物理學史講座課件

1、物理學史講座從牛頓到愛因斯坦物理學史講座 “自然和自然的法則 在黑暗中隱藏； 上帝說：讓牛頓去吧！于是，一切都已照亮?！辈ㄆ眨ㄓ娙耍┪锢韺W史講座 愛因斯坦：“卓別林先生您的藝術全世界的人都能看懂，您一定能成為一位偉大的藝術家?！?卓別林：“愛因斯坦先生，您的著作全世界沒有幾個人能看懂，但您已經(jīng)成為一位偉大的科學家物理學史講座托勒密地心說體系 古希臘人托勒密物理學史講座波蘭人哥白尼哥白尼日心說示意圖日心說的創(chuàng)立和天體運行論的出版 物理學史講座約翰開普勒（1571-1630），德國近代著名的天文學家、數(shù)學家、物理學家和哲學家。一、開普勒天空的立法者一個貧窮而富有的人（1）一個憑借精神克服惡劣家

2、境與病弱身體的人（2）一個被國家餓死的天文學家（3）一個精神上富有的人物理學史講座開普勒行星三定律-中世紀科學與近代科學的分水嶺 1600年與第谷合作，使他從第谷處 獲得了大量精確的天文學數(shù)據(jù)。 于1609和1619年，他先后提出了 行星運動三定律。第谷在天文臺工作第谷用過的望遠鏡主要貢獻物理學史講座1609年，開普勒出版了新天文學一書，提出了著名的開普勒第一定律和第二定律。第一定律（軌道定律）：所有行星繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上。開普勒第一定律物理學史講座第二定律（等面積定律）：對任意一個行星來說，它與太陽的連線在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。物理學史講座1619年，開

3、普勒在宇宙諧和論一書中又提出了第三定律第三定律（周期定律）：所有行星的軌道的半長軸的三次方跟它的公轉周期的二次方的比值都相等，記為：奇妙的“2”和“3” 這是一個十分重要的自然定律。不僅行星遵循著它，連同行星的衛(wèi)星以及太陽周圍的其他天體概無例外。從而可以確定，太陽和它周圍的所有天體不是偶然的、沒有秩序的“烏合之眾”，而是一個有嚴密組織的天體系統(tǒng)太陽系。行星的復雜運動，立刻就失去全部神秘性。它成了天空世界的“法律”。后世學者尊稱開普勒為“天空立法者”。物理學史講座 的確，把幾千個數(shù)據(jù)歸納成如此簡潔的幾句話，這是極為杰出的成就。不過，開普勒并不知道，他所發(fā)現(xiàn)的三個定律蘊涵著極其重大的“天機”，那就

4、是萬有引力定律。揭示這一自然奧秘的任務是后來牛頓完成的，但開普勒的理論為牛頓經(jīng)典力學的建立提供了重要基礎。從開普勒起，天文學真正成為一門精確科學，他成為近代科學的開路先鋒。開普勒物理學史講座伽利略（1564-1642）意大利偉大的物理學家和天文學家，被譽為“近代科學之父”。 二、伽利略經(jīng)典力學的奠基者物理學史講座伽利略的科學人生（1）學生時期的“興趣轉移”（2）著名的“比薩斜塔實驗” （3）從羅馬宮廷的座上賓到階下囚物理學史講座 （1）（1609年）自制望遠鏡（放大1000倍）證明了哥白尼“日心說”的正確性。為紀念他首先用望遠鏡觀察星空這一壯舉，2009年為稱為“國際天文年”。 （2）發(fā)現(xiàn)木星

5、的4顆衛(wèi)星 （3）發(fā)現(xiàn)太陽黑子 （4）定出太陽自轉周期伽利略的折射式望遠鏡1、伽利略在天文學方面的貢獻：物理學史講座2、在力學方面的貢獻： （1）確立描述運動的基本特征量速度和加速度。（2）用理想實驗和斜面實驗駁斥了亞里士多德的“重物下落快”的錯誤觀點，發(fā)現(xiàn)自由落體定律，v=gt、h=gt2/2。(3)發(fā)現(xiàn)慣性定律隔了一代人，被牛頓總結成動力學的基本定律之一。 （4）提出了運動的相對性原理。物理學史講座3、對科學方法的貢獻 斜面實驗在2002年被評為歷史上“最美麗”的十大物理實驗之一。從斜面實驗看伽利略的研究方法：伽利略在解釋其觀察結論 對現(xiàn)象的觀察 提出假設（勻加速運動假設） 進行數(shù)學和邏輯

