫之张子正蒙注太和：气太和：气“散而归于太虚，复其散而归于太虚，复其氤氲之本体，非消灭也。聚而为庶物之生，自氤氲之常性，氤氲之本体，非消灭也。聚而为庶物之生，自氤氲之常性，非幻成也非幻成也”“”“聚散变化，而气本体不为之损益聚散变化，而气本体不为之损益。”；“车薪车薪之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木，水者之火，一烈而尽，而为焰，为

17、烟，为烬，木者仍归木，水者仍归水，土者仍归土，特希微而人不见者。仍归水，土者仍归土，特希微而人不见者。”；“一甑一甑（zengzeng）之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若盖严密，）之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若盖严密，则郁而不散。则郁而不散。”123.3.元气说的局限、以太和场元气说的局限、以太和场 元气学说注重元气学说注重物质连续与不连续的相互统一，强调事物间物质连续与不连续的相互统一，强调事物间的相互联系和相互转化。符合自然界的真实变化，与自然本性的相互联系和相互转化。符合自然界的真实变化，与自然本性更接近。但元气说终究是一种思辩理论，没有实验、数学等科更接近。但元气说终究是一

18、种思辩理论，没有实验、数学等科学方法的配合，长期停留在推测、玄想阶段，致使中国没有走学方法的配合，长期停留在推测、玄想阶段，致使中国没有走上诞生近代科学的道路。上诞生近代科学的道路。 中国古代的气概念因为在理论上要泛化而更多脱离了自然中国古代的气概念因为在理论上要泛化而更多脱离了自然存在的一种物质形态的范畴，另一方面在抽象程度上又没能达存在的一种物质形态的范畴，另一方面在抽象程度上又没能达到哲学的高度。在具体运用中气的内涵也是可以在抽象的元气到哲学的高度。在具体运用中气的内涵也是可以在抽象的元气与具体的空气间漂移。与具体的空气间漂移。尽管也被中国古人用来解释自然现象，尽管也被中国古人用来解释自

19、然现象，但在中国的文化中，气更多地成为了自然哲学层次的概念而不但在中国的文化中，气更多地成为了自然哲学层次的概念而不是物理学层次的概念是物理学层次的概念。13第二节第二节 物理学知识的积累物理学知识的积累一一 力学力学1.1.物理计量：物理计量：时间计量、时间计量、度量衡度量衡2.2.时间、空间、运动：时间、空间、运动： 空间和时间空间和时间 运动与静止运动与静止 运动的相对性运动的相对性3.3.对力的认识：对力的认识：4.4.力学知识的应用力学知识的应用14一一 力力 学学1.1.物理计量物理计量时间计量时间计量 a.a.干支纪法干支纪法：春秋时鲁隐公三年（前：春秋时鲁隐公三年（前72272

20、2）二月己巳日至清宣统年（）二月己巳日至清宣统年（19111911）。）。“干支干支”是是“天干天干”和和“地支地支”的合称。的合称。 天干：天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。 地支：地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。 组成组成“六十干支六十干支”：甲子、乙丑、：甲子、乙丑、癸酉、甲戊、乙亥癸酉、甲戊、乙亥癸亥。共癸亥。共6060个组合，也称个组合，也称“六十甲子六十甲子”，周而复始，不断循环。，周而复始，不断循环。 b.b.十二时辰记时法十二时辰记时法： 子时：

21、子时：23231 1时，丑时：时，丑时：1 13 3时，时，,亥时：亥时：21212323时。时。c.百刻时制（漏壶记时制）百刻时制（漏壶记时制）： 采用采用日晷日晷或或漏壶漏壶将一昼夜分为十时，一时分为十刻。将一昼夜分为十时，一时分为十刻。刻刻为漏壶的为漏壶的基本记时单位，在竹或木制的箭上基本记时单位，在竹或木制的箭上100100个等分刻度，其高度正好等于一昼个等分刻度，其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度。夜漏壶滴水的高度。1 1刻等于现在的刻等于现在的14.414.4分钟。分钟。 d. d.机械记时：机械记时： 东汉时期张衡东汉时期张衡117117年发明年发明浑天仪浑天仪，用于测定天体位置

22、，一天转一周。，用于测定天体位置，一天转一周。后经唐宋发展，成为世界上最早的天文钟。后经唐宋发展，成为世界上最早的天文钟。15星星晷晷月月晷晷圭圭表表日日晷晷16漏漏壶壶： 漏壶有两种形式：漏壶有两种形式：泻水型泻水型和和受水型受水型。我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶，我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶，只有一把挈壶，出水口在壶底侧。由于只有一把挈壶，出水口在壶底侧。由于挈壶里水位不同时出水速度不同，后来挈壶里水位不同时出水速度不同，后来又发展出受水型。并逐渐由最初的两壶又发展出受水型。并逐渐由最初的两壶发展成多壶。右图为根据唐朝吕才历发展成多壶。右图为根据唐朝吕才历象汇编历法典象汇编历法典

23、9999卷刻漏图制作的四级卷刻漏图制作的四级漏壶。漏壶。浮漏：浮漏： 宋代沈括在多级漏壶的基础上发明宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏，每昼夜误差小于了浮漏，每昼夜误差小于2020秒。宋代燕秒。宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法，肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法，精度提高到精度提高到14.414.4秒；宋代赵友钦则将精秒；宋代赵友钦则将精度提高度提高6 6秒。秒。171819度量衡：度量衡：度度-长度长度 量量-容量容量 衡衡-重量重量 汉书汉书律历志详细记载：律历志详细记载：长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；容量单位：斛（容量单位：斛（h)

24、h)、斗、升、合、龠（、斗、升、合、龠（yuyu），十进制。），十进制。 重量单位：石、钧、斤、两、铢，非十进制。重量单位：石、钧、斤、两、铢，非十进制。长度：长度：孔子家语记载：孔子家语记载：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”即：即：从中指的指端到第一横纹叫一寸，拇指和中指一扎为一尺，两臂伸开从中指的指端到第一横纹叫一寸，拇指和中指一扎为一尺，两臂伸开长八尺，叫一寻。孙子算经：长八尺，叫一寻。孙子算经：“度之所起，起与忽。蚕吐丝为忽。度之所起，起与忽。蚕吐丝为忽。十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分。十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分。”。 汉

25、书汉书律历志记载：律历志记载：“度本起黄钟之长。度本起黄钟之长。九十分黄钟之长，九十分黄钟之长，一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引”。容量：容量：一手所盛为一手所盛为“溢溢”,”,二手合盛为二手合盛为“掬掬”,“”,“掬四谓之豆掬四谓之豆”重量：重量：古人将重量器具称之为古人将重量器具称之为衡衡，衡的形式包括：等臂天平、，衡的形式包括：等臂天平、不等臂天平、杆秤。不等臂天平、杆秤。权权就是砝码或秤砣。就是砝码或秤砣。 公元公元211211年，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上对度量年，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上对度量衡进

26、行了统一，制发了一大批度量衡标准器，意义重大。衡进行了统一，制发了一大批度量衡标准器，意义重大。202.2.时间、空间和运动时间、空间和运动时间与空间时间与空间尸子尸子“上下四方曰宇，往古今来曰宙上下四方曰宇，往古今来曰宙”。运动的相对性运动的相对性吕氏春秋：吕氏春秋：“刻舟求剑刻舟求剑”故事；故事；隋书隋书天文志：天文志：“乘船以涉水，水去船不徙也乘船以涉水，水去船不徙也”，“仰仰游云以观，日月常动而云不移游云以观，日月常动而云不移” ” 。抱朴子抱朴子塞难：塞难：“见游云西行，而谓月之东驰见游云西行，而谓月之东驰”。春秋纬春秋纬元命苞（汉代）：元命苞（汉代）：“天左旋，地右动天左旋，地右动

27、”。春秋纬春秋纬考灵曜（考灵曜（yoyo）“地恒动不止，而人不知，比如地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭牖（人在大舟中，闭牖（yuyu）而坐，舟行而人不觉）而坐，舟行而人不觉”。比比伽利略（伽利略（1564-16421564-1642）相对性原理）相对性原理早一千多年。早一千多年。213 3 对力的认识对力的认识（1 1）力的概念）力的概念 墨径：墨径：“力，刑之所以奋也力，刑之所以奋也”，这里，这里刑刑即形，指物，即形，指物，奋奋即飞，动的意思。即飞，动的意思。 王充论衡王充论衡效力篇：效力篇：“人有知学，则有力矣。文吏以人有知学，则有力矣。文吏以理事为力，而儒理事为力，而儒 生以学问

28、为力生以学问为力”，“举重拔坚，壮士之力举重拔坚，壮士之力也也”，“故故 夫垦草殖谷，农夫之力也夫垦草殖谷，农夫之力也”（东汉）。（东汉）。 西方，西方，1717世纪初世纪初弗兰西斯弗兰西斯培根培根提出：提出：“知识就是力知识就是力量量”。（3 3）杠杆原理）杠杆原理 墨径中对不等臂天平的论述：墨径中对不等臂天平的论述：“衡，加重于其一旁，衡，加重于其一旁，必捶，权、重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，必捶，权、重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相若，则标必下，标得权也。则标必下，标得权也。”（2 2）外力与内力）外力与内力 王充论衡：王充论衡：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角

29、古之多力者，身能负荷千钧，手能决角伸钩，使之自举不能离地。伸钩，使之自举不能离地。”22（4 4）浮力）浮力：曹冲称象等。曹冲称象等。（5 5）弹力）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄弓箭的制作等（东汉郑玄127-200127-200）。）。（6 6）大气压力）大气压力 西汉时期已利用西汉时期已利用虹吸虹吸管管-渴乌，东汉时已广泛用于渴乌，东汉时已广泛用于灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。 关尹子关尹子：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水不下，盖（气）不升则水不降。不下，盖（气）不升则水不降。” 唐代王冰唐代王冰素问素问：

30、“虚管灌满，捻上悬之，水固不虚管灌满，捻上悬之，水固不泻，泻，；空瓶小口，顿灌不入，为气不出而不能入也。；空瓶小口，顿灌不入，为气不出而不能入也。”（7 7）惯性）惯性：春秋战国时期的考工记中描述：春秋战国时期的考工记中描述：“马力既马力既竭，轴犹能一取焉竭，轴犹能一取焉”234 4 力学知识应用力学知识应用 尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓水碓（du du 舂米用具）、水排鼓风机（公元舂米用具）、水排鼓风机（公元3131年东汉南阳太守杜诗发明）年东汉南阳太守杜诗发明）、被中香炉被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等。、记里鼓车、水运浑象仪等。 古代建

31、筑学上力学的应用：如隋代李春建造的古代建筑学上力学的应用：如隋代李春建造的赵周桥赵周桥，是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥，是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥，距今已距今已13001300年；年； 公元公元10561056年建造的辽代山西应县年建造的辽代山西应县木塔木塔，是世界上现存的是世界上现存的最高的古代木构建筑，高最高的古代木构建筑，高67.3167.31米，经受近一个世纪的风雪米，经受近一个世纪的风雪袭击，袭击，1212次六级以上地震，至今安然屹立。次六级以上地震，至今安然屹立。 宋代建筑师喻皓曾在开封建宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔开宝寺塔”斜

32、塔斜塔：“塔初成，塔初成，望之不正，而势倾西北。人怪而问之。皓曰：望之不正，而势倾西北。人怪而问之。皓曰：京师地平无山，京师地平无山，而多西北风，吹之不百年当正也。而多西北风，吹之不百年当正也。”归田录。归田录。明代的北京明代的北京故宫群故宫群等等。等等。24被中香炉被中香炉25水排鼓风机水排鼓风机（取自王祯农书）（取自王祯农书）26启启 明明 之之 光光: : 一一. . 中中 国国 古古 代代 的的 物物 理理 学学 萌萌 芽芽中中国国古古代代科科技技水水碓碓27二二 热学热学1.1.对热现象和热本质的认识对热现象和热本质的认识温度、湿度极其测量温度、湿度极其测量“火候火候”：在在烧制陶器

33、烧制陶器和和冶炼金属冶炼金属的过程中，通过对的过程中，通过对“火火候候”的观察，来定性的判断温度的高低。考工记记载的观察，来定性的判断温度的高低。考工记记载了青铜冶炼时火色与温度的关系：了青铜冶炼时火色与温度的关系：“凡铸金之状，金与锡。凡铸金之状，金与锡。黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；青白之气竭，青气次之，然后可铸也。气竭，青气次之，然后可铸也。”即当即当“炉火纯青炉火纯青”时，时，炉温达到炉温达到12001200度度 左右，杂质挥发，铜锡融合，可以用来左右，杂质挥发，铜锡融合，可以用来浇铸了。火色实际为物质原子的发射光谱及其强

34、度的表现。浇铸了。火色实际为物质原子的发射光谱及其强度的表现。湿度：湿度：淮南子：淮南子：“琴弦缓，天且雨琴弦缓，天且雨”“”“风雨之变，可风雨之变，可以音律知之以音律知之”，即现在，即现在毛发湿度计毛发湿度计的原理的原理. .28热胀冷缩与热应力热胀冷缩与热应力 热胀冷缩；增大热应力：热胀冷缩；增大热应力：在公元前在公元前250年都江堰水利工程中年都江堰水利工程中的应用记载：的应用记载：“大滩江中，其崖崭峻不可凿，乃积薪烧之。大滩江中，其崖崭峻不可凿，乃积薪烧之。”这种增大热应力开凿巨石的记载很多。这种增大热应力开凿巨石的记载很多。热的本性热的本性 五行说：五行说：热（火）是构成物质的一种元

35、素；热（火）是构成物质的一种元素； 元气说：元气说：热这种物质的本原仍是气。热这种物质的本原仍是气。292 2 热能利用与热功热能利用与热功高温技术：高温技术：殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成效：殷代文物司母戊鼎、商代的四羊尊、战国的铜尊盘、效：殷代文物司母戊鼎、商代的四羊尊、战国的铜尊盘、秦始皇陵的大型铜马车等。春秋末期制造的白口铁和中碳秦始皇陵的大型铜马车等。春秋末期制造的白口铁和中碳钢剑，表明当时的冶炼已达到钢剑，表明当时的冶炼已达到13001300的高温。的高温。 松脂灯（孔明灯）：松脂灯（孔明灯）： 走马灯：走马灯：利用冷热空气对流带动

36、纸轮旋转。利用冷热空气对流带动纸轮旋转。 热气球：热气球：1414世纪初，元朝仁宗登基时在元大都（北京）升世纪初，元朝仁宗登基时在元大都（北京）升起世界上第一个热气球。起世界上第一个热气球。火药：火药：四大发明之一。火器，烟花等。四大发明之一。火器，烟花等。 火箭：火箭：宋代宋代的管形火器的管形火器“突火枪突火枪”。元代元代的铜炮；的铜炮；明代明代的的多种多发火箭。多种多发火箭。万虎：万虎：明代官员，是明代官员，是“第一个企图利用火箭飞行的人。他用第一个企图利用火箭飞行的人。他用4747只最大的火箭绑在椅子背后，只最大的火箭绑在椅子背后，手拿两个大风筝，想借助火箭的推力和风筝上升的力量飞向空中

37、。手拿两个大风筝，想借助火箭的推力和风筝上升的力量飞向空中。19701970年国际天文学会年国际天文学会为了纪念他，把月球背面的一个环行山命名为为了纪念他，把月球背面的一个环行山命名为“万虎环行山万虎环行山”。30三三 光学光学 1. 1.光的直线传播与小孔成像光的直线传播与小孔成像 2. 2.光的反射与镜面成像光的反射与镜面成像 3. 3.光的折射与透镜光的折射与透镜 4. 4.光的色散光的色散311.1.光的直线传播与小孔成像光的直线传播与小孔成像 墨径墨径：景倒，在午有端与。景：光之人，照若射，下：景倒，在午有端与。景：光之人，照若射，下者之人也高，者之人也高， 高者之人也下。足蔽下光，

38、故成景与高者之人也下。足蔽下光，故成景与 上。首蔽上光，故成景与下。上。首蔽上光，故成景与下。( (午：交叉；午：交叉； 端：小孔端：小孔) )。 赵友钦实验赵友钦实验（宋末元初）：（宋末元初）：赵友钦实验在中国古代史赵友钦实验在中国古代史上占有重要地位，其实验目的明确，设计合理，步骤清晰，上占有重要地位，其实验目的明确，设计合理，步骤清晰，结果可靠，是中国物理学史上的的一个首创。结果可靠，是中国物理学史上的的一个首创。 梦溪笔谈梦溪笔谈：“若鸢（若鸢（yunyun）飞空中，其影随鸢而移；）飞空中，其影随鸢而移；或中或中 间为窗所间为窗所 束则影与鸢相违，鸢东则影西，鸢西则影东。束则影与鸢相违

39、，鸢东则影西，鸢西则影东。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂。又如窗隙中楼塔之影，中间为窗所束，亦皆倒垂。”32赵友钦实验：赵友钦实验：实验中他固定几个条件，改变一个实验中他固定几个条件，改变一个条件来观察成像情况。实验分五步进行：条件来观察成像情况。实验分五步进行：改变孔的大小，比较改变孔的大小，比较成像情况；成像情况；改变光源强度，作日改变光源强度，作日月蚀模拟实验；月蚀模拟实验；改变像距；改变像距；改变光源距离，观察改变光源距离，观察小孔成像的变化；小孔成像的变化；改变孔的大小和形状，改变孔的大小和形状，做大孔成像实验。做大孔成像实验。小罅光景影象小罅光景影象33平面镜：平面镜：

40、“景，日之光反烛人，则景在日与人之间景，日之光反烛人，则景在日与人之间”凸面镜：凸面镜：“鉴团，景一。鉴团，景一。鉴者近，则所鉴大，景亦大；其鉴者近，则所鉴大，景亦大；其远，所鉴小，景亦小，而必正。远，所鉴小，景亦小，而必正。” ” 即鉴团只成一缩小的正立即鉴团只成一缩小的正立的像（虚）。的像（虚）。凹面镜：凹面镜：“鉴洼，景，一小而易，一大而正，说在中之外、鉴洼，景，一小而易，一大而正，说在中之外、内。内。中之内，鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则中之内，鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必正，起于中缘正而长其直也。中之外，所鉴小，景亦小，而必正，起于中缘正而长其直也。

41、中之外，鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小而鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小而必易。合于中长直也。必易。合于中长直也。”“”“鉴洼鉴洼”即凹面镜，即凹面镜，“中中”为焦点，为焦点，“易易”即倒置。即倒置。2.2.光的反射与镜面成像光的反射与镜面成像 墨经中墨经中论述了光的反射，包括平面镜、凹面镜、凸论述了光的反射，包括平面镜、凹面镜、凸面镜的反射情况。面镜的反射情况。34镜术：镜术：利用平面镜成像制成利用平面镜成像制成“万花筒万花筒”样的样的“魔镜魔镜”：日月：日月镜、四规镜等。镜、四规镜等。 “灯衢灯衢”( (清代黄履庄造清代黄履庄造) )：“做小屋一间，内

42、悬灯数做小屋一间，内悬灯数盏，人入其中，如至通街大市，人间稠杂，灯火连绵，一盏，人入其中，如至通街大市，人间稠杂，灯火连绵，一望数里。望数里。” “罗汉堂罗汉堂”( (清代郑复光造清代郑复光造) )：从侧面小洞向里看：从侧面小洞向里看“千千门万户，百千罗汉门万户，百千罗汉”。 凹凸面镜：凹凸面镜：殷武丁时期就出现了凹、凸面铜镜。殷武丁时期就出现了凹、凸面铜镜。 透光镜透光镜：现上海博物馆珍藏有西汉时期的现上海博物馆珍藏有西汉时期的“透光镜透光镜”（青铜）。（青铜）。 隋唐古镜记记载：隋唐古镜记记载：“承日照之，则背承日照之，则背上文字，墨入影内，纤毫无失上文字，墨入影内，纤毫无失”。沈括：沈括

43、：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。过此遂倒。” “” “小鉴不能全观人面，故令微凸，收人面令小鉴不能全观人面，故令微凸，收人面令小，则鉴虽小而能全纳人面。仍覆量鉴之小大增损高下，小，则鉴虽小而能全纳人面。仍覆量鉴之小大增损高下，常令人面与鉴大小相若。常令人面与鉴大小相若。”353.3.光的折射与透镜光的折射与透镜 冰透镜冰透镜：西汉淮南万毕术记载：西汉淮南万毕术记载：”削冰令圆，举向削冰令圆，举向以日，以艾承其影，则火生。以日，以艾承其影，则火生。“ “ 鲫鱼杯鲫鱼杯：宋代春渚（：宋代春渚（zhzh）纪闻：）纪闻：“有一鲫，长

44、寸有一鲫，长寸许，游泳可爱。水倒出，鱼不复见。复酌水酒中，须臾一许，游泳可爱。水倒出，鱼不复见。复酌水酒中，须臾一鱼泛然而起。鱼泛然而起。” “蝴蝶杯蝴蝶杯”、“兰花杯兰花杯”等。等。364.4.光的色散光的色散雨后成虹和造虹实验：雨后成虹和造虹实验： 唐初孔颖达礼记注疏唐初孔颖达礼记注疏“日照雨滴则虹生日照雨滴则虹生” 唐代张志和玄真子唐代张志和玄真子“雨色映日而为虹雨色映日而为虹”“”“背日喷背日喷乎水，成虹霓之状。乎水，成虹霓之状。” 南宋蔡卞毛诗名物解：南宋蔡卞毛诗名物解：“云薄漏日，日照雨滴则云薄漏日，日照雨滴则虹生。今以水喷日，自侧视之，则晕为虹霓虹生。今以水喷日，自侧视之，则晕为

45、虹霓。故今雨。故今雨气成虹，朝阳射之则在西，夕阳射之则在东。气成虹，朝阳射之则在西，夕阳射之则在东。”鸡子石英证含光图：鸡子石英证含光图： 著名道士张果修炼内丹的著作修真历验钞图：著名道士张果修炼内丹的著作修真历验钞图：讲到从白石英看到：讲到从白石英看到：“映日则光玉也映日则光玉也，五色玄英，五色玄英”。白。白石英为无色透明晶体，属六角晶系。用白石英作的三棱镜石英为无色透明晶体，属六角晶系。用白石英作的三棱镜对日光产生了色散。对日光产生了色散。 明末方以智物理小识明末方以智物理小识37四四 电磁学电磁学1.1.对电的认识对电的认识2.2.对磁的认识对磁的认识3.3.电与磁的应用电与磁的应用38

46、1.1.对电的认识对电的认识摩擦起电：摩擦起电：* *东汉王充论衡：东汉王充论衡：“顿牟掇芥，磁石引针顿牟掇芥，磁石引针他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”顿牟指玳瑁（爬行动物，形状象龟，这里指其壳）。（用顿牟指玳瑁（爬行动物，形状象龟，这里指其壳）。（用元气解释静电现象）；元气解释静电现象）；* *西晋张华博物志记载：西晋张华博物志记载：“今人今人梳头，脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有吒声。梳头，脱着衣时，有随梳、解结有光者，也有吒声。”* *唐唐代酉阳杂俎代酉阳杂俎“猫猫黑者，暗中逆循其毛，即著火星黑者，暗中逆循其毛，

47、即著火星”。 雷电现象：雷电现象：沈括梦溪笔谈：沈括梦溪笔谈：“雷火自窗间出，赫然雷火自窗间出，赫然出檐，人以为堂屋已焚，皆出避之，及雷止，其舍宛然，墙壁出檐，人以为堂屋已焚，皆出避之，及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆黔（黑）。有一木格，其中杂储诸器，其漆器银扣者，窗纸皆黔（黑）。有一木格，其中杂储诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚刚，就刀室中银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚刚，就刀室中熔为汁，而室亦俨然。熔为汁，而室亦俨然。”明代方以智：明代方以智：“雷火所及，金石销熔，雷火所及，金石销熔，而漆器不坏。而漆器不坏。” 武当山天柱峰金顶三大奇观之一的武当山天柱

48、峰金顶三大奇观之一的“雷火练殿雷火练殿”。391.1.对电的认识对电的认识 淮南子记载：淮南子记载：“阴阳相薄为雷，激扬为电。阴阳相薄为雷，激扬为电。”2.2.对磁的认识对磁的认识 磁性：磁性：吕氏春秋：吕氏春秋：“慈石召铁，或引子也慈石召铁，或引子也”；鬼；鬼谷子：谷子：“慈石取针慈石取针”；高诱注释吕氏春秋时指出：；高诱注释吕氏春秋时指出：“石，石，铁之母也，以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也铁之母也，以有慈石，故能引其子。石之不慈者，亦不能引也”。 磁石吸引物质只限于铁磁石吸引物质只限于铁：淮南子：淮南子：“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，

49、则难矣”，“及其于铜则不通及其于铜则不通”。 屏蔽：屏蔽：明末刘献廷广阳杂记：明末刘献廷广阳杂记：“慈石吸铁，隔碍潜慈石吸铁，隔碍潜通。或问余曰：通。或问余曰：慈石吸铁，何物可以隔之？慈石吸铁，何物可以隔之？犹子阿儒曰：犹子阿儒曰：唯铁可以隔之耳唯铁可以隔之耳。其人去而复来，曰：。其人去而复来，曰：试之果然试之果然。”403.3.电与磁的应用电与磁的应用 避雷针：避雷针： 磁性指南器：磁性指南器： 磁化磁化 地磁场磁化法地磁场磁化法： 1044 1044年出版的宋代年出版的宋代曾公亮曾公亮武经总要：武经总要：“鱼法，以鱼法，以薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置碳火中烧薄铁叶剪裁，长二寸

50、阔五分，首尾锐如鱼形，置碳火中烧之，侯通赤，以铁钤钤（之，侯通赤，以铁钤钤（qin qin 印、章印、章) )鱼首出火，以尾正鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之，用时置对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之，用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也。”将铁片烧红的是使磁畴重新分布成为顺磁体，淬火使磁畴将铁片烧红的是使磁畴重新分布成为顺磁体，淬火使磁畴稳定。稳定。 磁石磁化法：磁石磁化法： 沈括梦溪笔谈：沈括梦溪笔谈：“方家以磁石磨针锋，则能指方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东（地磁偏角），不全南也。南，

51、然常微偏东（地磁偏角），不全南也。41中中国国古古代代科科技技 指指南南车车模模型型 启启 明明 之之 光光: : 一一. . 中中 国国 古古 代代 的的 物物 理理 学学 萌萌 芽芽42五五 声学声学1.1.声音的产生（略）声音的产生（略）2.2.声音的传播（略）声音的传播（略）3.3.共振共振4.4.共鸣及其消除共鸣及其消除5.5.声音的反射声音的反射6.6.古代乐器古代乐器7.7.律学律学431.1.共振共振 庄子庄子徐无鬼：徐无鬼：“为之调瑟，废于一堂，废于一室。鼓宫为之调瑟，废于一堂，废于一室。鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。夫改调一弦，于五音无当也，宫动，鼓角角动，音律同矣。夫改调

52、一弦，于五音无当也，鼓之，二十五弦皆动。鼓之，二十五弦皆动。” 梦溪笔谈梦溪笔谈：“琴瑟弦皆有应声，宫弦则应少宫，商弦则琴瑟弦皆有应声，宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声音，须依此用之。欲应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声音，须依此用之。欲知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，知其应者，先调诸弦令声和，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，则纸人跃，他弦则不动。声律高下苟同，虽在他琴鼓之，应他弦则不动。声律高下苟同，虽在他琴鼓之，应弦亦震，此谓之正声。弦亦震，此谓之正声。”（共振实验共振实验鱼洗鱼洗）2.2.共鸣及其消除共鸣及其消除南北朝时期刘敬叔异苑：南北朝时

53、期刘敬叔异苑：“晋中朝有人蓄铜澡盆，晨夕晋中朝有人蓄铜澡盆，晨夕恒鸣如人扣，乃问张华。华曰：恒鸣如人扣，乃问张华。华曰：此盆与洛钟宫商相应，宫此盆与洛钟宫商相应，宫中朝暮撞钟，故声应尔。可错（挫）令轻，则韵乖。鸣自止中朝暮撞钟，故声应尔。可错（挫）令轻，则韵乖。鸣自止也。也。依其言，后不复鸣。依其言，后不复鸣。”唐代韦绚刘宾客嘉话录记载了当时的太乐令曹绍唐代韦绚刘宾客嘉话录记载了当时的太乐令曹绍为一为一僧人治病的事：该僧人因僧房内一磬无故自鸣，而惊恐成疾。僧人治病的事：该僧人因僧房内一磬无故自鸣，而惊恐成疾。443.3.声音的反射声音的反射 北京天坛：北京天坛：回音壁、三音石、对话石回音壁、三

54、音石、对话石 山西永济山西永济“莺莺塔莺莺塔”：普救寺舍利塔，因普救寺舍利塔，因“西厢记西厢记”而称而称“莺莺塔莺莺塔”，是一座空心砖塔，初建于唐武则天，后重建于，是一座空心砖塔，初建于唐武则天，后重建于明嘉靖明嘉靖4242年（年（15641564），因其），因其 可产生蛙鸣般的回声，而列河可产生蛙鸣般的回声，而列河东东“清八景清八景”之一。（之一。（ 普救蟾声）普救蟾声） 河南三门峡河南三门峡“蛤蟆塔蛤蟆塔”：建于金大定十六年，在塔外十余建于金大定十六年，在塔外十余米处击石拍掌，有蛙鸣回音。米处击石拍掌，有蛙鸣回音。 四川潼南四川潼南“石琴石琴”：实为登山石阶，凿于江边完整无缝凹实为登山石阶

55、，凿于江边完整无缝凹处，沿石阶拾级而上，自第四级到第十九级，凡步履所触，处，沿石阶拾级而上，自第四级到第十九级，凡步履所触，便会发出悠扬婉转的古琴声在洞内回荡。其中有七级石蹬的便会发出悠扬婉转的古琴声在洞内回荡。其中有七级石蹬的发音特别洪亮，称为七步弹琴。题为石蹬琴声。发音特别洪亮，称为七步弹琴。题为石蹬琴声。45回回音音壁壁传传声声示示意意图图46三三音音石石和和对对话话石石回回声声示示意意图图47莺莺塔莺莺塔回声示意图回声示意图48编种编种4.4.古代乐器古代乐器 新石器时代：新石器时代：陶埙陶埙（xnxn）和骨哨。）和骨哨。 诗经记载：诗经记载：有有2929种之种之多，包括各种弹琴、吹奏

56、、多，包括各种弹琴、吹奏、打击等乐器。打击等乐器。 战国曾侯乙墓：战国曾侯乙墓：出土的有：出土的有：编钟、磬、笙、排萧等。编钟、磬、笙、排萧等。495.5.律学律学 商代商代：已有五声音阶：宫、商、角、徵（：已有五声音阶：宫、商、角、徵（zhzh）、羽（）、羽（1 1、2 2、3 3、5 5、6 6）。后又增加了两个半音：变徵（近）。后又增加了两个半音：变徵（近4 4）、变宫（）、变宫（7 7），），成为七声音阶。成为七声音阶。 西周：西周：已发展为十二律：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、已发展为十二律：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤仲吕、蕤ruru宾、林钟、夷则、南吕、无射（宾、林钟、

57、夷则、南吕、无射（yy）、应钟。）、应钟。乐律的计算：乐律的计算： 三分损益法：三分损益法：最早见于管子最早见于管子地员（地员（公元前公元前4世纪），世纪），是世界上最早的乐律计算方法。是世界上最早的乐律计算方法。 具体操作是：将一空弦依次乘以具体操作是：将一空弦依次乘以2/3或或4/3，即缩短，即缩短1/3(损一损一)或加长或加长1/3(益一益一)，分割成不同的长度，这就产生出不同频率，分割成不同的长度，这就产生出不同频率的乐音。具体的推算是：设黄种宫音的弦长为的乐音。具体的推算是：设黄种宫音的弦长为34=81，徵音的，徵音的弦长为弦长为814/3=108，商音的弦长为，商音的弦长为1082

58、/3=72，羽音的弦长为，羽音的弦长为724/3=96，角音的弦长为，角音的弦长为962/3=64，依次类推。，依次类推。(清史稿清史稿乐志二乐志二)50十二平均律：十二平均律： 发明者：朱载育（发明者：朱载育（1536-16101536-1610？）朱元璋的九世孙，成于？）朱元璋的九世孙，成于15811581年左右，在律学新说和律吕精义有记载。和十年左右，在律学新说和律吕精义有记载。和十二律的产生已相距二律的产生已相距20002000余年。是一种相临律间音程差数相等余年。是一种相临律间音程差数相等的律制。的律制。方法：方法：以公比以公比 的等比级数分配音律，也就是在八的等比级数分配音律，也就

59、是在八度音之间，分成十二个等音程的半音，两相临音律间的频率度音之间，分成十二个等音程的半音，两相临音律间的频率比都是比都是 ，这样可以使十二律自，这样可以使十二律自“黄钟为始，应钟为钟，黄钟为始，应钟为钟，终而复始，循环无穷。终而复始，循环无穷。” 具体做法：具体做法： 当把当把2 2开到开到1212次方得到频率的倍律次方得到频率的倍律1.0594631.059463后，再把后，再把1.0594631.059463自乘自乘1212次，就得到十二律的平均倍数，具体数字是次，就得到十二律的平均倍数，具体数字是（单位为尺单位为尺）：黄钟（正律）为）：黄钟（正律）为1.0000001.000000，应

60、钟（倍律）为，应钟（倍律）为1.0594631.059463，无射（倍律）为，无射（倍律）为1.1224621.122462，大吕（倍律）为大吕（倍律）为 1.8877481.887748，黄钟（倍律）为，黄钟（倍律）为2.0000002.000000。上面所列数字表示振。上面所列数字表示振动体（弦）长度。动体（弦）长度。51朱载育依据自己发明的十二平均律确定了朱载育依据自己发明的十二平均律确定了“均准均准”（即弦准），是世界上第一个依据十二平均律建（即弦准），是世界上第一个依据十二平均律建立的定律器。也是世界上第一个依据十二平均律建立的定律器。也是世界上第一个依据十二平均律建立的弦乐器。立的

61、弦乐器。朱载育还制定了一套标准律管（朱载育还制定了一套标准律管（3636根，含三个八度）根，含三个八度），铜材。制作律管时，朱载育发现律管长度加倍或减，铜材。制作律管时，朱载育发现律管长度加倍或减半且管径相同时，律管发出的音有差别，为此，他根半且管径相同时，律管发出的音有差别，为此，他根据实验和借助数学找出管口校正的方法和数据。他用据实验和借助数学找出管口校正的方法和数据。他用缩小管径来校正，因此他的律管为异径律管。缩小管径来校正，因此他的律管为异径律管。52盖盖天天说说：起起源源于于殷殷周周时时期期。周周 ：“天天圆圆如如张张盖盖，地方如棋局地方如棋局”，后发展为，后发展为“天似盖笠，地法覆

62、天似盖笠，地法覆 ” ”浑浑天天说说：代代表表人人物物是是东东汉汉张张衡衡( (公公元元7878年年-139-139年年) )，生生于于河河南南南南阳阳石石桥桥镇镇，公公元元111111年年担担任任太太史史令令，主主持持天天象象观观测测、编编订订历历法法，发发明明了了浑浑天天仪仪、候候风风地地动动仪仪。张张衡衡在在浑浑天天仪仪图图注注中中写写到到：“浑浑天天如如鸡鸡子子，天天体体圆圆如如弹弹丸丸，地地如如鸡鸡中中黄黄。”认认为为大大地地是是球球形形的的、运运动动的的，地地球球是是宇宇宙宙的的中中心心。用用一一个个天天壳壳和和附附天天而而行行的的日日月月五五星星来来解解释释天天文文现现象象。和和

63、西西方方同同一一时时期期的的“地地心心说说”相相似似。张张衡衡强强调调:“:“宇宇之之表表无无极极，宙宙之之端端无无穷穷”。国国际际天天文文学学组组织织用用他他的的名名字字命命名名了了一一颗颗小小行行星星和和月月球球上上的的一一座座环环行行山。山。宣宣夜夜说说：晋晋书书天天文文志志记记载载：“宣宣夜夜之之书书亡亡，惟惟汉汉秘秘书书郎郎 萌萌记记先先师师相相传传云云：天天了了无无质质，仰仰而而瞻瞻之之，高高远远无无极极，眼眼 精精绝绝，故故苍苍苍苍然然也也。日日月月众众星星，自自然然浮浮生生虚虚空空之之中中，其其行行其其止，皆须气焉。止，皆须气焉。”启启 明明 之之 光光: : 一一. . 中中

64、 国国 古古 代代 的的 物物 理理 学学 萌萌 芽芽六六. .天文学天文学53启启 明明 之之 光光: : 一一. . 中中 国国 古古 代代 的的 物物 理理 学学 萌萌 芽芽水水力力浑浑象象与与地地动动仪仪5455第一节第一节 古希腊物质本原思想古希腊物质本原思想第二节第二节 古希腊时期对宇宙的认识古希腊时期对宇宙的认识第三节第三节 古希腊的物理学知识古希腊的物理学知识第四节第四节 中世纪的物理学知识中世纪的物理学知识第五节第五节. . 亚里士多德的物理学亚里士多德的物理学 第二章第二章西方古代物理学西方古代物理学 1. 1.古希腊时期：前古希腊时期：前8 8世纪世纪-4-4世纪世纪 2

65、. 2.中世纪：中世纪：515515世纪世纪分期分期561.古希腊的三个时期古希腊的三个时期（公元前（公元前8世纪世纪-4世纪）世纪）城邦时期城邦时期（前前8 8世纪世纪前前4 4世纪世纪）：在地中海东岸有：在地中海东岸有1010余个余个不同城邦，这时的不同城邦，这时的雅典雅典为众城邦的盟主，也是科学文化发展为众城邦的盟主，也是科学文化发展的中心。出现了大批著名的哲学家和科学家：泰勒斯、毕达的中心。出现了大批著名的哲学家和科学家：泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克利特、苏格拉底、柏拉图和亚里士多德等。哥拉斯、德谟克利特、苏格拉底、柏拉图和亚里士多德等。罗马时期罗马时期（前前2 2世纪世纪44世纪世纪）

