中學(xué)物理簡史

中學(xué)物理簡史什么是物理學(xué)：物理學(xué)是研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式、性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面，從而認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)的組成元素及其相互作用、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律的科學(xué)。

物理學(xué)的各分支學(xué)科是按物質(zhì)的不同存在形式和不同運(yùn)動(dòng)形式劃分的。人對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)來自于實(shí)踐，隨著實(shí)踐的擴(kuò)展和深入，物理學(xué)的內(nèi)容也在不斷擴(kuò)展和深入。隨著物理學(xué)各分支學(xué)科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的不同存在形式和不同運(yùn)動(dòng)形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學(xué)科之間開始互相滲透。物理學(xué)也逐步發(fā)展成為各分支學(xué)科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。物理學(xué)家力圖尋找一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律，從而統(tǒng)一地理解一切物理現(xiàn)象。這種努力雖然逐步有所進(jìn)展，但現(xiàn)在離實(shí)現(xiàn)這—目標(biāo)還很遙遠(yuǎn)?？磥砣藗儗?duì)客觀世界的探索、研究是無窮無盡的。

經(jīng)典力學(xué)：經(jīng)典力學(xué)是研究宏觀物體做低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象和規(guī)律的學(xué)科。宏觀是相對(duì)于原子等微觀粒子而言的；低速是相對(duì)于光速而言的。物體的空間位置隨時(shí)間變化稱為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。人們?nèi)粘Ｉ钪苯咏佑|到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)自遠(yuǎn)古以來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進(jìn)行天文觀察。16世紀(jì)后期，人們對(duì)行星繞太陽的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)、精密的觀察。17世紀(jì)開普勒從這些觀察結(jié)果中總結(jié)出了行星繞日運(yùn)動(dòng)的三條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。差不多在同一時(shí)期，伽利略進(jìn)行了落體和拋物體的實(shí)驗(yàn)研究，從而提出關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的初步理論。牛頓深入研究了這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，為經(jīng)典力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。亞當(dāng)斯根據(jù)對(duì)天王星的詳細(xì)天文觀察，并根據(jù)牛頓的理論，預(yù)言了海王星的存在，以后果然在天文觀察中發(fā)現(xiàn)了海王星。于是牛頓所提出的力學(xué)定律和萬有引力定律被普遍接受了。

經(jīng)典力學(xué)中的基本物理量是質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和動(dòng)量：一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)在某一時(shí)刻的狀態(tài)，由它的某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在這一時(shí)刻的空間坐標(biāo)和動(dòng)量表示。對(duì)于一個(gè)不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運(yùn)動(dòng)形式(如熱運(yùn)動(dòng)、電磁運(yùn)動(dòng)等)的力學(xué)系統(tǒng)來說，它的總機(jī)械能就是每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和動(dòng)量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時(shí)間的變化由總能量決定。在經(jīng)典力學(xué)中，力學(xué)系統(tǒng)的總能量和總動(dòng)量有特別重要的意義。物理學(xué)的發(fā)展表明，任何一個(gè)孤立的物理系統(tǒng)，無論怎樣變化，其總能量和總動(dòng)量數(shù)值是不變的。這種守恒性質(zhì)的適用范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典力學(xué)的范圍，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。

早在19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)就已經(jīng)成為物理學(xué)中十分成熟的分支學(xué)科，它包含了豐富的內(nèi)容。例如：質(zhì)點(diǎn)力學(xué)、剛體力學(xué)、分析力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流體力學(xué)等。經(jīng)典力學(xué)的應(yīng)用范圍，涉及到能源、航空、航天、機(jī)械、建筑、水利、礦山建設(shè)直到安全防護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)然，工程技術(shù)問題常常是綜合性的問題，還需要許多學(xué)科進(jìn)行綜合研究，才能完全解決。械運(yùn)動(dòng)中，很普遍的一種運(yùn)動(dòng)形式就是振動(dòng)和波動(dòng)。聲學(xué)就是研究這種運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化和吸收的分支學(xué)科。人們通過聲波傳遞信息，有許多物體不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過；頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠(yuǎn)的地方，因此能迅速傳遞地球上任何地方發(fā)生的地震、火山爆發(fā)或核爆炸的信息；頻率很高的聲波和聲表面波已經(jīng)用于固體的研究、微波技術(shù)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域；非常強(qiáng)的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工等。經(jīng)典電磁學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)