6、的推理（xt2） 實驗驗證 形成理論 開創(chuàng)了科學實驗方法，核心是將實驗和邏輯推理（包括數(shù)學演算）相結合。提出了理想實驗。物理學史講座 1632年伽利略出版關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話,被判終身監(jiān)禁，軟禁期間，一直未中斷過研究工作，直到逝世前。伽利略受審300年后，即1979年，羅馬教皇為伽利略平反。羅馬教庭對伽利略的審判 愛因斯坦評價他說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學真正的開端?！?伽利略被后人稱為“現(xiàn)代物理之父”。物理學史講座 三、牛頓科學的代言人1、度日艱難的遺腹子2、一位伯樂：牛頓的恩師巴羅3、被迫中斷的兩年鄉(xiāng)村生活4、不

7、朽的著作：自然哲學的數(shù)學原理牛頓（16431727年）英國數(shù)學家、天文學家和物理學家。物理學史講座 近代科學并不是某個人在某一天創(chuàng)造的。但是如果一定要舉出某個人某一天作為近代科學誕生的標志，我選牛頓自然哲學的數(shù)學原理在1687年出版的那一天。 楊振寧物理學史講座1、力學成就之牛頓力學三定律 牛頓創(chuàng)建了力學模型，把物體視為質(zhì)點（理想模型），將模型與數(shù)學相結合研究了物體運動規(guī)律，使物理學成為定量的學科。模型方法不僅是物理學，而且已成為現(xiàn)代科學研究的基本方法之一。 牛頓第一定律：慣性定律一個不受外力作用的物體將保持它的靜止或勻速直線運動狀態(tài)。這個定律首先歸功于伽利略和笛卡兒的貢獻，但他們的那個年代還

8、沒有力的概念，牛頓的高明之處在于他將物體間復雜多樣的相互作用抽象為“力”，于是在隔了一代人以后，牛頓將它作為力學定律提出，并引入“質(zhì)點”來描述物體慣性的大小。物理學史講座 牛頓第三定律：作用力和反作用力定律兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。 牛頓第二定律：物體加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。用公式便是就是 ，這是動力學的最基本定律。 牛頓力學三定律，為力學奠定了堅實的基礎，并對其他學科的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。物理學史講座 力學成就之萬有引力定律 開普勒三定律問世后，人們又關心著一個新的課題：是什么原因使

9、天體具有這樣一個和諧的結構？ 英國的科學家胡克( 1635-1703)、哈雷(1656-1742)在引力問題的研究上都作出過重要貢獻。 1674年，胡克在一次演講中提出引力隨 離吸引中心的距離而變化。1680年初，在給牛頓的信中正式提出了引力與距離平方成反比的觀點，但他并沒有將自己的引力思想如牛頓所作的那樣用數(shù)學式子表示出來，并用太陽、地球、月亮、行星和地球上物體的運動實例來加以驗證。因此，把發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的殊榮讓給了牛頓，但胡克的某些想法對牛頓完成萬有引力的研究是起著積極的啟示作用的。（牛頓沒有回信，但事實上采用了胡克的見解）牛頓用微積分導出了萬有引力定律表達式。物理學史講座 萬有引力公式

10、的建立 牛頓將第二、第三定律和開普勒定律相結合，建立了萬有引力公式 其中引力常數(shù)G的測定是100多年以后由卡文迪許利用扭秤實驗測得。此實驗也被評為歷史上“最美麗”的十大實驗之一。 物理學史講座理論預言的實踐檢驗哈雷彗星和海王星的發(fā)現(xiàn)哈雷彗星 海王星 英國劍橋大學生亞當斯和法國天文學家勒維耶各自獨立利用萬有引力定律計算出這顆“新”行星的軌道，1846年9月23日晚，德國的加勒在預言的位置附近發(fā)現(xiàn)了這顆行星，人們稱其為“筆尖下發(fā)現(xiàn)的行星”。后來，這顆行星命名為“海王星”。物理學史講座 海王星的發(fā)現(xiàn)和哈雷彗星的“按時回歸”確立了萬有引力定律的地位，也成為科學史上的美談。 諾貝爾物理學獎獲得者，物理學

11、家馮勞厄說“沒有任何東西像牛頓引力理論對行星軌道的計算那樣，如此有力地樹立起人們對年輕的物理學的尊敬。從此以后，這門自然科學成了巨大的精神王國-”物理學史講座 時至今日數(shù)千顆人造衛(wèi)星和宇宙飛船，正在按照萬有引力定律為它們“設定”的軌道在宇宙中飛行著，以至于阿波羅宇宙飛船從月球返航的途中，當?shù)孛婵刂浦行膯柤啊艾F(xiàn)在是誰在駕駛飛船”時，指令長回答道：“我想現(xiàn)在是牛頓在駕駛。” 自古以來當人民仰望星空時，天空中壯麗璀璨的景象便吸引了他們的注意力。牛頓以他過人的才智把空中的現(xiàn)象與地面上的現(xiàn)象統(tǒng)一起來，成功地闡釋了天體運動的規(guī)律。物理學史講座2牛頓在科學研究方法上的貢獻 牛頓在這本書不僅講了研究的目的，還