66、：）：希腊被罗马人征服希腊被罗马人征服, ,开始了开始了罗马时期。初期由于政治动荡，科学开始衰退，当社会稳定后，罗马时期。初期由于政治动荡，科学开始衰退，当社会稳定后，从公元从公元2 2世纪到世纪到4 4世纪，亚历山大里亚的科学再度中兴。这时科世纪，亚历山大里亚的科学再度中兴。这时科学家已经转为重视使用的氛围中，研究活动多与实际生活的需学家已经转为重视使用的氛围中，研究活动多与实际生活的需求相关。或者表现为对以往科学的注释上。求相关。或者表现为对以往科学的注释上。亚历山大时期亚历山大时期（前（前4 4世纪世纪前前2 2世纪）：以亚历山大为首的世纪）：以亚历山大为首的马其顿人征服了全希腊，建立了

67、地跨欧亚非大陆的亚历山大帝马其顿人征服了全希腊，建立了地跨欧亚非大陆的亚历山大帝国，在埃及建立了国，在埃及建立了“亚历山大城亚历山大城” ” ，在城内还建立了博物馆和，在城内还建立了博物馆和图书馆（谬斯学院），聚集了大批优秀的科学家。科学文化的图书馆（谬斯学院），聚集了大批优秀的科学家。科学文化的中心也自然的转为中心也自然的转为埃及的亚历山大城埃及的亚历山大城；57 阿拉伯文化时代阿拉伯文化时代（811811世纪）：地处东西方贸易交世纪）：地处东西方贸易交流纽带的阿拉伯，成为沟通东西方文化的桥梁，同时完好的流纽带的阿拉伯，成为沟通东西方文化的桥梁，同时完好的保存了许多古希腊的学术典籍，对后来欧

68、洲文艺复兴乃至近保存了许多古希腊的学术典籍，对后来欧洲文艺复兴乃至近代科学产生重大影响。代科学产生重大影响。2.2.中世纪可以细分为三个时期中世纪可以细分为三个时期（5世纪世纪-15世纪）世纪）黑暗时代（黑暗时代（5858世纪）：内部奴隶起义，外部日尔曼世纪）：内部奴隶起义，外部日尔曼部落入侵，西欧逐渐过度到封建领主土地所有制。同时基部落入侵，西欧逐渐过度到封建领主土地所有制。同时基督教成为罗马国教。消灭一切异教文化，对整个社会实行督教成为罗马国教。消灭一切异教文化，对整个社会实行严酷的思想统治和愚昧政策，违背宗教的见解受到惩罚。严酷的思想统治和愚昧政策，违背宗教的见解受到惩罚。圣经的语句具有

69、法律效力。古希腊学术终结。圣经的语句具有法律效力。古希腊学术终结。 经院哲学时代经院哲学时代（11151115世纪）：经院哲学是以理论形式世纪）：经院哲学是以理论形式装扮起来的为封建统治阶级服务的官方哲学。经院哲学所进装扮起来的为封建统治阶级服务的官方哲学。经院哲学所进行的一切论证均以圣经词句作为出发点和终极真理，根本无行的一切论证均以圣经词句作为出发点和终极真理，根本无视经验和实践，敌视对自然界进行科学研究。代表人物视经验和实践，敌视对自然界进行科学研究。代表人物托马托马斯斯阿奎那阿奎那（1226127412261274）将亚里士多德的学说神话，使其成）将亚里士多德的学说神话，使其成为不可侵

70、犯的权威。反叛代表为不可侵犯的权威。反叛代表培根培根。58第一节第一节 古希腊物质本原思想古希腊物质本原思想 一一 元素论元素论 二二 数的和谐思想数的和谐思想 三三 原子论原子论59一一 元素论元素论1.1.城邦时期城邦时期（公元前（公元前8 8世纪世纪前前4 4世纪）世纪） 米利都学派创始人米利都学派创始人泰勒斯泰勒斯(公元前公元前624-前前547)认为万物本原认为万物本原是是水水； 其学生其学生阿那克西曼德阿那克西曼德(公元公元前前610-前前547)，认为世界的本原，认为世界的本原应是无任何固定性质的应是无任何固定性质的“无限者无限者”，即没有固定的界限、形式，即没有固定的界限、形式

71、和性质的东西，由它生出土、水、气、火等。和性质的东西，由它生出土、水、气、火等。 阿那克西曼德的学生阿那克西曼德的学生阿那克西米尼阿那克西米尼(公元公元前前585-前前528)，则，则将万物的本原看作是将万物的本原看作是“空气空气”； 赫拉克利特（赫拉克利特（公元公元前前540-前前475，一城邦邦主），一城邦邦主）认为是认为是“火火”； 恩培多克勒恩培多克勒(公元公元前前493-前前433）：西西里岛的一位王子，：西西里岛的一位王子，提出提出“四根说四根说”，即物质由，即物质由土、水、气、火土、水、气、火四种元素构成。四种元素构成。2.2.亚历山大时期亚历山大时期 亚里士多德亚里士多德在总结

72、前人研究的基础上，提出：地上万物由在总结前人研究的基础上，提出：地上万物由土、水、气、火土、水、气、火四种元素组成，月层以上的天体由四种元素组成，月层以上的天体由以太以太组成，组成，而而元素又由元素又由冷、热、干、湿冷、热、干、湿这四种这四种更基本更基本的基质构成的基质构成。60二二 数的和谐思想数的和谐思想 创始人：毕达哥拉斯创始人：毕达哥拉斯（约前（约前584-584-前前497497）。认为世界是）。认为世界是一个超感性世界，是一个一个超感性世界，是一个“数数”的世界。的世界。数是万物本原，数是万物本原，有了一个一个的数，才有了几何上的点，有了点才有线、有了一个一个的数，才有了几何上的点

73、，有了点才有线、面和立体，有了立体才有土、水、气、火四种元素等面和立体，有了立体才有土、水、气、火四种元素等。 由于注重数的比例关系，由于注重数的比例关系，发现了数学上的毕达哥拉斯发现了数学上的毕达哥拉斯定理（勾股定理）与音乐上的五度相生律定理（勾股定理）与音乐上的五度相生律。认为世界上的。认为世界上的一切现象和规律都服从一切现象和规律都服从“数的和谐数的和谐”，这种，这种“数的和谐数的和谐”表现为数学上的简单性、对称性与和谐性。表现为数学上的简单性、对称性与和谐性。 毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义，毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义，但他们对但他们对“数的和谐数的和谐

74、”的追求，却形成了理性的数学传统。的追求，却形成了理性的数学传统。对后来自然科学的孕育、形成和发展产生了巨大作用。对后来自然科学的孕育、形成和发展产生了巨大作用。“数的和谐数的和谐”成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则。由则。由“数的和谐数的和谐”发展为发展为“宇宙的和谐宇宙的和谐”的观念成为历的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法。代科学家的指导思想与科学方法。61三三 原子论原子论创始人：创始人：米利都学派的米利都学派的留基伯留基伯(公元前公元前500-前前440)和其学生和其学生德谟克利特德谟克利特( (公元前公元前460-460-前前37

75、0)370)。接受了毕达哥拉斯的超感性世。接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识，但不接受界的认识，但不接受“数数”的本原观点。他将微观的几何点的本原观点。他将微观的几何点同同“存在存在”结合起来，认为结合起来，认为“存在存在”是不可分的、不变的、是不可分的、不变的、球形的。并将球形的。并将“存在存在”取名为取名为“原子原子”。 100 100年后雅典的年后雅典的伊壁鸠鲁伊壁鸠鲁（公元前公元前341-341-前前270270）发展了这一发展了这一学说：原子本身不仅有形式上的差别，还有大小和重量的不学说：原子本身不仅有形式上的差别，还有大小和重量的不同。只要不遇到任何阻抗，原子在虚空中以同样的速度运

76、动同。只要不遇到任何阻抗，原子在虚空中以同样的速度运动着。但是，由于原子内部的原因，原子在运动中会发生偏斜，着。但是，由于原子内部的原因，原子在运动中会发生偏斜，由于这种偏斜使原子产生涡旋运动。由于这种偏斜使原子产生涡旋运动。 罗马科学家罗马科学家卢克莱修卢克莱修（ 约公元前约公元前95-95-前前5555）也继承和传播了也继承和传播了原子论。并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动。原子论。并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动。 到到1717世纪，法国科学家伽桑狄世纪，法国科学家伽桑狄（1592-1655)1592-1655)重新发现和重新发现和传播了原子论。传播了原子论。他们的研究与传播对道尔

77、顿建立科学的原他们的研究与传播对道尔顿建立科学的原子论作了必要的准备和中介。子论作了必要的准备和中介。62第二节第二节 古希腊时期对宇宙的认识古希腊时期对宇宙的认识1.1.毕达哥拉斯学派毕达哥拉斯学派 认为天体的形状是认为天体的形状是球形球形，天上应该有，天上应该有1010个天体，当中是个天体，当中是中心火团，中心火团，1010个天体围绕中心火团做同心圆周运动，恒星紧个天体围绕中心火团做同心圆周运动，恒星紧系在天的最高圆顶。系在天的最高圆顶。1010个天体到中心火团之间的距离同音阶个天体到中心火团之间的距离同音阶之间的音程具有同样的比例关系，以保证之间的音程具有同样的比例关系，以保证“星球的和

78、谐星球的和谐”，奏出奏出“天体的音乐天体的音乐”。天体必须作均匀的圆周运动的假设，一直控制天体必须作均匀的圆周运动的假设，一直控制着天文学的发展，直到开普勒为止。着天文学的发展，直到开普勒为止。2.2.柏拉图学派柏拉图学派 继承和发展了毕达哥拉斯学派对科学美的追求。继承和发展了毕达哥拉斯学派对科学美的追求。他认为，他认为，天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者沿着天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动，或者沿着复合的圆周运动。其学生复合的圆周运动。其学生欧多克斯欧多克斯(Eudoxus,前前409-前前355)和和亚里亚里士多德士多德提出了同心球层模型：欧多克斯假设了提出了同心球

79、层模型：欧多克斯假设了26个同心球个同心球，亚里士多德发展到亚里士多德发展到56个个，地球为运动中心。，地球为运动中心。633.3.地心说的发展与完善地心说的发展与完善 同心球层模型要求天体永远和地球保持同一距离，但同心球层模型要求天体永远和地球保持同一距离，但行星亮度的变化和日食有时是全食、有时是环食的现象，说行星亮度的变化和日食有时是全食、有时是环食的现象，说明行星、太阳、月亮离地球的距离是不断变化的。明行星、太阳、月亮离地球的距离是不断变化的。 为了克服这一困难，为了克服这一困难，阿波罗尼阿波罗尼（Apollonius,约前约前247前前205）提出了提出了“本轮本轮均轮均轮”结构模型：

80、行星沿着本轮做圆周运结构模型：行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动。动，本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动。之后的之后的希帕克斯希帕克斯(Hipparchus,前前161-前前126)又发展了又发展了偏偏心轮和本轮心轮和本轮均均轮体系轮体系。64例：例： 从地球上看，金星总是在太阳从地球上看，金星总是在太阳方向的方向的2 2(=48)(=48)角度范围内，从角度范围内，从不远离太阳，并且有时亮有时暗一些。不远离太阳，并且有时亮有时暗一些。赫拉克利特根据这一事实，设想它们赫拉克利特根据这一事实，设想它们沿轨道绕日运转，并产生亮度的变化。沿轨道绕日运转，并

81、产生亮度的变化。 地心说体系最终由希腊晚期亚历山大城的数学家、天文地心说体系最终由希腊晚期亚历山大城的数学家、天文学家学家托勒密托勒密（Ptolemaeus,Ptolemaeus,约约9016890168）发展和完善：他用）发展和完善：他用8080个轮来解释天体的运动，与实测数据符合的较好。后来被宗个轮来解释天体的运动，与实测数据符合的较好。后来被宗教利用来宣传教义，流行了教利用来宣传教义，流行了14001400多年。多年。 问题：随着观察数据的增多和观察水平的逐渐提高，解问题：随着观察数据的增多和观察水平的逐渐提高，解释天体运动的圆还在增加，显然这和释天体运动的圆还在增加，显然这和“简单美简

82、单美”相矛盾。相矛盾。655.太阳中心说太阳中心说 阿里斯塔克阿里斯塔克（Aristarchus,约公元前约公元前310前前230）：）：他在所写的他在所写的太阳和月亮的大小与距离太阳和月亮的大小与距离(On the Sizes and Distances of the Sun and Moon)一书中提出：太阳是宇宙的中心，地球和一书中提出：太阳是宇宙的中心，地球和行星都围绕太阳运转，地球每年绕太阳转一周，又每天自转行星都围绕太阳运转，地球每年绕太阳转一周，又每天自转一周。因为恒星距离我们太远，其视差太小，我们看不出来，一周。因为恒星距离我们太远，其视差太小，我们看不出来，所以看起来恒星在远

83、处不动。由于这一思想远远超过了当时所以看起来恒星在远处不动。由于这一思想远远超过了当时的天文学和力学的知识水平，所以不为当时的人们所接受，的天文学和力学的知识水平，所以不为当时的人们所接受，并长期受到教会的压制。并长期受到教会的压制。66第三节第三节 古希腊的物理学知识古希腊的物理学知识 古希腊的物理知识主要集中在古希腊的物理知识主要集中在力学力学和和光学光学两个方面。力两个方面。力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学。学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学。一一 力学知识力学知识1.1.亚里士多德的力学研究亚里士多德的力学研究 关于空间：关于空间：他认为空间即意味着不动

84、。并提出了空间位置他认为空间即意味着不动。并提出了空间位置的相对性，如的相对性，如“同一位置可以是右也可以是左，可以是上同一位置可以是右也可以是左，可以是上, ,也也可以是下。可以是下。” ” 但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的。但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的。 关于时间：关于时间：他认为时间就是描述运动的数。他说他认为时间就是描述运动的数。他说“时间是时间是使运动成为可以记数的东西使运动成为可以记数的东西”“”“我们不仅用时间计量运动，也我们不仅用时间计量运动，也用运动计量时间，因为他们是相互确定的用运动计量时间，因为他们是相互确定的”。他认为时间不同。他认为时间不同于运动，运动有快有慢

85、，而时间的流失则是均匀的。于运动，运动有快有慢，而时间的流失则是均匀的。67 关于运动：关于运动：他认为运动就是变化，并将自然界的运动分为他认为运动就是变化，并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动。自然运动和强迫运动。 强迫运动强迫运动指借助外力进行的运动，撤去外力，运动停止。指借助外力进行的运动，撤去外力，运动停止。物体的运动速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力物体的运动速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力成反比。成反比。 对抛体运动的解释对抛体运动的解释: :自然界害怕虚空自然界害怕虚空, ,填补空虚推动物体填补空虚推动物体. . 对自由落体速度越来越快的解释对自由落体速度

86、越来越快的解释：物体越接近其天然位置：物体越接近其天然位置, ,其奔向倾向就越强；上方空气柱的重量越来越重等。其奔向倾向就越强；上方空气柱的重量越来越重等。 自然运动自然运动是是指由于物体在指由于物体在“内在目的内在目的”的支配下寻找的支配下寻找其其“天然位置天然位置”的运动，与物质所含元素有关，如重物的垂的运动，与物质所含元素有关，如重物的垂直下落和轻物竖直上升。含土元素的重物的天然位置在地心，直下落和轻物竖直上升。含土元素的重物的天然位置在地心，由火元素构成的轻物的天然位置在天空等。由火元素构成的轻物的天然位置在天空等。物体越重，下落物体越重，下落就越快；物体越轻，上升就越快。就越快；物体

87、越轻，上升就越快。68 意义：意义：亚里士多德能够摆脱神的意志，并能形成一套自圆亚里士多德能够摆脱神的意志，并能形成一套自圆其说的体系，在当时是有非常重要意义的。在科学史上，他其说的体系，在当时是有非常重要意义的。在科学史上，他是一个重要的开拓者，尽管其许多观点是错误的，但其历史是一个重要的开拓者，尽管其许多观点是错误的，但其历史作用不可否定。作用不可否定。692. 2. 阿基米德阿基米德（前（前287287前前212212） 古希腊最著名的物理学家，数学和力学大师。后人称古希腊最著名的物理学家，数学和力学大师。后人称其为其为“物理学之父物理学之父”。著有论平面的平衡论浮体，。著有论平面的平衡

88、论浮体，其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点。其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点。 1 1）杠杆原理）杠杆原理：用了用了7 7条假设，论证表述了条假设，论证表述了1515个命题个命题. . 2 2）浮力定理）浮力定理（阿基米德定理）；（阿基米德定理）； 3 3）证明了正圆柱体）证明了正圆柱体 内切球的体积与该圆柱体积之比内切球的体积与该圆柱体积之比 为为2:32:3；他采用了两种方法：他采用了两种方法： 实际制作了两个材料相同的模型，称其重量；实际制作了两个材料相同的模型，称其重量； 从数学上推导论证。从数学上推导论证。 4 4）提出了重心的概念和物体重心的求法；）提出了重心的概

89、念和物体重心的求法； 5 5）计算了）计算了的数值在的数值在3 3又又10/7110/71和和3 3又又1/71/7之间；之间； 6 6）发明了滑轮组；）发明了滑轮组； 7 7）发明了阿基米德螺旋提水器等。）发明了阿基米德螺旋提水器等。70启启 明明 之之 光光: : 二二. . 古古 希希 腊腊 时时 期期 的的 物物 理理 进进 展展故事故事1)1)铜铜镜镜烧烧船船: :在在保保卫卫叙叙拉拉古古免免受受罗罗马马海海军军攻攻击击的的战战斗斗中中，阿阿基基米米德德利利用用杠杠杆杆技技术术制制造造了了远远、近近距距离离的的投投石石机机攻攻击击敌敌舰舰，并并用用滑滑轮轮组组把把敌敌舰舰的的船船头头

90、拉拉倒倒。据据说说阿阿基基米米德德让让妇妇女女用用铜铜镜镜组组成成一一面面聚聚光光镜镜烧烧战战船船上上的的帆帆，浸浸了了油油的的绳绳与与桅桅杆杆和和帆帆都都烧烧起起来来了了。17471747年年，法法国国科科学学家家布布韦韦为为了了验验证证这这一一情情况况，用用360360面面镜子，拼成一个大凹镜，烧灼了镜子，拼成一个大凹镜，烧灼了7070米外的木堆。米外的木堆。2)2)豪豪言言：传传阿阿基基米米德德在在叙叙拉拉古古的的王王宫宫曾曾以以这这样样的的豪豪言言评评价价杠杠杆的作用杆的作用:“:“给我一个支点，我可以撬动地球给我一个支点，我可以撬动地球”。3)3)鉴鉴定定王王冠冠：传传阿阿基基米米德

91、德在在洗洗澡澡时时发发现现了了鉴鉴定定王王冠冠的的纯纯金金成成分的方法，并在国王和大臣面前进行了表演。分的方法，并在国王和大臣面前进行了表演。意义：意义：阿基米德的力学研究方法具有阿基米德的力学研究方法具有“一般一般”的意义。阿基米的意义。阿基米德在提出了著名的浮力定律和杠杆原理的过程中所采用的公理德在提出了著名的浮力定律和杠杆原理的过程中所采用的公理化方法化方法-将实验和数学推理结合起来将实验和数学推理结合起来，成为近代甚至现代物，成为近代甚至现代物理学研究的重要方法之一。理学研究的重要方法之一。71欧几里德欧几里德（约前（约前330330前前275275）建立的优美的几何演绎体系，）建立的

92、优美的几何演绎体系，是古代数学乃至整个数学史上的最伟大成果之一。他将几是古代数学乃至整个数学史上的最伟大成果之一。他将几何学引入到光学研究，将光学看作是几何学的一个分支，何学引入到光学研究，将光学看作是几何学的一个分支，著有反射光学著有反射光学(Catoptrica)(Catoptrica)，确认光的直进性，并建，确认光的直进性，并建立了光的反射定律。确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球立了光的反射定律。确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球心与球面之间。但他却认为视觉的产生是从人眼睛发射出心与球面之间。但他却认为视觉的产生是从人眼睛发射出的光线被物反射回来的结果。的光线被物反射回来的结果。二二 光学知

93、识光学知识希隆希隆（Heron,Heron,前前150150前前100100）：）：用光程最短原理论证了光的反用光程最短原理论证了光的反射定律。射定律。 光反射时通过的路程光反射时通过的路程SMSSMS比任何其他的路程比任何其他的路程SMSSMS都短。都短。这个原则后来为这个原则后来为费马费马(Fermat)(Fermat)所发展。所发展。721.阿里斯塔克测量阿里斯塔克测量-日地距离和月地距离之日地距离和月地距离之比：比： 当月亮恰为半月时，日月地构成直角当月亮恰为半月时，日月地构成直角三角形：三角形：日日-地间的直线为斜边，日地间的直线为斜边，日-月和月和月月-地间的直线均为直角边，他测得

94、月地间的直线均为直角边，他测得月-地地边和日边和日-地边之间的夹角，进而得出日地边之间的夹角，进而得出日-地地间的距离为月间的距离为月-地间的距离的地间的距离的20倍（实际倍（实际为为400倍）。倍）。应用：应用： 阿里斯塔克阿里斯塔克：测量日地距离和月地距离之比；：测量日地距离和月地距离之比； 埃拉多塞埃拉多塞（约前（约前270270前前196196）测量地球周长等。）测量地球周长等。日日月月地地 由于当时观测条件的限制，在阿里由于当时观测条件的限制，在阿里斯塔克的计算中，数据误差很大，但其研斯塔克的计算中，数据误差很大，但其研究方法是正确的，惊人的。究方法是正确的，惊人的。732.2.埃拉

95、多塞埃拉多塞( (公元前公元前270-270-公元前公元前196)196)：用三尺长的竹竿测地球周长：用三尺长的竹竿测地球周长埃埃及及的的尼尼罗罗河河旁旁有有两两个个城城市市赛赛恩恩和和亚亚历历山山大大。在在塞塞恩恩有有一一口口很很深深的的井井，夏夏至至那那天天，阳阳光光会会照照到到井井底底，而而阳阳光光同同时时在在亚亚历历山山大大对对竹竹竿竿将将有有一一个个投投影影，我我们们可可测测出出角角，根根据据几几何关系可知，何关系可知，AOS=，OS=0A为地球半径，则：为地球半径，则：启启 明明 之之 光光: : 二二. . 古古 希希 腊腊 时时 期期 的的 物物 理理 进进 展展 计算得：计算

96、得：L39000千米千米 现在测量数据约为现在测量数据约为40000千米千米AS井井74第四节第四节 中世纪的物理学知识中世纪的物理学知识一一 阿拉伯人的物理成就阿拉伯人的物理成就 1.1.阿勒阿勒哈增哈增（9651038）著有光学全书：研究了眼睛著有光学全书：研究了眼睛的结构，如的结构，如“网膜网膜”、“角膜角膜”、“玻璃状体玻璃状体”、“前房液前房液”等术语均出自于他。认为视觉是光线从物体发出进入人眼等术语均出自于他。认为视觉是光线从物体发出进入人眼所致；认为光的入射线、反射线和法线都在一个平面内；研所致；认为光的入射线、反射线和法线都在一个平面内；研究了球面镜、抛物镜成像问题；正确解释了

97、太阳、月亮在地究了球面镜、抛物镜成像问题；正确解释了太阳、月亮在地平线附近看起来较大的原因平线附近看起来较大的原因。 2. 2.阿勒阿勒哈兹尼哈兹尼（1212世纪人）世纪人）著有智慧秤的故事，可以著有智慧秤的故事，可以测量空气中和水中物体的重量测量空气中和水中物体的重量, ,从而编出比重表；发现了水从而编出比重表；发现了水的比重随温度的不同而不同；发现空气有重量，因而阿基米的比重随温度的不同而不同；发现空气有重量，因而阿基米德定律在空气中也适用；指出大气的密度与高度有关；提出德定律在空气中也适用；指出大气的密度与高度有关；提出物质的量与重量不同，两者成正比关系；最早提出速度的概物质的量与重量不

98、同，两者成正比关系；最早提出速度的概念：用路程与时间之比表示速度。念：用路程与时间之比表示速度。75二二 欧洲人的研究工作欧洲人的研究工作 阿拉伯在阿拉伯在8-98-9世纪开始大量翻译希腊的经典著作。从世纪开始大量翻译希腊的经典著作。从1010世纪中叶开始，欧洲一些学者，世纪中叶开始，欧洲一些学者，将阿拉伯文的书翻译成拉丁将阿拉伯文的书翻译成拉丁文文。到。到1212世纪，翻译活动形成了更高的浪潮。这种翻译活动世纪，翻译活动形成了更高的浪潮。这种翻译活动为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件。为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件。 另一重要事件是另一重要事件是大学的建立大学

99、的建立。12-1312-13世纪，在欧洲建立世纪，在欧洲建立了牛津大学了牛津大学(1168)(1168)、剑桥大学、剑桥大学(1209)(1209)、巴黎大学、巴黎大学(1253)(1253)和波和波伦亚大学；后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学，同伦亚大学；后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学，同时在大学内又相继成立了一大批专门的学院，这些学院对中时在大学内又相继成立了一大批专门的学院，这些学院对中世纪晚期学术发展发挥了重要作用。世纪晚期学术发展发挥了重要作用。76罗吉尔罗吉尔培根培根（约（约1214-12941214-1294） 英国人，是英国人，是1313世纪杰出的科学家。大胆同迷信

100、、反动世纪杰出的科学家。大胆同迷信、反动教会作斗争，是近代自然科学的先驱。他提倡：教会作斗争，是近代自然科学的先驱。他提倡：倡导实验方法研究自然倡导实验方法研究自然 他是当时唯一旗帜鲜明地主张科学实验的人。通过实验他是当时唯一旗帜鲜明地主张科学实验的人。通过实验培根发现了火药的成分；发明了暗室；用光线在雨滴中的折培根发现了火药的成分；发明了暗室；用光线在雨滴中的折射解释了虹的成因；提出用平凸透镜制成望远镜的设想；研射解释了虹的成因；提出用平凸透镜制成望远镜的设想；研究过蒸汽的作用，并预言可以造出不用人力浆的航船，不用究过蒸汽的作用，并预言可以造出不用人力浆的航船，不用马拉的自动行驶的车，以及能

101、在天上飞行的装置等。马拉的自动行驶的车，以及能在天上飞行的装置等。重视对数学的研究重视对数学的研究 实验方法和数学方法相结合是近代物理学产生的重要支实验方法和数学方法相结合是近代物理学产生的重要支柱。这种方法在西方始于阿基米德，经培根提到原则的高度，柱。这种方法在西方始于阿基米德，经培根提到原则的高度，预示着近代科学即将诞生。预示着近代科学即将诞生。77 培根的思想远远超过了他的时代，并写了很多著作。由培根的思想远远超过了他的时代，并写了很多著作。由于培根的科学思想为当时的教会所不容，在教会的严格监视于培根的科学思想为当时的教会所不容，在教会的严格监视下，培根在巴黎寺院里生活了下，培根在巴黎寺

102、院里生活了1010年，后来又被关进监狱年，后来又被关进监狱1414年年之久，出狱后两年便与世长辞。他的主要著作大著作、之久，出狱后两年便与世长辞。他的主要著作大著作、小著作、第三著作等也没有流传，只有其中一小部小著作、第三著作等也没有流传，只有其中一小部分以手抄本的形式保留下来。分以手抄本的形式保留下来。78第五节：亚里士多德的物理学第五节：亚里士多德的物理学1.1.亚里士多德（亚里士多德（希腊，约公元前希腊，约公元前384-384-公元前公元前322322）: : 出出生生于于希希腊腊北北部部的的一一个个城城邦邦，1818岁岁进进入入柏柏拉拉图图学学园园 ，并并在在此此学学习习和和工工作作了

103、了2020年年之之久久。柏柏拉拉图图死死后后，亚亚里里士士多多德德离离开开了了学学园园，不不久久到到了了马马其其顿顿，任任宫宫廷廷教教师师，约约在在公公元元前前342342年年，他他成成为为王王子子亚亚力力山山大大的的私私人人教教师师。公公元元前前335335年年，又又回回到到雅雅典典，创创办办了了吕吕克克昂昂学学园园。亚亚里里士士多多德德的的研研究究很很广广泛泛，建建立立了了一一个个庞庞大大的的理理论论体体系系，被被称称为为“学学术术理理论论帝帝国国”。他他系系统统研研究究了了逻逻辑辑学学、政政治治学学、论论理理学学、文文学学、天天文文学学、物物理理学学、生生物物学学等等，著著述述甚甚丰丰，

104、据据说说上上千千卷卷，包包括括形形而而上上学学、物物理理学学、论论理理学学、工工具具篇篇等等。被被称称为为古古希希腊腊思思想想史史上上的的“百百科科全全书书”。在在科科学学领领域域里里起起着着奠奠基基性性的的作作用用。由由于于他他和和弟弟子子们们常常在在散散步步时时进进行行哲哲学学讨讨论，所以被称为论，所以被称为“逍遥学派逍遥学派”。亚亚 里里 士士 多多 德德 的的 物物 理理 学：二学：二. . 亚亚 里里 士士 多多 德德 的的 物物 理理 学学792.2.主要观点主要观点1)1)提出物理学名称的第一人，强调科学分类。提出物理学名称的第一人，强调科学分类。2)2)若物体不受力，运动即停止

105、。力是运动的原因。若物体不受力，运动即停止。力是运动的原因。3)3)物体越重，下落速度应该越大。物体越重，下落速度应该越大。4)4)地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮围绕它转。地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮围绕它转。 亚氏观点从归纳日常生活出发，加上哲学思辩，后来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。发展为经院哲学，成为自然科学的障碍。亚亚 里里 士士 多多 德德 的的 物物 理理 学：二学：二. . 亚亚 里里 士士 多多 德德 的的 物物 理理 学学经院哲学经院哲学: : 西欧中世纪主要哲学思想的总称。因产生于天主教西欧中世纪主要哲学思想的总

106、称。因产生于天主教的学院，故称经院哲学。主张理性服从信仰，目的在于论的学院，故称经院哲学。主张理性服从信仰，目的在于论证基督教的教条，维护教会和封建主的统治。主要代表为证基督教的教条，维护教会和封建主的统治。主要代表为托马斯托马斯阿奎那。阿奎那。 宣扬科学的根本目的在于适应神学。宣扬科学的根本目的在于适应神学。80811.1.哥白尼与哥白尼与“天体运行论天体运行论”、第谷与开普勒、第谷与开普勒2.2.运动学的奠基人运动学的奠基人伽利略伽利略3. 3. 牛顿的伟大综合和理论飞跃牛顿的伟大综合和理论飞跃4.4.牛顿后力学的发展（略）牛顿后力学的发展（略）第三章第三章 经典力学的建立经典力学的建立8

107、21.1.哥白尼与哥白尼与“天体运行论天体运行论”、第谷与、第谷与开普勒开普勒一一. .哥白尼与哥白尼与“天体运行论天体运行论”二二. .第谷与开普勒第谷与开普勒83新新 芽芽 破破 土土 ：二：二. . 哥哥 白白 尼尼 与与 “ “天天 体体 运运 行行 论论”哥白尼像一一. .哥白尼与哥白尼与“天体运行论天体运行论” 哥白尼日心体系的提出，是自然科哥白尼日心体系的提出，是自然科学向神学的第一次严正挑战，标志着自学向神学的第一次严正挑战，标志着自然科学从神学中独立出来。然科学从神学中独立出来。 哥白尼是波兰伟大的天文学家，哥白尼是波兰伟大的天文学家，1818岁入克拉科夫大学学习数学和天文学

108、；岁入克拉科夫大学学习数学和天文学；14961496年到文艺复兴的意大利留学，波伦年到文艺复兴的意大利留学，波伦亚大学天文学教授诺瓦拉亚大学天文学教授诺瓦拉(Novara)(Novara)关于关于托勒密体系过于复杂，不符合数的谐和托勒密体系过于复杂，不符合数的谐和原则的评论，对哥白尼产生了影响。原则的评论，对哥白尼产生了影响。在留学期间，他还阅读了大量古希腊学者的著作，受到了其中在留学期间，他还阅读了大量古希腊学者的著作，受到了其中有关地球运动的思想有关地球运动的思想（阿里斯塔克）（阿里斯塔克）的启发，为他创立新的宇的启发，为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础。宙体系奠定了思想基础。 1503

109、1503年，哥白尼回到波兰后，在担年，哥白尼回到波兰后，在担任牧师职务期间坚持进行天文学观测和新的宇宙体系的研究。任牧师职务期间坚持进行天文学观测和新的宇宙体系的研究。84 由于观测技术的进步由于观测技术的进步, ,在托勒密的地心体系里必须用八十在托勒密的地心体系里必须用八十个左右的均轮和本轮才能获得同观测比较相合的结果，而且个左右的均轮和本轮才能获得同观测比较相合的结果，而且这类小轮的数目还有继续增加的趋势。这类小轮的数目还有继续增加的趋势。 哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动，发现每个行星哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动，发现每个行星都有三种共同的周期运动都有三种共同的周期运动, ,即即

110、: :一天一周、一年一周和相当于一天一周、一年一周和相当于岁差的周期运动。他认为，如果把这三种运动都归到被托勒岁差的周期运动。他认为，如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球身上，就可消除他的体系里不必要的密视为静止不动的地球身上，就可消除他的体系里不必要的复杂性。只有月球绕地球转动。恒星则在离太阳很远的一个复杂性。只有月球绕地球转动。恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动。这样，哥白尼提出了一个以太阳为中心天球面上静止不动。这样，哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙体系。在这个体系中，天体从远到近的顺序是：恒星的宇宙体系。在这个体系中，天体从远到近的顺序是：恒星不动；土星，不动；土星

111、，3030年转一周；木星，年转一周；木星，1212年一周；火星，年一周；火星，2 2年一周；年一周；地球和月亮一年一周；金星，地球和月亮一年一周；金星，9 9个月一周；水星，个月一周；水星，8080天一周等。天一周等。哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体则哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳，而各个天体则都有其自然的运动。都有其自然的运动。85 由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。由于担心教会谴责，他迟迟没有公开发表自己的见解。15301530年，哥白尼才将他的学说写成一个小册子纲要，以手年，哥白尼才将他的学说写成一个小册子纲要，以手稿形式在友人中流传。直到稿形式在

112、友人中流传。直到15421542年，在他生命垂危之际，才同年，在他生命垂危之际，才同意将他的主要著作天体运行论交付印行。并且在书的序中意将他的主要著作天体运行论交付印行。并且在书的序中写明，将他的著作献给教皇保罗三世。他认为，在这位比较开写明，将他的著作献给教皇保罗三世。他认为，在这位比较开明的教皇的庇护下，天体运行论也许可以问世。明的教皇的庇护下，天体运行论也许可以问世。 除了这篇序之外，天体运行论还有另外一篇别人写的除了这篇序之外，天体运行论还有另外一篇别人写的前言。前言中说，书中的理论不一定代表行星在空间的真正运前言。前言中说，书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动，不过是为编算星表、

113、预推行星的位置而想出来的一种人为动，不过是为编算星表、预推行星的位置而想出来的一种人为的设计。的设计。 应该说，哥白尼并不是一个想要彻底推翻全部传统观念的应该说，哥白尼并不是一个想要彻底推翻全部传统观念的革命派，而是一个深受毕达哥拉斯学派思想影响的人，他的出革命派，而是一个深受毕达哥拉斯学派思想影响的人，他的出发点是：考虑能否用尽可能少的匀速圆周运动的组合来构造一发点是：考虑能否用尽可能少的匀速圆周运动的组合来构造一个宇宙体系，以符合毕达哥拉斯学派的简单、均匀等和谐思想。个宇宙体系，以符合毕达哥拉斯学派的简单、均匀等和谐思想。因此，在很大程度上可以说，哥白尼太阳中心说体系的建立，因此，在很大程

114、度上可以说，哥白尼太阳中心说体系的建立，是深受毕达哥拉斯学派和谐思想影响的结果。是深受毕达哥拉斯学派和谐思想影响的结果。86天体运行论出版后很少引起人们的注意。一般人不能了解，天体运行论出版后很少引起人们的注意。一般人不能了解，而许多天文工作者则正如奥塞安德尔所说的那样，只把这本书而许多天文工作者则正如奥塞安德尔所说的那样，只把这本书当作编算行星星表的一种方法。天体运行论在出版后七十当作编算行星星表的一种方法。天体运行论在出版后七十年间，虽然遭到马丁年间，虽然遭到马丁路德的斥责，但未引起罗马教廷的注意。路德的斥责，但未引起罗马教廷的注意。后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说，危及教会的思想统后

115、因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说，危及教会的思想统治，罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害，并于公元治，罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害，并于公元16161616年年把天体运行论列为禁书。把天体运行论列为禁书。 哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识，而哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识，而且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础。“从此自然科从此自然科学便开始从神学中解放出来学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大踏步前科学的发展从此便大踏步前进进”87二二. .第谷与开普勒第谷与开普勒 1.1.第谷第谷(Tycho B

116、rahe,1546-1601)(Tycho Brahe,1546-1601)的天文观测的天文观测 丹麦人，生于贵族家庭，丹麦人，生于贵族家庭，15761576年在丹麦国王腓特烈二世年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台，测量精度较前人提高了几十倍至上百倍，在台，测量精度较前人提高了几十倍至上百倍，在2121年的观测年的观测中，各行星角位置的误差仅为中，各行星角位置的误差仅为2(2(即即0.0330.033，1=60)1=60)。他将亚里士多德理论和哥白尼体系进行了折中，认为，除地他将亚里士多德理论和哥白尼

117、体系进行了折中，认为，除地球和围绕它的月亮外，其他天体都绕太阳运转，太阳率领众球和围绕它的月亮外，其他天体都绕太阳运转，太阳率领众行星围绕地球运转，地球是静止不动的。行星围绕地球运转，地球是静止不动的。被人誉为被人誉为“星学之星学之王王”。 腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。腓特烈二世逝世后，第谷失去了资助。15991599年，他在布年，他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款，于是他把部分仪器搬到了布拉格。在这里，他得到了一个青年助手开普勒。他们共了布拉格。在这里，他得到了一个青年助手开普勒。他们共同进行观察，直到同进行观察，直到1601160

118、1年第谷去世。年第谷去世。88第第谷谷使使用用的的天天文文仪仪器器新新 芽芽 破破 土土 ：三：三. . 第第 谷谷 与与 开开 普普 勒勒第谷的墙壁象限仪第谷的墙壁象限仪89 开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家，他开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家，他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的。他以数学的和坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的。他以数学的和谐来探索宇宙体系。谐来探索宇宙体系。 （在在15961596年发表的宇宙的秘密中，他用古希腊人已发现的五个正多边形和年发表的宇宙的秘密中，他用古希腊人已发现的五个正多边形和当时已知的六颗行星的轨道的套迭，来解释为什