經(jīng)典電磁學(xué)是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)的學(xué)科。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負(fù)電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點(diǎn)上和萬有引力很相似。18世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動(dòng)，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

19世紀(jì)前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁棒插入導(dǎo)線圈時(shí)，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實(shí)驗(yàn)表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。

在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，人們認(rèn)識(shí)到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進(jìn)了力線的概念，認(rèn)為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁力線，電荷向各個(gè)方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場(chǎng)的概念。

現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到，電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，而這個(gè)磁場(chǎng)又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場(chǎng)也具有能量和動(dòng)量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個(gè)空間。19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)概念的核心思想是：變化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)；變化著的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達(dá)電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預(yù)言后來為赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。于是人們認(rèn)識(shí)到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。

由于電磁場(chǎng)能夠以力作用于帶電粒子，一個(gè)運(yùn)動(dòng)中的帶電粒子既受到電場(chǎng)的力，也受到磁場(chǎng)的力，洛倫茲把運(yùn)動(dòng)電荷所受到的電磁場(chǎng)的作用力歸結(jié)為一個(gè)公式，人們就稱這個(gè)力為洛倫茨力。描述電磁場(chǎng)基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構(gòu)成了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。事實(shí)上，發(fā)電機(jī)無非是利用電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電磁能：電動(dòng)機(jī)無非是利用電動(dòng)力學(xué)的規(guī)律將電磁能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電報(bào)、電話、無線電、電燈也無一不是經(jīng)典電磁學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用，從而對(duì)社會(huì)產(chǎn)生普遍而重要的影響。光學(xué)和電磁波

光學(xué)研究光的性質(zhì)及其和物質(zhì)的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長范圍在電磁波中只占很窄的一個(gè)波段，但是早在人們認(rèn)識(shí)到光是電磁波以前，人們就對(duì)光進(jìn)行了研究。

17世紀(jì)對(duì)光的本質(zhì)提出了兩種假說：一種假說認(rèn)為光是由許多微粒組成的；另一種假說認(rèn)為光是一種波動(dòng)。19世紀(jì)在實(shí)驗(yàn)上確定了光有波的獨(dú)具的干涉現(xiàn)象，以后的實(shí)驗(yàn)證明光是電磁波。20世紀(jì)初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們?cè)谏钊肴胙芯课⒂^世界后，才認(rèn)識(shí)到光具有波粒二象性。

光可以為物質(zhì)所發(fā)射、吸收、反射、折射和衍射。當(dāng)所研究的物體或空間的大小遠(yuǎn)大于光波的波長時(shí)，光可以當(dāng)作沿直線進(jìn)行的光線來處理；但當(dāng)研究深入到現(xiàn)象細(xì)節(jié)，其空間范圍和光波波長差不多大小的時(shí)候，就必須要考慮光的波動(dòng)性。而研究光和微觀粒子的相互作用時(shí)，還要考慮光的粒子性。光學(xué)方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結(jié)構(gòu)的非常有效的方法。利用光的干涉效應(yīng)可以進(jìn)行非常精密的測(cè)量。物質(zhì)所放出來的光攜帶著關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息，例如：原子所放出來原子光譜的就和原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)

近年來利用受激輻射機(jī)制所產(chǎn)生的激光能夠達(dá)到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場(chǎng)強(qiáng)度甚至可以超過原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度。利用激光已經(jīng)開辟了非線性光學(xué)等重要研究方向，激光在工業(yè)技術(shù)和醫(yī)學(xué)中已經(jīng)有了很多重要的應(yīng)用。現(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長，長的已經(jīng)達(dá)幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個(gè)數(shù)量級(jí)的波段。電磁波傳播的速度大，波段又如此寬廣已成為傳遞信息的非常有力的工具。在經(jīng)典電磁學(xué)的建立與發(fā)展過程中，形成了電磁場(chǎng)的概念。在物理學(xué)其后的發(fā)展中，場(chǎng)成了非?；?、非常普遍的概念。在現(xiàn)代物理學(xué)中，場(chǎng)的概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電磁學(xué)的范圍，成為物質(zhì)的一種基本的、普遍的存在形式。狹義相對(duì)論和相對(duì)論力學(xué)