12、講了科學研究方法。即從特殊（現(xiàn)象）到一般（規(guī)律），再從一般回到特殊。前者是英國哲學家培根強調(diào)的“歸納法”，它以實驗為基礎；后者是被數(shù)學家兼哲學家的笛卡兒所強調(diào)的“演繹法”，它要用數(shù)學工具。自然哲學的數(shù)學原理物理學史講座 牛頓的研究方法：歸納-演繹法歸納法：從實驗出發(fā)，由特殊到一般演繹法：以理論為主，由一般到特殊 在牛頓前，兩種方法被認為是互相排斥的。牛頓在科學方法上的重大貢獻就是他把兩種方法結合起來了。 牛頓的自然哲學思想以及歸納法和演繹法相結合，模型和數(shù)學相結合的科學研究方法，從力學的基本概念和基本定律出發(fā)，利用他所發(fā)明的微積分這一數(shù)學工具，把天體力學和地面上的力學統(tǒng)一起來，創(chuàng)立了經(jīng)典力學，

13、實現(xiàn)了物理學史上第一次大綜合，而且推動了近代科學的大發(fā)展。物理學史講座3、成功的原因 牛頓取得偉大成就在于時代、勤奮、方法這樣三個因素。牛頓所處的時代，伽利略和開普勒已經(jīng)在地上和天上這兩個領域實現(xiàn)了局部的綜合，具體地說，沒有伽利略的“地上三定律”就沒有牛頓的三定律，沒有開普勒的“天上三定律”也沒有牛頓的萬有引力定律。牛頓說，“如果我比別人看得遠，那是因為我站在巨人肩上。物理學史講座物理學史講座4、一個真實的牛頓 對于前輩科學家的認識也是一個歷史發(fā)展的過程。歷史告訴我們，牛頓以其過人的天才和超越自身時代的發(fā)現(xiàn)，改變了人類對世界的認識和理解，并已浸潤到當今人類生活的各個方面。牛頓的科學思維是清晰的

14、，牛頓的科學態(tài)度是嚴謹?shù)?，牛頓的科學成果是劃時代的。所以人們不吝惜將最熱情的贊譽給予這位偉大的科學家。他死后，英國為他舉行了國喪，他的靈柩被安葬在威斯敏斯特教堂，成為英國的英雄。 但是，隨著一些塵封已久的資料的公開，人們又不得不相信，這位科學的代言人曾經(jīng)深陷煉金術的泥沼而不能自拔，并沉溺于宗教狂熱之中；他與胡克、萊布尼茲的爭斗中凸顯了他盛氣凌人的霸氣和學術道德的缺失。物理學史講座那么，我們今天如何看牛頓？ 牛頓傳作者懷特說：“用陸續(xù)挖掘出來的材料為牛頓畫像，畫出來的形象不一定十分美麗，但真實的人生本來如此，并不都是美麗的。我們應該驕傲地接受這樣一個人，既接受他獨特的才華與天分，也接受他怪異的行

15、徑與失敗?！?是的，牛頓犯過的錯誤和性格上的弱點也許比人們知道的更多；但也仍是一位無以倫比的巨人！讓我們永遠記住，人類曾經(jīng)存在過這樣一位偉大的智者，并從他的科學思想和科學成果中獲得教學和啟迪。物理學史講座牛頓物理學的局限性 當物體運動速率很高時（接近光速），當所描寫的體系很小時（微觀體系），當所描述的物質(zhì)系統(tǒng)很大，或引力很強時，牛頓的萬有引力、運動定律和牛頓的時空觀就不完全正確了，將由新的理論來代替。（相對論和量子力學）物理學史講座法拉第 愛因斯坦：自從牛頓奠定理論物理學的基礎以來，物理學的最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯偉在電磁現(xiàn)象的工作所引起的。麥克斯韋物理學史講座 四、法拉第 實驗大師