119、么它们又有这么大小的轨道。其安当时已知的六颗行星的轨道的套迭，来解释为什么它们又有这么大小的轨道。其安排是：一个半径等于土星轨道的球内，内接一个正六面体，正六面体的内切球即为排是：一个半径等于土星轨道的球内，内接一个正六面体，正六面体的内切球即为木星的轨道；在木星轨道的球内，内接一个正四面体，正四面体的内切球就是火星木星的轨道；在木星轨道的球内，内接一个正四面体，正四面体的内切球就是火星的轨道；火星轨道内切球内，内接一个正十二面体，其内切球正是地球的轨道；地的轨道；火星轨道内切球内，内接一个正十二面体，其内切球正是地球的轨道；地球轨道内接球的正二十面体，内切球是金星轨道，金星轨道内接球的正八面

120、体，内球轨道内接球的正二十面体，内切球是金星轨道，金星轨道内接球的正八面体，内切球是水星轨道。这样的安排表现出开普勒出色的想象力和数学才能，纯粹是一种切球是水星轨道。这样的安排表现出开普勒出色的想象力和数学才能，纯粹是一种偶然性，并带有数学神秘感。但却因此引起了第谷和伽利落的注意，并被第谷召为偶然性，并带有数学神秘感。但却因此引起了第谷和伽利落的注意，并被第谷召为助手。助手。） 开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨哲学家。他以数学的和谐性探索宇宙，在天文学方面做出了巨大的贡献。

121、被后世的科学史家称为大的贡献。被后世的科学史家称为“天上的立法者天上的立法者”。2.2.德国天文学家开普勒德国天文学家开普勒(1571-1600)(1571-1600)：90 开普勒出生在一个贫民家庭，四岁时患上了天花和猩红开普勒出生在一个贫民家庭，四岁时患上了天花和猩红热，导致视力衰弱，一只手半残。但开普勒顽强的进取精神，热，导致视力衰弱，一只手半残。但开普勒顽强的进取精神，使其学习成绩一直名列前茅。使其学习成绩一直名列前茅。15871587年进入蒂宾根大学，在校年进入蒂宾根大学，在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林。在他的影响

122、下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，影响下，很快成为哥白尼学说的忠实维护者。大学毕业后，开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学开普勒获得了天文学硕士的学位，被聘请到格拉茨新教神学院担任教师。后来，由于学校被天主教会控制，开普勒离开院担任教师。后来，由于学校被天主教会控制，开普勒离开神学院前往布拉格，与第谷一起专心地从事天文观测工作。神学院前往布拉格，与第谷一起专心地从事天文观测工作。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为皇室的数学家。第谷死后，开普勒接替了他的职位，被聘为皇室的数学家。第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给第谷在临终前将自己多年积累的天文观测

123、资料全部交给了开普勒，于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行了开普勒，于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行星表，并于星表，并于1627年出版了卢道夫行星表，一边进行着对年出版了卢道夫行星表，一边进行着对行星轨道特点的研究。行星轨道特点的研究。91对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。开对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点。开始，开普勒用正圆编制火星的运行表，发现火星老是出轨。他始，开普勒用正圆编制火星的运行表，发现火星老是出轨。他便将正圆改为偏心圆。可是，依照这个方法来预测火星的位置，便将正圆改为偏心圆。可是，依照这个方法来预测火星的位置，跟第谷的观测数据仍然不符

124、，产生跟第谷的观测数据仍然不符，产生8的误差。的误差。 开普勒知道第谷观测数据的准确性，所以他没有将这一误开普勒知道第谷观测数据的准确性，所以他没有将这一误差差“观测范围内的允许误差观测范围内的允许误差”，而是认为，而是认为“匀速圆周运动匀速圆周运动”的的假设存在错误。此后，开普勒转向了用第谷的观测数据去确定假设存在错误。此后，开普勒转向了用第谷的观测数据去确定行星的运行轨道。从而发现火星轨道是一种椭圆，并进而发现行星的运行轨道。从而发现火星轨道是一种椭圆，并进而发现每个行星都沿椭圆轨道运动，太阳就在一个焦点上；接着又发每个行星都沿椭圆轨道运动，太阳就在一个焦点上；接着又发现面积定律。上述两定

125、律发表在现面积定律。上述两定律发表在16091609年出版的新天文学上。年出版的新天文学上。在在16191619年出版的世界的和谐中公布了周期定律。年出版的世界的和谐中公布了周期定律。 开普勒的上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠定开普勒的上述重要发现，为牛顿创立天体力学理论奠定了基础。开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一。了基础。开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一。从此开始，数学方程就成为表达物理定律的基本方式。从此开始，数学方程就成为表达物理定律的基本方式。92一一. .伽利略的运动理论伽利略的运动理论二二. .意义意义2.2.运动学的奠基人运动学的奠基人伽利略伽利略9

126、31.1.伽利略伽利略(1564-1642)(1564-1642)简介：简介： 伽利略发现月亮表面和地球一样是粗糙不平的；他将望远伽利略发现月亮表面和地球一样是粗糙不平的；他将望远镜指向天空的任一方向，都可以看到无数的星体；他发现银河镜指向天空的任一方向，都可以看到无数的星体；他发现银河也是由无数颗暗淡的星星组成的；木星有四颗卫星等。这些发也是由无数颗暗淡的星星组成的；木星有四颗卫星等。这些发现既否定了古代天体只有现既否定了古代天体只有7 7个或个或1010个断言，又表明地球并不是所个断言，又表明地球并不是所有天体绕之运转的中心。有力的支持了日心说。有天体绕之运转的中心。有力的支持了日心说。

127、星界信使星界信使使伽利略获得极大荣誉，使伽利略获得极大荣誉，16101610年年7 7月，被邀到佛罗伦萨任宫廷数月，被邀到佛罗伦萨任宫廷数学家和哲学家。学家和哲学家。 出生于意大利比萨。奠定了经典力学中运动学的基础。出生于意大利比萨。奠定了经典力学中运动学的基础。 1609 1609年年5 5月，用一块凸透镜和一块平凹面镜制成一放大月，用一块凸透镜和一块平凹面镜制成一放大9 9倍倍的望远镜，（因此获终身教授），后经改进，制成一放大约千的望远镜，（因此获终身教授），后经改进，制成一放大约千倍的望远镜。在倍的望远镜。在16101610年的最初的几个星期内，伽利略便获得几年的最初的几个星期内，伽利略

128、便获得几项重大发现，并于当年出版在星界信使中。项重大发现，并于当年出版在星界信使中。94一一. .伽利略的运动理论伽利略的运动理论1.1.运动的描述和分类运动的描述和分类 提出将运动分为匀速运动和变速运动。提出将运动分为匀速运动和变速运动。2.2.自由落体定律自由落体定律首先从思想实验得出的一个佯谬入手，对亚里士多德的落体首先从思想实验得出的一个佯谬入手，对亚里士多德的落体学说反驳：重物和轻物绑在一起下落时的速度？学说反驳：重物和轻物绑在一起下落时的速度？通过数学推到出自由落体为匀加速运动：利用三角形面积和通过数学推到出自由落体为匀加速运动：利用三角形面积和一对应的矩形面积相等确定一对应的矩形

129、面积相等确定 s/t s/t2 2= =常量常量设计了设计了“冲淡重力冲淡重力”实验，即著名的实验，即著名的“斜面实验斜面实验”为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动，提出了为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动，提出了“等末速度假设等末速度假设”，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速，并用一个单摆实验验证了假设。由等末速度假设得到了沿斜面下滑的加速度度假设得到了沿斜面下滑的加速度g g1 1和重力加速度和重力加速度g g之间的之间的关系。关系。95假设的实验验证：假设的实验验证：摆的升高实验。摆的升高实验。963.3.惯性原理惯性原理 “等末速度假设等末速度假设”和单摆摆球的等高性实

130、验，把伽利略和单摆摆球的等高性实验，把伽利略引向另一个理想实验，如右图所示。引向另一个理想实验，如右图所示。 “ “任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加任何速度一旦施加给一个运动着的物体，只要除去加速或减速的原因，此速度就可保持不变；不过，这是只能在速或减速的原因，此速度就可保持不变；不过，这是只能在水平面上发生的一种情形。水平面上发生的一种情形。”这一思想实验，有力地证明了这一思想实验，有力地证明了外力不是物体运动的原因，而是运动速度变化的原因。外力不是物体运动的原因，而是运动速度变化的原因。 在谈话中，他也表达过这一思想在谈话中，他也表达过这一思想“当一个物体在水平当一个物体在水

131、平面上运动，没有碰到任何阻碍时面上运动，没有碰到任何阻碍时它的运动将是匀速的，并将它的运动将是匀速的，并将无限继续进行下去，假如平面是在空间无限延伸的话。无限继续进行下去，假如平面是在空间无限延伸的话。”974.4.抛体运动轨迹抛体运动轨迹-运动的独立进行原理运动的独立进行原理在两门新科学的第四天谈话中，详细研究了抛体在两门新科学的第四天谈话中，详细研究了抛体运动，指出：假设物体以水平初速度抛出，这时物体将同运动，指出：假设物体以水平初速度抛出，这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动这这两个运动既不彼此影响、干扰，也不互相妨碍两

132、个运动既不彼此影响、干扰，也不互相妨碍”。这就是。这就是运动的独立进行原理。运动的独立进行原理。 伽利略把各种仰角下物体的射程一一计算出来作成表伽利略把各种仰角下物体的射程一一计算出来作成表格，从而得出仰角为格，从而得出仰角为=45=450 0 时射程最大，以及两个仰角等时射程最大，以及两个仰角等于于=45=450 0下射程相等得结论。下射程相等得结论。985.5.相对性原理相对性原理在批驳在批驳“倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到倘若地球运动，就会把地球上面的物体抛到后面去后面去”的谬论时，伽利略指出，从行驶的航船的桅杆上的谬论时，伽利略指出，从行驶的航船的桅杆上落下的石子，仍会落在桅杆

133、脚下；落下的石子，仍会落在桅杆脚下；只要船的运动是均匀只要船的运动是均匀的，也不忽左忽右摆动，人们所观察到的现象同船静止时的，也不忽左忽右摆动，人们所观察到的现象同船静止时完全一样，人们跳向船尾不会比跳向船头更远；从挂着的完全一样，人们跳向船尾不会比跳向船头更远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四处飞行，决不会向船尾集中，或者是为了赶上船的运动而处飞行，决不会向船尾集中，或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子。显出疲劳的样子。这些现象表明，在船里所做的任何这些现象表明，在船里所做的任何观察和实验，都不能够判断船究竟是在运

134、动还是停止不动。观察和实验，都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动。” 这一原理的发现，是人类科学史上的一个重大飞跃，这一原理的发现，是人类科学史上的一个重大飞跃，对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响。996.6.伽利略的研究方法伽利略的研究方法 对现象的一般观察对现象的一般观察提出工作假设提出工作假设运用数学和逻辑的运用数学和逻辑的手段得出特殊结论手段得出特殊结论通过物理的或思想的实验对推论进行检通过物理的或思想的实验对推论进行检验验对假设进行修正和推广。对假设进行修正和推广。 伽利略把实验和数学逻辑结合起来的方法，有力推进了伽利略把实验和数学逻辑结

135、合起来的方法，有力推进了人类科学认识活动的进展。人类科学认识活动的进展。值得指出的是，在伽利略的著作值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的。里所描述的实验都是理想化的。比如在实际的下落实验中，比如在实际的下落实验中，重球和轻球并不是同时落地，伽利略认为这是空气阻力造成重球和轻球并不是同时落地，伽利略认为这是空气阻力造成的；又如在单摆实验中，摆球并不能完全回到原来的高度等的；又如在单摆实验中，摆球并不能完全回到原来的高度等等，等，能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响，能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响，而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论，这就是伽利

136、而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论，这就是伽利略的伟大之处。略的伟大之处。100运运 动动 学学 的的 奠奠 基基 人人伽伽 利利 略：二略：二. . 意意 义义二二.意义意义1.1.实验方法与数学方法结合的成功实验方法与数学方法结合的成功 不是单纯做实验，而是从明确的物理思想出发，进行数不是单纯做实验，而是从明确的物理思想出发，进行数学推证，选典型实验，最后得出结论。学推证，选典型实验，最后得出结论。2.2.科学方法的确立：科学方法的确立： 观察观察假设假设逻辑推理逻辑推理实验检验的成功之路实验检验的成功之路 实验物理思维和数学演绎的巧妙结合。实验物理思维和数学演绎的巧妙结合。3.3.

137、落体运动也是一种匀加速运动落体运动也是一种匀加速运动 15861586年，斯蒂文和德哥罗在一所二层楼做实验，两个不同年，斯蒂文和德哥罗在一所二层楼做实验，两个不同重量的铁球同时落地。重量的铁球同时落地。1013.3.牛顿的伟大综合和理论飞跃牛顿的伟大综合和理论飞跃一一. .牛顿简介牛顿简介二二. .牛顿的自然哲学数学原理的内容和意义牛顿的自然哲学数学原理的内容和意义（16871687年发表）年发表）三三. .万有引力定律的建立、检验和意义万有引力定律的建立、检验和意义四四. .牛顿取得成功的历史条件牛顿取得成功的历史条件五五. .牛顿的成功之路牛顿的成功之路六六. .牛顿的局限牛顿的局限102

138、牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃背景：背景：1515世纪，文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上，自然科世纪，文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上，自然科学获得新的生命，蓬勃成长。科学巨匠学获得新的生命，蓬勃成长。科学巨匠N.N.哥白尼、第谷、哥白尼、第谷、J.J.开普勒、伽利略以及开普勒、伽利略以及R.R.笛卡儿等先后驰名于欧洲。笛卡儿等先后驰名于欧洲。 欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代。欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代。一一. .牛顿简介牛顿简介 1643 1643年诞生于英格兰林肯郡的自耕农家庭。牛顿出生之年诞生于英格兰林肯郡的自耕农家庭。牛顿出生

139、之前，父亲已去世。前，父亲已去世。3 3岁时岁时, ,他的母亲再嫁给一位牧师他的母亲再嫁给一位牧师, ,把他留把他留在他祖母身边抚养。在他祖母身边抚养。 牛顿自幼沉默寡言牛顿自幼沉默寡言, ,性格倔强性格倔强, ,这种习性可能来自他的家这种习性可能来自他的家庭处境。庭处境。 牛顿儿童时酷爱读书，但并看不出才能出众。在格兰瑟牛顿儿童时酷爱读书，但并看不出才能出众。在格兰瑟姆中学的校长姆中学的校长J.J.斯托克斯斯托克斯和他当神父的叔父和他当神父的叔父W.W.艾斯库艾斯库鼓励下，鼓励下，牛顿于牛顿于16611661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院，1664

140、1664年成为奖学金获得者，年成为奖学金获得者，16651665年获学士学位。年获学士学位。103在剑桥大学，在剑桥大学，H.H.卢卡斯卢卡斯创设了一个讲座，讲授内容为地理、物创设了一个讲座，讲授内容为地理、物理、天文和数学等课程。讲座的第一任教授理、天文和数学等课程。讲座的第一任教授I.I.巴罗巴罗是一位博学是一位博学的科学家。就是这位教师把牛顿引向自然科学。在这段学习过的科学家。就是这位教师把牛顿引向自然科学。在这段学习过程中，牛顿掌握了算术、三角，学习了欧几里得的几何原理程中，牛顿掌握了算术、三角，学习了欧几里得的几何原理，开普勒的光学，笛卡儿的几何学和哲学原理，开普勒的光学，笛卡儿的几

141、何学和哲学原理，伽利略的两大世界体系的对话，伽利略的两大世界体系的对话，R.R.胡克的显微图集和胡克的显微图集和早期的哲学学报等。牛顿在巴罗的门下学习，是他学习的早期的哲学学报等。牛顿在巴罗的门下学习，是他学习的关键时期。巴罗比牛顿大关键时期。巴罗比牛顿大1212岁，精于数学和光学，他对牛顿的岁，精于数学和光学，他对牛顿的才华极为赞赏，他认为牛顿的数学才能超过自己。才华极为赞赏，他认为牛顿的数学才能超过自己。 1665 166516661666年伦敦大疫。剑桥离伦敦不远，为恐波及，学年伦敦大疫。剑桥离伦敦不远，为恐波及，学校停课。牛顿于校停课。牛顿于16651665年年6 6月回到故乡乌尔斯索

142、普。月回到故乡乌尔斯索普。104留留下下了了脍脍炙炙人人口口的的“苹苹果果落落地地”的的故故事事。牛牛顿顿在在家家躲躲避避瘟瘟疫疫的的1818个个月月内内，对对力力学学、天天文文学学、数数学学和和光光学学等等方方面面进进行行了了伟伟大大的的基基础础性性研研究究工工作作，几几乎乎孕孕育育了了他他一一生生作作出出重重大大贡贡献献的所有思想基础。的所有思想基础。他他在在自自转转中中写写到到：“1665“1665年年初初，我我发发现现了了把把任任意意指指数数（幂幂次次）的的二二项项式式简简化化为为级级数数的的法法则则。同同年年5 5月月我我发发现现了了正正切切方方法法1111月月发发现现了了直直接接流

143、流数数法法（即即微微分分学学）。次次年年1 1月月发发现现了了色色彩彩理理论论。接接着着5 5月月着着手手研研究究流流数数法法的的逆逆运运算算（积积分分）。同同年年我我开开始始考考虑虑如如何何把把重重力力推推广广到到月月球球轨轨道道以以及及将将维维持持月月球球在在其其轨轨道道上上运运动动所所需需要要的的力力与与地地球球表表面面上上的的重重力力加加以以比比较较”。“在在这这些些日日子子里里，我我正正处处在在发发现现力力最最旺旺盛盛的的时时期期。”牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃105由好朋友哈雷资助出版。由好朋友哈雷资助出版。该书的出版该书的出版标志着经典力

144、学体标志着经典力学体系的建立。系的建立。 1687年出版旷世之作自然哲学的数学原理年出版旷世之作自然哲学的数学原理牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃10616711671因发明反射式望远镜被选为皇家学会会员因发明反射式望远镜被选为皇家学会会员. . 1689: 1689:国会议员国会议员.1699:.1699:造币厂长造币厂长. .17031703年任英国皇家学会终身会长。年任英国皇家学会终身会长。 与胡克与胡克, ,莱布尼茨等人官司不断莱布尼茨等人官司不断, ,脾气变坏。脾气变坏。17051705年被英国女王授予爵士称号。年被英国女王授予爵士称号。1727

145、.3.201727.3.20去世去世(85(85岁岁).).隆重国葬，葬于威斯敏斯特教堂。隆重国葬，葬于威斯敏斯特教堂。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃107二二. .牛顿自然哲学的数学原理牛顿自然哲学的数学原理牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃序言序言:“:“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其他现象其他现象 ，我希望能用同

146、样的推理方法，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其他现象。从力学中推导出自然界的其他现象。”( (一一) ) 内容内容 （略）（略）108牛顿的绝对时空观：牛顿的绝对时空观： 时间是绝对的，空间是绝对的，运动是绝对的，而静时间是绝对的，空间是绝对的，运动是绝对的，而静止则是相对的止则是相对的 “绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；( (绝对时间绝对时间) ) “ “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关绝对的空间，

147、就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的而永远是相同的和不动的”；( (绝对空间绝对空间) ) “ “绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所的移动的移动”；( (绝对运动绝对运动) ) “ “真正的、绝对的静止，是指这一物体继续保持在不动真正的、绝对的静止，是指这一物体继续保持在不动的空间中的同一个部分而不动的空间中的同一个部分而不动”。( (静止是相对的静止是相对的) )为给为给“绝对空间和运动绝对空间和运动”寻找证据，提出著名的寻找证据，提出著名的“水桶实验水桶实验”1091717世世纪纪后后期期，牛牛顿顿设设计计了了一

148、一个个水水桶桶思思想想实实验验：如如图图1(a)1(a)，桶桶开开始始转转而而水水还还没没有有转转( (平平) )；如如图图1(b)1(b)，水水跟跟着着桶桶一一起起转转( (凹凹) )；如如图图1(c)1(c)，桶桶停停转转而而水水却却还还在在转转( (凹凹) )，说说明明水水的的平平凹凹( (转转不不转转) )与与桶桶之之间间的的相相对对运运动动无无关关，而而与与水水相相对对绝绝对对空空间间的的运运动动有有关关，从从而而试试图图证证明明存存在在一一个个绝绝对对空空间间( (绝绝对对惯惯性性系系) )马马赫赫 对对 绝绝对对 时时 空空的批判的批判110( (二二) ) 意义意义: :1.1

149、.它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论，是当时力它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论，是当时力学规律的伟大综合；学规律的伟大综合；2.2.绝对时空观的形成；绝对时空观的形成；3.3.机械决定论的形成；机械决定论的形成；4.4.它发挥了科学理论的预言作用，引导人们从已知的现它发挥了科学理论的预言作用，引导人们从已知的现象去预测未来。象去预测未来。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃111三三. .万有引力定律的建立、检验和意义万有引力定律的建立、检验和意义（一）万有引力定律的建立（一）万有引力定律的建立英国的胡克、伦恩和哈雷在引力问题的研究上都做出了英国的胡克、

150、伦恩和哈雷在引力问题的研究上都做出了重要贡献。胡克最早觉察到重要贡献。胡克最早觉察到引力与重力有同样本质引力与重力有同样本质，他曾在，他曾在山顶和矿井下进行实验，以确定重力随离地心的距离而变化山顶和矿井下进行实验，以确定重力随离地心的距离而变化的关系，但没得出结果。的关系，但没得出结果。16801680年初，在给牛顿的信中，胡克年初，在给牛顿的信中，胡克提出了引力反比距离的平方的猜想；提出了引力反比距离的平方的猜想；16791679年哈雷和伦恩导出年哈雷和伦恩导出了作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比，但了作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比，但是，他们还不能证明行星在椭圆

151、轨道下也是如此。是，他们还不能证明行星在椭圆轨道下也是如此。16841684年年881010月，牛顿作了论运动的演讲，明确叙述了向心力定律，月，牛顿作了论运动的演讲，明确叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动的平方反比关系。后来又定义了质量的证明了椭圆轨道运动的平方反比关系。后来又定义了质量的概念，探讨了引力和质量的关系，才把他引向万有引力定律概念，探讨了引力和质量的关系，才把他引向万有引力定律的发现。的发现。 在原理中，牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的在原理中，牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的思想实验，我们称为思想实验，我们称为牛顿月亮或小月球思想实验牛顿月亮或小月球思想实验，从而把地，从

152、而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起。1121.1.牛顿通过靠近地面的牛顿通过靠近地面的“小月亮小月亮”运动的思想实验运动的思想实验，论，论证了证了“使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称使月球保持在它轨道上的力，就是我们通常称为为重力重力的力的力”。2.2.通过通过“月月地检验地检验”说明了月球所受引力与地面上说明了月球所受引力与地面上物体所受引力遵循相同的规律：引力与半径的平方成物体所受引力遵循相同的规律：引力与半径的平方成反比关系。并将此结果推广到行星的运动上去，从而反比关系。并将此结果推广到行星的运动上去，从而得出宇宙间所有物体之间

153、的引力遵循的规律都相同的得出宇宙间所有物体之间的引力遵循的规律都相同的结论。所以称为结论。所以称为万有引力万有引力。（略）（略）113（二）万有引力定律的检验（二）万有引力定律的检验1)1)关于地球的形状关于地球的形状2)2)哈雷彗星哈雷彗星3)“3)“笔尖下的行星笔尖下的行星” -” -海王星海王星4)4)卡文迪什测定万有引力常数卡文迪什测定万有引力常数1141 1）关于地球的形状：）关于地球的形状： 牛顿指出，行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆牛顿指出，行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆起，使行星成为两极扁平的扁球体。隆起部分将一部分接近起，使行星成为两极扁平的扁球体。隆起部分将一

154、部分接近太阳和月亮，另一部分远离太阳和月亮，它们受到的引力作太阳和月亮，另一部分远离太阳和月亮，它们受到的引力作用不同，使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心，从用不同，使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心，从而使地球的轴作一种缓慢的圆周运动，造成二分点的岁差现而使地球的轴作一种缓慢的圆周运动，造成二分点的岁差现象，牛顿近似估算出地球的扁率为象，牛顿近似估算出地球的扁率为1/2301/230。 为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于1735-1735-17361736年先后派出两个测量远征队，分赴赤道地区的秘鲁和高年先后派出两个测量远征队，分

155、赴赤道地区的秘鲁和高纬度地区的拉普兰德，分别在两地的经度圈上测量等角的一纬度地区的拉普兰德，分别在两地的经度圈上测量等角的一段弧长。测量结果基本证实了牛顿的结论。从而使拉普兰德段弧长。测量结果基本证实了牛顿的结论。从而使拉普兰德队的领队莫泊丢和成员克雷洛成为牛顿的支持者。队的领队莫泊丢和成员克雷洛成为牛顿的支持者。 18 18世纪世纪3030年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天年代，当牛顿的学说传到法国时，受到巴黎天文台台长雅克文台台长雅克卡西尼（卡西尼（Jacques Cassini,1677-1756Jacques Cassini,1677-1756）等人）等人的强烈反对，他们根据笛卡

156、儿的旋涡理论假说和错误的纬度的强烈反对，他们根据笛卡儿的旋涡理论假说和错误的纬度长度的测量，说地球使两极凸出的椭球体。长度的测量，说地球使两极凸出的椭球体。1152)哈雷彗星哈雷彗星 16821682年以前，人们认为彗星出现时，它将给人类带来灾难。年以前，人们认为彗星出现时，它将给人类带来灾难。 牛顿根据天文资料，应用万有引力定律，说明和计算了彗牛顿根据天文资料，应用万有引力定律，说明和计算了彗星的运动轨迹。星的运动轨迹。 牛顿的好朋友，英国天文学家哈雷牛顿的好朋友，英国天文学家哈雷(1656-1742)(1656-1742)，根据牛，根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道，得出顿理论进一

157、步计算了大量彗星的运动轨道，得出15311531年、年、16071607年、年、16821682年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。由此预年出现的彗星轨道相同，因此应是同一彗星。由此预言这彗星言这彗星17581758年还将出现。年还将出现。 1743 1743年，克雷洛曾计算了木星和土星对这颗彗星的摄动作年，克雷洛曾计算了木星和土星对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于用，指出它将推迟于17591759年年4 4月经过近日点。月经过近日点。 1759 1759年年3 3月月1212日，这颗星出现了。迟到的原因，正是因为日，这颗星出现了。迟到的原因，正是因为它受木星和土星的吸引，这正说明了万有

158、引力定律的成功。它受木星和土星的吸引，这正说明了万有引力定律的成功。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃1163)“笔尖下的行星笔尖下的行星” 海王星海王星 17811781年，年，赫舍尔赫舍尔发现天王星，踞太阳约发现天王星，踞太阳约2828亿公里，绕一亿公里，绕一周要周要8484年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还年。但根据牛顿理论，其运动有偏差，于是预言，还应该存在另一颗星。应该存在另一颗星。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃 柏林天文学家伽勒柏林天文学家伽勒(Johann Gottfried Galle,18

159、12-1910)(Johann Gottfried Galle,1812-1910)于于18461846年年9 9月月2323日，在勒威尔推算出在相距不到日，在勒威尔推算出在相距不到11的地方发现的地方发现了这颗星了这颗星海王星，大大拓宽了天文科学家的视野。海王星，大大拓宽了天文科学家的视野。 1843-1845 1843-1845年英国青年大学生年英国青年大学生亚当斯亚当斯(John Couch Adams)(John Couch Adams)、18451845年法国天文学家年法国天文学家勒威尔勒威尔(Leverrier)(Leverrier)各自分别独立地根据牛各自分别独立地根据牛顿的理论

160、计算出了该未知行星的质量、轨道和位置。顿的理论计算出了该未知行星的质量、轨道和位置。1174)卡文迪什测定万有引力常数卡文迪什测定万有引力常数 从牛顿于从牛顿于16871687年出版自然哲学的数学原理，整年出版自然哲学的数学原理，整整一百年时间，还没有任何实验或事实能证明在任意的整一百年时间，还没有任何实验或事实能证明在任意的两个物体之间确实存在引力两个物体之间确实存在引力，以及引力大小。直到，以及引力大小。直到1797年，卡文迪什在实验室条件下，用扭秤实验年，卡文迪什在实验室条件下，用扭秤实验 测量了两测量了两个物体间微小引力和万有引力常数，才最终解决了定律个物体间微小引力和万有引力常数，才

161、最终解决了定律的验证问题。的验证问题。118（三）万有引力定律建立的意义（三）万有引力定律建立的意义1.1.人类第一次完成了天体运动与地面物体运动的统一。人类第一次完成了天体运动与地面物体运动的统一。2.2.建立了天体力学；建立了天体力学；3.3.是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。是人类科学认识的一次重大综合和飞跃。119牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃四四. .牛顿取得成功的历史条件牛顿取得成功的历史条件1.1.生产力发展的需要生产力发展的需要 航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究，对机航海的发展，需要对天体的运行规律进行研究，对机械加工作物理原理

162、的解释。械加工作物理原理的解释。2.2.物理方面的进展物理方面的进展 哥白尼的哥白尼的“日心说日心说”，摧毁了附着在神学上的宇宙观，摧毁了附着在神学上的宇宙观，得到了几乎所有科学家的认同。得到了几乎所有科学家的认同。 伽利略奠定了在运动观上的正确理论，各种力正在被伽利略奠定了在运动观上的正确理论，各种力正在被发现。发现。3.3.在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴资产阶在英国，政局比较稳定，商业发展使新兴资产阶级从自身的角度，开始注重科学研究。级从自身的角度，开始注重科学研究。4.4.科学的国际研究联系加强科学的国际研究联系加强 英法成立了英法成立了“皇家学会皇家学会”及及“皇家科学院皇家科学

163、院”1201.站在巨人的肩上，勤奋学习，积累知识站在巨人的肩上，勤奋学习，积累知识欧几里德欧几里德笛卡尔笛卡尔莱布尼兹莱布尼兹数学数学哥白尼哥白尼第谷第谷开普勒开普勒天文学天文学吉尔伯特吉尔伯特布里阿德布里阿德玻列利玻列利引力思想引力思想达达.芬奇芬奇伽里略伽里略惠更斯惠更斯力学力学五五. .牛顿的成功之路牛顿的成功之路牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃1212.讲求科学研究方法讲求科学研究方法 1) 1)分析综合法分析综合法 牛顿在光学一书中曾说：从结果到原因，从特殊原牛顿在光学一书中曾说：从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这

164、就是分析因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已经找到，并已把他们立的方法；而综合的方法则假定原因已经找到，并已把他们立为原理，再用这些原理去解释由他们发生的现象。为原理，再用这些原理去解释由他们发生的现象。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃归纳归纳演绎演绎实验实验规律规律实际问题实际问题2)2)归纳与演绎相结合归纳与演绎相结合1223) 追求简单、和谐的公理体系追求简单、和谐的公理体系牛顿根据月球受地球吸引的现象，归纳出一切天体相互牛顿根据月球受地球吸引的现象，归纳出一切天体相互吸引的关系，进而得出了引力定律。吸

165、引的关系，进而得出了引力定律。 牛顿在原理中写道：牛顿在原理中写道：“自然界喜欢简单化，而不爱用什自然界喜欢简单化，而不爱用什么多余的原因以夸耀自己。么多余的原因以夸耀自己。”牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃4) 数学物理方法数学物理方法:原理是数学与物理的完美结晶原理是数学与物理的完美结晶 大大自自然然追追求求的的是是一一本本用用数数学学语语言言所所写写的的巨巨著著，他他追追求的是一个精确的，完完本本用数学表示的定律。求的是一个精确的，完完本本用数学表示的定律。牛顿牛顿5) 实验实验抽象方法抽象方法万有引力定律既有观测实验的基础，同时也是科学抽象的万有引

166、力定律既有观测实验的基础，同时也是科学抽象的产物。产物。123六六. .牛顿的局限牛顿的局限1)1)绝对时空：绝对时空：在承认时间和空间的客观性质上是正确的，但把在承认时间和空间的客观性质上是正确的，但把时间和空间看作与物质运动无关。时间和空间看作与物质运动无关。2 2）绝对质量：）绝对质量：他认为物体的他认为物体的“质量质量”具有客观性和永恒性，具有客观性和永恒性，但同时认为物体的质量是不变的，因而具有历史局限性。但同时认为物体的质量是不变的，因而具有历史局限性。3 3）机械决定论：）机械决定论：牛顿所总结的运动定律，确立了严格的因果牛顿所总结的运动定律，确立了严格的因果关系。根据初始条件，

167、就可以准确确定体系以往和未来任关系。根据初始条件，就可以准确确定体系以往和未来任一时刻的运动状态。所以他认为一切自然现象只能按照机一时刻的运动状态。所以他认为一切自然现象只能按照机械的必然性发生和进行。械的必然性发生和进行。4)4)上帝决定论：上帝决定论：原理之后，牛顿一直致力于圣经的研原理之后，牛顿一直致力于圣经的研究，并开始写这方面的著作究，并开始写这方面的著作, ,手稿达手稿达150150万字之多，绝大部万字之多，绝大部分未发表。关于牛顿在分未发表。关于牛顿在1692169216931693年间答复本特莱大主教年间答复本特莱大主教 4 4封信论造物主（上帝）之存在，最为后人所诟病。所谓封

168、信论造物主（上帝）之存在，最为后人所诟病。所谓神神臂臂就是第一推动出于第四封信中。就是第一推动出于第四封信中。牛牛 顿顿 的的 伟伟 大大 综综 合合 和和 理理 论论 飞飞 跃跃124125第四章第四章 经典热力学基础经典热力学基础1.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究2.热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立3.热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立4.低温物理学（略）低温物理学（略）5.分子运动论的发展（略）分子运动论的发展（略）6.6.统计物理学的建立统计物理学的建立（略）（略）7.物态物态1261.1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究一一 蒸汽机的发明蒸汽机的发明二二

169、计温学的发展计温学的发展三三 量热学的建立（略）量热学的建立（略）四四 热本质的认识热本质的认识127一一 蒸汽机的发明蒸汽机的发明16901690年巴本年巴本( (法国法国) )首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；16981698年，托马斯年，托马斯萨维里萨维里（英国（英国) )制成一具蒸汽水泵；制成一具蒸汽水泵；17051705年，托马斯年，托马斯纽可门纽可门（英国（英国) )在萨维里和巴本的基础上，研在萨维里和巴本的基础上，研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸。是一个广义的把热转制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸。是一个广义的把热转变为机械力的原动机，

170、是蒸汽机最早的雏形。但活塞的每次变为机械力的原动机，是蒸汽机最早的雏形。但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却，热量的损失太大。 1769年，詹姆斯年，詹姆斯瓦特瓦特（法国）改进了纽可门机，把冷凝过程（法国）改进了纽可门机，把冷凝过程从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸从汽缸内分离出来，即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态。始终保持在高温状态。 1782年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，年，又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸，推动推动活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，从而蒸

171、活塞往返运动的蒸汽机，使机器运作由断续变连续，从而蒸汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的第一次工业革命。汽机的使用价值大大提高，导致了欧洲的第一次工业革命。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究128二二 计温学的发展计温学的发展（一）温度计的设计与制造（一）温度计的设计与制造16031603年，伽利略制成最早的验温计：年，伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈一只颈部极细的玻璃长颈瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度瓶，倒置于盛水容器中，瓶中装有一半带颜色的水。随温度变化，瓶中空气膨胀或收缩。变化，瓶中空气膨胀或收缩。1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究1659

172、1659年法国天文学家伊斯梅尔年法国天文学家伊斯梅尔 博里奥博里奥(Ismael Buolliau)(Ismael Buolliau)制造了制造了第一支用水银作为测温物质的温度计。第一支用水银作为测温物质的温度计。16501650年，意大利费迪男二世年，意大利费迪男二世(G.D.Ferdinand )(G.D.Ferdinand )用蜡封住管口，用蜡封住管口，在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成在瓶内装上红色的酒精，并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度，制成现代形式的第一支温度计。现代形式的第一支温度计。16311631年，法国化学家詹年，法国化学家詹 雷伊雷伊(Jean Rey,15

173、82-1630)(Jean Rey,1582-1630)把伽利略把伽利略的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，的细长颈瓶倒了过来，直接用水的体积的变化来表示冷热程度，但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。但管口未密封，水不断蒸发，误差也较大。129伽伽利利落落验验温温计计130（二）测温物质的选择和标准点的确定（二）测温物质的选择和标准点的确定1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究1703年，牛顿年，牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度，把人体温度作为计的零度，把人体温度作为12度等等。度等等。1665年，惠更斯年，惠更斯建议

174、把水的凝固温度和沸腾温度作为两建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；个固定点；佛罗伦萨的院士们佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点，牛选择了雪或冰的温度为一个定点，牛或鹿的体温为另一个定点；或鹿的体温为另一个定点；德国的格里凯德国的格里凯（Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；盛夏的温度为定点温度；1311.热学现象的初期研究热学现象的初期研究 摄尔修斯摄尔修斯(Anders Celsius,1701-1744,(Anders Celsius,1701-1744,瑞典天文学家瑞典天文学家) )，用水银作为测温物质，以水的沸点为

175、用水银作为测温物质，以水的沸点为0 00 0C C冰的熔点为冰的熔点为1001000 0C C，中，中间间100100个等分。个等分。8 8年后接受了同事施特默尔（年后接受了同事施特默尔（M.StromerM.Stromer）的建）的建议，把两个定点值对调过来。称为议，把两个定点值对调过来。称为摄氏温标摄氏温标。至。至17791779年全世界年全世界共有温标共有温标1919种。种。 列奥米尔列奥米尔(Reaumur,1683-1757,(Reaumur,1683-1757,法国法国) )以酒精和以酒精和1/51/5的水的的水的混合物作为测温物质，混合物作为测温物质，17301730年制作的酒精

176、温度计，取水的冰年制作的酒精温度计，取水的冰点为点为0 00 0R R，使酒精体积增加，使酒精体积增加1/10001/1000的温度变化作为的温度变化作为1 10 0R R，这样水，这样水的沸点即为的沸点即为80800 0R R，称为，称为列氏温标列氏温标。 华伦海特华伦海特(Gabriel Danile Fahrenheit(Gabriel Danile Fahrenheit，1686-17361686-1736，德国玻璃工人，迁居荷兰德国玻璃工人，迁居荷兰) )制造了第一支实用温度计：制造了第一支实用温度计：他把他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为0

177、 00 0F F，冰的熔点定为，冰的熔点定为32320 0F F，人体的温度为，人体的温度为96960 0F F，17241724年，他又把水的沸点定为年，他又把水的沸点定为2122120 0F F。后来称其为。后来称其为华氏温标华氏温标。132高温测量：高温测量： 荷兰的荷兰的马森布罗克马森布罗克(Musschenbrock)(Musschenbrock)在在17471747年利用金年利用金属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计；属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计； 本世纪八十年代，本世纪八十年代，韦奇武德韦奇武德(J.Wedgwood)(J.Wedgwood)用耐火土块用耐火土块的线度变化制成

178、了量度炉温的高温计。的线度变化制成了量度炉温的高温计。 测温物质的寻找，促进了对物体热膨胀的研究。测温物质的寻找，促进了对物体热膨胀的研究。 计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究计温学的发展和完善，也进一步促进了实验热学研究的进展。的进展。各种温度计各种温度计133据此，据此，18541854年，开尔文年，开尔文( (威威廉廉. .汤姆逊汤姆逊) )提出开氏温标，提出开氏温标，T=272.3 + tT=272.3 + t。又称热力学温标，。又称热力学温标，它与测温物质的性质无关，即任它与测温物质的性质无关，即任何测温物质按这种温标定出的温何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的。

179、度数值都是一样的。19541954年国际计量大会决定年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为将水的三相点的热力学温度定为273.16K273.16K。开开 尔尔 文文像像1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究热力学温标：热力学温标：19世纪世纪50年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质年代，开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，无关，那么我们就可以确定一种温标，使它不依赖于任何物质，这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性。134四四 热本质的认识热本质的认识1.1.认为热是运动

180、的表现认为热是运动的表现佛兰西斯佛兰西斯培根培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动。 波义耳波义耳认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。认为钉子敲打之后变热，是运动受阻而变热的证明。 笛卡尔笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动；认为热是物质粒子的一种旋转运动； 胡克胡克用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和用显微镜观察火花，认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动；极其猛烈的运动；罗蒙诺索夫罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等。提出热的根源在于运动等。1.热学现

181、象的初期研究热学现象的初期研究2.2.热质说，即认为热是一种看不见无重量的物质。热质说，即认为热是一种看不见无重量的物质。热质的多少热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。代表人物：伊壁和在物体之间的流动就会改变物体热的程度。代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等。热质说对热现象的解释鸠鲁、卡诺等。热质说对热现象的解释 ：物质温度的变化是：物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成热被挤出来的，特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功，都使人们相信热质说是正确

182、的。功，都使人们相信热质说是正确的。1353.“3.“热质说热质说”的否定的否定伦伦福福德德像像1.热学现象的初期研究热学现象的初期研究伦福德和戴维的实验给热质说以伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击，为热的唯动说提出了重要致命打击，为热的唯动说提出了重要的实验证据。的实验证据。17991799年，戴维年，戴维（Humphrey DavyHumphrey Davy，1778-18291778-1829，英国化学家）作了在真空容器，英国化学家）作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验。按热质说观中两块冰摩擦而融化的实验。按热质说观点，热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的点，热量来自摩擦挤出的潜热而使系

183、统的比热变小，但实际上水的比热比冰的还要比热变小，但实际上水的比热比冰的还要大。大。17981798年伦福德年伦福德(Count Rumford,(Count Rumford,英国英国) )由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出由钻头加工炮筒时产生热的现象，得出热是物质的一种运动形式，热是物质的一种运动形式，136一一.定律诞生的背景（略）定律诞生的背景（略）二二.确立能量守恒与转化定律的确立能量守恒与转化定律的 三位科学家：三位科学家：德国的迈尔和亥姆霍德国的迈尔和亥姆霍兹，英国的焦耳兹，英国的焦耳2.热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建

184、立立1371.德国的迈尔德国的迈尔 罗伯特罗伯特迈尔（迈尔（Robert Robert Mayer,1814-1878)Mayer,1814-1878)迈尔，迈尔，18141814出生出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭，于德国海尔布隆一个药剂师家庭，18321832年进入蒂宾根大学医学系学习，年进入蒂宾根大学医学系学习，18371837年因参加一个秘密学生团体而年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除，被捕并被学校开除，18381838年完成医年完成医学博士学位论文答辩，获医师执照学博士学位论文答辩，获医师执照而开始行医。而开始行医。18401840年年-1841-1841年担任开年担任开往东

185、印度的荷兰轮船的随船医生。往东印度的荷兰轮船的随船医生。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立迈迈尔尔像像二二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家确立能量转化与守恒定律的三位科学家138在在一一次次驶驶往往印印度度尼尼西西亚亚的的航航行行中中，给给生生病病的的船船员员做做手手术术时时，发发现现血血的的颜颜色色比比温温带带地地区区的的新新鲜鲜红红亮亮。经经过过思思考考，他他认认为为，在在热热带带高高温温情情况况下下，机机体体消消耗耗食食物物和和氧氧的的量量减减少少，所所以静脉血中流下了较多的氧。以静脉血中流下了较多的氧。18411841年年航航行行结结束束后后，撰撰写写了了论

186、论力力的的质质和和量量的的测测定定，并并18411841年年7 7月月寄寄给给当当时时的的德德国国物物理理学学杂杂志志主主编编波波根根道道夫夫(J.C.Poggendorff)(J.C.Poggendorff)，但但被被认认为为迈迈尔尔的的文文章章引引入入了了思思辩辩性性内内容容且缺少精确的实验根据而未发表。且缺少精确的实验根据而未发表。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立 18421842年年撰撰文文论论无无机机界界的的力力，被被一一向向注注意意各各种种力力之之间间关系的李比希发表于他主编的化学和药学年刊上。关系的李比希发表于他主编的化学和药学年刊上。 在在这这篇篇文文

187、章章中中，迈迈尔尔从从“无无中中生生有有，有有中中生生无无”和和“原原因因等等于于结结果果”等等哲哲学学观观点点出出发发，表表达达了了物物理理、化化学学过过程程中中的的力力（能能量量）的的守守恒恒思思想想。考考察察了了用用“下下落落力力”转转化化为为运运动动来来论证力的转化和守恒。论证力的转化和守恒。139 18451845年写了与有机运动相联系的新陈代谢年写了与有机运动相联系的新陈代谢。但这篇。但这篇文章也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自费发行。文文章也被拒绝发表，迈尔只好以小册子的形式自费发行。文中写道：中写道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律。力的转化与守恒定律是支配宇宙的普

188、遍规律。” ” 并具体考察了并具体考察了5 5种不同形式的力：种不同形式的力：第一种，运动的力第一种，运动的力第二种力：下落力第二种力：下落力第三种力：热。第三种力：热。“热力是能够转化为运动的力热力是能够转化为运动的力”。蒸汽机车。蒸汽机车就是例证。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温就是例证。并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时，温度每改变度每改变11，体积体积约增大，体积体积约增大1/2741/274，所以，所以在这个过程中气在这个过程中气体对外做的功体对外做的功相当于反抗相当于反抗1.0331.033千克的力移动千克的力移动1/2741/274厘米时的厘米时的功。即功。即A=1

189、.0331/27400kgm = 3.7810A=1.0331/27400kgm = 3.7810-5-5kgmkgm。第四种力：磁和电；第四种力：磁和电；第五种力：化学力。第五种力：化学力。14019481948年出版了天体动力学。年出版了天体动力学。就在这一年，由于许多人的工作，能量守恒原理已得就在这一年，由于许多人的工作，能量守恒原理已得到普遍承认，但却发生了到普遍承认，但却发生了“能量守恒定律能量守恒定律”发现优先权的发现优先权的争论。焦耳等英国学者否定其工作，认为他只是预见了在争论。焦耳等英国学者否定其工作，认为他只是预见了在热和功之间存在一定的数值关系，但没有完成热功当量的热和功之

190、间存在一定的数值关系，但没有完成热功当量的计算。迈尔则发表文章进行反驳，并指出自己在计算。迈尔则发表文章进行反驳，并指出自己在18421842年就年就已经公布了热和活力的等价性及其数值关系。但英国杂志已经公布了热和活力的等价性及其数值关系。但英国杂志上只出现批评迈尔的文章，而不刊登迈尔的答辩文章。一上只出现批评迈尔的文章，而不刊登迈尔的答辩文章。一部分德国物理学家讥笑他不懂物理，而在此期间他的两个部分德国物理学家讥笑他不懂物理，而在此期间他的两个孩子夭折，孩子夭折，18481848年德国革命时由于他观点保守而被起义者年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕，致使其于逮捕，致使其于1849184

191、9年年5 5月跳楼自杀未遂，造成终身残疾，月跳楼自杀未遂，造成终身残疾，18511851年患脑炎被人当作疯子送进疯人院。直到年患脑炎被人当作疯子送进疯人院。直到18621862年才恢年才恢复科学活动。复科学活动。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价。1412.海尔曼海尔曼 亥姆霍兹亥姆霍兹(Hermann Helmholtz,1821-1894) 18211821年年8 8月月3131日生于德国波茨坦，日生于德国波茨坦，18

192、381838年考入柏林雷德年考入柏林雷德里克里克威廉皇家医学院，以优异成绩于威廉皇家医学院，以优异成绩于18421842年毕业，担任了年毕业，担任了军医，并开始进行物理学研究。军医，并开始进行物理学研究。18471847年，在不了解迈尔等年，在不了解迈尔等人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。人工作的情况下，提出了能量守恒和转化定律。18551855年最年最早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研早测量了神经脉动速率，把物理方法应用于神经系统的研究，由此被称为究，由此被称为生物物理学的鼻祖生物物理学的鼻祖。先后担任波恩大学、。先后担任波恩大学、柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生

193、理学教授，柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授，18711871年起，在柏林大学任物理学教授，年起，在柏林大学任物理学教授，18881888年任夏洛腾堡物理年任夏洛腾堡物理技术研究所所长。著有生物光学手册、音乐理论的技术研究所所长。著有生物光学手册、音乐理论的生理基础、论力的守恒等书。培养了一大批优秀人生理基础、论力的守恒等书。培养了一大批优秀人才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。才。赫兹、普朗克等人都是他的学生。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立142 1847 1847年，发表著名论文力的守恒年，发表著名论文力的守恒，阐述了有心力作用下机械能守恒原，阐述了有心

194、力作用下机械能守恒原理：理：“当自由质点在吸力和斥力作用下当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合，所具有的活力和张而运动的一切场合，所具有的活力和张力总是守恒的。力总是守恒的。”这里活力是动能，张这里活力是动能，张力是势能。但同样由于论文中含有思辩力是势能。但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以性内容而未能发表，因此亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文。文。 但亥姆霍兹并没有参与优先权的但亥姆霍兹并没有参与优先权的问题，后来他了解了迈尔的论文后说问题，后来他了解了迈尔的论文后说“我们必须承认，迈尔不依赖于别人而独我们必须承

195、认，迈尔不依赖于别人而独立发现了这个思想。立发现了这个思想。”热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立亥亥姆姆霍霍兹兹像像1433.焦耳焦耳(James Prescott Joule,1818-1889)的实验研究的实验研究 焦耳焦耳(1818-1889)(1818-1889)是英国著名的实验物理学家，家境富裕。是英国著名的实验物理学家，家境富裕。1616岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。岁在名家道尔顿处学习，使他对科学浓厚兴趣。 当时电机刚出现，焦耳注意到电机和电路中的发热现象，当时电机刚出现，焦耳注意到电机和电路中的发热现象，通过实验，焦耳于通过实验，焦耳于184

196、01840年发现年发现:“:“产生的热量与导体电阻和电产生的热量与导体电阻和电流平方成正比流平方成正比”并发表于论伏打电所产生的热论文中，这并发表于论伏打电所产生的热论文中，这就是著名的焦耳就是著名的焦耳楞次定律。楞次定律。 1843 1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验，写了两篇关键性论文论磁电的热效应和热的机械值验，写了两篇关键性论文论磁电的热效应和热的机械值和论水电解时产生的热，明确指出：和论水电解时产生的热，明确指出：“自然界的能是不能自然界的能是不能消灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热，热只是能的消灭的，哪里消耗

197、了机械能，总能得到相应的热，热只是能的一种形式。一种形式。” 焦焦耳耳使使一一个个线线圈圈在在电电磁磁体体的的两两极极之之间间转转动动产产生生感感应应电电流流，线线圈圈放放在在量量热热器器内内，证证实实了了热热可可以以由由磁磁电电机机产产生生。从从这这个个实实验验焦焦耳耳立立即即领领悟悟到到热热和和机机械械功功可可以以互互相相转转化化，在在转转化化过过程程中中遵遵从从一定的当量关系。一定的当量关系。热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 的的 建建 立立144为为了了测测定定机机械械功功和和热热之之间间的的转转换换关关系系，焦焦耳耳设设计计了了“热热功功当当量量实实验验仪仪”，焦焦耳耳在在磁

198、磁电电机机线线圈圈的的转转轴轴上上绕绕两两条条线线，跨跨过过两两个个定定滑滑轮轮后后挂挂上上几几磅磅重重的的砝砝码码，由由砝砝码码的的重重量量和和下下落落的的距距离离计计算算出出所所做做的的功功。测测得得热热功功当当量量为为428.9428.9千千克克力力米米/ /千千卡卡。18441844年年又又做做了了把把水水压压入入毛毛细细管管的的实实验验和和压压缩缩空空气气实实验验，测测出出了了热热功功当当量量分分别别为为424.9424.9千千克克力力米米/ /千千卡卡和和443.8443.8千千克克力力米米/ /千卡。千卡。18491849年发表论热功当量。年发表论热功当量。热热 力力 学学 第第

199、 一一 定定 律律 的的 建建 立立 焦焦耳耳测测定定热热功功当当量量的的工工作作一一直直进进行行到到18781878年年，先先后后采采用用不不同同的的方方法法做做了了400400多多次次实实验验。以以精精确确的的数数据据为为能能量量守守恒恒原原理理提提供供了了无无可可置置疑疑的的实实验验证证明明。18501850年年焦焦耳耳当当选选为为英英国国皇皇家家学会会员。学会会员。 18781878年年发发表表热热功功当当量量的的新新测测定定，最最后后得得到到的的数数值值为为423.85423.85千克千克米米/ /千卡。千卡。145焦尔测量热功当量的一种实验装置焦尔测量热功当量的一种实验装置-浆叶实

200、验浆叶实验焦焦耳耳像像146 由于当时热质说占主导地位，焦耳的研究和当时法国工由于当时热质说占主导地位，焦耳的研究和当时法国工程师们所建立的热机理论相矛盾，因此焦耳的研究也并不顺程师们所建立的热机理论相矛盾，因此焦耳的研究也并不顺利。利。18431843年焦耳证实了热是一种能量交换的形式，遭到了一年焦耳证实了热是一种能量交换的形式，遭到了一些大物理学家的怀疑和不信任，些大物理学家的怀疑和不信任，18441844年，他要求在皇家学会年，他要求在皇家学会宣读自己的论文，遭到拒绝。宣读自己的论文，遭到拒绝。18471847年在牛津举行的英国科学年在牛津举行的英国科学促进会上，会议主席以会议内容太多为

201、由，要求他只将其实促进会上，会议主席以会议内容太多为由，要求他只将其实验做简单介绍。结果当时著名的物理学家验做简单介绍。结果当时著名的物理学家W.W.汤姆逊汤姆逊对焦耳的对焦耳的实验和观点提出质疑，从而引起人们对焦耳工作的注意。此实验和观点提出质疑，从而引起人们对焦耳工作的注意。此后，焦耳继续努力，后，焦耳继续努力，18501850年当选为英国皇家学会会员，这也年当选为英国皇家学会会员，这也标志着英国科学界观点的明显转变。标志着英国科学界观点的明显转变。 恩格斯将这一原理称之为恩格斯将这一原理称之为“能量转化和守恒定律能量转化和守恒定律”。并。并将将它和进化论、细胞学说并列为它和进化论、细胞学

202、说并列为1919世纪的三大发现世纪的三大发现。147永动机的研究永动机的研究 永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索。索。 早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国早期最著名的一个永动机设计方案，是十三世纪的法国人人亨内考亨内考(Villard de Honnecourt)设计的。如下图设计的。如下图( (左左) )所示。所示。 后来后来列奥多列奥多也设计了一台类似的装置，如下图也设计了一台类似的装置，如下图( (右右) )。148永动机永动机149热热 力力 学学 第第 二二 定定 律律 的的 建建 立立3 3 热力学第二定

203、律的建立热力学第二定律的建立 热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的，确定了各种形式能量之间转化的当量关系。的，确定了各种形式能量之间转化的当量关系。但它对但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断。比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。比如热不会自动地由低温传向高温，过程具有方向性。这就导致了热力学第二定律的出台。德国的这就导致了热力学第二定律的出台。德国的克劳修斯克劳修斯、英国的威廉英国的威廉汤姆逊汤姆逊（即开尔文）和奥地利的（即开尔文）和奥地利的玻尔兹曼玻尔兹曼等等

204、科学家为此做了重要贡献。科学家为此做了重要贡献。19171917年，德国能斯特进一步年，德国能斯特进一步提出提出“绝对零度是不可能达到的绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律。热力学第三定律。150一一 卡诺热机理论卡诺热机理论热热 力力 学学 第第 二二 定定 律律 的的 建建 立立理想热机理想热机的效率仅取决于加热器和冷凝器的温度，与工作物的效率仅取决于加热器和冷凝器的温度，与工作物质无关，其工作过程由两个等温过程（当工作物质与两个热质无关，其工作过程由两个等温过程（当工作物质与两个热源接触时）和两个绝热过程（当工作物质和两个热源脱离时）源接触时）和两个绝热过程（当工作物质和两个热源脱离时

205、）组成一个循环。且它的一切过程可以逆方向进行，称为可逆组成一个循环。且它的一切过程可以逆方向进行，称为可逆卡诺热机。并且由此得出：任何实际热机的效率都不可能大卡诺热机。并且由此得出：任何实际热机的效率都不可能大于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率。于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率。151二二 热力学第二定律的物理表述热力学第二定律的物理表述1.1.热力学第二定律的提出热力学第二定律的提出： 1851 1851年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础年，开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了上提出了热力学第二定律的开尔文表述：热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源不可

206、能从单一热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。 热力学第二定律的第二种开尔文表述为：热力学第二定律的第二种开尔文表述为：第二种永动机第二种永动机是不可能造成的。是不可能造成的。 1850 1850年年克劳修斯克劳修斯提出了提出了热力学第二定律的克劳修斯表述：热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化。何变化。三三 熵（略）熵（略）152四四 宇宙热寂说宇宙热寂说18651865年，年，可劳修斯可劳修斯在热力学第二定律中写到：在热力学第二

207、定律中写到：“宇宙的宇宙的熵力图达到某一最大值熵力图达到某一最大值”，在，在18671867年的演讲中，又进一步年的演讲中，又进一步指出：指出：“宇宙越接近这一最大值的极限状态，就失去继续宇宙越接近这一最大值的极限状态，就失去继续变化的动力，如果最后完全达到这个状态，那就任何进一变化的动力，如果最后完全达到这个状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的状态。恒的状态。” 1852 1852年，年，开尔文开尔文在论自然界中机械能散失的一般趋势在论自然界中机械能散失的一般趋势中说：中说：“自然界中占统治地位的趋向是能量

208、转变为热而使自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热温度拉平，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热死状态。死状态。”153一一. .气体的液化气体的液化二二. .临界温度的发现临界温度的发现三三 制冷技术制冷技术四四 低温下物质特性的研究低温下物质特性的研究4 4 低温物理学（略）低温物理学（略）154一一.早期的分子运动论早期的分子运动论 （一）原子论的复兴（一）原子论的复兴 （二）伯努利的气体运动论（二）伯努利的气体运动论 （三）分子运动论的复兴（三）分子运动论的复兴 二二.克劳修斯的理想气体分子模型克劳修斯的理想气体分子模型5.

209、分子运动论的发展（略）分子运动论的发展（略）分分 子子 运运 动动 论论 的的 发发 展展1556 6 统计物理学的建立（略）统计物理学的建立（略） 一一. .麦克斯韦的工作麦克斯韦的工作 二二. .玻耳兹曼的工作玻耳兹曼的工作 三三. .吉布斯的系综理论吉布斯的系综理论 和统计力学的建立和统计力学的建立 四四. .量子统计的建立量子统计的建立156除了除了气、液、固气、液、固三态外，从物质内部结构来考虑还有：三态外，从物质内部结构来考虑还有：液晶态液晶态（也叫介晶态）：处于液态和固态之间；（也叫介晶态）：处于液态和固态之间；等离子态等离子态：如气体被加热和辐射等，而电离成为带正电的如气体被加

210、热和辐射等，而电离成为带正电的离子和带负电的电子的集合体，但正负电荷数相等。离子和带负电的电子的集合体，但正负电荷数相等。超导态超导态：某些金属或化合物，当温度降到一定程度时，其某些金属或化合物，当温度降到一定程度时，其直流电阻趋于零，这种状态称为超导态。直流电阻趋于零，这种状态称为超导态。超流态：超流态：在极低温度下，有的液体的粘滞性消失。在极低温度下，有的液体的粘滞性消失。中子态：中子态：在离地球很远的太空中，有一种后期的恒星，热在离地球很远的太空中，有一种后期的恒星，热核反应已经停止，突然爆发后急剧收缩，把原子外层的电子核反应已经停止，突然爆发后急剧收缩，把原子外层的电子“挤到挤到”原子

211、核内，使原子核内的质子变成中子，从而形成密原子核内，使原子核内的质子变成中子，从而形成密度极高的物质，这种物质形态称为中子态。度极高的物质，这种物质形态称为中子态。7 7 物态物态157158第五章第五章经典电磁学的建立与发展经典电磁学的建立与发展1.对电磁现象的早期认识对电磁现象的早期认识2.富兰克林对雷电现象的研究富兰克林对雷电现象的研究3.从定性到定量从定性到定量库仑定律的发现库仑定律的发现4.由静电到动电由静电到动电电流的发现电流的发现5.电流的磁效应与安培定律电流的磁效应与安培定律6.电磁感应现象的发现与研究电磁感应现象的发现与研究7.麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立

212、8.电磁波的发现与应用（略）电磁波的发现与应用（略）1591.对电磁现象的早期认识对电磁现象的早期认识1.1.中国：略中国：略2.2.英国人吉尔伯特英国人吉尔伯特(W.Gilbert,1544-1603)(W.Gilbert,1544-1603)：英国物理学英国物理学家、医生家、医生 吉尔伯特做了多年的实验，发现了吉尔伯特做了多年的实验，发现了“电力电力”，“电电吸引吸引”等许多现象，并最先使用了等许多现象，并最先使用了“电力电力”“电吸引电吸引”等专等专用术语，因此许多人称他是用术语，因此许多人称他是电学研究之父电学研究之父。他的主要著作为。他的主要著作为16001600年出版的论磁性、磁体

213、和巨大地磁体，书中记载了年出版的论磁性、磁体和巨大地磁体，书中记载了“小地球小地球”实验实验（把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放在球的表面把一块大天然磁石磨成球形，把小磁针放在球的表面）。物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。伽利落称其为物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著。伽利落称其为“经验主义的奠基人经验主义的奠基人”。3.3.莱顿瓶的发现莱顿瓶的发现 1745 1745年，荷兰莱顿大学教授年，荷兰莱顿大学教授马森布洛克马森布洛克（Musschenbrock)Musschenbrock)发发明了收集电荷的莱顿瓶明了收集电荷的莱顿瓶。1601.1.电荷守恒定律的发现：电荷守恒定律的发现

214、：他发现他发现两个带有不同性质电荷的带两个带有不同性质电荷的带电体，相互接触后可以呈现中性。把电荷分为电体，相互接触后可以呈现中性。把电荷分为“正电正电”和和“负电负电”，并进一步得出结论，并进一步得出结论正电和负电在本质上正电和负电在本质上不应有什么差别；不应有什么差别；摩擦起电过程中，总是形成等量异摩擦起电过程中，总是形成等量异种电荷；种电荷； 摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方摩擦起电过程中，一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。得到的电荷在数量上相等。从而得到了电荷守恒定律。2.费城实验费城实验-天电和地电的统一天电和地电的统一3.3.发明避雷针发明

215、避雷针4.4.独立宣言和美国宪法的起草人之一独立宣言和美国宪法的起草人之一，为美国的独立和解放，为美国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。作出了贡献的政治活动家。2.富兰克林对雷电现象的研究富兰克林对雷电现象的研究161一一.类比法类比法二二.库仑的引力实验库仑的引力实验三三.卡文迪许的工作（略）卡文迪许的工作（略）3.库仑定律的发现库仑定律的发现从定性到定量从定性到定量162从从 定定 性性 到到 定定 量量 - - 库库 仑仑 定定 律律 的的 发发 现现1.电力作用的猜测电力作用的猜测 1759年，德国柏林科学院院士年，德国柏林科学院院士爱皮努斯爱皮努斯（F.U.T.Aepinus)发现

216、：发现：电电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；当一个导体靠近当一个导体靠近一带电体时，该导体的远端会获得与带电体相同的电荷，近端则获得相反一带电体时，该导体的远端会获得与带电体相同的电荷，近端则获得相反的电荷（静电感应）。的电荷（静电感应）。 1760年，年，D.伯努利伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从平方反比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。比定律。他的想法在当时具有一定的代表性。一一.类比法类比法2.富兰克林的空罐实验富兰克林的空罐实验 用用丝丝线线将将一一小小块块软软木

217、木悬悬挂挂在在带带电电金金属属罐罐外外的的附附近近，软软木木受受到到吸吸引引。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。但把它悬挂在罐内时，不论在罐内何处，它都不受电力。 富富 兰兰 克克 林林 写写 信信 将将 这这 一一 现现 象象 告告 之之 他他 的的 英英 国国 朋朋 友友 普普 利利 斯斯 特特 利利（J.Priestleuy,J.Priestleuy,化化学学家家，氧氧气气的的发发现现者者），普普利利斯斯特特利利想想到到:1687:1687年年牛牛顿顿曾曾证证明明: :万万有有引引力力若若服服从从平平方方反反比比定定律律，则则均均匀匀的的物物质质球球壳壳对对壳壳内内物物体

218、应无作用。体应无作用。 普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。普利斯特利重复了上述实验，并将空罐实验与牛顿推理类比。1633. 3. 罗比逊实验罗比逊实验同种电荷斥力的同种电荷斥力的测量测量 1769年，英国爱丁堡大学的年，英国爱丁堡大学的约翰约翰.罗宾森罗宾森（John RobisoJohn Robiso，苏格兰人），苏格兰人）设设计了一个杠杆装置，如图。通过实验计了一个杠杆装置，如图。通过实验直接推测了平方反比关系：同种电荷直接推测了平方反比关系：同种电荷间的斥力反比于距离的间的斥力反比于距离的2.06次幂，异次幂，异种电荷间的吸引力反比于小于距离的种电荷间的吸引力反比于小

219、于距离的2次幂。由此他推测：在实验误差范围次幂。由此他推测：在实验误差范围内，正确的关系应为反比于距离的内，正确的关系应为反比于距离的2次次幂。幂。164二二. .库仑的引力实验库仑的引力实验（扭秤实验为同种电荷的（扭秤实验为同种电荷的斥力斥力测量，略）测量，略） - -库仑电摆实验库仑电摆实验和牛顿单摆类比：和牛顿单摆类比：由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方，所以存在地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离。方，所以存在地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离。 若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生若电荷

220、间的引力也遵循距离平方的反比关系，则由带电体间引力产生的物体的摆动，其摆动周期的物体的摆动，其摆动周期T T必定也正比于两带电体之间的距离必定也正比于两带电体之间的距离r r。从而设计电摆实验。从而设计电摆实验。库仑单摆实验：库仑单摆实验：17851785年在法国科学院发表论文，年在法国科学院发表论文， 提出著名的库仑定律。提出著名的库仑定律。意义：意义：库仑定律的建立使电磁库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究，数学的引入学进入了定量研究，数学的引入使电磁学真正成为一门科学。使电磁学真正成为一门科学。165由由 静静 电电 到到 动动 电电 - - 电电 流流 的的 发发 现现三三. .欧姆定

221、律欧姆定律 欧姆欧姆（G.S.Ohm,1787-1854G.S.Ohm,1787-1854）：德国人，长期担任中学）：德国人，长期担任中学教师和家庭教师。后被慕尼黑大学任命为教授。教师和家庭教师。后被慕尼黑大学任命为教授。 类比：类比：从傅立叶发现的热传导规律受到启发：导热杆从傅立叶发现的热传导规律受到启发：导热杆中两点之间的热流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆中两点之间的热流正比于这两点之间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此很相似，猜想导线中两点之间的电流认为，电流现象与此很相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，欧姆称之为也许正比于它们之间的某种驱动力，欧姆称之为

222、“电张力电张力(electric tension)”(electric tension)”，即现在所称的电势差。，即现在所称的电势差。4.电流的发现电流的发现由静电到动电由静电到动电一一. .伽伐尼的研究（略）伽伐尼的研究（略）二二. .伏打的伏打的“金属接触说金属接触说” ” （略）（略）166由由 静静 电电 到到 动动 电电 - - 电电 流流 的的 发发 现现存在的问题：存在的问题：1.1.伏打电堆产生的电流不稳定伏打电堆产生的电流不稳定2.2.没有电流强度的测量装置。没有电流强度的测量装置。问题的解决：问题的解决：1.1.采采用温差电偶用温差电偶2.2.电流扭秤：将电流磁效应和库仑电

223、流扭秤：将电流磁效应和库仑扭秤法结合起来，设计了电流扭力扭秤法结合起来，设计了电流扭力天平：温差电源由弯成天平：温差电源由弯成abababab形形的铋条和两根铜条组成，的铋条和两根铜条组成，abab端插入端插入冰水中，冰水中，abab插入沸水中，电流插入沸水中，电流扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中，扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中，磁针偏转的角度用一放大镜观察。磁针偏转的角度用一放大镜观察。167自自吉吉尔尔伯伯特特开开始始以以来来的的二二百百多多年年，电电和和磁磁一一直直是是毫毫无无关关系系的的两两门门学学科科，围围绕绕电电与与磁磁寻寻找自然现象之间的联系，成为一种潮流。找自然现象之间的联系，成为一

224、种潮流。18201820年年，丹丹麦麦的的奥奥斯斯特特发发现现了了电电流流的的磁磁效应，从而建立了电与磁的联系。效应，从而建立了电与磁的联系。电电 磁磁 学学 的的 新新 时时 期期5.电流的磁效应与安培定律电流的磁效应与安培定律一一.发现电流磁效应发现电流磁效应-丹麦丹麦奥斯特（略）奥斯特（略）二二.安培和安培定律安培和安培定律168二二. .安培和安培定律安培和安培定律 1.1.安培简介安培简介 2. 2.安培的四个实验和一个假设安培的四个实验和一个假设 3 3 分子电流假说分子电流假说 4. 4.安培环路定理的提出安培环路定理的提出 5. 5.安培的科学研究方法安培的科学研究方法1691

225、.1.安安培培(A.M.Amp(A.M.Amp，1775177518361836年年) ) ：法法国国物物理理学学家家，对对数数学学和和化化学学也也有有贡贡献献。生生于于里里昂昂一一个个富富商商家家庭庭。安安培培在在法法国国长长大大时时，正正是是法法国国社社会会变变革革时时期期，他他几几乎乎没没受受过过正正规规教教育育，他他的的父父亲亲信信奉奉J JJ J卢卢梭梭( (植植物物学学家家) )的的教教育育思思想想，供供给给他他大大量量图图书书，令令其其走走自自学学道道路路，于于是是他他博博览览群书，吸取营养；群书，吸取营养；电电 磁磁 学学 的的 新新 时时 期期170 奥斯特发现电流磁效应的消

226、息传到世界各地，在瑞士参奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地，在瑞士参加日内瓦科学会议的法国物理学家加日内瓦科学会议的法国物理学家阿拉果阿拉果得知此消息后，随得知此消息后，随即回国。于同年即回国。于同年9 9月月1111日向法国科学院报告并重复了奥斯特的日向法国科学院报告并重复了奥斯特的实验。实验。 这一效应引起了法国科学家这一效应引起了法国科学家安陪安陪的极大兴趣。经过一周的极大兴趣。经过一周的夜以继日的工作后，于的夜以继日的工作后，于9 9月月1818日发现了电流间也存在着相互日发现了电流间也存在着相互作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于1

227、8201820年年9 9月与月与1010月间，接连写了三篇论文；在月间，接连写了三篇论文；在18201820年年1212月月4 4日，又提出了著日，又提出了著名的安培定律；名的安培定律；18271827年发表了名著的从实验导出的关于电年发表了名著的从实验导出的关于电动力学现象的数学理论。动力学现象的数学理论。为电动力学的产生奠定了基础。为电动力学的产生奠定了基础。人们为纪念他，将电流强度的单位定义为人们为纪念他，将电流强度的单位定义为“安培安培”。-时间就是生命时间就是生命背景：背景：1712.2.安培定律的建立安培定律的建立-四个示零实验四个示零实验和一个假设和一个假设 首先安培设计了一个无

228、定向秤：首先安培设计了一个无定向秤：右图为由硬导线作成的右图为由硬导线作成的无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相无定向秤，由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相反的平面回路反的平面回路1 1和和2 2，两回路固定连在一起，整个犹如一个，两回路固定连在一起，整个犹如一个刚体。线圈的两端刚体。线圈的两端A A、B B通过水银槽和固定支架相连。通过水银槽和固定支架相连。 将通电的无定向秤置于将通电的无定向秤置于均匀磁场中时，由于不受力均匀磁场中时，由于不受力和力矩的作用，无定向秤处和力矩的作用，无定向秤处于平衡状态。但当将其放入于平衡状态。但当将其放入非均匀磁场中时将会产生作非均匀磁

229、场中时将会产生作用而发生旋转。用而发生旋转。172下方为对折导线下方为对折导线（1 1）实验一：对折导线电流的作用）实验一：对折导线电流的作用（2 2）实验二：螺旋状电流的作用）实验二：螺旋状电流的作用（3 3）实验三：电流作用力的方横向性。）实验三：电流作用力的方横向性。（4 4）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系。173一个假设一个假设 两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向。 可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于可以看出，电流元之间的相互作用的数学形式类似于电荷之间相互作用的库仑定律。

230、电荷之间相互作用的库仑定律。 上式表示电流元上式表示电流元dLdL1 1施加给电流元施加给电流元dLdL2 2的作用力的作用力dfdf1212，dLdL1 1和和dLdL2 2之间的距离为之间的距离为r r1212。安培定律的建立：安培定律的建立： 在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了在上述四个实验和这个假设的基础上，安培推出了电流元之间相互作用力的公式：电流元之间相互作用力的公式：1744.4.安培环路定理的提出安培环路定理的提出 18271827年，安培发表了电动力学理论，在书中，安培年，安培发表了电动力学理论，在书中，安培总结了已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理等；还总结了

231、已知的电磁现象，得出了磁场的安培环路定理等；还阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路，遵循法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子法国物理学家拉普拉斯的途径，将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培间吸引或排斥现象，并将它们付诸数学形式加以表征。安培把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。把牛顿力学引入电学，从而创立了电动力学。3.3.分子电流假说分子电流假说 安培接受了法国数学家菲涅尔的意见安培接受了法国数学家菲涅尔的意见, ,从微观去考虑分从微观去考虑分子电流来认识物质磁性的起因。经

232、过反复分析和思考，于子电流来认识物质磁性的起因。经过反复分析和思考，于18211821年年, ,提出了著名的提出了著名的“分子电流假说分子电流假说”，成功的解释了物，成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：质宏观磁性形成的内在原因。安培假设：磁性物质内存在磁性物质内存在无数微小的无数微小的“分子电流分子电流”，它们用不衰竭地沿着闭合的路，它们用不衰竭地沿着闭合的路径流动，从而形成一个个小磁体。径流动，从而形成一个个小磁体。175一一.法拉第（法拉第（1791-1867）二二 法拉第电磁旋转实验法拉第电磁旋转实验三三.法拉第发现电磁感应法拉第发现电磁感应四四.亨利及自感现象的发现（略）

233、亨利及自感现象的发现（略）五五.楞次定律的发现（略）楞次定律的发现（略）六六.法拉第的力线思想法拉第的力线思想6.电磁感应现象的发现与研究电磁感应现象的发现与研究176变变 磁磁 生生 电电 的的 发发 现现 者者 法法 拉拉 第第英英国国物物理理学学家家。他他的的父父亲亲一一个个铁铁匠匠。十十三三岁岁时时，他他到到一一家家装装订订和和出出售售书书籍籍的的铺铺子子里里当当学学徒徒。为为他他读读书书创创造造了了条条件件。他他的的老老板板也也鼓鼓励励他他读读书书，后后来来有有一一位位顾顾客客送送给给他他一一些些伦伦敦敦皇皇家家学学院院讲讲演演的的听听讲讲证证。18121812年年冬冬季季，他他来来

234、到到了了伦伦敦敦皇皇家家学学院院，要要求求和和著著名名的的院院长长戴戴维维见见面面谈谈话话。作作为为自自荐荐书书，他他带带来来了了听听戴戴维维讲讲演演时时记记下下的的笔笔记记。笔笔记记装装订订得得整整齐齐美美观观，给给戴戴维维留留下下了了很很好好的的印印象象。戴戴维维正正好好缺缺少少一一位位助助手手，不不久久他他就就雇雇用用了了他他。18211821年年受受任任为为皇皇家研究所试验室主任。家研究所试验室主任。法法拉拉第第所所研研究究的的课课题题广广泛泛多多样样，按按编编年年顺顺序序排排列列, ,有有如如下下各各方方面面：铁铁合合金金研研究究（1818181818241824）；氯氯和和碳碳的的

235、化化合合物物（18201820）；电电磁磁转转动动（18211821）；气气体体液液化化（18231823，18451845）；光光学学玻玻璃璃（1825182518311831）；苯苯的的发发明明（18251825）；电电磁磁感感应应现现象象（18311831）；不不同同来来源源的的电电的的同同一一性性（18321832）；电电化化学学分分解解（18321832年年起起）；静静电电学学，电电介介质质（18351835年年起起）；气气体体放放电电（18351835年年）；光光、电电和和磁磁（18451845年年起起）；抗抗磁磁性性（18451845年年起起）；“射射线线振振动动思思想想”（18