16、1、自學成才的科學家2、改變了人類文明（電氣時代）3、實驗大師、電學之父、交流電之父、發(fā)明家法拉第(17911867)，英國物理學家、化學家。物理學史講座1、改變?nèi)祟惷\的偉大發(fā)現(xiàn)電磁感應： 奧斯特夢圓“電生磁”： 法拉第評價說“他突然打開了一個科學領域的大門，那里過去是一片漆黑，如今充滿了光明?！蔽锢韺W史講座 法拉第心系“磁生電”思想：各種自然現(xiàn)象都是相互關聯(lián)的。根據(jù)：磁鐵能使臨近的鐵塊感應帶磁磁化。 靜電荷能使鄰近的導體中感應出另一 種電荷 靜電感應。聯(lián)想：電與磁的性質(zhì)是相同的。既然電流能產(chǎn)生磁效應，那么根據(jù)電與磁的相似性，磁也能產(chǎn)生電呀！物理學史講座法拉第心系磁生電 志向：“我因為對當時

17、產(chǎn)生電的方法感到不滿意，因此急于想發(fā)現(xiàn)電磁及感應電流的關系，覺得電學在這條路上一定可以有充分的發(fā)展。” 經(jīng)過近10年的不斷實驗，到1831年法拉第終于用實驗揭開了電磁感應定律。法拉第的這個發(fā)現(xiàn)掃清了探索電磁本質(zhì)道路上的攔路虎，開通了在電池之外大量產(chǎn)生電流的新道路。成果：電磁感應現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與人類社會的電氣化。 根據(jù)這個實驗，1831年10月28日法拉第發(fā)明了圓盤發(fā)電機。這個圓盤發(fā)電機，結構雖然簡單，但它卻是人類創(chuàng)造出的第一個發(fā)電機。現(xiàn)代世界上產(chǎn)生電力的發(fā)電機就是從它開始的。物理學史講座法拉第心系磁生電趣聞：法拉第與貴婦人的對話。 一天法拉第在皇家學會表演他的發(fā)電機時，一位貴婦人冷冷地說：“這玩意

18、兒有什么用呢？”法拉第機智地回答：“夫人，你不應當去問一個剛出生的嬰兒會有什么出息，誰也不能預料嬰兒長大成人之后會怎么樣？”物理學史講座2、創(chuàng)造全新的物理概念場及其圖示法概念是科學的細胞：科學概念的提出，對科學理論的形成和發(fā)展，具有十分重要的意義。提出概念的基礎：既是長期實踐發(fā)展的產(chǎn)物，又是深入抽象思維的結果。物理學史講座法拉第的場概念及其圖示（1）一個更為深刻的問題： 、 的作用是怎樣的傳遞的？超距作用：不需要任何媒質(zhì)，也不需要任何時間評說：具有神秘色彩與人類的理智的科學追求不符。物理學史講座法拉第的看法： 1837年他引入了電場和磁場的概念，指出電和磁的周圍都有場的存在，這打破了牛頓力學“

19、超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1838年，他提出了電場線的新概念來解釋電、磁現(xiàn)象，這是物理學理論上的一次重大突破。 1852年，他又引進了磁感線的概念，從而為經(jīng)典電磁學理論的建立奠定了基礎。后來，英國物理學家麥克斯韋用數(shù)學工具研究法拉第的磁感線理論，總結出麥克斯韋方程組，最后完成了經(jīng)典電磁學理論。物理學史講座麥克斯韋方程組的核心地位： 麥克斯韋方程組在電磁學中的地位，如同牛頓運動定律在力學中的地位一樣。以麥克斯韋方程組為核心的電磁理論，是經(jīng)典物理學最引以自豪的成就之一。它所揭示出的電磁相互作用的完美統(tǒng)一，為物理學家樹立了這樣一種信念：物質(zhì)的各種相互作用在更高層次上應該是統(tǒng)一的。 至此經(jīng)典物理學（經(jīng)典力

20、學、經(jīng)典電磁理論、經(jīng)典統(tǒng)計熱學）由力學、電磁學、熱學、光學、聲學等構建的經(jīng)典物理學的大廈建立完畢。物理學史講座 物理學發(fā)展到19世紀末期，可以說已經(jīng)達到了相當完美，成熟的程度。物理學的輝煌成就使得不少物理學家躊躇滿志、沉溺于歡快陶醉之中，于是產(chǎn)生了這樣一種看法：物理學的大廈已經(jīng)落成，今后物理學家用不著再干什么了,只需要把各種數(shù)據(jù)測得精確些就行了。 1900年新春之際，著名物理學家開爾文勛爵在送別舊世紀所作的講演中講道：“19世紀已將物理學大廈全部建成，今后物理學家的任務就是修飾、完美這座大廈了?！蓖瑫r他也提到物理學的萬里晴空中卻飄來了兩朵令人不安的烏云，一朵為以太漂移實驗的否定結果，另一朵為黑