236、461846年年起起）；重重力力和和电电（18491849年年起起）；时时间间和和磁磁性性（18571857年年起起）。 法法拉拉第第一一生生热热衷衷科科学学事事业业，不不好好功功名名利利禄禄。英英国国女女王王曾曾多多次次想想对对他他封封爵爵，都都被被他他谢谢绝绝；18581858年年英英国国史史学学家家廷廷德德尔尔提提议议让让他他担担任任皇皇家家学学会会会会长，他也坚决推辞。长，他也坚决推辞。一一. .法拉第（法拉第（1791-18671791-1867）177二二 法拉第法拉第电磁旋电磁旋转实验：转实验： 当接通电源时，当接通电源时，发现左侧的容器里，发现左侧的容器里，磁铁棒绕着固定导线磁

237、铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒景：导线绕固定磁棒在转动。实际上，这在转动。实际上，这就是最早的旋转电动就是最早的旋转电动机的雏型。机的雏型。178实验一实验一实验二实验二实验三实验三实验四实验四实实验验五五：感感应应发发电电机机的的产产生生三三 法拉第发现电磁感应法拉第发现电磁感应法法拉拉第第电电磁磁感感应应实实验验179四四 亨利及自感现象的发现（略）亨利及自感现象的发现（略）五五 楞次定律的发现（略）楞次定律的发现（略）六六 法拉第的法拉第的“力线和力线和“场场”的思想及其他的思想及其他意义：意义： 牛顿力学，安培

238、定律及库仑定律都是超距中心牛顿力学，安培定律及库仑定律都是超距中心作用；而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，作用；而力线和场的概念，则是一种近距媒递作用，是对传统力学观念的一个重大突破。是对传统力学观念的一个重大突破。180背景：背景：1919世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相世纪中期，描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的互关系的库仑定律库仑定律、高斯定律高斯定律、安培定律安培定律、法拉第电磁感法拉第电磁感应定律应定律已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。已相继建立，法拉第关于力线和场的概念已经提出。1847-18531847-1853年间，年间，W.W.汤姆逊汤姆

239、逊提出了铁磁质内磁场强度提出了铁磁质内磁场强度H H和磁和磁感应强度感应强度B B的定义，并导出了的定义，并导出了H=H=BB，同时还导出了磁场的，同时还导出了磁场的能量密度为能量密度为HH2 2/8/8、载流导线的磁能、载流导线的磁能LILI2 2/2/2 ，并且于，并且于18511851年提出了磁的数学理论。为后来麦克斯韦的研究做出年提出了磁的数学理论。为后来麦克斯韦的研究做出了典范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论了典范。总之到了十九世纪五六十年代，创立电磁场理论的条件已趋成熟。的条件已趋成熟。7.麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦电磁场理论的建立一一.麦克斯韦（麦克斯韦（183

240、1-1879）简介）简介二二.建立电磁场理论的工作建立电磁场理论的工作三三. 意义意义181麦麦 克克 斯斯 韦韦 电电 磁磁 场场 理理 论论 的的 建建 立立麦麦克克斯斯韦韦一一.麦克斯韦（麦克斯韦（1831-1879）简介）简介 麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科学麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学之大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了磁理论体

241、系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大完成了物理学的又一次大综合综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础，导致第二次工业革命。电子工业和无线电工业的基础，导致第二次工业革命。 麦克斯韦麦克斯韦18311831年年6 6月出生于英国爱丁月出生于英国爱丁堡，他的父亲是一位律师，但对研究科学堡，他的父亲是一位律师，但对研究科学问题有强烈爱好，这对麦克斯韦的一生有问题有强烈爱好，这对麦克斯韦的一生有深刻影响。深刻影响。182187

242、91879年年1111月月3 3日日，4 4麦麦克克斯斯韦韦逝逝世世，时时年年49 49 岁岁，在在他他的一生中共写了的一生中共写了100100多篇有价值的论文。多篇有价值的论文。 麦克斯韦麦克斯韦1010岁进入爱丁堡中学，岁进入爱丁堡中学， 14 14岁在中学时期就发表岁在中学时期就发表了第一篇科学论文论卵形曲线的机械画法，反映了他在几了第一篇科学论文论卵形曲线的机械画法，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。何和代数方面的丰富知识。1616岁进入爱丁堡大学学习物理，三岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎在剑桥学习时

243、，打下了扎实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造实的数学基础，为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。了条件。 他精心研究了法拉第的电学的实验研究，以法拉他精心研究了法拉第的电学的实验研究，以法拉第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，第的力线概念为指导，透过这些似乎杂乱无章的实验记录，运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。运用场论的观点，以演绎法建立了系统的电磁场理论。于于1873年出版的电学和磁学论一书年出版的电学和磁学论一书。这是一部可以同牛。这是一部可以同牛顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源和顿的自然哲学的数学原理、达尔文的物种起源和

244、赖尔的地质学原理相媲美的里程碑式的著作。赖尔的地质学原理相媲美的里程碑式的著作。1831.1.类比：类比：2.2.麦克斯韦的麦克斯韦的“以太涡旋以太涡旋”模型和模型和“位移电流位移电流”3.3.麦克斯韦电磁方程组：麦克斯韦电磁方程组：4.4.电磁波的预言电磁波的预言5.5.光波就是电磁波的提出光波就是电磁波的提出 二二. .麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论1841.1.类比：类比： 18551855年发表论法拉第力线，从几何观点，年发表论法拉第力线，从几何观点，为法拉第为法拉第力线作出了数学描绘力线作出了数学描绘。麦克斯韦。麦克斯韦用类比的方法用类比的方法，把力线看作，把力线看作不可压缩的

245、流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，不可压缩的流体的流线。如把正、负电荷比作流体的源和汇，电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢电力线比作流管，电场强度比作流速等，引入了诺埃曼的矢势函数势函数A A，用于表示导体中引起的电动势。并指出，用于表示导体中引起的电动势。并指出，“电紧张电紧张态态”是场的一种运动性质，是一个物理真实。是场的一种运动性质，是一个物理真实。 在论文末尾，麦克斯韦总结了六条定律，为以后建立电在论文末尾，麦克斯韦总结了六条定律，为以后建立电磁场理论奠定了基础。磁场理论奠定了基础。从而将法拉第的观念和直观的力线抽象为数学。从而将法拉第的观念和直观的力线抽象

246、为数学。1852.2.麦克斯韦的麦克斯韦的“以太涡旋以太涡旋”模型和模型和“位移电流位移电流” 18621862年，年，麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文论物理力线麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文论物理力线。提出了。提出了“电磁以太模型电磁以太模型”，把电学量和磁学量之间的，把电学量和磁学量之间的关系，形象的表现出来。关系，形象的表现出来。电磁以太模型：电磁以太模型： 如右图，如右图，充满空间的媒充满空间的媒质分子在磁作用下具有旋转质分子在磁作用下具有旋转的性质，的性质，它们以磁力线为轴它们以磁力线为轴形成涡旋管，形成涡旋管，涡旋管转动的涡旋管转动的角速度正比于磁场强度角速度正比于磁场强度H，涡旋媒

247、质的密度正比于媒质涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率磁导率。186 由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦可斯韦设想在运动的，为了互不妨碍对方的运动，麦可斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层相临涡旋管之间充满着一层起滚珠轴承作用的微小粒起滚珠轴承作用的微小粒子子。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的。它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带带电粒子电粒子。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，。粒子和涡旋的作用是切向的。粒子可以滚动，但没有滑动。但没有滑动。187对于静电场中的情况：对于静电场中的情况：麦克斯韦把

248、涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场。无外磁场时，由于时，由于H=0，涡旋管静止。但当处于电场中时，粒子层将，涡旋管静止。但当处于电场中时，粒子层将受到电力受到电力E的作用而发生位移的作用而发生位移D，并给涡旋管以切向力使之，并给涡旋管以切向力使之发生形变。当两力平衡时，粒子和涡旋管保持相对静止状发生形变。当两力平衡时，粒子和涡旋管保持相对静止状态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁感态。这时电场能在媒质中转变为弹性势能。这时并无磁感应产生。应产生。对于变化电场的情况：对于变化电场的情况： 当电场发生变化的时候，介质中粒子的总位移当电场发生变化

249、的时候，介质中粒子的总位移D D也跟着也跟着发生变化，从而形成正负方向上的电流。麦克斯韦发生变化，从而形成正负方向上的电流。麦克斯韦称之为称之为“位移电流位移电流”, , 并表示为并表示为iiE/E/t t 。1883.麦克斯韦电磁方程组：麦克斯韦电磁方程组：18731873年，麦克斯韦出版年，麦克斯韦出版电磁学通论电磁学通论，创造性的建，创造性的建立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合立了电磁场理论的完整体系。把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程在一组方程式中，得到了电磁场的数学方程-麦克斯麦克斯韦电磁方程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内韦电磁方

250、程组。以简洁的数学结构，揭示了电场和磁场内在的完美对称。在的完美对称。 最初，在电磁学通论书中，麦克斯韦共列出了最初，在电磁学通论书中，麦克斯韦共列出了2020个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有个分量方程，如果采用矢量方程，则仅有8 8个个。后来简化。后来简化成成四个四个。18901890年前后，德国物理学家年前后，德国物理学家赫兹赫兹和英国物理学家和英国物理学家亥维赛亥维赛，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通，又两次简化麦克斯韦方程组，才得到我们现在通用的微分形式。用的微分形式。1891电场中的高斯定理电场中的高斯定理2法拉第电磁感应定法拉第电磁感应定律律3磁场中的高斯定理磁场中的

251、高斯定理4安培环路定律安培环路定律麦克斯韦方程组：麦克斯韦方程组：1904.电磁波的预言电磁波的预言麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波麦克斯韦方程组的一个重要结果，就是预言了电磁波的存在。麦克斯韦通过计算，的存在。麦克斯韦通过计算，从方程组中导出了自由空从方程组中导出了自由空间中电场强度间中电场强度EE和磁感应强度和磁感应强度B B的的波动方程波动方程为：为：式中式中V是波在介质中的传播速度。是波在介质中的传播速度。式中式中是介电常数，是介电常数，为磁导率。为磁导率。 它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度它表示：电或磁的扰动，将在以太媒质里以速度V V传播传播着。并且推出了电

252、磁波的传播速度为：着。并且推出了电磁波的传播速度为：1915.5.光波就是电磁波的提出：光波就是电磁波的提出： 18561856年年韦韦伯伯测测定定上上述述速速度度值值为为：V=31.074V=31.074万万公公里里/ /秒秒, ,麦麦克克斯斯韦韦发发现现这这个个值值与与18491849年年斐斐索索测测得得的的光光速速31.5031.50万万公公里里/ /秒秒十十分分接接近近。他他认认为为这这不不是是巧巧合合，而而是是由由于于光光的的本本质质与与电电磁磁波波相相同同，从从而而提提出出了了光光的的电电磁磁理理论论。它它表表明明“光光本本身身乃乃是是以以波波的的形形式式在在电电磁磁场场中中按按电

253、电磁磁规规律律传传播播的的一一种种电电磁磁振振动动” ” 。从从而而将将光光、电电、磁磁理理论论统统一一起起来来。完完成了物理学发展史上的第二次理论大综合。成了物理学发展史上的第二次理论大综合。192麦麦 克克 斯斯 韦韦 电电 磁磁 场场 理理 论论 的的 建建 立立四四.意义意义1.1.经典电磁理论的确立，完成了物理学理经典电磁理论的确立，完成了物理学理论的第二次大综合，论的第二次大综合，2.2.掀起了第二次工业革命，进一步说明了掀起了第二次工业革命，进一步说明了科学技术是第一生产力。科学技术是第一生产力。193194第六章第六章 经典光学经典光学 1. 1.光学的历史概述光学的历史概述

254、2.2.光的波动说和微粒说的论争光的波动说和微粒说的论争 3.3.光速的测定光速的测定 4. 4.光谱的研究（略）光谱的研究（略）195一一.早期光学（略）早期光学（略）二二.折射定律的建立折射定律的建立三三.光学仪器的研制光学仪器的研制四四.牛顿对光的色散的研究牛顿对光的色散的研究1.光学的历史概述光学的历史概述1961 1 开普勒的工作：开普勒的工作：16111611年写了折光学，记载了两个年写了折光学，记载了两个实验。实验。第一个实验第一个实验是比较入射角和折射角：如图，日光是比较入射角和折射角：如图，日光LMNLMN斜射到器壁斜射到器壁DBCDBC上，上，BCBC边沿的影子投射到底座于

255、边沿的影子投射到底座于HKHK；另一部；另一部分从分从DBDB射进一玻璃立方体射进一玻璃立方体ADBEFADBEF内，阴影的边沿形成于内，阴影的边沿形成于IGIG。 根据屏高根据屏高BEBE和两阴和两阴影的长度影的长度EHEH和和EGEG，就可，就可算出立方体的入射角和算出立方体的入射角和出射角之比。出射角之比。二二 折射定律的建立折射定律的建立197第二个实验是：第二个实验是：用一个圆柱性玻璃，令光线沿用一个圆柱性玻璃，令光线沿S S1 1和和S S2 2入射，入射，通过圆柱中心的光线通过圆柱中心的光线S S1 1方向不变，和圆柱边沿相切的光线方向不变，和圆柱边沿相切的光线S S2 2偏折最

256、大，并发现最大偏折角约为偏折最大，并发现最大偏折角约为42420 0。198 全反射的发现：全反射的发现： 令令ABAB为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻为玻璃与空气的分界面，如图。光线从空气进入玻璃发生折射，由于最大偏折角为璃发生折射，由于最大偏折角为42420 0，所以进入玻璃的，所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为光线将构成一个夹角为42420 02=842=840 0的锥形的锥形MONMON。若有一束光若有一束光 从玻璃从玻璃射向空气，当入射角射向空气，当入射角大于大于42420 0时，则到达时，则到达OO点后，将既不能进点后，将既不能进入空气，也不能进入入空气，也不能进入MO

257、NMON锥形区域，必锥形区域，必定反射为定反射为。1992斯涅耳斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：的工作： 荷兰人，荷兰人，16211621年从年从实验得到准确的折射定实验得到准确的折射定律律 。方法和开普勒基。方法和开普勒基本相同，但斯涅耳发现，本相同，但斯涅耳发现，比值比值OS /OSOS /OS恒为常数，恒为常数，并由此导出图中所示式并由此导出图中所示式子。子。2003笛卡儿的工作：笛卡儿的工作： 现代形式的折射定律是笛卡儿在现代形式的折射定律是笛卡儿在16371637年出版的方法论年出版的方法论中提出的。中提出的。他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面他将空气和其他介

258、质（如玻璃或水）的界面看作是一层很脆薄的布，看作是一层很脆薄的布，设想有一小球斜方向投向界面，设想有一小球斜方向投向界面，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，当球穿过薄布时，在垂直于界面的方向损失了部分速度，但但平行于界面的方向上的速度不变平行于界面的方向上的速度不变。据此他得出：。据此他得出：visin i =vrsin r，所以有：所以有：sin i /sin r =vr/vi=常数常数 但由于他假设介质交界但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相面两侧的光速的平行分量相等是错误的，为使理论与实等是错误的，为使理论与实验数据相符，必须假设光密验数据相符，必须假设光密媒质内

259、的光速比光疏媒质大。媒质内的光速比光疏媒质大。这显然都是不正确的。这显然都是不正确的。2014费马的工作：费马的工作：1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：年费马用最短时间原理推出了折射定律：同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折。2021.1.12991299年由意大利人年由意大利人阿玛蒂阿玛蒂发明并发明并制造了眼镜。制造了眼镜。2.2.16081608年年，荷荷兰兰人人李李普普塞塞（Hans Hans Lippershey)Lippershey)制制成成第第一一台台望望远远镜镜: :他他用用一一个个凸凸透透镜镜作作为为物

260、物镜镜，用用一一个个凹凹透透镜镜作作为为目目镜镜组合而成。现在仍把这种组合称为组合而成。现在仍把这种组合称为荷兰望远镜。荷兰望远镜。 3.3.伽伽利利略略知知道道后后很很快快改改进进成成放放大大3232倍倍，随随后后又又制制成成放放大大10001000倍倍的的望望远远镜镜，并并用用它它对对天天体体进进行行了了观观察察，于于16101610年年写写出出了星际使者的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。了星际使者的小册子，有力支持了哥白尼的日心说。4.4.16111611年年开开普普勒勒出出版版了了屈屈光光学学，解解释释了了荷荷兰兰望望远远镜镜和和显显微微镜镜所所涉涉及及到到的的光光学学原原理理。并并

261、设设计计了了一一种种用用两两个个凸凸透透镜镜构构成成的的天天文文望望远远镜镜，即即开开普普勒勒望望远远镜镜。这这种种望望远远镜镜很很快快就取代了荷兰望远镜就取代了荷兰望远镜( (因为它视野宽因为它视野宽) )。 第第一一台台开开普普勒勒望望远远镜镜由由天天文文学学家家沙沙伊伊纳纳于于1613161316171617年制造。年制造。光光 学学 的的 历历 史史 概概 述述三三.光学仪器的研制光学仪器的研制2035.5.几几乎乎与与望望远远镜镜同同时时，荷荷兰兰人人发发明明制制造造了了显显微微镜镜，由由眼眼镜镜制制造造师师詹詹森森(Janssen)(Janssen)发发明明：由由一一双双凸凸透透镜

262、镜作作物物镜镜和一个双凹透镜作目镜组合而成。和一个双凹透镜作目镜组合而成。 后后来来，意意大大利利那那不不勒勒斯斯的的冯冯特特纳纳(Fontana)(Fontana)第第一一个用凸透镜代替了凹透镜目镜。个用凸透镜代替了凹透镜目镜。6.6.16651665年，年，胡克胡克出版显微图象，并制造了一个出版显微图象，并制造了一个带聚带聚光镜光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜，用一球形聚光器来照亮待观察的物体。一球形聚光器来照亮待观察的物体。2047.7.16681668年年，牛牛顿顿设设计计并并制制造造了了第第一一架架小小型型反反射射式式望望远远镜

263、镜，全全长长1515厘厘米米，口口径径2.52.5厘厘米米，但但其其放放大大倍倍数数和和当当时时使使用用的的2 2米米长长的的望望远远镜镜相相同同。16711671年年又又制制造造了了第第二二架架较较大大的的反反射射式式望望远远镜镜，全全长长1.21.2米米，口口径径2 2米米，献献给给了了英英国国皇皇家家学学会会，现现仍仍保保存存在在英英国国皇皇家家学学会图书馆。会图书馆。205四四牛顿的色散研究牛顿的色散研究1.色散的早期研究色散的早期研究：（：（略）略）2.2.问题：问题： 1717世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观世纪正当望远镜、显微镜问世，伽利略用望远镜观察天体，胡克用显微

264、镜观察微小物体。然而，当放大倍数察天体，胡克用显微镜观察微小物体。然而，当放大倍数增大时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为增大时，这些仪器出现了像差和色差，人们深感迷惑，为什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？怎样才能消除？怎样才能消除？206如图在一张黑纸上画一条线如图在一张黑纸上画一条线abcabc，半边，半边abab为红色，半为红色，半边边bcbc为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断为兰色，经过棱镜观看，只见这根线好象折断了似的，分界处正是红兰之交，兰色部分比红色部了似的，分界处正是红兰之交，兰色部分比红色部分

265、更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。分更靠近棱镜。可见兰色光比红色光折射更厉害。疑问：疑问： 色散是不是由于光和色散是不是由于光和棱镜作用的结果？棱镜作用的结果？牛顿牛顿又作了以下实验：又作了以下实验：3.牛顿的色散实验牛顿的色散实验207他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置他拿三个棱镜作实验，三个棱镜完全相同，只是放置方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作方式不同，如下图。如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应用引起的，经过第二和第三棱镜后，这种色散现象应进一步加强。显然实验结果不支持这一观点。进一步加强。显然实验结果不支持这一观点

266、。208他用两块木版各开一小孔他用两块木版各开一小孔F F和和G G，并分别放于三棱镜两侧，并分别放于三棱镜两侧，光从光从S S 处平行射入处平行射入F F后，经棱镜折射穿过小孔后，经棱镜折射穿过小孔G G，到达另一，到达另一块木版块木版dede上，投过小孔上，投过小孔g g的光再经棱镜的光再经棱镜abc的折射后，抵达的折射后，抵达墙壁墙壁MNMN。使第一个棱镜使第一个棱镜ABCABC缓缓绕其轴旋转，缓缓绕其轴旋转，这样第二块这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔木版上不同颜色的光相继穿过小孔g g到达三棱镜到达三棱镜abcabc。实验。实验结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个

267、结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光，经过第二个三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的三棱镜时也偏折的最多。结论：白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成。各种颜色的光组成。209有人提出光谱变长是因为衍射效应，为此牛顿又作如有人提出光谱变长是因为衍射效应，为此牛顿又作如下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当下实验：取一长而扁的三棱镜，使它产生的光谱相当狭窄。当屏放在位置狭窄。当屏放在位置1时，屏上显示仍为白光；当将屏时，屏上显示仍为白光；当将屏倾斜到位置倾斜到位置2时，就可看到分解的光谱。这一实验说明：时，就可看到分解的光谱。这一实验说明：光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无

268、关。因而也就否光谱只涉及屏的角度，结果与棱镜无关。因而也就否定了衍射效应的说法。定了衍射效应的说法。2101.光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属光线随其折射率不同，颜色也不同。色是光线固有的属性。性。2.同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。同一颜色的光折射率相同，不同色的光折射率不同。3.色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其它任何原因而改变。反射或其它任何原因而改变。4.必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。是由原始的

269、颜色复合而成的色。5.本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线岸本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色的光线岸适当比例混合而成。适当比例混合而成。6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射的缘故。的缘故。7.把光看成实体有充分依据。把光看成实体有充分依据。8.由此可解释棱镜色散和虹。由此可解释棱镜色散和虹。在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：在色散实验的基础上，牛顿总结出以下几条规律：211一一.光的微粒说光的微粒说二二.光的早期波动说光的早期波动说三三.光应具有波粒二相性光应具有波粒二相性2.光的波动说和微粒说的论争光

270、的波动说和微粒说的论争212一一 光的微粒说：光的微粒说： 近代微粒说最早由近代微粒说最早由笛卡儿笛卡儿首先提出，后来首先提出，后来牛顿牛顿发展了微发展了微粒说，并和波动说展开了长期的争斗。粒说，并和波动说展开了长期的争斗。 微粒说认为：微粒说认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的网膜，就引起了视觉

271、。牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常直进、反射和折射现象。由于微粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承认和支持。 微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。微粒说还认为，光在水中的传播速度比在空气中的快。 缺陷：缺陷：无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可不干扰地独立前时，为什么光线并不是永远走直线，而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象。以绕过障碍物的边缘拐弯传播等

272、现象。213二二 早期的波动说早期的波动说1.1.胡克：胡克：胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。胡克主张光是一种振动，是类似水波的某种快速脉冲。2.2.惠更斯：惠更斯：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）。3.3.托马斯托马斯杨杨-杨氏双缝干涉实验杨氏双缝干涉实验4.4.菲涅耳：菲涅耳：双光束干涉实验及泊松亮斑双光束干涉实验及泊松亮斑214菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双面镜实验菲涅耳双面镜实验获获得得两两相相干干光光源源的的实实验验215 泊松亮斑：泊松亮斑：为了推进微粒说的发展，为了推进微粒说的发展，18181818年

273、法国科学院年法国科学院提出了有奖征文，提出了有奖征文，菲涅耳菲涅耳在阿拉果的鼓励和支持下，提交在阿拉果的鼓励和支持下，提交了应征论文：他以严密的数学推理，了应征论文：他以严密的数学推理，从横波的观点出发，从横波的观点出发，圆满的解释了光的偏振，圆满的解释了光的偏振，并用半波带法定量的解释了圆孔、并用半波带法定量的解释了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹，推出的结果与实验符合的很好。在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学验符合的很好。在评审菲涅耳的论文时，法国数学物理学家家泊松泊松应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明：应用菲涅耳对光绕过

274、障碍物衍射的数学方程证明：如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板，则在放在其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后其后的屏上，应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后称为泊松亮斑），泊松认为这是不可能的，从而否定了菲称为泊松亮斑），泊松认为这是不可能的，从而否定了菲涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影涅耳的应征论文。于是菲涅耳做了一个实验，果然在阴影的中央出现了一个亮斑。的中央出现了一个亮斑。托马斯杨的双缝干涉实验和波松托马斯杨的双缝干涉实验和波松亮斑证实了光的波动性。亮斑证实了光的波动性。216 18171817年年1

275、 1月和月和18181818年年4 4月月托马斯托马斯杨先后两次写信给杨先后两次写信给阿拉果，讨论有关偏振问题，并把光比作绳索和弦的振阿拉果，讨论有关偏振问题，并把光比作绳索和弦的振动，建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳，动，建议他们把光看成一种横波。阿拉果把信给菲涅耳，菲涅耳立即看出：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不菲涅耳立即看出：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不能相干提出了解释。并于能相干提出了解释。并于18191819年发表了关于偏振光线年发表了关于偏振光线的相互作用，于的相互作用，于18211821年发表了光的横波性理论。年发表了光的横波性理论。托马托马斯斯杨和菲涅耳的发现，

276、标志着光学进入了新的发展时杨和菲涅耳的发现，标志着光学进入了新的发展时期期-波动光学时期波动光学时期。18501850年傅科测定了光在水中和空气年傅科测定了光在水中和空气中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动中的速度，给光的粒子说以最后的打击，从此光的波动说占据了统治地位。说占据了统治地位。 19 19世纪世纪6060年代，麦克斯韦发表了电磁场理论，并计年代，麦克斯韦发表了电磁场理论，并计算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种算出电磁波的传播速度和光速相等，明确提出光是一种电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约电磁波。揭示了光和电磁波的统一性。约2020年后被赫兹年后被赫兹实

277、验证实。实验证实。217三三 光的波粒二相性光的波粒二相性 1887 1887年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验，否定年，美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验，否定了以太存在。赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的了以太存在。赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的否定，使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和否定，使波动说面临严重的危机。而光电效应的发现和爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒子说暂时爱因斯坦对光电效应的解释，又一次使光的粒子说暂时占据了上风。占据了上风。直到直到1921年，德布罗意年，德布罗意提出了光的波粒二相性提出了光的波粒二相性理论。理论。才暂时平息了关于光本性的争论。才暂时平

278、息了关于光本性的争论。218光光 速速 的的 测测 定定3. 光速的测定光速的测定一一.早期的实验早期的实验二二.天文学方法天文学方法三三.地面测量方法地面测量方法四四 “以太漂移以太漂移”的测定的测定219光光 速速 的的 测测 定定一一.早期的实验早期的实验在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛在光速的问题上物理学界曾经产生过争执，开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽卡尔都认为光的传播不需要时间，是在瞬时进行的。但伽利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。利略认为光速虽然传播得很快，但却是可以测定的。 1607 1607年，伽利略进行了最早的测量光速

279、的实验：在已知年，伽利略进行了最早的测量光速的实验：在已知距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间距离的两个高山峰上，放两盏灯，利用接收灯闪亮的时间去除间距，来测光速，但误差较大。去除间距，来测光速，但误差较大。220二二. .天文学方法天文学方法1.1.由木卫蚀测量光速由木卫蚀测量光速 由丹麦人奥罗斯由丹麦人奥罗斯罗末罗末(1644-1710)(1644-1710)于于16751675年提出。木星年提出。木星有有1313个卫星，个卫星，I I0 0（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转（木卫一）是木星的一颗卫星，绕木星旋转一周的时间约一周的时间约4242小时小时2828分分1616

280、秒，因此在地球上看秒，因此在地球上看I I0 0蚀也应是蚀也应是4242小时小时2828分分1616秒一次，但他在观测木卫秒一次，但他在观测木卫I I0 0的隐食周期时发现：的隐食周期时发现：在一年的不同时期，它们的周期有所不同；在一年的不同时期，它们的周期有所不同；惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：214000千米千米/秒。秒。现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米千米/秒，秒，221利用木星蚀测量光速图：利用木星蚀测量光速图：意义：意义：揭示了光的传播需要时间，即光速有限。揭示了光的传播需要

281、时间，即光速有限。2222.2.由光行差测量光速由光行差测量光速 17251728年间，年间，英国英国天文学家布拉德雷天文学家布拉德雷（Bradley)Bradley) 在地球上观察恒在地球上观察恒星时，发现恒星的视位置在星时，发现恒星的视位置在不断地变化，在一年之内，不断地变化，在一年之内，所有恒星似乎都在绕椭圆轨所有恒星似乎都在绕椭圆轨道运行一周他认为这种现道运行一周他认为这种现象的产生是由于恒星发出的象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时光传到地面时需要一定的时间，而在此时间内，地球已间，而在此时间内，地球已因公转而发生了位置的变化。因公转而发生了位置的变化。223 如右图，若

282、当地球如右图，若当地球(人人)从从B点运点运动到动到A点时，恒星发出的光线从点时，恒星发出的光线从C点点传播到传播到A，则光速和地球的公转速，则光速和地球的公转速度之比为：度之比为：由此测得光速为：由此测得光速为：C=299930千米千米/秒秒22418491849年年，法法国国人人菲菲索索（1819-18961819-1896）用用齿齿轮轮旋旋转转法法测测得得光光速速为为3.15103.15108 8米米/ /秒秒。他他是是第第一一个个首首次次证证明明光光速速可可以以在在实实验验中中测测得得的的人人。另另外外，法法国国人人傅傅科科、美美国国人人纽纽克克姆姆等等都都对对光光速速测测定做过贡献。

283、定做过贡献。光光 速速 的的 测测 定定三三.光速的地面测定方法光速的地面测定方法2251.1.旋转齿轮法：旋转齿轮法： 18491849年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测定了光速。其装置如下：控制齿轮转速，使其由零逐渐增加，定了光速。其装置如下：控制齿轮转速，使其由零逐渐增加，观察者开始将看到闪光，当齿轮旋转而达到第一次看不到光时，观察者开始将看到闪光，当齿轮旋转而达到第一次看不到光时，齿缝被齿所代替，再增加转速，当看到光且不再闪时，说明光齿缝被齿所代替，再增加转速，当看到光且不再闪时，说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据

284、此即可算出光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等。据此即可算出光速。菲索测得的光速是速。菲索测得的光速是315000315000千米千米/ /秒。由于齿轮有一定的宽度，秒。由于齿轮有一定的宽度，用这种方法很难精确的测出光速。用这种方法很难精确的测出光速。2262.傅科的旋转平面镜法傅科的旋转平面镜法 1850 1850年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜法测定光速，如下图所示。所测速度为法测定光速，如下图所示。所测速度为298000500298000500千米千米/ /秒。秒。2273.阿尔伯特阿尔伯特迈克尔逊迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：旋转棱

285、镜法：光光 速速 的的 测测 定定 迈克尔逊从迈克尔逊从1879年开年开始对光速进行了长达始对光速进行了长达50年的测量工作，基本上年的测量工作，基本上沿用了傅科的方法，后沿用了傅科的方法，后来将斐索的齿轮法和傅来将斐索的齿轮法和傅科的转镜法相结合，创科的转镜法相结合，创立了棱镜旋转法。立了棱镜旋转法。 棱镜旋转的转速可以棱镜旋转的转速可以测定，由发光和接收光测定，由发光和接收光的时间、棱镜转速和光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关来回传递距离的数学关系，可以导出光速来。系，可以导出光速来。228 转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源转镜是一个正八面的钢质棱镜，从光源S S发出的光射发出的

286、光射到转镜面到转镜面R R上，经上，经R R反射后又射到反射后又射到3535公里以外的一块反射公里以外的一块反射镜镜C C上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是上。光线再经反射后又回到转镜。所用时间是t=2D/ct=2D/c。在在t t时间中转镜转过一个角度。实验时，逐渐加快转镜转时间中转镜转过一个角度。实验时，逐渐加快转镜转速，当转速达到速，当转速达到 528 528转转/ /秒时，在秒时，在t t时间里正好转过时间里正好转过1/81/8圈。圈。返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上，通过半透镜M M可可以从望远镜里看到返回光线所成的像。以从望远镜

287、里看到返回光线所成的像。 用这种方法得到用这种方法得到c=2997964c=2997964公里秒。公里秒。 19071907年，阿尔伯特年，阿尔伯特迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家。奖的美国科学家。2294 4 其他方法其他方法-试验室方法试验室方法克尔盒法：克尔盒法：克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化。19281928年，年，卡娄拉斯卡娄拉斯和和米太斯塔德米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测首先提出利用克尔盒法来测定光速。定光速。微波谐振腔法：微波谐振腔法：19501950年年埃文森埃文森最先采用测定微波波长和频最先

288、采用测定微波波长和频率的方法来确定光速率的方法来确定光速激光测速法：激光测速法：19701970年美国国家标准局和美国国立物理实验年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速室最先运用激光测定光速 等等。等等。230光速测量一览表光速测量一览表231五五“以太漂移以太漂移”的测定的测定1.1.早期对早期对“以太以太”的认识的认识（略）略）2.“2.“以太以太”的运动观：的运动观： 18181818年菲涅耳提出静止以太说年菲涅耳提出静止以太说 1845 1845年斯托克斯提出完全拖曳说年斯托克斯提出完全拖曳说 1851 1851年菲索提出部分拖曳说年菲索提出部分拖曳说3.“以太漂移以

289、太漂移”的测定的测定斐索的流水实验斐索的流水实验迈克耳逊干涉实验迈克耳逊干涉实验 洛奇的转盘实验洛奇的转盘实验232斐索的流水实验斐索的流水实验1851年，斐索在流水中比较光速，实验原理如下图年，斐索在流水中比较光速，实验原理如下图,光光源发出的光经半透镜反射进入两狭缝源发出的光经半透镜反射进入两狭缝S1和和S2形成两光束，进形成两光束，进入水管，一束顺水流方向，一束逆水流方向，均经反射镜入水管，一束顺水流方向，一束逆水流方向，均经反射镜M反射，在反射，在S处会合发生干涉。处会合发生干涉。观察干涉条纹观察干涉条纹可以检查因受可以检查因受水流曳引形成水流曳引形成的光程差。的光程差。233假如水中

290、的以太不被流水曳引，两束光在水中的速率是一假如水中的以太不被流水曳引，两束光在水中的速率是一样的，无论水是否流动，干涉条纹都不会发生变化。如果样的，无论水是否流动，干涉条纹都不会发生变化。如果以太被流水曳引，拖曳系数为以太被流水曳引，拖曳系数为k，水流的速度为，水流的速度为v，则以太，则以太被拖曳的速率为被拖曳的速率为kv；两束光在流水中相对于地球的速率就；两束光在流水中相对于地球的速率就不相同，于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对不相同，于是便能看到干涉条纹的变化。光在流水中相对于地球的速度为于地球的速度为:c=c/nkv,斐索通过实验测得斐索通过实验测得k=0.46，表明水中的以太被

291、部分拖曳。表明水中的以太被部分拖曳。(1817年，菲涅耳通过理论年，菲涅耳通过理论导出以太被物体拖曳的常数为导出以太被物体拖曳的常数为1-1/n2。对水而言，其值为。对水而言，其值为0.438，两结果一致。，两结果一致。) 根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，根据菲涅耳理论，对于地球表面的空气，n1，所以，所以 k=0。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意。表明空气对以太没有拖曳作用。但是这一公式的意义，当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论义，当时并没有被人所理解。直到爱因斯坦建立了相对论才得到圆满的解释。才得到圆满的解释。234迈克耳逊干涉仪：迈克耳逊干涉仪： 188118

292、81年迈克耳逊设计了一种干涉仪，如图，用于寻找绝年迈克耳逊设计了一种干涉仪，如图，用于寻找绝对静止的以太是否存在。对静止的以太是否存在。 当两光束有一定光程差时，在当两光束有一定光程差时，在d d处则出现干涉条纹。如处则出现干涉条纹。如果以太是静止不动的，则由于地球绕太阳的运转，地球表面果以太是静止不动的，则由于地球绕太阳的运转，地球表面应有应有“以太风以太风”刮过。这以太风相当于斐索实验中水的流动。刮过。这以太风相当于斐索实验中水的流动。如果把仪器转动如果把仪器转动9090度，则必然会出现条纹的移动。度，则必然会出现条纹的移动。通过推导，条纹的移动量为：通过推导，条纹的移动量为：=ct /

293、,估计应有估计应有0.40.4条纹条纹的移动，但实验结果只有的移动，但实验结果只有0.10.1条纹条纹的移动，而这一微的移动，而这一微小数值可以理解为实验中的小数值可以理解为实验中的误差。误差。235 1887 1887年迈克尔逊与莫雷合作，对仪器改进后又进行了年迈克尔逊与莫雷合作，对仪器改进后又进行了更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上，再将石板更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上，再将石板浮在水银槽上，可以自由旋转改变方位。光路经多次反射，浮在水银槽上，可以自由旋转改变方位。光路经多次反射，光程可达光程可达1111米。但结论仍是米。但结论仍是“零结果零结果”。因此得出：。因此得出：

294、 以太被完全拖曳；或者是以太被完全拖曳；或者是根本不存在以太。根本不存在以太。 早在早在17281728年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实年，英国天文学家布来得雷在他的光行差实验中，就已判明以太没有被太阳拖曳验中，就已判明以太没有被太阳拖曳( (洛奇的转盘实验也洛奇的转盘实验也证明以太静止证明以太静止) )，以太相对于太阳是静止的。，以太相对于太阳是静止的。迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说，但从完全曳迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说，但从完全曳引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速度梯度的区域，如果靠得很近，总可以觉察出这一

295、效应。度梯度的区域，如果靠得很近，总可以觉察出这一效应。236洛奇的转盘实验洛奇的转盘实验 18921892年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以年，英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验，以实验实验“以太以太”的漂移。他把的漂移。他把靠得很近的大钢锯圆盘（直径靠得很近的大钢锯圆盘（直径3 3英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达英尺）平行的装在电机的轴上，使其高速旋转（可达40004000转转/ /分）。一束光经半透镜分为两路，分别沿相反方向在钢盘分）。一束光经半透镜分为两路，分别沿相反方向在钢盘之间走三圈，再回合于望远镜产生干涉条纹。之间走三圈，再回合于望远镜产生干涉条纹。 如

296、果钢盘转动拖曳周围以太旋转，则两路光线将产生时如果钢盘转动拖曳周围以太旋转，则两路光线将产生时间差，造成干涉条纹移动。间差，造成干涉条纹移动。 但实验结果为：不论钢盘转速如何，钢盘正转或反转，但实验结果为：不论钢盘转速如何，钢盘正转或反转，造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。造成的条纹移动都在误差范围以内。从而证明以太静止。 所以迈克尔逊所以迈克尔逊莫雷实验的莫雷实验的“以太风的以太风的零结果零结果”表明：以太根本不存在。表明：以太根本不存在。237238第七章第七章 世纪之交物理学的发展世纪之交物理学的发展 1 1 经典物理学的局限性经典物理学的局限性 2 192 19世纪的三

297、大发现世纪的三大发现 3 3 经典物理学的两朵乌云经典物理学的两朵乌云239一一 经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：1.1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；2.2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；3.3.物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关；物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关；4.4.只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。5.5.机械决定论机械决定论 1 1 经典物理学的局限

298、经典物理学的局限二二 经典物理学与经典力学之间的矛盾经典物理学与经典力学之间的矛盾 经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越来的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越来越显露出他们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典来越显露出他们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典力学的基础地位。力学的基础地位。2401.1.与光学的不调和性：与光学的不调和性： 主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为

299、绝对空间和波的矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的载体的载体的“以太以太”究竟是什么，如何对究竟是什么，如何对它进行检测？它进行检测？它到底具有它到底具有哪些性质？如哪些性质？如从光速的巨大数值来看，从光速的巨大数值来看，“以太以太”应具有极大的刚应具有极大的刚性。性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，“以太以太”必须必须极其稀极其稀薄且没有质量，薄且没有质量，等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互矛盾。矛盾。2.与电磁学的矛盾：与电磁学的矛盾：媒递作用媒递作用-超距作用的矛盾；即时传播超距作用的矛盾

300、；即时传播-有限速度的矛盾；能量连续分布的场有限速度的矛盾；能量连续分布的场-质点是能量的唯一载体质点是能量的唯一载体的矛盾等等。的矛盾等等。3.与热学的不协调：与热学的不协调：经典力学（包括电磁场理论）中的规律关经典力学（包括电磁场理论）中的规律关于时间都是对称的、可逆的，于时间都是对称的、可逆的，时间只是从外部描述运动的一个时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变化对于运动的性质并无影响。参量。它的变化对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理而热学中熵增原理的发现，却指出了自然过程的不可逆性和历史性。的发现，却指出了自然过程的不可逆性和历史性。241三三 马赫对经典力学的批判马赫对经典力学

301、的批判18831883年，奥地利的马赫出版了力学及其发展的批判历史年，奥地利的马赫出版了力学及其发展的批判历史概论，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。概论，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。例如质量的概念，例如质量的概念，在牛顿的力学原理中，质量被定义为密在牛顿的力学原理中，质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、测量的量，如果

302、测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比。量之比。 马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为：马赫认为：“时间是一种抽象时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。空间也不能脱时间是不能独立自存的。空间也不能脱离物体而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。离物体而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。如果宇宙中只有

303、一个物体，这唯一的物体也无运动可言。如果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。马赫批判了牛顿的马赫批判了牛顿的“水桶实验水桶实验”242爱因斯坦指出：爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯坦坦“终于醒悟到时间是可疑的终于醒悟到时间是可疑的”，并从，并从“同时性的相对性同时性的相对性”这个这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人们的思想从们的思想从“绝对运动绝对运动”

304、的桎梏中解放出来，从而确立加速运的桎梏中解放出来，从而确立加速运动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响了波尔、波恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子的影响了波尔、波恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子物理学家。物理学家。马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了启蒙和推动作用。了启蒙和推动作用。2432 192 19世纪的三大发现世纪的三大发现一一. .电子的发现电子的发现二二.X.X射线的发现射线的发现三三. .天然放射性的发现天然放射性的发现244一一 电子的发现

305、电子的发现1.1.阴极射线的研究：阴极射线的研究：德国学派的以太波的观点：德国学派的以太波的观点：普吕克尔普吕克尔，哥尔茨坦哥尔茨坦，赫兹等赫兹等英国学派的带电微粒说：英国学派的带电微粒说：瓦尔利瓦尔利，克鲁克斯克鲁克斯，舒斯等。舒斯等。佩兰佩兰(Perrin)(Perrin)实验：实验： 18951895年法国物理学家微粒说支持者年法国物理学家微粒说支持者佩兰佩兰(Perrin)(Perrin)将将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。的电荷。结果为负电。结果为负电。支持了带电微粒说。支持了带电微粒说。245发发 现现 电电

306、子子 的的 J J J J 汤汤 姆姆 逊逊2.电子的发现：电子的发现：JJJJ汤姆逊汤姆逊 (1856-1940)(1856-1940)简介简介 1414岁进入曼彻斯特大学，岁进入曼彻斯特大学，18761876年获数学奖金而进入剑年获数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造。桥大学三一学院深造。18801880年获二等史密斯奖金，进入卡年获二等史密斯奖金，进入卡文迪什实验室，在文迪什实验室，在瑞利瑞利教授的指导下进行电磁学研究。教授的指导下进行电磁学研究。18831883年被选为英国皇家学会会员。年被选为英国皇家学会会员。18841884年出任卡文迪什实年出任卡文迪什实验室主任（这一年瑞利出任皇家

307、学会会长），年仅验室主任（这一年瑞利出任皇家学会会长），年仅2828岁。岁。领导该室人员工作长达领导该室人员工作长达4242年年。19061906年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都先后培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都先后荣获了诺贝尔奖。荣获了诺贝尔奖。 J.J.J.J.汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了阴极射线是带负电的粒子流。阴极射线是带负电的粒子流。246实验一实验一 阴极射线的磁偏转实验：阴极射线的磁偏转实验： 1895 1895年，汤姆逊将佩兰实验装置做了一些

308、改进，他把阴年，汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进，他把阴极极A A和法拉第圆桶和法拉第圆桶F F放在不在一条直线的方向上，如图示。放在不在一条直线的方向上，如图示。247实验二：阴极射线的静电偏转实验：实验二：阴极射线的静电偏转实验：J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验，他改善真空汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验，他改善真空条件，并减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。从而条件，并减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。从而否定了以太说。否定了以太说。实验三：荷质比实验三：荷质比e/me/m的测量：的测量：方法一方法一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈，以是在上一实验装置管子的两测

309、各加一通电线圈，以产生垂直于电场的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，产生垂直于电场的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。v2.7109厘米厘米/秒，秒，e/m0.8107电磁单位电磁单位/克。克。248物物 理理 革革 命命 的的 新新 曙曙 光光二二 X X射线的发现射线的发现1.1.伦琴伦琴 德国物理学家。德国物理学家。 19011901年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。略略249三三 天然放射性的发现天然放射性的发现 1.1.铀盐的放射性的发现铀盐的放射性的发现-贝克勒

310、尔贝克勒尔 2. 2.钋和镭的发现钋和镭的发现-居里夫人居里夫人 3. 3.、射线的发现射线的发现-卢瑟福卢瑟福250贝克勒尔贝克勒尔 生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家，生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有从事研究工作有60多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，43岁开始研究放射现象。岁开始研究放射现象。 选选择择硫硫酸酸钾钾铀铀酰酰作作为为实实验验材材料料，并并放放在在太太阳阳底底下下暴暴晒晒( (暴暴晒晒可可使使荧荧光光物物质质发发出出更更强强荧荧光光) )，底底片片感感光光了了。后后来来由由于于阴阴雨雨连连绵绵，贝贝克克勒

311、勒尔尔用用黑黑纸纸包包上上底底片片与与铀铀盐盐一一起起锁锁进进抽抽屉屉，结结果果再再次次实实验验前前检检查查底底片片时时，底底片片仍仍旧旧被被铀铀盐盐感感光光了了。贝贝克克勒勒尔尔经经过过分分析析，认认为为：使使底底片片感感光光的的射射线线与与日日晒晒和和荧荧光光无无任任何何关关系系，它它是是铀铀盐盐自自身身产产生生的的辐辐射射现现象象，于于是是第第二二天天，他他在在科学院的例会上公布了这一重大发现。科学院的例会上公布了这一重大发现。 贝克勒尔获贝克勒尔获19031903年诺贝尔奖年诺贝尔奖天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现1.铀盐放射性的发现铀盐放射性的发现-贝克勒尔贝克勒尔25

312、1天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现.居里夫人居里夫人(1867-1934)波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大学，做了学，做了8 8年家庭教师，筹了费用，于年家庭教师，筹了费用，于18911891年到法国巴黎，进年到法国巴黎，进入法兰西共和国大学理学院学习。入法兰西共和国大学理学院学习。18931893年获物理硕士学位，次年获物理硕士学位，次年又获得数学硕士学位。年又获得数学硕士学位。18941894年与法国物理学家皮埃尔年与法国物理学家皮埃尔居里居里相恋。相恋。19031903年获诺贝尔物理奖，年获诺贝尔物理奖，191

313、11911年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。皮埃尔皮埃尔居里居里 法国物理学家，从小聪慧过人，法国物理学家，从小聪慧过人，1616岁获学士学位，岁获学士学位，1818岁获岁获硕士学位，硕士学位，2424岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了测量微量电量与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了测量微量电量的压电石英静电计的压电石英静电计-“-“居里计居里计”。后来从事磁学研究，发现。后来从事磁学研究，发现磁性消失的温度磁性消失的温度-“-“居里点居里点”。2.钋和镭的发现钋和镭的发现252天天 然然 放放

314、 射射 性性 的的 发发 现现.钋的发现钋的发现首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无关。居里夫人认为这关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。说明辐射只是一种原子过程。 1897 1897年年7 7月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强射性强400400倍倍!

315、 !.镭的发现镭的发现但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，18981898年年1212月，月，又发现了比铀的放射性强又发现了比铀的放射性强200200多万倍的新元素多万倍的新元素-镭镭 (radium) (radium) ! !253为了消除人们的怀疑，为了消除人们的怀疑，他们决心提炼出纯镭，镭矿渣他们决心提炼出纯镭，镭矿渣非常贵，奥地利送了一吨，在非常贵，奥地利送了一吨，在低矮的棚屋里，居里夫妇从低矮的棚屋里，居里夫妇从18991899年至年至19021902年，花了年，花了4545个月个月的时间，历时四年，经过几万的时间，历时四年，经过几万次的提

316、炼，终于从次的提炼，终于从8 8吨矿渣中吨矿渣中提炼出提炼出0.120.12克的氯化镭，从中克的氯化镭，从中找到了两根特征光谱线，并宣找到了两根特征光谱线，并宣布镭的原子量为布镭的原子量为225!225!19031903年完成博士论文，年完成博士论文，同年同年1212月获诺贝尔物理学奖。月获诺贝尔物理学奖。19121912年又成功分离出纯年又成功分离出纯金属镭，第二年或诺贝尔化学金属镭，第二年或诺贝尔化学奖。奖。居居里里夫夫妇妇在在工工作作天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现254.科学属于全人类科学属于全人类镭镭可可以以治治狼狼疮疮和和癌癌肿肿，0.10.1克克镭镭就就值值7575

317、万万金金法法郎郎! !一一个个美美国公司想收买专利，都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。国公司想收买专利，都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。他他们们认认为为: :我我们们发发现现了了科科学学，又又把把它它据据为为己己有有，这这违违反反科科学学精精神神，再再说说镭镭能能治治病病，我我们们就就更更应应该该无无条条件件地地献献出出它它的的秘秘密密! !然然而而，居居里里夫夫人人由由于于长长期期接接触触放放射射性性物物质质，患患了了恶恶性性贫贫血血症症，她她的的丈丈夫夫和和战战友友居居里里19061906年年死死于于车车祸祸，居居里里夫夫人人在在精精神神打打击击和和身身体体折折磨磨的的双双重重压压力力下

318、下，仍仍然然初初衷衷不不改改，献献身身于于科科学学事事业业。她她的的高高风风亮亮节节，赢赢得得了了人人们们的的敬敬重重。她她的的女女婿婿约约里里奥奥（1900-1900-19581958）在在5050年年代代用用仪仪器器检检测测她她当当年年的的实实验验记记录录本本，发发现现全全部部污污染染了了放放射射性性物物质质，她她当当年年用用过过的的烹烹调调书书，5050年年后后再再检检查查，仍仍然然有有放放射射性性。19341934年年，居居里里夫夫人人去去世世；19561956年年她她的的女女儿儿伊伊伦伦居居里里（1897-19561897-1956）也也死死于于恶恶性性贫贫血血；19581958年年

319、女女婿婿约约里里奥奥也也因因放放射射性性辐辐射射而而去去世世。居居里里夫夫人人的的一一家家全全部部都都献献给给了了这这壮壮丽丽的的伟伟大大事事业。业。天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现255镭镭的发现促进了对放射性的进一步研究，其中贡献最大的发现促进了对放射性的进一步研究，其中贡献最大的是的是J.J.J.J.汤姆逊的学生汤姆逊的学生-卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福 新新西西兰兰人人，祖祖籍籍英英国国苏苏格格兰兰，18711871年年生生于于新新西西兰兰，1818岁岁进进入入新新西西兰兰大大学学学学习习，18931893年年大大学学毕毕业业，18951895年年被被选选送送到到剑剑桥桥大大

320、学学深深造造，在在J.J.J.J.汤汤姆姆逊逊领领导导的的卡卡文文迪迪什什实实验验室室当当研研究究生生(J.J.(J.J.汤汤姆姆逊逊的的第第一一位位研研究究生生) )。18981898年年应应邀邀担担任任加加拿拿大大麦麦吉吉尔尔大学物理学教授。大学物理学教授。 在在获获知知居居里里夫夫妇妇发发现现镭镭辐辐射射后后，立立即即转转向向放放射射性性对对气气体体电电离离作作用用的的研研究究，提提出出原原子子的的嬗嬗变变理理论论。19071907年年返返回回英英国国，任任曼曼彻彻斯斯特特大大学学物物理理学学教教授授。主主要要研研究究粒粒子子的的散散射射作作用用，提提出出了了原原子子的的核核式式模模型型

321、。1908年年因因对对放放射射化化学学的的研研究究荣荣获获诺诺贝贝尔尔化化学学奖。奖。1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。3.、射线的发现射线的发现256卢瑟福卢瑟福发现发现射线和射线和射线：射线：1898年，卢瑟福年，卢瑟福用强磁铁使用强磁铁使铀射线偏转铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股，发现射线分为方向相反的两股，一股极易被吸一股极易被吸收，他称之为收，他称之为射线；另一种具有较强的穿透力，称之为射线；另一种具有较强的穿透力，称之为射射线。线。维拉德维拉德(P.Villard)发现发现射线：射线：法国人，法国人，1900年年,维拉

322、德将镭放维拉德将镭放入一个铅管中，铅管一侧开一小口，放射性射线可从此射出，入一个铅管中，铅管一侧开一小口，放射性射线可从此射出，射线经磁场后用底片记录。在底片和射线口之间加一层铝箔，射线经磁场后用底片记录。在底片和射线口之间加一层铝箔，用于阻挡用于阻挡射线而让射线而让射线通过，结果发现在正对发射口的方射线通过，结果发现在正对发射口的方向有暴光的痕迹，后来维拉德又加了一层铝箔，射线仍能穿向有暴光的痕迹，后来维拉德又加了一层铝箔，射线仍能穿透。因此表明，这一射线肯定不是透。因此表明，这一射线肯定不是射线，而是一种不受磁射线，而是一种不受磁场偏转的辐射能力更强的一种新射线。场偏转的辐射能力更强的一种

323、新射线。与与X射线非常类似，射线非常类似，后来被卢瑟福称为后来被卢瑟福称为射线。射线。原子的嬗变理论：原子的嬗变理论：对放射性过程的研究，使他们意识到对放射性过程的研究，使他们意识到“放射性既是原子现象，又能产生新的化学变化的伴生物放射性既是原子现象，又能产生新的化学变化的伴生物”。并于并于19021902年提出了放射性元素的嬗变理论。年提出了放射性元素的嬗变理论。257 上述三大发现打破了几百年来形成的物上述三大发现打破了几百年来形成的物质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观念，质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观念，揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学

324、的研究由宏观进入到微观。的研究由宏观进入到微观。258卡文迪什实验室：卡文迪什实验室： 始建于始建于18711871年，建成于年，建成于18741874年，是英国剑桥大学的前身，年，是英国剑桥大学的前身，麦克斯韦为第一任实验室主任麦克斯韦为第一任实验室主任。 卡文迪什实验室，作为世界上最著名的物理学教育和科研卡文迪什实验室，作为世界上最著名的物理学教育和科研中心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家，中心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家，2626位诺贝尔位诺贝尔奖金获得者。奖金获得者。 1885 188519191919年，由年，由J.J.J.J.汤姆逊主持实验室工作，汤姆逊主持实验室工

325、作，在这在这3434年年间，主要进行了电学、磁学、光学等方面的基本测量工作。这间，主要进行了电学、磁学、光学等方面的基本测量工作。这期间科学研究硕果累累，人才辈出，走在世界的前列，有期间科学研究硕果累累，人才辈出，走在世界的前列，有1010位位工作人员获得诺贝尔奖。工作人员获得诺贝尔奖。 1919 191919371937年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作，年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作，主要进行主要进行放射性和核物理研究，先后取得了发现中子、验证了正电子的放射性和核物理研究，先后取得了发现中子、验证了正电子的预言、人工打破原子核的重大成就。尤其在预言、人工打破原子核的重大成就。尤其在193219

326、3219331933年间，年间，卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰。卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰。在卢瑟福主持工作的在卢瑟福主持工作的1818年间，实验室中共有年间，实验室中共有1212人获诺贝尔奖，人获诺贝尔奖，这这1818年是该实验室的年是该实验室的黄金时期，这期间它成为世界实验物理的研究中心。黄金时期，这期间它成为世界实验物理的研究中心。2593 3 经典物理学的两朵乌云经典物理学的两朵乌云 1919世纪的最后一天，在欧洲著名的科学家世纪的最后一天，在欧洲著名的科学家 年会上，英国年会上，英国著名物理学家著名物理学家W W汤姆生汤姆生（开尔文）发表了新年祝词。他在回（开尔文）发表了

327、新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理学大厦已经落成，所顾物理学所取得的伟大成就时说，物理学大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望剩只是一些修饰工作。同时，他在展望2020世纪物理学前景时世纪物理学前景时讲道：讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它美丽而晴朗的天空却被它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云两朵乌云笼罩了，笼罩了，” “” “第一朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，出现在光的波动理论上，”“”“第二朵乌云出现在关于能量均第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦分的麦克斯韦- -玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论

328、上。” 他所说的他所说的第一朵乌云第一朵乌云，主要是指，主要是指第一朵乌云：第一朵乌云：“迈克耳迈克耳逊莫雷实验逊莫雷实验”与与“以太漂移说以太漂移说”的矛盾；的矛盾；第二朵乌云第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的黑体辐射理论出现的“紫外灾难紫外灾难”最为突出。最为突出。260 黑体辐射实验：黑体辐射实验：1919世纪末，世纪末，卢梅尔卢梅尔等人在做实验时发现：等人在做实验时发现：黑体辐射的能量不是连续的黑体辐射的能

329、量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。与经典物理学严重矛盾。度有关。与经典物理学严重矛盾。第二朵乌云第二朵乌云黑体辐射与黑体辐射与“紫外灾难紫外灾难” 实验结果的解释：实验结果的解释：当时，人们仍然以经典物理学作为出当时，人们仍然以经典物理学作为出发点，由于出发点不正确，最后都导致了失败的结果。典型发点，由于出发点不正确，最后都导致了失败的结果。典型人物是维恩、瑞利和金斯。人物是维恩、瑞利和金斯。 261首先德国物理学家首先德国物理学家维恩维恩建立起了黑体辐射能量按波长分建立起了黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在短波、较低温度时才和实验事实布的公

330、式，但这个公式只在短波、较低温度时才和实验事实符合。符合。它的失败表明经典它的失败表明经典物理学理论在黑体辐射物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的也是整个经典物理学的“灾难灾难”。英国物理学家英国物理学家瑞利瑞利和物理学家、天文学家和物理学家、天文学家金斯金斯认为能认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在长波、较高温度时量是一种连续变化的物理量，建立起在长波、较高温度时候的黑体辐射公式，和实验事实比较符合。但是，在短波候的黑体辐射公式，和实验事实比较符合。但是，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地区（紫外光区）随着波长的变短，辐射

331、强度可以无止境地增加。所以这个失败被埃伦菲斯特称为增加。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难紫外灾难”。262悲观情绪：悲观情绪：物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的严重分歧。严重分歧。在人们提出波粒二象性新概念时，在人们提出波粒二象性新概念时，洛仑兹洛仑兹哀叹到：哀叹到：“在今天，在今天，人们提出了完全相反的主张；这样一来，也就没有真理的标准人们提出了完全相反的主张；这样一来，也就没有真理的标准了，也不知道科学是什么了。我真后悔我没有在这些矛盾出现了，也不知道科学是什么了。我真后悔我没有在这些矛盾出现前的五年死去。前的五年

332、死去。”法国科学哲学家法国科学哲学家雷伊雷伊在在1907年出版的现代物理学家的物年出版的现代物理学家的物理学理论中描述了当时的这种情绪：理学理论中描述了当时的这种情绪：“传统的机械论的破产，传统的机械论的破产，确切的说，它所受到的批判，造成了如下论点：科学也破产了。确切的说，它所受到的批判，造成了如下论点：科学也破产了。”“物理学失去了一切教育价值；物理学所代表的实证科学的精物理学失去了一切教育价值；物理学所代表的实证科学的精神成为虚伪的危险的精神神成为虚伪的危险的精神”。开尔文开尔文则竭力否定新的发现和新学说。他说则竭力否定新的发现和新学说。他说X射线是一场射线是一场“精精心策划的骗局心策划

333、的骗局”，说元素嬗变理论是巧妙的捏造出来的。，说元素嬗变理论是巧妙的捏造出来的。门捷列夫门捷列夫也宣称：也宣称：“承认原子可以分解出电子只会时事情复承认原子可以分解出电子只会时事情复杂化。杂化。”等。等。263第一朵乌云，第一朵乌云，最终导致了相对论革命的爆发。最终导致了相对论革命的爆发。第二朵乌云，第二朵乌云，最终导致了量子论革命的爆发。最终导致了量子论革命的爆发。264265第八章第八章 相对论的建立相对论的建立1.1.相对论先驱者的思想相对论先驱者的思想2.2.爱因斯坦的狭义相对论爱因斯坦的狭义相对论3.3.广义相对论的建立广义相对论的建立2661.相对论先驱者的思想相对论先驱者的思想一

334、一.洛仑兹的收缩假说（略）洛仑兹的收缩假说（略）二彭加勒的观点二彭加勒的观点267洛仑兹的理论是以静止以太为出发点，在保持麦克斯韦洛仑兹的理论是以静止以太为出发点，在保持麦克斯韦方程不变的条件下创立起来的方程不变的条件下创立起来的“构造性构造性”理论；而爱因斯坦的狭理论；而爱因斯坦的狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的“原原理性理性”理论。理论。洛仑兹认为长度收缩是真实的，是由分子运动引起的。洛仑兹认为长度收缩是真实的，是由分子运动引起的。爱因斯坦这只是一种相对论效应。爱因斯坦这只是一种相对论效应。洛仑兹认为地方时（在运动物体上

335、测量的时间）只不过洛仑兹认为地方时（在运动物体上测量的时间）只不过是一个数学假设，不具有真实的物理意义，而牛顿力学中的绝是一个数学假设，不具有真实的物理意义，而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间。爱因斯坦认为不存在所谓的绝对对时间才是唯一真实的时间。爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间，地方时才是唯一真实的时间。时间，地方时才是唯一真实的时间。洛仑兹长度收缩假说与爱因斯坦狭义相对论的不同：洛仑兹长度收缩假说与爱因斯坦狭义相对论的不同：洛仑兹的长度收缩假说、地方时、洛仑兹变换以及他最早洛仑兹的长度收缩假说、地方时、洛仑兹变换以及他最早形成的关于物质质量随其运动速度增加的思想，都已包含了狭形成的关

336、于物质质量随其运动速度增加的思想，都已包含了狭义相对论的基本内容，为爱因斯坦创立狭义相对论创造了条件。义相对论的基本内容，为爱因斯坦创立狭义相对论创造了条件。268二二彭加勒的观点彭加勒的观点彭加勒彭加勒(J.H.Poincare)：法国数学家、物理学家和哲学家，：法国数学家、物理学家和哲学家，1854年年4月生于法国南锡，月生于法国南锡，1871年进入巴黎工艺学院，毕业年进入巴黎工艺学院，毕业后又进入国立矿业学院学习。后又进入国立矿业学院学习。1879年获数学博士学位，同年年获数学博士学位，同年任卡昂大学数学教师，任卡昂大学数学教师，1881年起任巴黎大学教授。年起任巴黎大学教授。1887年

337、当年当选为巴黎科学院院士，选为巴黎科学院院士，1906年任该院院长，年任该院院长，1908年当选为法年当选为法国科学院院士。国科学院院士。1912年年7月逝世。月逝世。18951895年对年对洛仑兹的洛仑兹的“长度收缩长度收缩”假说的批评。假说的批评。19051905年发表论文论电子动力学，年发表论文论电子动力学，给给洛仑兹理论以更洛仑兹理论以更简洁的形式，简洁的形式，并将其时空变换命名为洛仑兹变换。并将其时空变换命名为洛仑兹变换。2691898年发表论文时间的测量，年发表论文时间的测量，首次提出光速在真空中不首次提出光速在真空中不变的公设，变的公设，认为没有这一公设，就无法测量光速；在论文中

338、还认为没有这一公设，就无法测量光速；在论文中还讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法。讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法。18991899年年彭加勒就认为彭加勒就认为绝对运动是不存在的，绝对运动是不存在的，只有相对运动才只有相对运动才有意义。有意义。19021902年在出版的科学与假设中年在出版的科学与假设中提出提出“相对运动原理相对运动原理”：“任何系统的运动应当遵守同样的定律，不管人们把它纳于固任何系统的运动应当遵守同样的定律，不管人们把它纳于固定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”。彭加勒预感到物理学上将有重大突破，彭加勒预感到

339、物理学上将有重大突破，他说：他说：“也许我们还要也许我们还要构造一种全新的力学，我们只不过是成功的瞥见了它，在这种构造一种全新的力学，我们只不过是成功的瞥见了它，在这种力学中，惯性随着速度而增加，光速会变为不可逾越的极限。力学中，惯性随着速度而增加，光速会变为不可逾越的极限。通常比较简单的力学可能依然是一级近似，因为它对不太大的通常比较简单的力学可能依然是一级近似，因为它对不太大的速度还是正确的，以致于在新动力学中还可以找到旧动力学。速度还是正确的，以致于在新动力学中还可以找到旧动力学。”270在在英费尔德英费尔德(L.Infeld)的相对论的发展史中记录了的相对论的发展史中记录了一段他和爱因

340、斯坦的一次谈话，英费尔德说一段他和爱因斯坦的一次谈话，英费尔德说“在我看来，即在我看来，即使您没有建立它，狭义相对论的出现也不会再等多久。因为使您没有建立它，狭义相对论的出现也不会再等多久。因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了。彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了。”爱因斯爱因斯坦回答说：坦回答说：“是的，这说的对。是的，这说的对。”彭加勒的局限：彭加勒的局限： 遗憾的是，彭加勒最终未能认识到抛弃以太的必要性，遗憾的是，彭加勒最终未能认识到抛弃以太的必要性，没能迈入相对论的殿堂。直到临终，他还对洛仑兹补偿理论没能迈入相对论的殿堂。直到临终，他还对洛仑兹补偿理论的精神实质充满信心

341、。他的相对性原理是作为一个的精神实质充满信心。他的相对性原理是作为一个“普遍的普遍的自然定律自然定律”提出来的，他期待有一种理论能解释或证明它。提出来的，他期待有一种理论能解释或证明它。而狭义相对论中爱因斯坦则把相对性原理提升为公设，其中而狭义相对论中爱因斯坦则把相对性原理提升为公设，其中差别显而易见。差别显而易见。2712 2 爱因斯坦的狭义相对论爱因斯坦的狭义相对论一一 爱因斯坦生平爱因斯坦生平二二 爱因斯坦狭义相对论的探索过程爱因斯坦狭义相对论的探索过程三三 长度收缩、时钟变慢（略）长度收缩、时钟变慢（略）四四 同时的相对性（略）同时的相对性（略）五五 质能关系及质量与能量守恒的统一（略

342、）质能关系及质量与能量守恒的统一（略）六六 相对论被世人接受的历程（略）相对论被世人接受的历程（略）七七 意义意义272 1905 1905年年9 9月，德国物理杂志上发表了一篇划时代的月，德国物理杂志上发表了一篇划时代的论文论文-论动体的电动力学，从此狭义相对论创立了。论动体的电动力学，从此狭义相对论创立了。一一 爱因斯坦生平爱因斯坦生平 阿尔伯特阿尔伯特爱因斯坦爱因斯坦(Albert(AlbertEinstein)1879Einstein)1879年年3 3月生于月生于德国，一年后迁居慕尼黑德国，一年后迁居慕尼黑。18961896年年1010月，进入苏黎世工业大月，进入苏黎世工业大学师范系

343、学习数学和物理学。期间他广泛阅读了学师范系学习数学和物理学。期间他广泛阅读了赫尔姆霍兹赫尔姆霍兹、麦克斯韦麦克斯韦及及赫兹赫兹等物理学大师的著作。等物理学大师的著作。19001900年大学毕业。在年大学毕业。在毕业的一年多时间里，由于找不到工作，靠做家庭教师和代毕业的一年多时间里，由于找不到工作，靠做家庭教师和代课教师生活。在失业一年半以后，在同学课教师生活。在失业一年半以后，在同学马塞尔马塞尔格罗斯曼格罗斯曼的父亲的帮助下，爱因斯坦到瑞士专利局去作了一个技术员。的父亲的帮助下，爱因斯坦到瑞士专利局去作了一个技术员。这段工作经历对爱因斯坦非常有益。这段工作经历对爱因斯坦非常有益。“它迫使你从事

344、多方它迫使你从事多方面的思考，它对物理的思索也有重大的激励作用面的思考，它对物理的思索也有重大的激励作用”。19001904年，爱因斯坦年，爱因斯坦每年每年写出一篇论文，发表于德写出一篇论文，发表于德国物理学杂志。国物理学杂志。273爱因斯坦发明的第一个高峰爱因斯坦发明的第一个高峰-1905-190519051905年年3 3月月，爱因斯坦完成爱因斯坦完成论文关于光的产生和转化的一个论文关于光的产生和转化的一个推测性观点推测性观点(德国物理年报德国物理年报)，把能量子概念推广到光，把能量子概念推广到光在空间中的传播情况，在空间中的传播情况，提出光量子假说。提出光量子假说。认为：对于时间平认为：

345、对于时间平均值，光表现为波动；而对于瞬时值，光则表现为粒子性。均值，光表现为波动；而对于瞬时值，光则表现为粒子性。第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的统一第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的统一。文章结尾，文章结尾，解释了光电效应，解释了光电效应，导出光电方程。导出光电方程。10年后由年后由密立根给予实验证实。密立根给予实验证实。1921年，爱因斯坦因为年，爱因斯坦因为“光电效应定光电效应定律的发现律的发现”而获得诺贝尔物理学奖。而获得诺贝尔物理学奖。19051905年年6 6月月，爱因斯坦完成了长篇论文，爱因斯坦完成了长篇论文论运体的电动力学论运体的电动力学，完整的，完整的提出了狭义相对论提

346、出了狭义相对论。19051905年年9 9月，月，爱因斯坦写了一篇短文爱因斯坦写了一篇短文物体的惯性同它所含物体的惯性同它所含的能量有关吗？的能量有关吗？，提出，提出质能关系式，质能关系式，为为2020世纪世纪4040年代实现年代实现的核能的释放和利用开辟了道路。的核能的释放和利用开辟了道路。274 1912 1912年，爱因斯坦回到苏黎世母校工作。在年，爱因斯坦回到苏黎世母校工作。在格罗斯曼格罗斯曼帮帮助下，他在助下，他在黎曼几何黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具。于数学工具。于19131913年发表了重要论文广义相对论纲要和引年发表了重要论

347、文广义相对论纲要和引力理论，提出了引力的度规场理论。首次把引力和度规结力理论，提出了引力的度规场理论。首次把引力和度规结合起来，使黎曼几何获得实在的物理意义。合起来，使黎曼几何获得实在的物理意义。爱因斯坦发明的第二个高峰（爱因斯坦发明的第二个高峰（1915-1917年）：年）：1915年年10月到月到11月，他集中精力探索新的引力场方程，月，他集中精力探索新的引力场方程，一连向普鲁士科学院提交了四篇论文，一连向普鲁士科学院提交了四篇论文，在在18日的论文中，爱因斯坦根据新的引力场方程，推算日的论文中，爱因斯坦根据新的引力场方程，推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是出光线经过太阳表面所发生的偏转

348、是1.7弧秒，同时还推算出弧秒，同时还推算出水星近日点每水星近日点每100年的进动是年的进动是43秒，完满解决了秒，完满解决了60多年来天多年来天文学的一大难题。文学的一大难题。在在25日的论文引力的场方程宣告了广义相对论作为日的论文引力的场方程宣告了广义相对论作为一种逻辑结构终于完成。一种逻辑结构终于完成。1916春天，爱因斯坦写了一篇总结春天，爱因斯坦写了一篇总结性的论文广义相对论的基础。性的论文广义相对论的基础。2751917年年又开创了现代宇宙学。又开创了现代宇宙学。1917年，爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的年，爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构，发表了开创性的论文

349、根据广义相对论对宇宙所时空结构，发表了开创性的论文根据广义相对论对宇宙所做的考察。分析了做的考察。分析了“宇宙在空间上是无限的宇宙在空间上是无限的”这一传统观念这一传统观念的不协调性。他认为，的不协调性。他认为，宇宙在空间上是有限无边的宇宙在空间上是有限无边的。1916年年在辐射量子方面提出引力波理论在辐射量子方面提出引力波理论1916年年6月，爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分月，爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时，发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引时，发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波，从而提出引力波理论。力波，从而提出引力波理论。1979年，在爱因斯坦逝世年

350、，在爱因斯坦逝世24年后，间接证明了引力波存在。年后，间接证明了引力波存在。2761925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场论统一场论。1925年年1955年这年这30年中，除了关于量子力学的完备性问题年中，除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外，爱因斯坦几乎把、引力波以及广义相对论的运动问题以外，爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。但在同一场他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。但在同一场理论方面，他始终没有成功。由于他远离了当时物理学研究理论方面，他始终没有成功。由于他远离了当时物理学研究的主流，独自去进攻当

351、时没有条件解决的难题，因此同的主流，独自去进攻当时没有条件解决的难题，因此同20年年代的处境相反，他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无代的处境相反，他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无所畏惧，毫不动摇地走他自己所认定的道路，直到临终前一所畏惧，毫不动摇地走他自己所认定的道路，直到临终前一天，他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。天，他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算。四种相互作用：四种相互作用：强相互作用，电磁相互作用，弱相互作强相互作用，电磁相互作用，弱相互作用，万有引力作用用，万有引力作用277七七意义意义爱因斯坦的狭义相对论和量子论一起，成为物理学革命的标爱因斯坦的

352、狭义相对论和量子论一起，成为物理学革命的标志性成果。其意义正如他自己在志性成果。其意义正如他自己在1948年在相对性：相对论的年在相对性：相对论的本质中所指出的：本质中所指出的：“狭义相对论导致了对空间和时间的物理狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解，并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为。概念的清楚理解，并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为。它在原则上取消了牛顿所理解的那个即时的超距作用概念。它它在原则上取消了牛顿所理解的那个即时的超距作用概念。它指出，在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时，运动定律指出，在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时，运动定律必须加以修改。它导致了麦

353、克斯韦电磁场方程的形式上的澄清，必须加以修改。它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的澄清，特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解。它把动量特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解。它把动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律，并且指出了质量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律，并且指出了质量同能量的等效性。从形式的观点来看，狭义相对论的成就可以同能量的等效性。从形式的观点来看，狭义相对论的成就可以表征如下：它一般指出了普适常数表征如下：它一般指出了普适常数c在自然规律中所起的作用，在自然规律中所起的作用，并且表明以时间作为一方，空间坐标作为另一方，两者进入自并且表明以时间作为一方，

354、空间坐标作为另一方，两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系。然规律的形式之间存在着密切的联系。”278 背景背景一一 广义相对论基本原理的提出广义相对论基本原理的提出二二 引力红移的预言引力红移的预言三三 光线的引力偏折光线的引力偏折四四 时空时空“柔性柔性”度规概念的建立度规概念的建立五五 引力场方程的建立引力场方程的建立六六 广义相对论的检验广义相对论的检验3 3 广义相对论的建立广义相对论的建立279 狭义相对论给出的结论是：对于一切惯性系自狭义相对论给出的结论是：对于一切惯性系自然规律是等效的，那么对于非惯性系是否也都具有然规律是等效的，那么对于非惯性系是否也都具有等效性呢？等效性

355、呢？ 从从19071907年开始，爱因斯坦就着手创建广义相对年开始，爱因斯坦就着手创建广义相对论，经过十年艰苦探索，终于完成。这一理论的创论，经过十年艰苦探索，终于完成。这一理论的创立，既非为了解决理论与实验的矛盾，也非理论发立，既非为了解决理论与实验的矛盾，也非理论发展的迫切需要，完全是爱因斯坦个人独自工作的发展的迫切需要，完全是爱因斯坦个人独自工作的发展，这是一个社会人无法做到的。展，这是一个社会人无法做到的。 爱因斯坦创立广义相对论的目的是要解决两个爱因斯坦创立广义相对论的目的是要解决两个问题：一是取消惯性系的优越性；二是将引力理论问题：一是取消惯性系的优越性；二是将引力理论纳入狭义相对

356、论中。纳入狭义相对论中。背景背景2801.马赫原理马赫原理马赫在发展中的力学中对牛顿的水桶实验批判说：马赫在发展中的力学中对牛顿的水桶实验批判说：如果桶壁足够厚，其质量足够大时，水桶旋转时水面又如何如果桶壁足够厚，其质量足够大时，水桶旋转时水面又如何呢？呢？马赫认为马赫认为“惯性来源于物体的一种相互作用惯性来源于物体的一种相互作用”，这些对爱这些对爱因斯坦都有很大启发。爱因斯坦对此评述道：因斯坦都有很大启发。爱因斯坦对此评述道：“对牛顿水桶实对牛顿水桶实验的那些看法，表明他的思想同普遍意义的相对性（加速度验的那些看法，表明他的思想同普遍意义的相对性（加速度的相对性）要求是多么接近。的相对性）要