21、體輻射的紫外災難。這些無法用經(jīng)典物理學解釋的新發(fā)現(xiàn)，使經(jīng)典物理學陷入了危機。物理學史講座物理學晴朗天空中的兩朵烏云 The physical sky is obscured by two clouds邁克爾遜-莫雷實驗相對論黑體輻射與紫外災難量子力學物理學史講座 五、阿爾伯特愛因斯坦 愛因斯坦（1879年3月14日1955年4月18日），20世紀的偉大科學家，猶太裔理論物理學家，創(chuàng)立了相對論以及質(zhì)能方程E = mc 最著稱于世。 愛因斯坦被譽為是“現(xiàn)代物理學之父”及二十世紀世界最重要科學家之一。他卓越的科學成就和原創(chuàng)性使得“愛因斯坦”一詞成為“天才”的同義詞?？茖W革命的旗手物理學史講座1.人生

22、歷程 愛因斯坦于1879年3月14日出生在德意志帝國。 他的父親是一名商人。他的母親是一位音樂家。 愛因斯坦剛生下來時，腦袋特別大，與他身體的比例很不協(xié)調(diào)；尤其是后腦勺，不但大，而且有棱有角。要是一般的父母一定會擔心孩子是不是畸形兒，然而愛因斯坦的父親赫爾曼愛因斯坦卻說：“那是因為他那顆腦袋里裝的智慧太多了!”四歲時的愛因斯坦 物理學史講座讀書時期（1）1888年（9歲），開始中學學習。（2）1891年（12歲），自學歐幾里德幾何，感到狂熱的喜愛，同時開始自學高等數(shù)學。（3）1895年（16歲），自學完微積分。愛因斯坦開始思考當一個人以光速運動時會看到什么現(xiàn)象。對經(jīng)典理論的內(nèi)在矛盾產(chǎn)生困惑。（

23、4）1900年8月（21歲），愛因斯坦畢業(yè)于蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學；12月完成論文由毛細管現(xiàn)象得到的推論，次年發(fā)表在萊比錫物理學雜志上并入瑞士籍。（5）1901年3月21日（22歲），取得瑞士國籍。在這一年57月完成電勢差的熱力學理論的論文。物理學史講座畢業(yè)以后(1)1902年6月16日（23歲），被瑞士伯爾尼專利局雇傭。(2)1905年（26歲）發(fā)表了五篇不同領域的劃時代的論文，其中有獨立提出狹義相對論并建立了光量子論。開創(chuàng)物理學的新紀元，轟動了整個世界。1905年因此被稱為“愛因斯坦奇跡年”。2005年被定于國際物理年。（3）1909年（30歲）10月，離開伯爾尼專利局，任理論物理學副教授。（

24、4）1913年（34歲）重返德國，任柏林威廉皇帝物理研究所長和柏林洪堡大學教授，并當選為普魯士科學院院士。物理學史講座震驚世界（1）1914年（35歲）4月，一戰(zhàn)爆發(fā)，愛因斯坦在反對戰(zhàn)爭的告歐洲人民書上簽上自己的名字，這一“叛國”舉動震驚了全世界。（2）1915年（36歲）11月，提出廣義相對論引力方程的完整形式，并且成功地解釋了水星近日點運動。（3）1921年（42歲）愛因斯坦因光電效應研究而獲得諾貝爾物理學獎，他的研究推動了量子力學的發(fā)展。（4）1922年（43歲）1月，完成關于統(tǒng)一場論的第一篇論文。（5）1923年（44歲）發(fā)現(xiàn)了康普頓效應，解決了光子概念中長期存在的矛盾。（6）1924年（45歲）取得最后一個重大發(fā)現(xiàn)，從統(tǒng)計漲落的分析中得出一個波和物質(zhì)締合的獨立的論證。物理學史講座2、愛因斯坦的主要成就（1）分子運動論 愛因斯坦于1905年發(fā)表了關于液體中懸浮粒子運動的論文，這種運動就是布朗運動。另外愛因斯坦通過觀測由分子運動撞擊所產(chǎn)生的懸浮粒子的無規(guī)則運動來測定分子的實際大小。物理學史講座2、愛因斯坦的主要成就（2）量子統(tǒng)計理論 1905年，提出了光量子說，發(fā)表了關于光的產(chǎn)生和轉化的一個推測性觀點一文，這是歷史上第一次揭示微觀粒子的波粒二象性。在這篇文章中，愛因斯坦應用光量子說E=h，成功地解釋了光電效應，并提出愛因斯坦光電效