357、求是多么接近。”“表明马赫已清楚地看到了古表明马赫已清楚地看到了古典力学的薄弱方面，而且离提出广义相对论已经不远。典力学的薄弱方面，而且离提出广义相对论已经不远。”一一 广义相对论基本原理的提出广义相对论基本原理的提出马赫关于惯性以及惯性力起源于宇宙间物质相互作用的马赫关于惯性以及惯性力起源于宇宙间物质相互作用的观点，观点，1918年被爱因斯坦称之为年被爱因斯坦称之为“马赫原理马赫原理”，马赫因此被尊，马赫因此被尊称为称为“相对论的先驱相对论的先驱”。2812.引力质量与惯性质量的等同性引力质量与惯性质量的等同性 质量是物理学的七个基本量之一。最初，牛顿把质量质量是物理学的七个基本量之一。最初

358、，牛顿把质量定义为物质的量，同物质的密度和体积成正比。直到定义为物质的量，同物质的密度和体积成正比。直到1919世纪世纪下半叶，以下半叶，以马赫马赫为代表的一批物理学家对牛顿力学的基础进为代表的一批物理学家对牛顿力学的基础进行了认真的考查，对牛顿的质量定义提出了非议，在实验事行了认真的考查，对牛顿的质量定义提出了非议，在实验事实的基础上建立了惯性质量和引力质量的概念。实的基础上建立了惯性质量和引力质量的概念。 在牛顿运动定律中在牛顿运动定律中，质量是物体惯性大小的量度，叫做，质量是物体惯性大小的量度，叫做惯性质量。惯性质量。 在万有引力定律中在万有引力定律中，质量反映物体受到的和产生的引力，质

359、量反映物体受到的和产生的引力的大小，与惯性无关，叫做引力质量。的大小，与惯性无关，叫做引力质量。爱因斯坦深刻地看出了爱因斯坦深刻地看出了“引力质量与惯性质量相等引力质量与惯性质量相等”这个这个结论的重要意义，在此基础上提出了结论的重要意义，在此基础上提出了“等效原理等效原理”，这一原理，这一原理成为爱因斯坦建立广义相对论的基本原理之一。成为爱因斯坦建立广义相对论的基本原理之一。2823.等效原理的提出等效原理的提出1907年爱因斯坦在关于相对论原理和由此得出的结论年爱因斯坦在关于相对论原理和由此得出的结论论文中提出了论文中提出了等效原理：等效原理：“引力场同参照系的相当的加速度，在引力场同参照

360、系的相当的加速度，在物理上是等价的。物理上是等价的。”文中描述了一个文中描述了一个升降机理想实验升降机理想实验：在一自由下落的升降机里，：在一自由下落的升降机里，由于升降机和其中所有的仪器都以同一加速度下落，因而无法由于升降机和其中所有的仪器都以同一加速度下落，因而无法判断引力场的效应。在自由下落的升降机中，惯性力和引力彼判断引力场的效应。在自由下落的升降机中，惯性力和引力彼此抵消。由此，在引力和惯性力局域等效的前提下，爱因斯坦此抵消。由此，在引力和惯性力局域等效的前提下，爱因斯坦考察了两个彼此做加速运动的参照系考察了两个彼此做加速运动的参照系1和和2，“我们考察两个我们考察两个参照系参照系1

361、 1和和2 2。1 1在在X X轴方向上加速运动；加速度为轴方向上加速运动；加速度为a(a(不因时不因时间而变间而变) )，2 2静止，但它处在一个静止，但它处在一个均匀的引力场中，这个引力均匀的引力场中，这个引力场赋予一切物体在场赋予一切物体在X X轴方向上一个加速度轴方向上一个加速度a a。”“”“就我们所知，就我们所知，无法把参照系无法把参照系1 1的物理定律同参照系的物理定律同参照系2 2的物理定律区别开来。的物理定律区别开来。”据此他以假设的形式提出了等效原理。据此他以假设的形式提出了等效原理。19121912年正式称为年正式称为“等等效原理效原理”并推广到非均匀加速运动中。并推广到

362、非均匀加速运动中。2834.4.等效原理的局域性等效原理的局域性 在在19071907年对等效原理的阐述中，爱因斯坦用一个匀加速参年对等效原理的阐述中，爱因斯坦用一个匀加速参照系来代替一个均匀的引力场。照系来代替一个均匀的引力场。但任何真实的引力场都是非均但任何真实的引力场都是非均匀的匀的。19131913年爱因斯坦将等效原理进一步精确化，他在与同学年爱因斯坦将等效原理进一步精确化，他在与同学M.M.格罗斯曼合写的论文广义相对论和引力理论纲要中，把格罗斯曼合写的论文广义相对论和引力理论纲要中，把等效原理阐述为等效原理阐述为“在物理学上，在物理学上，( (在无限小的体积中均匀的在无限小的体积中均

363、匀的) )引引力场完全可以代替加速运动的参照系。力场完全可以代替加速运动的参照系。”从而明确了等效原理从而明确了等效原理的局域性。的局域性。5.广义协变原理的提出广义协变原理的提出 1907 1907年，爱因斯坦把相对性原理扩展到参照系做年，爱因斯坦把相对性原理扩展到参照系做匀加速匀加速平动运动平动运动的情况。的情况。19161916年，在广义相对论基础中才把它年，在广义相对论基础中才把它推广到所有的坐标系中，完善了广义协变原理。推广到所有的坐标系中，完善了广义协变原理。284二二 引力红移的预言引力红移的预言1907年，爱因斯坦提出等效原理之后，立即注意到引力年，爱因斯坦提出等效原理之后，立

364、即注意到引力场对时钟速率的影响，场对时钟速率的影响，并作出引力红移的预言并作出引力红移的预言。一个处在引力。一个处在引力场中的时钟，当所在点引力势为场中的时钟，当所在点引力势为时，它所指示的当地时间读时，它所指示的当地时间读数将是与它校准的不在引力场中数将是与它校准的不在引力场中( (即处于加速运动的参考系中即处于加速运动的参考系中) )的同样时钟读数的的同样时钟读数的(1+/c(1+/c2 2) )倍。由此，他得出结论：倍。由此，他得出结论：“来自来自太阳表面的光是从这样一种发射源发出的，这种发射源所发出太阳表面的光是从这样一种发射源发出的，这种发射源所发出的光所具有的波长比地球上同类物质所

365、发出的光的波长大约大的光所具有的波长比地球上同类物质所发出的光的波长大约大两百万分之一。两百万分之一。”285在在1911年的论文中，爱因斯坦从等效原理出发，根据光的年的论文中，爱因斯坦从等效原理出发，根据光的频率与引力势之间的关系，得出结论说，频率与引力势之间的关系，得出结论说，光在经过引力场时，光在经过引力场时，光的传播方向将发生偏折，光的传播方向将发生偏折，偏折的方向朝向引力势减小的一侧，偏折的方向朝向引力势减小的一侧，即向天体的一侧偏折。偏折角的大小为：即向天体的一侧偏折。偏折角的大小为：(式中式中K K为引力常数，为引力常数，M M为天体质量，为天体质量，为光线同天体中心的距离。为光

366、线同天体中心的距离。) )并由此计算出并由此计算出“光线经过太阳附近时要受到光线经过太阳附近时要受到0.830.83的偏转的偏转”。并且提出检验这一预言的途径：并且提出检验这一预言的途径：“由于日全食时可以看到太阳由于日全食时可以看到太阳附近天空的恒星，理论的这一结果就可以同经验进行比较附近天空的恒星，理论的这一结果就可以同经验进行比较”。 19161916年爱因斯坦又重新计算了太阳光线的偏折年爱因斯坦又重新计算了太阳光线的偏折，纠正了上次计，纠正了上次计算的不完整性，不仅考虑了太阳的引力作用，还考虑了太阳质算的不完整性，不仅考虑了太阳的引力作用，还考虑了太阳质量导致空间几何形变，计算得到的量

367、导致空间几何形变，计算得到的偏转角为偏转角为1.751.75。三三 光线的引力偏折光线的引力偏折2861平直空间的直接度规：平直空间的直接度规：狭义相对论解决了同时性的相对性、运动物体的长度收缩、狭义相对论解决了同时性的相对性、运动物体的长度收缩、时钟变慢等问题，但仍认为时空是均匀的和各向同性的。在同时钟变慢等问题，但仍认为时空是均匀的和各向同性的。在同一参照系中有统一的时间、空间测量标准，即具有一参照系中有统一的时间、空间测量标准，即具有“刚性刚性”的尺的尺和和“同步同步”的钟，长度、时间的测量仍与坐标差相对应。的钟，长度、时间的测量仍与坐标差相对应。直接度规直接度规是指是指坐标差等于理想标

368、尺或理想时钟所测得的直坐标差等于理想标尺或理想时钟所测得的直接量度结果。它们可表示为：接量度结果。它们可表示为： 这种可直接量度的时空是一这种可直接量度的时空是一“平直平直”时空时空 ；或者说，空间是或者说，空间是欧几里德几何学的空间，时间是均匀流失的时间。只有在一个欧几里德几何学的空间，时间是均匀流失的时间。只有在一个平直空间里，才能建立一个正交坐标系。平直空间里，才能建立一个正交坐标系。四四时空时空“柔性柔性”度规概念的建立度规概念的建立2872广义相对论的广义相对论的“柔性柔性”度规：度规：在在1916年广义相对论的基础一文中，爱因斯坦讲到一年广义相对论的基础一文中，爱因斯坦讲到一个个转

369、动的刚性圆盘的理想实验转动的刚性圆盘的理想实验。当刚性圆盘转动时，处于中心。当刚性圆盘转动时，处于中心轴处的观察者看来，就不存在静止的刚性尺和同步的钟，因为轴处的观察者看来，就不存在静止的刚性尺和同步的钟，因为在不同的半径处，由于旋转的线速度不同，放在不同地点的尺在不同的半径处，由于旋转的线速度不同，放在不同地点的尺子收缩的程度和钟变慢的程度也就不同，时空失去了均匀性和子收缩的程度和钟变慢的程度也就不同，时空失去了均匀性和各向同性，也即失去了各向同性，也即失去了“刚性刚性”而具有而具有“柔性柔性”结构，坐标差也就结构，坐标差也就失去了直接量度的物理意义。这样就只有失去了直接量度的物理意义。这样

370、就只有“时空连续区时空连续区”这一概这一概念具有可观测性，而坐标只能起到记录物理事件的时空连续区念具有可观测性，而坐标只能起到记录物理事件的时空连续区的作用了。的作用了。甲甲乙乙288闵克夫斯基平直空间：闵克夫斯基平直空间：19071908年闵克夫斯基对爱因年闵克夫斯基对爱因斯坦的狭义相对论进行了四维格式化，即将时间坐标统一到四斯坦的狭义相对论进行了四维格式化，即将时间坐标统一到四维空间中，这一空间被称为闵克夫斯基平直空间，在这一空间维空间中，这一空间被称为闵克夫斯基平直空间，在这一空间中，线元中，线元ds的平方表示为的平方表示为 爱因斯坦将这种度规推广到非线性变换，爱因斯坦将这种度规推广到非

371、线性变换，即适用于非惯性即适用于非惯性系或引力场中的物理现象。于是，四维时空中两相邻事件的四系或引力场中的物理现象。于是，四维时空中两相邻事件的四维间隔（线元维间隔（线元ds）的平方应表示为：）的平方应表示为：式中式中g为四维度规张量，是四个坐标的函数，亦即为四维度规张量，是四个坐标的函数，亦即g是一种是一种“柔性柔性”度规。度规。实际上闵克夫斯基平直空间是一种实际上闵克夫斯基平直空间是一种准准欧几里德空间欧几里德空间，它存在，它存在着一个准欧几里德度规。这种度规对应着线性洛仑兹变换。着一个准欧几里德度规。这种度规对应着线性洛仑兹变换。289 引力场方程建立的主要问题是数学问题。引力场方程建立

372、的主要问题是数学问题。 1912 1912年，爱因斯年，爱因斯坦在格罗斯曼帮助下，利用坦在格罗斯曼帮助下，利用黎曼几何黎曼几何和和张量分析张量分析数学工具，经数学工具，经过一年的奋力合作，于过一年的奋力合作，于19131913年发表了论文广义相对论纲要和年发表了论文广义相对论纲要和引力理论，提出了引力的度规场理论。首次把引力和度规结引力理论，提出了引力的度规场理论。首次把引力和度规结合起来，并使黎曼几何获得实在的物理意义。合起来，并使黎曼几何获得实在的物理意义。 1915 1915年论文引力的场方程完善了引力场方程，具有真正年论文引力的场方程完善了引力场方程，具有真正普遍协变性，宣告广义相对论

373、作为一种逻辑结构终于完成了。普遍协变性，宣告广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了。五五 引力场方程的建立引力场方程的建立黎黎曼曼空空间间 罗罗巴巴切切夫夫斯斯基基空空间间2901.水星近日点进动水星近日点进动1859年天文学家年天文学家勒维利埃勒维利埃(LeVerrier)发现水星近日点进发现水星近日点进动的观测值比牛顿定律计算的理论值每百年快动的观测值比牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。他猜角秒。他猜想可能在水星以内还有一颗小行星。想可能在水星以内还有一颗小行星。1882年，年，纽康姆纽康姆(S.Bewcomb)经过重新计算，得出水星经过重新计算，得出水星近日点的多余进动值为每百年近日点

374、的多余进动值为每百年43角秒角秒。他解释说可能是水星。他解释说可能是水星发出的黄道光的弥漫物质使水星的运动受阻。发出的黄道光的弥漫物质使水星的运动受阻。计算出计算出=43/=43/百年。正好和百年。正好和纽康姆结果一致。成为广义相对纽康姆结果一致。成为广义相对论的一个有力证据。论的一个有力证据。六六 广义相对论的检验广义相对论的检验1915年，年，爱因斯坦爱因斯坦把行星的绕日运动看成是行星在太阳把行星的绕日运动看成是行星在太阳引力场中的运动，由于太阳质量造成周围空间弯曲，使行星引力场中的运动，由于太阳质量造成周围空间弯曲，使行星每公转一周近日点进动为：每公转一周近日点进动为：291 爱因斯坦在

375、爱因斯坦在19111911年的论文中指出，光在经过引力场时，年的论文中指出，光在经过引力场时，光的传播方向将发生偏折，并由此计算出光的传播方向将发生偏折，并由此计算出“光线经过太阳附光线经过太阳附近时要受到近时要受到0.830.83的偏转的偏转”。19161916年爱因斯坦年爱因斯坦又重新计算又重新计算了了太阳光线的偏折，太阳光线的偏折，计算得到的偏转角为计算得到的偏转角为1.751.75。并预言可通。并预言可通过日全食时对太阳附近天空的恒星的观测加以验证。过日全食时对太阳附近天空的恒星的观测加以验证。 1974 1974年到年到19751975年间，福马伦特和什拉梅克利用甚长基线年间，福马伦

376、特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪，观测了太阳对三个射电源的偏折，最后得到太阳边干涉仪，观测了太阳对三个射电源的偏折，最后得到太阳边缘处射电源的微波被偏折缘处射电源的微波被偏折1.7610.0161.7610.016。 1919 1919年日全食期间，英国皇家学会和天文学会派出两个年日全食期间，英国皇家学会和天文学会派出两个观测队，由爱丁顿观测队，由爱丁顿(A.S.Feddington)(A.S.Feddington)等人率领分赴非洲和巴等人率领分赴非洲和巴西两地进行观测。经过比较，两地观测结果分别为非洲为西两地进行观测。经过比较，两地观测结果分别为非洲为1.661.66和巴西的和巴西的1.981

377、.98与爱因斯坦的理论结果基本相符。但与爱因斯坦的理论结果基本相符。但这种观测精度太低，还会受其他因素影响。这种观测精度太低，还会受其他因素影响。2.2.光线在引力场中的弯曲光线在引力场中的弯曲292广义相对论指出，在强引力场中时钟变慢。因此从巨大广义相对论指出，在强引力场中时钟变慢。因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线，会向光谱的红端移动。质量的星体表面发射到地球上的光线，会向光谱的红端移动。日光谱线与地球上的光源对应的谱线相比较，移动的相对总日光谱线与地球上的光源对应的谱线相比较，移动的相对总量为：量为：2 21010-6-6。 用原子钟测：用原子钟测：19711971年年海菲勒海菲

378、勒(J.C.Hafele)(J.C.Hafele)和和凯丁凯丁(R.E.Keating)(R.E.Keating)用几台铯原子钟比较不同高度的计时率，其中一台置于地面作用几台铯原子钟比较不同高度的计时率，其中一台置于地面作参考钟，另外几台由飞机携带，在参考钟，另外几台由飞机携带，在1 1万米高空沿赤道绕地飞行。万米高空沿赤道绕地飞行。实验结果与理论预期值在实验结果与理论预期值在10%10%内相符。内相符。19801980年年魏索特魏索特(R.F.C.Vessot)(R.F.C.Vessot)等人用氢原子钟作实验，将氢原子钟用火箭发射等人用氢原子钟作实验，将氢原子钟用火箭发射到到1 1万公里太空

379、，得到的结果与理论值相差只有万公里太空，得到的结果与理论值相差只有7 71010-5-5。 1959 1959年，年，庞德庞德(R.V.Pornd)(R.V.Pornd)和雷布卡和雷布卡(G.Rebka)(G.Rebka)运用穆斯堡尔效运用穆斯堡尔效应检测引力频移，得到的结果与理论值相差约应检测引力频移，得到的结果与理论值相差约5%5%。 1925 1925年，美国威尔逊山天文台的年，美国威尔逊山天文台的亚当斯亚当斯(W.S.Adams)(W.S.Adams)观测观测了天狼星的伴星天狼了天狼星的伴星天狼A A。这颗伴星是所谓的白矮星，其密度比。这颗伴星是所谓的白矮星，其密度比铂大铂大20002

380、000倍。观测它发出的光谱线，得到的频移与广义相对倍。观测它发出的光谱线，得到的频移与广义相对论的预期基本相符。论的预期基本相符。3.光谱线的引力红移光谱线的引力红移2934.雷达回波延迟雷达回波延迟光线经过大质量物体附近的弯曲现象可以看作是一种折射，光线经过大质量物体附近的弯曲现象可以看作是一种折射，相当于光速减慢相当于光速减慢。所以从空间某一点发出的信号，途径太阳附。所以从空间某一点发出的信号，途径太阳附近到达地球的时间将有所延迟。近到达地球的时间将有所延迟。1964年，年，夏皮罗夏皮罗(I.I.Shapiro)小组，先后对水星、金星和小组，先后对水星、金星和火星金星做了雷达实验，证明雷达

381、回波确有延迟现象。火星金星做了雷达实验，证明雷达回波确有延迟现象。近年来，有人用人造天体作为反射靶，实验结果与相对论近年来，有人用人造天体作为反射靶，实验结果与相对论理论值比较，误差大约理论值比较，误差大约1%。5.引力波的验证引力波的验证1918年，爱因斯坦预言引力波的存在，他认为具有质量的年，爱因斯坦预言引力波的存在，他认为具有质量的物体加速运动时会辐射引力波。物体加速运动时会辐射引力波。1974年年胡尔斯胡尔斯和和泰勒泰勒发现一个发现一个由脉冲星和一个伴星组成的双星系统由于辐射引力波而损失能由脉冲星和一个伴星组成的双星系统由于辐射引力波而损失能量，使轨道缩小，周期变短。他们仔细观察了脉冲

382、星量，使轨道缩小，周期变短。他们仔细观察了脉冲星PSR191316，经过近，经过近20年观察得到的结果与广义相对论计算值符合得年观察得到的结果与广义相对论计算值符合得很好，胡尔斯和泰勒荣获很好，胡尔斯和泰勒荣获1993年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。294爱爱 因因 斯斯 坦坦 的的 相相 对对 论论童童年年时时的的爱爱因因斯斯坦坦295年轻时的爱因斯坦296297298第九章第九章 量子力学的建立量子力学的建立1.紫外灾难和普朗克的量子假说紫外灾难和普朗克的量子假说2.爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦的光量子理论3.卢瑟福的原子核式结构卢瑟福的原子核式结构4.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论

383、5.电子自旋的提出电子自旋的提出6.量子理论的发展量子理论的发展299上上一一代代人人能能取取得得自自然然知知识识的的如如此此神神奇奇进进展展，应应归归功功于于人人们们从从传传统统思思想想束束缚缚下下获获得得的的这一解放。这一解放。 玻尔玻尔紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说一一.紫外灾难紫外灾难二二.普朗克独步一时的研究普朗克独步一时的研究1.紫外灾难和普朗克的量子假说紫外灾难和普朗克的量子假说3001.维恩定律维恩定律 1896年，德国物理学家维恩通过年，德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法半理论半经验的方法，得到一个辐射能量分布公式：得到一个辐

384、射能量分布公式： 这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合，而这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合，而在长波区不符。在长波区不符。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说2.瑞利瑞利金斯定律金斯定律这这一一公公式式却却只只有有在在长长波波区区和和实实验验结结果果符符合合，而而在在短短波波区区不不符符。由由于于辐辐射射能能量量与与频频率率的的平平方方成成正正比比，因因此此当当波波长长接近紫外时，能量为无限大接近紫外时，能量为无限大! !即在紫色端发散。即在紫色端发散。一一.紫外灾难紫外灾难301但但瑞瑞利利、金金斯斯两两人人得得出出的的共共识识，是

385、是根根据据经经典典物物理理的的理理论论严严密密推推导导的的，瑞瑞利利和和金金斯斯也也是是物物理理学学界界公公认认的的治治学学严严谨谨的的人人，理理论论值值与与实实验验值值在在短短波波区区的的北北辙辙南南辕辕，揭揭示示了了经经典典物物理理学面临的严重困难，使人们不得不称之为学面临的严重困难，使人们不得不称之为“紫外灾难紫外灾难”。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说302紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说二二.普朗克的研究普朗克的研究1.普朗克普朗克德国人，德国人，18741874年考入慕尼黑大学数学系，因为爱好又

386、转年考入慕尼黑大学数学系，因为爱好又转向物理，他的老师约里劝他不要选物理，但普朗克选了物理向物理，他的老师约里劝他不要选物理，但普朗克选了物理并于并于18791879年获得博士学位。年获得博士学位。18801880年起先后在慕尼黑大学和麦年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教。基尔大学任教。18881888年柏林大学任命他为年柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长。和为他新设立的理论物理研究所所长。1894年当选为普鲁士年当选为普鲁士皇家科学院院士，皇家科学院院士， 1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖。 同年被选为

387、英国皇家学会会员，同年被选为英国皇家学会会员，1930-1937年任威廉皇家协会年任威廉皇家协会会长。会长。3032.普朗克的内插公式普朗克的内插公式 普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起，得到普朗克辐射定律：果结合在一起，得到普朗克辐射定律：紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说 当当00，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利，即在长波范围，普朗克定律变为瑞利金斯公金斯公式。式。 当当，即在短波范围，又与维恩定律一致。，即在短波范围，又与维恩定律一致。 鲁本斯鲁本斯得知这一公式后

388、，立即把自己的实验结果和理论得知这一公式后，立即把自己的实验结果和理论曲线相比较，完全符合。于是两人于曲线相比较，完全符合。于是两人于19001900年年1010月月1919日向德国日向德国物理学会做了报告。题目是维恩光谱方程的改进。物理学会做了报告。题目是维恩光谱方程的改进。3043.普朗克的能量子假设普朗克的能量子假设 普朗克为一理论物理学家，普朗克为一理论物理学家，他不满足于找到一个经验公他不满足于找到一个经验公式，式，普朗克写道普朗克写道:“从从10月月19日提出这个公式开始，我就日提出这个公式开始，我就致力于找出致力于找出这个公式的真正物理意义这个公式的真正物理意义。这个问题使我直接

389、去。这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系，也就是说把我引到了波尔兹曼的考虑熵和几率之间的关系，也就是说把我引到了波尔兹曼的思想。思想。” 19001900年年1212月月1414日日，普普朗朗克克明明确确提提出出了了能能量量子子概概念念，并并指指出出每每个个能能量量子子的的能能量量 与与频频率率成成正正比比，这这一一天天，被被称称为为量量子子力学的诞生日。力学的诞生日。 普朗克从普朗克从这些假设出发可以得到他的这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式。黑体辐射公式。紫紫 外外 灾灾 难难 和和 普普 朗朗 克克 的的 量量 子子 假假 说说305普朗克的矛盾普朗克的矛盾 普朗克的能量子假说，对

390、能量连续的观点形成了严重冲击，普朗克的能量子假说，对能量连续的观点形成了严重冲击，人们只承认普朗克公式，却不接受他的能量子假说人们只承认普朗克公式，却不接受他的能量子假说。就连普朗。就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此，他的心情非克本人也不能正确理解能量子的物理意义。对此，他的心情非常矛盾，一方面直觉告诉他：这个发现不同寻常，另一方面他常矛盾，一方面直觉告诉他：这个发现不同寻常，另一方面他又总想回到经典理论的立场上去。他说：又总想回到经典理论的立场上去。他说：“在将作用量子在将作用量子h引入引入理论时，应当尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对理论时，应当尽可能保守从事；这就

391、是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理论。必要，否则不要改变现有理论。” 1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的，而吸年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的，而吸收则完全是连续进行的。到了收则完全是连续进行的。到了1914年，干脆取消了量子假说年，干脆取消了量子假说（0），认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他），认为发射过程也是连续的。但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集：最终放弃了自己的倒退立场。为此他百感交集：“为了使作用为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一直量子能以某种方式容入经典理论中，我花了几年的时间（一直

392、到到1915年），它们耗费了我大量的精力。年），它们耗费了我大量的精力。 现在我懂得了一件现在我懂得了一件事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的事实，基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多。要深刻的多。”306一一.光电效应光电效应二二.康普顿效应康普顿效应2.爱因斯坦的光量子理论爱因斯坦的光量子理论3071.光电效应的发现光电效应的发现 1887年赫兹发现了光电效应年赫兹发现了光电效应。当时赫兹在验证麦克撕韦的当时赫兹在验证麦克撕韦的电磁理论的火花放电实验时，意外发现：如果接收电磁波的电电磁理论的火花放电实验时，意外发现：如果接收电磁波的电极受到紫外线照射

393、，火花放电就变的容易产生。并将这一现象极受到紫外线照射，火花放电就变的容易产生。并将这一现象发表于论文紫外线对放电的影响。发表于论文紫外线对放电的影响。2.爱因斯坦的光量子假说的提出爱因斯坦的光量子假说的提出 1905年年6月、月、1906年年3月、月、11月，爱因斯坦连续发表了三篇月，爱因斯坦连续发表了三篇论文关于光的产生和转化的一个启发性观点论光的产生论文关于光的产生和转化的一个启发性观点论光的产生与吸收普朗克的辐射和比热理论。提出光两字理论，并与吸收普朗克的辐射和比热理论。提出光两字理论，并对光电效应进行了解释。对光电效应进行了解释。3.光电效应理论的验证光电效应理论的验证 美国实验物理

394、学家美国实验物理学家密立根密立根从从1905年起，花了十年时间。年起，花了十年时间。 爱因斯坦爱因斯坦 “因对理论物理所做的贡献，特别是发现了光电因对理论物理所做的贡献，特别是发现了光电效应定律效应定律” 获获1921年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 密立根也因此获密立根也因此获1923年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。一、光电效应一、光电效应308康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性。1918年美国物理学家康普顿年美国物理学家康普顿(A.H.Compton)开始研究开始研究X射射线的散射，线的散射，1922年，他把年，他把X射线投射到石墨上

395、，以观察被散射射线投射到石墨上，以观察被散射后的后的X射线，射线，发现其中有两种不同的频率成分：一种频率与入发现其中有两种不同的频率成分：一种频率与入射线相同，另一种频率则低于入射线。按照经典理论，散射过射线相同，另一种频率则低于入射线。按照经典理论，散射过程不会改变入射线的频率。程不会改变入射线的频率。1923年康普顿利用爱因斯坦年康普顿利用爱因斯坦1916年提出的光量子的动量表达式，对光子与电子的碰撞过程应用年提出的光量子的动量表达式，对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒和动量守恒定律，圆满解释了实验结果。质能守恒和动量守恒定律，圆满解释了实验结果。英国物理学家英国物理学家威尔逊威尔逊(C.

396、T.R.Wilson)用自己发明的用自己发明的“云室云室”发现了这些反冲电子。发现了这些反冲电子。康普顿因发现康普顿效应、威尔逊康普顿因发现康普顿效应、威尔逊“因发现用蒸汽凝聚观因发现用蒸汽凝聚观察电子粒子轨迹的方法察电子粒子轨迹的方法”分享了分享了1927年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。二、康普顿效应二、康普顿效应309吴有训吴有训:18971897年年4 4月月2 2日出生，江西高安人。物理学家。日出生，江西高安人。物理学家。19201920年年毕业于南京高等师范学校。毕业于南京高等师范学校。19261926年获美国芝加哥大学物理学博年获美国芝加哥大学物理学博士学位。士学位。194

397、81948年选聘为中央研究院院士。中国科学院研究员、年选聘为中央研究院院士。中国科学院研究员、副院长，中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是副院长，中国物理学会理事长。主要从事近代物理学特别是X X射射线散射光谱方面的研究工作，是中国开展近代物理学实验研究线散射光谱方面的研究工作，是中国开展近代物理学实验研究的先驱者之一。的先驱者之一。2020年代在康普顿的年代在康普顿的X X射线散射研究中进行了多项射线散射研究中进行了多项实验，为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。实验，为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作。19551955年选聘为中国科学院院士（学部委员）。年

398、选聘为中国科学院院士（学部委员）。19771977年年1111月月3030日日于北京去世。于北京去世。 康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质（石墨），为康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质（石墨），为了证明这一效应的普遍性，吴有训在康普顿的指导下，做了了证明这一效应的普遍性，吴有训在康普顿的指导下，做了种物质的射线散射曲线，证明只要散射角相同，不同物质散种物质的射线散射曲线，证明只要散射角相同，不同物质散射的效果都一样。射的效果都一样。 1925 1925年年吴有训吴有训以康普顿效应的论文获得博士学位。以康普顿效应的论文获得博士学位。310一一.原子模型的历史演变原子模型的历史演变二二.卢

399、瑟福的核式结构卢瑟福的核式结构3.卢瑟福的原子核式结构卢瑟福的原子核式结构311一一.原子模型的历史演变原子模型的历史演变 电子的发现，引起了人们对原子内部结构的兴趣，提出电子的发现，引起了人们对原子内部结构的兴趣，提出了各种结构模型。了各种结构模型。卢卢 瑟瑟 福福 的的 原原 子子 核核 式式 结结 构构3.JJ汤姆逊汤姆逊西瓜模型西瓜模型：正电荷像西瓜瓤，负电荷像西瓜子正电荷像西瓜瓤，负电荷像西瓜子分布其上（面包和葡萄干模型）。分布其上（面包和葡萄干模型）。2.长岗的长岗的土星模型土星模型:19041904年，提出土星卫环模型。这一模型年，提出土星卫环模型。这一模型实际已经提出了原子的有

400、核结构模型，只是未对核的大小实际已经提出了原子的有核结构模型，只是未对核的大小的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述。的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述。1.勒纳德的勒纳德的动力子模型动力子模型：1902-1903年勒纳德通过作阴极射年勒纳德通过作阴极射线透过金属箔的实验表明，金属中的原子并不是相互紧靠线透过金属箔的实验表明，金属中的原子并不是相互紧靠着的刚性小球，其中存在大量空隙，刚性球约占全部空间着的刚性小球，其中存在大量空隙，刚性球约占全部空间的的10-9。于是他提出：原子内的每个电子与每个正电荷组成。于是他提出：原子内的每个电子与每个正电荷组成一个中性的一个中性的“刚性配偶

401、体刚性配偶体”，并取名为，并取名为“动力子动力子”，无数动力，无数动力子漂浮于空旷的原子太空中。子漂浮于空旷的原子太空中。3121.1.卢瑟福行星模型提出的过程卢瑟福行星模型提出的过程二二. .卢瑟福的卢瑟福的行星模型行星模型-核式结构核式结构JJJJ汤汤姆姆逊逊认认为为：“原原子子内内的的正正电电荷荷是是均均匀匀地地分分布布在在原原子子中中的的，而而并并非非呈呈粒粒子子状状态态” ” 。而而卢卢瑟瑟福福认认为为应应该该用用带带电电粒子碰撞去试探。粒子碰撞去试探。19091909年年，卢卢瑟瑟福福和和盖盖革革、马马斯斯顿顿，用用氦氦核核轰轰击击厚厚度度为为1010-6-6米米的的金金箔箔( (

402、散散射射实实验验) )。起起初初盖盖革革什什么么现现象象也也没没看看到到，卢卢瑟瑟福福告告诉诉他他要要仔仔细细观观察察：“要要多多看看细细看看，实实验验要要重重复复几几十十次次、几几百百次次、几几千千次次，才才能能发发现现偶偶然然的的现现象象。”结结果果，实实验验测测得得散散射射角角大大于于9090的的比比例例约约为为1/80001/8000。根根据据汤汤姆姆逊逊模模型型，粒粒子子的的大大角角偏偏折折是是多多次次小小偏偏折折积积累累造造成成的的。其其概概率率约约为为1/101/1035003500。实验结果和模型明显不符。实验结果和模型明显不符。 卢瑟福说卢瑟福说:“:“犹如一发犹如一发151

403、5寸的炮弹去轰一张薄纸，而寸的炮弹去轰一张薄纸，而炮弹却掉过头来击中你自己一样。炮弹却掉过头来击中你自己一样。” ” 313卢卢 瑟瑟 福福 的的 原原 子子 核核 式式 结结 构构 为了解决这一矛盾，卢瑟福放弃比汤姆逊模型，为了解决这一矛盾，卢瑟福放弃比汤姆逊模型，利用长利用长冈半太郎的土星模型进行计算冈半太郎的土星模型进行计算，结果与实验值基本相符。于，结果与实验值基本相符。于是是19111911年发表了物质的年发表了物质的粒子和粒子和粒子的散射和原子结构粒子的散射和原子结构的论文，提出原子的有核模型。在论文中他写到：的论文，提出原子的有核模型。在论文中他写到：“经过经过思考，我认为反向散

404、射必定是单次碰撞的结果，而当我作出思考，我认为反向散射必定是单次碰撞的结果，而当我作出计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统，是无法得到数量级的任何结果的，这就使小的核内的系统，是无法得到数量级的任何结果的，这就使我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法。” 1911-1913 1911-1913年间年间盖革和马斯顿在卢瑟福指导下做了一系盖革和马斯顿在卢瑟福指导下做了一系列列粒子的散射实验，粒子的散射实验，“记录下了记录下了100000100000次以上的闪烁，次以

405、上的闪烁，所有结果都和卢瑟福理论符合的很好，结果都证明：原子所有结果都和卢瑟福理论符合的很好，结果都证明：原子中心有很强的电荷，这个中心比原子直径要小的多。中心有很强的电荷，这个中心比原子直径要小的多。” 原子核式结构模型的建立，只肯定了原子核原子核式结构模型的建立，只肯定了原子核的存在，但还不知道原子核外电子的情况。的存在，但还不知道原子核外电子的情况。314卢卢 瑟瑟 福福 的的 原原 子子 核核 式式 结结 构构2.2.卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾 电子轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是电子轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续

406、的，连续的， 原子光谱应是连续的光谱。实验测得原子光谱是原子光谱应是连续的光谱。实验测得原子光谱是不连续的谱线。不连续的谱线。 按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。计算表明，原子的寿命将仅原子核，最后落入原子核中。计算表明，原子的寿命将仅有有1010-12-12秒。而实验表明原子相当稳定。秒。而实验表明原子相当稳定。315一一.玻尔玻尔(1885-1962)二二.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论三三 玻尔理论的验证

407、玻尔理论的验证四四.玻尔理论的缺陷玻尔理论的缺陷4.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论316玻玻 尔尔 的的 氢氢 原原 子子 理理 论论一一.玻尔玻尔(N.D.Bohr,1885-1962) 丹麦物理学家尼尔斯丹麦物理学家尼尔斯玻尔，生于丹麦哥本哈根的一个富玻尔，生于丹麦哥本哈根的一个富裕知识分子家庭，父亲是哥本哈根大学生理学教授。裕知识分子家庭，父亲是哥本哈根大学生理学教授。1903年年进入哥本哈根大学数学和自然科学系，大学二年级时他热中进入哥本哈根大学数学和自然科学系，大学二年级时他热中于研究水的表面张力问题，并在丹麦皇家科学院的有奖征文于研究水的表面张力问题，并在丹麦皇家科学院的有奖征文

408、中容获金质奖章，中容获金质奖章，1909年获硕士学位，年获硕士学位，1911年以论文金属年以论文金属电子论的研究获博士学位。电子论的研究获博士学位。 1913 1913年提出著名的玻尔原子理论。年提出著名的玻尔原子理论。19161916年任哥本哈根大年任哥本哈根大学教授，学教授，19211921年起一直领导着该校为他建立的理论物理研究年起一直领导着该校为他建立的理论物理研究所，直到去世。玻尔于所，直到去世。玻尔于19161916年、年、19271927年分别提出对应原理和年分别提出对应原理和互补原理，互补原理，19361936年提出原子核的液滴核模型，年提出原子核的液滴核模型，19391939

409、年创立核年创立核裂变理论，预言铀的自身裂变。曾参加第一颗原子弹的制造。裂变理论，预言铀的自身裂变。曾参加第一颗原子弹的制造。19221922年因对原子结构和原子辐射的研究而获得诺贝尔物理学年因对原子结构和原子辐射的研究而获得诺贝尔物理学奖。奖。317玻玻 尔尔 的的 氢氢 原原 子子 理理 论论二二.玻尔的氢原子理论玻尔的氢原子理论2.2.斯塔克的启示：斯塔克的启示：19131913年年2 2月玻尔注意到德国物理学家斯塔克月玻尔注意到德国物理学家斯塔克(J.Stark)(J.Stark)在原子动力学原理一书中的一段话：在原子动力学原理一书中的一段话：“一个光一个光谱的全部谱线是由单独一个电子造

410、成的，是在这个电子从一谱的全部谱线是由单独一个电子造成的，是在这个电子从一个（几乎）完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程个（几乎）完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程中辐射出来的。中辐射出来的。”他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一起，这样，玻尔突然领悟到，他可以用这一理论解释巴尔末起，这样，玻尔突然领悟到，他可以用这一理论解释巴尔末公式了。玻尔曾说过：公式了。玻尔曾说过：“我一看到巴尔末公式，整个情形就我一看到巴尔末公式，整个情形就一下子弄清楚了。一下子弄清楚了。”1.1.汉森的拜访：汉森的拜访：19121912年年7 7月回到哥本哈根，月回到

411、哥本哈根，19131913年初，玻尔的年初，玻尔的好友、光谱学家汉森好友、光谱学家汉森(H.M.Hansen)(H.M.Hansen)在拜访玻尔时问到原子结在拜访玻尔时问到原子结构和光谱学中的谱线有什么关系？并构和光谱学中的谱线有什么关系？并向玻尔详细介绍了巴尔向玻尔详细介绍了巴尔末的发现，末的发现，以及谁也无法对巴尔末公式作出解释。以及谁也无法对巴尔末公式作出解释。3.3.跃迁理论的提出：跃迁理论的提出：19131913年年3 3月、月、6 6月、月、9 9月，分别写出了月，分别写出了原子构造和分子构造（原子构造和分子构造（1 1）（）（2 2）（）（3 3）三篇论文（人称）三篇论文（人称“

412、三部曲三部曲”），提出了定态跃迁的原子模型。），提出了定态跃迁的原子模型。3181.匹克林谱线的观测：匹克林谱线的观测：1896-1897年间，美国天文学家年间，美国天文学家匹匹克林克林(E.C.Pickering)在船舻座在船舻座星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系，这个线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合。里德伯得出这个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式。 玻尔指出，玻尔指出，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，皮克林系的频率公式中不应包含有半整数，而应都

413、取整数，只是其而应都取整数，只是其里德伯常数为氢的里德伯常数为氢的4 4倍，倍，并认为这些谱并认为这些谱线线是电离了的氦原子发射的。是电离了的氦原子发射的。 1913 1913年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家否勒年给卢瑟福去信，请求他要求光谱学家否勒(A.Fowler)(A.Fowler)检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，检验这种氦假说。由于否勒不太相信这种说法，卢瑟福就请卢瑟福就请伊万斯作这一实验，伊万斯在一个玻璃管中充入伊万斯作这一实验，伊万斯在一个玻璃管中充入极纯的氦气，得到了匹克林谱线。极纯的氦气，得到了匹克林谱线。 否勒又提出，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确否勒又提出

414、，就这些谱线而言，其里德伯常数并不精确等于氢的等于氢的4 4倍。玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核倍。玻尔回答说，这个微小的差别产生于氦原子核的不可忽略的运动。的不可忽略的运动。三三玻尔理论的验证：玻尔理论的验证：3192.2.玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现。3.3.夫兰克夫兰克- -赫兹实验赫兹实验: :J.J.夫兰克和夫兰克和G.G.赫兹通过碰撞测出原子的赫兹通过碰撞测出原子的“电离能电离能”，玻尔指出这是原子的，玻尔指出这是原子的“激发能激发能”，由此可以肯定地，由此可以肯定地证明原子定态的存在。证明原子定态的存在。 从而验证了玻尔理论的正

415、确性。从而验证了玻尔理论的正确性。四四. .玻尔理论的历史地位和缺陷玻尔理论的历史地位和缺陷1.1.玻尔理论的历史地位玻尔理论的历史地位 解决了原子的稳定性问题，揭示了光谱规律与原子结构的解决了原子的稳定性问题，揭示了光谱规律与原子结构的本质联系，波尔理论标志着量子论的最后形成。本质联系，波尔理论标志着量子论的最后形成。2.2.波尔理论存在的缺陷：波尔理论存在的缺陷：它只能解释氢光谱和类氢光谱，对于稍复杂一些的原子它只能解释氢光谱和类氢光谱，对于稍复杂一些的原子 光谱，如氢光谱的精细结构，无法解释；光谱，如氢光谱的精细结构，无法解释；不能计算谱线强度；不能计算谱线强度；玻尔理论是经典与量子理论

416、的混合物，存在着内在的不玻尔理论是经典与量子理论的混合物，存在着内在的不 协调，内在的矛盾。协调，内在的矛盾。3201.塞曼效应和反常塞曼效应塞曼效应和反常塞曼效应1896年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家塞曼塞曼按照他的老师洛伦兹的建议，按照他的老师洛伦兹的建议，研究磁场对光源的影响。发现在磁场中发射光谱的每条谱线都研究磁场对光源的影响。发现在磁场中发射光谱的每条谱线都会发生分裂，当磁场方向和光路垂直时分裂为三条，一致时分会发生分裂，当磁场方向和光路垂直时分裂为三条，一致时分裂为两条裂为两条-称为塞曼效应。称为塞曼效应。之后不久人们又发现了反常塞曼效应：分裂成三条以上。之后不久人们又发现了反常

417、塞曼效应：分裂成三条以上。但反常塞曼效应却始终没能从理论上给予解释。但反常塞曼效应却始终没能从理论上给予解释。5 5 电子自旋的提出电子自旋的提出1916年索末菲和德拜分别发表文章解释了正常塞曼效应。年索末菲和德拜分别发表文章解释了正常塞曼效应。3212.电子自旋概念的提出电子自旋概念的提出克罗尼格克罗尼格(R.L.Kronig,(R.L.Kronig,美国美国) )：首先提出电子自旋假设，：首先提出电子自旋假设，并进行了初步计算，结果和用相对论推出的结论完全相符。于并进行了初步计算，结果和用相对论推出的结论完全相符。于是去找泡利讨论，但却遭到了泡利的反对。因为是去找泡利讨论，但却遭到了泡利的

418、反对。因为泡利泡利早就考虑早就考虑过这一模型，但由于电子的表面速度有可能超过光速，违背了过这一模型，但由于电子的表面速度有可能超过光速，违背了相对论。于是克罗尼格就放弃了这一研究和想法。相对论。于是克罗尼格就放弃了这一研究和想法。 乌伦贝克乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck)(G.E.Uhlenbeck)和古兹密特和古兹密特(S.A.Goudsmit)(S.A.Goudsmit)：半年以后，在不了解克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。半年以后，在不了解克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。在导师埃在导师埃伦费斯特伦费斯特的支持下，写了一篇只有一页的短文，并由的支持下，写了一篇只有一页的短文

419、，并由埃伦费斯特推荐给自然杂志。后来他们又去找埃伦费斯特推荐给自然杂志。后来他们又去找洛伦兹洛伦兹请教。请教。结果洛伦兹经思考后再见他们时，却给了他们一叠稿纸，并告结果洛伦兹经思考后再见他们时，却给了他们一叠稿纸，并告诉他们，如果电子绕自身轴旋转，其表面速度将达到光速的十诉他们，如果电子绕自身轴旋转，其表面速度将达到光速的十倍。但因为论文已寄走，并可能要发表了。乌伦贝壳和古兹密倍。但因为论文已寄走，并可能要发表了。乌伦贝壳和古兹密特感到十分懊丧。特感到十分懊丧。 海森堡慧眼识珠：海森堡慧眼识珠：海森堡看到乌伦贝壳和古兹密特的论海森堡看到乌伦贝壳和古兹密特的论文后，立刻去信表示赞许，并认为可利用

420、自旋文后，立刻去信表示赞许，并认为可利用自旋- -轨道耦合作用，轨道耦合作用，解决泡利理论中所谓解决泡利理论中所谓“二重线二重线”的问题。的问题。322量子力学的发展线索与代表人物量子力学的发展线索与代表人物一一.德布罗意波的提出德布罗意波的提出二二.波动力学的创立波动力学的创立三三. 矩阵力学的建立矩阵力学的建立四四.玻尔与爱因斯坦的争论玻尔与爱因斯坦的争论6.量子理论的发展量子理论的发展3231.1.线索线索: :量子量子力学力学德布罗意德布罗意薛定谔薛定谔薛定谔薛定谔波动方程波动方程海森堡海森堡波恩，提出矩阵力学波恩，提出矩阵力学量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展量子力学的发展线索

421、与代表人物量子力学的发展线索与代表人物3242.代表人物代表人物:量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展泡泡利利像像玻玻尔尔和和泡泡利利325量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展玻尔玻尔索末菲索末菲326量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展泡泡利利海森堡海森堡玻尔玻尔327GPGP汤汤姆逊姆逊戴戴维维森森量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展328量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展1.德布罗意德布罗意(LouisVictordeBroglie,18921989)： 法国法国物理学家。物理学家。1910年获巴黎大学文学学士学位，年获巴黎大学文学学士学位，1913年获理学硕士学位

422、。第一次世界大战后，拜年获理学硕士学位。第一次世界大战后，拜朗之万朗之万为师，研为师，研究与量子有关的理论物理问题，攻读博士学位。究与量子有关的理论物理问题，攻读博士学位。 1923年年910月间，连续在法国科学院通报上发表三月间，连续在法国科学院通报上发表三篇短文：辐射篇短文：辐射波和量子、光学波和量子、光学光量子、衍射和干涉光量子、衍射和干涉、物理学、物理学量子、气体动理论及费马原理，在量子、气体动理论及费马原理，在1924年通年通过的博士论文量子论研究中提出了德布罗意波理论。过的博士论文量子论研究中提出了德布罗意波理论。1929年获诺贝尔物理学奖，成为第一个以学位论文获得诺贝年获诺贝尔物

423、理学奖，成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者。尔奖金的学者。1932年任巴黎大学物理教授，年任巴黎大学物理教授，1933年被选为年被选为法国科学院院士。法国科学院院士。1942年任该院常任秘书，年任该院常任秘书，1962年退休，年退休，1987年年3月去世，享年月去世，享年95岁。主要著作有：波动力学导论，岁。主要著作有：波动力学导论，物质和光：新物理学，物理学中的革命，海森伯物质和光：新物理学，物理学中的革命，海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释等。不确定关系和波动力学的概率诠释等。一一 德布罗意波的提出德布罗意波的提出3292.思维过程：思维过程： 德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲电子的波

424、动性中说：德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲电子的波动性中说： 人人们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，们无法理解，为什么对于光来说，需要两种相互矛盾的学说，即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运即波动说和微粒说。为什么原子中的电子只有可能进行某些运动，而按经典概念它应当有无穷多的运动。动，而按经典概念它应当有无穷多的运动。 当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。当我开始思考这些困难时，主要有两个问题吸引着我。第一第一个问题是个问题是，不能认为光量子理论是令人满意的，因为它是用，不能认为光量子理论是令人满意的，因为它是用=h这个关系式来确定光微粒的能量，其

425、中包含着频率这个关系式来确定光微粒的能量，其中包含着频率。可。可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说，是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素。对于光来说，单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念。另一另一个问题是个问题是，确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物，确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。这使我想到，理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象。这使我想到，不能用简单的微粒来描述电子本身，而应当赋予它们以周期的不能用简单的微粒来描述电子本身，而应当赋予它们

426、以周期的概念。概念。 于是我得出指导我进行研究的全部概念，对于物质和辐射，于是我得出指导我进行研究的全部概念，对于物质和辐射，尤其是光，需要同时引进微粒概念和波动概念。尤其是光，需要同时引进微粒概念和波动概念。3303.物质波假设的提出物质波假设的提出 19241924年，德布罗意在博士论文中提出物质波概念。年，德布罗意在博士论文中提出物质波概念。 德布罗意在论文中提出如下预言：德布罗意在论文中提出如下预言：“从很小的孔穿过的电从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象，这或许就是人们能借以寻找关于我们子束能够呈现衍射现象，这或许就是人们能借以寻找关于我们的想法的实验证据的方向。的想法的实验证据的

427、方向。”他曾向道维耶先生提过建议，请他用电子进行实验以获得衍他曾向道维耶先生提过建议，请他用电子进行实验以获得衍射和干涉现象，但道维耶正忙于其他工作，没有按照他的建议射和干涉现象，但道维耶正忙于其他工作，没有按照他的建议去做；去做；德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐，不知该如德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐，不知该如何评价他论文，于是将论文的副本寄给了爱因斯坦，爱因斯坦何评价他论文，于是将论文的副本寄给了爱因斯坦，爱因斯坦认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性，并称认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性，并称赞德布罗意赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角已揭

428、开了巨大帷幕的一角”。3314.德布罗意波的实验验证德布罗意波的实验验证 X X 射线照在晶体上可以产生衍射，如果物质波理论正射线照在晶体上可以产生衍射，如果物质波理论正确，那么电子打在晶体上也能观察电子衍射。确，那么电子打在晶体上也能观察电子衍射。(1)(1)戴维孙戴维孙- -革末实验革末实验-单晶体电子衍射单晶体电子衍射 19271927年，在一个偶然机会，做电子束在年，在一个偶然机会，做电子束在镍单晶镍单晶体表面散射体表面散射实验时，观察到了和实验时，观察到了和X X射线在晶体表面衍射相类似的衍射现象，射线在晶体表面衍射相类似的衍射现象，从而证实了电子具有波动性。从而证实了电子具有波动性

429、。(2) (2) G.P.G.P.汤姆逊实验汤姆逊实验-多晶体电子衍射多晶体电子衍射 19271927年年 G.P. G.P.汤姆逊也独立完成了电子衍射实验。但他是在汤姆逊也独立完成了电子衍射实验。但他是在德布罗意理论启发下自觉进行实验的。他采用了高能电子束穿德布罗意理论启发下自觉进行实验的。他采用了高能电子束穿过细晶体粉末或薄金属片做透射实验，很快得到了衍射环，并过细晶体粉末或薄金属片做透射实验，很快得到了衍射环，并计算出了相应的波长。计算出了相应的波长。G.P.G.P.汤姆逊与汤姆逊与 C.J. C.J.戴维森共获戴维森共获 1937 1937 年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。3321

430、.1.薛定谔简介薛定谔简介(ESchrdinger, 18871961) 奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。奥地利理论物理学家，波动力学的创始人。 1887年生于年生于维也纳。维也纳。1906年入维也纳大学物理系学习，年入维也纳大学物理系学习，1910年获得博士学年获得博士学位。毕业后，在维也纳大学第二物理研究所工作。位。毕业后，在维也纳大学第二物理研究所工作。1920年移居年移居耶拿，担任维恩的物理实验室助手。耶拿，担任维恩的物理实验室助手。1921年，薛定谔受聘到瑞年，薛定谔受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授。士苏黎士大学任数学物理学教授。1927年接替普朗克任柏林大年接替普朗克任柏

431、林大学理论物理学教授。同年当选为普鲁士科学院院士。学理论物理学教授。同年当选为普鲁士科学院院士。1933年受年受德国纳粹党徒的迫害，离开苏黎士到英国任牛津大学任物理学德国纳粹党徒的迫害，离开苏黎士到英国任牛津大学任物理学教授。同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理学奖。教授。同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理学奖。 1936 1936年回到奥地利，年回到奥地利，19381938年奥地利沦陷，逃往爱尔兰的都年奥地利沦陷，逃往爱尔兰的都柏林，在都柏林高级研究所，成为理论物理学的领军科学家。柏林，在都柏林高级研究所，成为理论物理学的领军科学家。19561956年，回到奥地利，成为维也纳大学物理系的名誉教授。奥年

432、，回到奥地利，成为维也纳大学物理系的名誉教授。奥地利政府设立了以他的名字命名的国家奖金。地利政府设立了以他的名字命名的国家奖金。19611961年在奥地利年在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝。的阿尔卑巴赫山村病逝。量量 子子 理理 论论 的的 发发 展展二二. 波动力学的建立波动力学的建立3332.2.与爱因斯坦的讨论与爱因斯坦的讨论 1925 1925年前后，爱因斯坦正在研究气体理论，发表了单原年前后，爱因斯坦正在研究气体理论，发表了单原子理想气体的量子理论子理想气体的量子理论和和。薛定谔当时也在研究气体理。薛定谔当时也在研究气体理论，他对爱因斯坦的论文很不理解，认为有错，于论，他对爱因斯坦的论文

433、很不理解，认为有错，于19251925年年2 2月月5 5日写信给爱因斯坦进行讨论。爱因斯坦在回信中建议他仔细研日写信给爱因斯坦进行讨论。爱因斯坦在回信中建议他仔细研究德布罗意的博士论文，这促使了薛定谔对德布罗意物质波思究德布罗意的博士论文，这促使了薛定谔对德布罗意物质波思想的极大关注，并迅速掌握了德布罗意的新思想。到薛定谔发想的极大关注，并迅速掌握了德布罗意的新思想。到薛定谔发表波动力学之前，薛定谔与爱因斯坦之间共同通了九封信。表波动力学之前，薛定谔与爱因斯坦之间共同通了九封信。3.3.德布罗意思想的影响德布罗意思想的影响 19251925年，著名物理学家德拜主持了一个学术讨论会，指年，著名

434、物理学家德拜主持了一个学术讨论会，指定由薛定谔报告德布罗意理论。当薛定谔介绍完之后，德拜定由薛定谔报告德布罗意理论。当薛定谔介绍完之后，德拜评论说，评论说，“讨论波动而没有一个波动方程，太幼稚了讨论波动而没有一个波动方程，太幼稚了”。这。这次讨论会，实际上就是薛定谔事业的开端。次讨论会，实际上就是薛定谔事业的开端。 1926 1926年上半年，薛定谔以作为本征值问题的量子化年上半年，薛定谔以作为本征值问题的量子化为总题目，连续发表了六篇论文，建立了波动方程，创立了为总题目，连续发表了六篇论文，建立了波动方程，创立了波动力学体系。波动力学体系。3341.海森堡的贡献海森堡的贡献 德国物理学家，德

435、国物理学家，1920年进入慕尼黑大学物理系，师从年进入慕尼黑大学物理系，师从索末索末菲菲攻读理论物理学。攻读理论物理学。1923年考取博士，先后跟随年考取博士，先后跟随玻恩玻恩和和玻尔玻尔学习，并在他们的指导学习，并在他们的指导下，研究量子伦。海森堡曾经说过：下，研究量子伦。海森堡曾经说过：“在索莫菲那里学了物理，在索莫菲那里学了物理，玻恩那里学了数学，玻尔那里学了哲学。玻恩那里学了数学，玻尔那里学了哲学。” 海森堡海森堡1925年年7月创建矩阵力学，月创建矩阵力学，1927年提出测不准关系，年提出测不准关系，同年任莱比锡大学理论物理学教授，同年任莱比锡大学理论物理学教授，1941年任柏林大学

436、物理学年任柏林大学物理学教授和威廉皇家物理研究所所长。因创立量子力学获教授和威廉皇家物理研究所所长。因创立量子力学获1932年诺年诺贝尔物理学奖，贝尔物理学奖，1976年在慕尼黑的家中去世。年在慕尼黑的家中去世。三三.矩阵力学的创立矩阵力学的创立在矩阵力学的建立中，海森堡于在矩阵力学的建立中，海森堡于1925年首先取得突破性年首先取得突破性成果，后来由成果，后来由海森堡海森堡、波恩波恩和和约当约当三人共同完成。三人共同完成。335海森堡认为，海森堡认为，理论必须建立在实验中可观察量的基础上理论必须建立在实验中可观察量的基础上，他他“相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题，而应该只用和相信应该不考

437、虑原子里有电子轨道的问题，而应该只用和谱线强度相联系的频率和振幅来处理谱线强度相联系的频率和振幅来处理。”1925年年7月，海森堡写了关于运动学和力学关系的量月，海森堡写了关于运动学和力学关系的量子论新释，在文中，他按照经典力学中用振幅和频率表示子论新释，在文中，他按照经典力学中用振幅和频率表示坐标的方法，坐标的方法，得出量子论的得出量子论的x x表达式：表达式： 海森堡的数学方法，当时对大多数物理学家并不熟悉，波海森堡的数学方法，当时对大多数物理学家并不熟悉，波恩经过几天的思考后，这就是恩经过几天的思考后，这就是7070年前被创立的矩阵演算，所以年前被创立的矩阵演算，所以海森堡的理论就被称为

438、海森堡的理论就被称为“矩阵力学矩阵力学”。3362.2.玻恩的工作玻恩的工作 随即波恩运用海森堡的矩阵方法为海森堡的理论建立严密随即波恩运用海森堡的矩阵方法为海森堡的理论建立严密的数学基础，当时海森堡已去英国剑桥访问，玻恩找了年轻数的数学基础，当时海森堡已去英国剑桥访问，玻恩找了年轻数学家学家约当约当作助手，于同年作助手，于同年9 9月发表关于量子力学月发表关于量子力学。 1925 1925年年1111月，月，海森堡、玻恩和约当海森堡、玻恩和约当合作完成了论文关于合作完成了论文关于量子力学量子力学。论文中，他们将结果推广到多自由度和有简并。论文中，他们将结果推广到多自由度和有简并的情况，系统的

439、论述了本征值问题，建立了定态微扰和含时间的情况，系统的论述了本征值问题，建立了定态微扰和含时间微扰的基础，讨论了角动量、谱线强度和选择定则，奠定了以微扰的基础，讨论了角动量、谱线强度和选择定则，奠定了以矩阵形式表示的量子力学的基础理论。矩阵形式表示的量子力学的基础理论。3.波动力学和矩阵力学的等价性波动力学和矩阵力学的等价性1926年年4月发表了关于海森堡月发表了关于海森堡-玻恩玻恩-约当的量子力学约当的量子力学与我的波动力学之间的关系，从数学上证明了两种理论与我的波动力学之间的关系，从数学上证明了两种理论的等价性。的等价性。后来，把矩阵力学和波动力学合在一起，统称为量子后来，把矩阵力学和波动

440、力学合在一起，统称为量子力学。力学。337四四.玻尔与爱因斯坦的争论：玻尔与爱因斯坦的争论：量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意量子力学建立以后，对于量子力学的物理解释和哲学意义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学义，一直存在着严重的分歧和激烈的争论。许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论。争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻争论之深刻、广泛，在科学史上是罕见的。在这其中，以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目。338波函数的几率诠释：波函

441、数的几率诠释：在微观领域里，力学的因果律和决定在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。在相同的实验条件下，可以发生各种不可论都遭到了破坏。在相同的实验条件下，可以发生各种不可预测个体量子过程，预测个体量子过程，每次测量都会由于观测仪器与客体之间每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件不可控制的相互作用而引进新的实验条件，使通常情况下的，使通常情况下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。1921年玻尔在年

442、玻尔在丹麦丹麦哥本哈根哥本哈根创建了理论物理研究所创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所年改名为玻尔研究所)。并很快成为当时国际上公认的物理研究。并很快成为当时国际上公认的物理研究中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学中心。逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，派。对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献，代表人物有玻代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等尔、海森堡、泡利和玻恩等。海森堡的。海森堡的“测不准关系测不准关系”和玻尔的和玻尔的“互补原理互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱。构成了哥本哈根学派诠

443、释量子力学的两大主要支柱。1927年后，逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量年后，逐渐为大多数物理学家所接受。因此被人们称为量子力学的子力学的“正统正统”解释。解释。1.量子力学的哥本哈根学派的诠释：量子力学的哥本哈根学派的诠释：339测不准关系：测不准关系：19271927年，海森堡在论文量子论中运动学和年，海森堡在论文量子论中运动学和动力学的可观测内容中，提出了著名的动力学的可观测内容中，提出了著名的“测不准原理测不准原理”。为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：为了说明他的测不准原理，海森堡设计了一个理想实验：用用一个一个射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光

444、射线显微镜观测一个电子。由于显微镜的分辨率受光波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短波波长的限制，为了精确确定电子的位置，应该使用波长短的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引的光，而波长越短，光子的动量越大，根据康普顿散射，引起电子动量的变化就越大。起电子动量的变化就越大。因此电子的位置愈准确，就愈难因此电子的位置愈准确，就愈难确定电子的动量。反之亦然。确定电子的动量。反之亦然。互补原理：互补原理：微观粒子具有波粒二相性，微观粒子具有波粒二相性，是用经典语言描述微是用经典语言描述微观客体的结果，但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时观客体的结果，但经典理论中波和粒

445、子这两种图象却不能同时存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图象都不能向存在，它们是相互排斥的，并且，无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图象结合起来、我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图象结合起来、相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补相互补充，才能提供微观客体的完整描述。这就是玻尔的互补原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原原理。这种互补概念适用与整个物理学，甚至成为一种哲学原理。理。340以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、以爱因斯坦为首的另一部分物理学家，如薛定谔、德布德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑

446、。主要表现在两方罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑。主要表现在两方面：面：因果性还是几率波？因果性还是几率波？量子力学仅可建立在可观察量的基础上？量子力学仅可建立在可观察量的基础上？2.爱因斯坦的观点爱因斯坦的观点341序幕：序幕：19261926年年9 9月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。即的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。即以传统的连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。以传统的

447、连续性观念，代替量子力学理论中的间断性观念。薛定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这薛定谔的这一想法一提出来，立即遭到玻尔的强烈反对。这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕。玻尔的互补原理：玻尔的互补原理：19271927年年9 9月，在意大利科摩召开的一次纪月，在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上，玻尔第一次提出念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上，玻尔第一次提出了了“互补原理互补原理”。这篇演说不仅用物理学语言，而且还用了。这篇演说不仅用物理学语言，而且还用了大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和老厄

448、不大量的哲学语言。这使科学家们感到震惊。薛定谔和老厄不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在测不准关系赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上。或其他不确定的统计解释上。3.论战的爆发：论战的爆发：342论战开始：论战开始：几个星期后，几个星期后，19271927年年1010月在布鲁塞尔召开了第月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议。会议主题是五次索尔维会议。会议主题是“电子和光子电子和光子”。在玻恩和海。在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出：森堡做关于矩阵力学的报告时指出：“我们主张量子力学是我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说

449、是不能进一一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。步被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着这番话无疑是向不同意见提出了挑战。接着玻尔阐述了他的玻尔阐述了他的“互补原理互补原理”，重复了他在科摩会议上的观点。，重复了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，他曾在由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满，他曾在1926年年12月给玻恩写信时说：月给玻恩写信时说：“上帝不是在掷骰子上帝不是在掷骰子”，当玻恩，当玻恩问到爱因斯坦的意见时，爱因斯坦表示赞同量子力学的系综问到爱因斯坦的意见时，爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释，但几率

450、解释，但不赞成把量子力学看成是不赞成把量子力学看成是单个过程的单个过程的完备理论完备理论的观点。的观点。（爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认（爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满，认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的，所以只能得出不确定为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的，所以只能得出不确定的结果。）的结果。）爱因斯坦的发言掀起了波浪，也从此引发了他和玻爱因斯坦的发言掀起了波浪，也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。爱因斯坦的单缝衍射实验（略）爱因斯坦的单缝衍射实验（略）双缝干涉实验双缝干涉实验

451、（略）（略）3434.争论的高潮争论的高潮在在1930年年10月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦与月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔的争论达到一个高潮。会议主题是玻尔的争论达到一个高潮。会议主题是“物质的磁性物质的磁性”，不过关，不过关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯坦于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容。起因是爱因斯坦提出了一个新的理想实验，试图从能量和时间这一对共轭变量提出了一个新的理想实验，试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系。的测量来否定测不准关系。“光子箱光子箱”实验：实验：如图示。一个光子箱悬挂在上底座上，不如图示。一个光子箱悬挂在上

452、底座上，不消耗辐射能。箱壁上开一小孔消耗辐射能。箱壁上开一小孔C，并设有用计时装置控制的快，并设有用计时装置控制的快门。箱子下面挂一重物门。箱子下面挂一重物G，整个箱子重量可由装在箱子外面的，整个箱子重量可由装在箱子外面的指针测定。在从快门打开到闭合的时间指针测定。在从快门打开到闭合的时间t里，只让一个光子里，只让一个光子飞出；飞出；t可通过计时装置精确测定；由于飞出一个光子而引可通过计时装置精确测定；由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变起的整个箱子的质量改变m也可精确测定，由质能关系式即也可精确测定，由质能关系式即可计算出能量的变化可计算出能量的变化E。这样。这样t和和E就可同时精确测

453、定。测就可同时精确测定。测不准关系不再成立。不准关系不再成立。344 玻尔指出，如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的，那么玻尔指出，如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的，那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时，箱子必将沿重力当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时，箱子必将沿重力方向发生运动。箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效方向发生运动。箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变，从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由应而发生改变，从而使时间的测量产生一个不确定量。玻尔由此得出结论：用这种仪器作为精确测定光子能量的工具，将不此得出结论：用这种仪器作为精确测定光子能量的工具，将

454、不能控制光子逸出的时间。能控制光子逸出的时间。 爱因斯坦精心设计的爱因斯坦精心设计的“光子箱光子箱”理想实验，不但没有难倒理想实验，不但没有难倒玻尔，反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不玻尔，反而成了测不准原理的一个绝好例证。爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责。承认玻尔的结论无可指责。 “EPR “EPR佯谬佯谬”：第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性，但是仍森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性，但是仍坚持认为量子力学是不完备的。坚持认为量子力学是不完备的。19351935年年5 5月

455、爱因斯坦和美国物月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基理学家波多尔斯基(B.E.(B.E.P Podolsky)odolsky)、罗森、罗森(N.(N.R Rosen)osen)合作发表合作发表了能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，对量了能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？，对量子力学完备性提出了有力的反驳，即子力学完备性提出了有力的反驳，即“EPREPR佯谬佯谬”。3455.5.没有结尾的尾声没有结尾的尾声 由于二次世界大战，争论平息了一个时期。由于二次世界大战，争论平息了一个时期。 这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认，统计性这是一场真正的科学论战。爱因斯坦完全承认，统计性的

456、量子理论为理论物理学带来了极其重大的进展；这个理论的量子理论为理论物理学带来了极其重大的进展；这个理论也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论。玻尔更是这样，据他的助手回忆，在每一个重起来的理论。玻尔更是这样，据他的助手回忆，在每一个重大问题上，玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的；大问题上，玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的；19621962年年1111月月1818日玻尔逝世时，人们在他工作室的黑板上发现日玻尔逝世时，人们在他工作室的黑板上发现了两张草图，其中之一就是爱因斯坦的光子箱。了两张草图，其中之一就是爱因

457、斯坦的光子箱。3466.6.意义意义 爱因斯坦和玻尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄清，爱因斯坦和玻尔的争论，使量子力学的意义不断得到澄清，一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义。这场争论也是量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是：量子力学发展的一个组成部分。这个争论的一个中心论题是：科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？科学规律本质上是因果性的，还是概率性的？量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所的实在是

458、量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。成由彼此分离的、独立的部分组成的。347玻尔：谁如果在量子面前不感到玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他样如果谁不为此理论感到困惑

459、，他也不是一个好的物理学家。也不是一个好的物理学家。348349一一 人工核反应的实现及质子的发现（略）人工核反应的实现及质子的发现（略）二二 中子的发现（略）中子的发现（略）三三 人工放射性的发现人工放射性的发现（略）（略）四四 慢中子效应和核裂变的发现慢中子效应和核裂变的发现（略）（略）五五 正电子的发现正电子的发现（略）（略）六六 中微子的发现中微子的发现（略）（略）七七 介子理论的建立介子理论的建立（略）（略）八八 奇异粒子的研究奇异粒子的研究（略）（略）九九 粒子的分类粒子的分类十十 强子结构和夸克理论强子结构和夸克理论第十章第十章 原子核及粒子物理学的兴起原子核及粒子物理学的兴起3

460、50九九基本粒子的分类基本粒子的分类 现在公认的科学分类方法是现在公认的科学分类方法是按粒子参与相互作用的类型来按粒子参与相互作用的类型来分分。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。弱相互作用、引力相互作用。轻子：轻子：主要参与弱作用，带电的轻子也参与电磁作用，自旋主要参与弱作用，带电的轻子也参与电磁作用，自旋都是都是1/21/2，所以是费米子；，所以是费米子；轻子必定以粒子与反粒子对的形式生轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭。成湮灭。电子等电子等6 6种是轻子，加上它们的反粒子，轻子共种是轻子，加上

461、它们的反粒子，轻子共1212种。种。强子：强子：直接参与强相互作用的粒子统称为强子，强子也参与直接参与强相互作用的粒子统称为强子，强子也参与弱作用，带电强子也参与电磁相互作用。强子又分为介子和重弱作用，带电强子也参与电磁相互作用。强子又分为介子和重子两类：自旋为整数或零的称为介子，如子两类：自旋为整数或零的称为介子，如、K K、等；自旋为等；自旋为半整数的称为重子，半整数的称为重子，如如p p、n n、等；等；规范玻色子：规范玻色子：是传递各种相互作用的中介者，它们是传递电是传递各种相互作用的中介者，它们是传递电磁作用的光子；传递弱作用的磁作用的光子；传递弱作用的W W、Z Z0 0，传递强作

462、用的胶子。胶，传递强作用的胶子。胶子至今未发现。规范玻色子都是玻色子。子至今未发现。规范玻色子都是玻色子。351十十强子结构强子结构 19641964年盖尔曼提出强子结构的年盖尔曼提出强子结构的“夸克夸克”模型：他认为夸克模型：他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子，所有强子都是由三种夸克是自然界中更基本的组成粒子，所有强子都是由三种夸克（上（上夸克夸克(u)(u)、下夸克、下夸克(d)(d)、奇异夸克、奇异夸克(s) (s) ）和它们的反粒子组成。和它们的反粒子组成。夸克性质：夸克性质：夸克必须是费米子。夸克必须是费米子。 夸克具有分数电荷。夸克具有分数电荷。 夸克带有色荷夸克带有色荷：红色：

463、红色(R)(R)、黄色、黄色(Y)(Y)、绿色、绿色(G)(G)。 这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度。这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度。标准模型：标准模型： 中子中子由由2 2个下夸克和个下夸克和1 1个上夸克构成，写作个上夸克构成，写作(udd)(udd)；质子质子则则由由2 2上夸克和上夸克和1 1下夸克构成，记为下夸克构成，记为(uud)(uud)。在强子内部，夸克通。在强子内部，夸克通过胶子传递强相互作用。胶子带有色荷，彼此有相互作用，可过胶子传递强相互作用。胶子带有色荷，彼此有相互作用，可以形成胶子以形成胶子- -胶子束缚态（即胶球）。胶子束缚态（即胶球）。352夸克

464、囚禁夸克囚禁核子在原子核内是通过核力约束的，而核力对核子的约核子在原子核内是通过核力约束的，而核力对核子的约束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脱离原子束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脱离原子核并不是非常困难。核并不是非常困难。夸克在强子内的约束力是夸克在强子内的约束力是“色力色力”，但色力却使夸克不可，但色力却使夸克不可跨越。从实验情况看，人们从未发现单个自由的夸克，只有跨越。从实验情况看，人们从未发现单个自由的夸克，只有2个或个或3个夸克的集合体才能处于自由状态。通常情况下，夸克个夸克的集合体才能处于自由状态。通常情况下，夸克总是被约束在质子和中子内部。夸克要冲破色力的

465、束缚成为总是被约束在质子和中子内部。夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的。这种现象称作自由夸克几乎是不可能的。这种现象称作“夸克囚禁夸克囚禁”。但粒子加速器上的实验，却显示质子中的夸克粒子间，但粒子加速器上的实验，却显示质子中的夸克粒子间，好像并没有相互作用力。好像并没有相互作用力。“弦弦”模型：模型： 1968年，意大利的年，意大利的维尼基亚诺维尼基亚诺(Vineziano)找到了一个与找到了一个与量子场论无关的函数。用这个函数描述粒子的性质，粒子将量子场论无关的函数。用这个函数描述粒子的性质，粒子将等效成一根一维弦。等效成一根一维弦。353“渐近自由渐近自由”理论：理论：1973

466、年，正在普林斯顿大学攻读博士学位的年，正在普林斯顿大学攻读博士学位的维尔切克维尔切克和和其导师其导师格罗斯格罗斯共同发表了一篇论文，提出强作用理论中的共同发表了一篇论文，提出强作用理论中的“渐渐近自由近自由”理论。同年，正在哈佛大学攻读博士学位的理论。同年，正在哈佛大学攻读博士学位的波利策波利策也也独立发表的一篇论文，提出了同样的理论。独立发表的一篇论文，提出了同样的理论。“渐近自由渐近自由”理论，用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。理论，用数学模型解释了夸克的上述神秘行为。理论认为，强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大，因此理论认为，强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大，因此没有夸克可以

467、从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由。这些夸克会永久地被结合在一起，因此不可能找到单个的夸克。同样根会永久地被结合在一起，因此不可能找到单个的夸克。同样根据据“渐近自由渐近自由”理论，强作用力会随夸克间距离变小而减弱，理论，强作用力会随夸克间距离变小而减弱，这就意味着约束在质子等内部的夸克，在彼此距离足够小时，这就意味着约束在质子等内部的夸克，在彼此距离足够小时，将近乎自由地进行运动。将近乎自由地进行运动。这个发现导致了这个发现导致了“量子色动力学量子色动力学”(QCD)的诞生，这是一的诞生，这是一个关于强相互作用的理论。个关于强相互作用的理论

468、。354 美国加州理工学院的美国加州理工学院的许瓦兹许瓦兹(J.G.Schwarz)和和舍科舍科(Sherk)。从从1979年起，共同致力于弦理论研究。年起，共同致力于弦理论研究。在这个在这个“弦弦”模型中，模型中，介子中的正反夸克就象系于一根介子中的正反夸克就象系于一根“弦弦”的两端。重子中的三个的两端。重子中的三个夸克则由三个夸克则由三个“弦弦”连系着。这样，夸克间的距离越远，弦的连系着。这样，夸克间的距离越远，弦的张力就越大，即色力随着距离的增大而增大，因此夸克不可张力就越大，即色力随着距离的增大而增大，因此夸克不可能挣脱能挣脱“弦弦”的作用而变为的作用而变为“自由夸克自由夸克”。夸克只

469、能在。夸克只能在“弦弦”的控的控制下，在距离较近时，获得制下，在距离较近时，获得“渐进自由渐进自由”。 弦有开弦和闭弦两种，弦的线度为普朗克长度。单弦的弦有开弦和闭弦两种，弦的线度为普朗克长度。单弦的每一振动模式，都对应一种粒子，粒子间的基本相互作用就每一振动模式，都对应一种粒子，粒子间的基本相互作用就是弦的分裂和接合。是弦的分裂和接合。这三位美国科学家戴维这三位美国科学家戴维格罗斯、戴维格罗斯、戴维波利策和弗兰克波利策和弗兰克维维尔切克，因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象，荣获尔切克，因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象，荣获2004年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。355刚才的发言，如刚才的发言，如有不当之处请多指有不当之处请多指正。谢谢大家！正。谢谢大家！356