科学技术发展史课件第十六章、经典物理学大厦的完成.pptVIP

第十六章 经典物理学大厦的完成 主讲：XXX 课前导入 知道高中物理课本双缝干涉实验的鼻祖是谁吗？ 托马斯杨 知道是谁最早试图测量光速的吗？ 伽利略 热力学经典两大定律又是怎么来的呢？ 静电到动电究竟经过了怎样的推进？ 生活中每天打交道的力、热、电、磁、光这些物理现象 早在19世纪就得出了相应的规律和理论阐释，现在我们 一起来学习本章经典物理学大厦的完成。 波动说的复兴 第一节 经典光学的建立 光速测定 光谱研究 能量转化与守恒定律的确立 第二节 热力学的建立 热力学第二定律的建立 电磁联系的发现和研究 第三节 经典电磁理论的建立 法拉第的电磁学研究 电磁场理论的建立 第一节、经典光学的建立 17世纪：几何光学确立，牛顿的色散实验以及牛顿环的 发现是波动光学的开始。 18世纪：细微流质观点的模型直观形象，但光的波动理 论此时并不完善。 19世纪下半叶：随着麦克斯韦电磁场理论的建立，最终 实现了电、磁和光的统一，使人们对光的认识达到了一 个新的水平。 一、波动说的复兴 十九世纪最初几年，托马斯杨在光的波动说方面做出 了一系列实验和理论研究。 提出光与声都是波，研究声波叠加现象 明确光波的频率和波长，在自然哲学和机械工艺讲义 中描述多种光的干涉 提出“干涉”概念，双缝干涉实验， 明确揭示了光的波动性质 首次实现了可见光波长的测量 托马斯杨 英国医生、物理学家。 他博学多才，著述涉及医学、物 理学、天体力学和机械学等广泛领域 。 他具有杰出的语言才能，通晓多 种外语，是埃及象形文字最早的翻译 者之一。 他会演奏多种乐器。 杨的研究从生理光学现象开始， 杨研究过眼睛的构造及其光学性质， 他第一个发现眼球在注视距离不同的 物体时改变形状，他最早研究了人眼 色觉问题。 马吕思（工程师、物理学家），发现反射光的偏振现象和平面偏 振光通过晶体后的光强变化。 阿拉果（物理学家），发现色偏振现象。 菲涅耳（物理学家），完善惠更斯子波概念，提出惠更斯菲涅 尔原理。设计了双光干涉实验，使用半波带法计算计算出圆孔、 直边等形状的衍射。成功证明光是沿直线传播。解释了双折射现 象。 菲涅耳与阿拉果合作进行了验证光是横波观点的实验。 二、光速测定 伽利略最早试图测量光速，但没解决这个问题。 法国物理学家菲索首先在地面测得光速值， 315300Km/s 迈克尔逊测得光速300140Km/s，非常精确，作 为国际标准沿用40年之久。 “提出一个问题往往比解决一个问题 更重要” 爱因斯坦对伽利略的评价 伽 利 略 名 言 “追求科学，需要有特殊的勇气，思考是人类最 大的快乐。” “生命犹如铁砧，愈被敲打，愈能发出火花。” “你无法教别人任何东西，你只能帮助别人发现 一些东西。” “科学不是一个人的事业” “真理不在蒙满灰尘的权威著作中，而是在宇宙 、自然界这部伟大的无字书中。” “世界是一本以数学语言写成的书。” “一切推理都必须从观察与实验中得来。” “与其夸大胡说，不如宣布那个聪明的、智巧的 、谦逊的警句。” 返回 三、光谱研究 光谱学的历史： 牛顿色散实验 梅耳维尔发现了纳谱线在内的一些谱线 赫歇尔用谱线检验金属的存在 赫歇尔和李特发现红外线 和紫外线 沃拉斯顿观察到太阳光谱的不连续性 夫琅和 费发明了衍射光栅 基尔霍夫和本生发明了棱镜光谱仪，建 立了光谱分析方法 埃格斯特朗发表了标准太阳光谱图表 巴耳末找到了一个简单的氢光谱经验公式 里德堡用波 数表示巴耳末公式 里兹提出组合原理，把每条谱线表示成两个 谱线的波数差。 第二节、热力学的建立 18世纪初：开始建立了系统的计温学和量热学，人们对 热现象的研究进一步从经验向科学转化。 18世纪和19世纪中期：由于蒸汽机的发明、改进及其在 工业上的广泛使用，热学显示出非常重要的实际意义。 19世纪：发现热力学第一定律和热力学第二定律，能量 转化与守恒定律揭示了物质世界的普遍联系，热力学第 二定律进一步显示了自然界过程的方向性。 一、能量转化与守恒定律的确立 自然科学上的重大发现广泛揭示出自然现象间普遍联系 和转化。 例如，伏打制成的“伏打电堆”：化学运动向电的转化； 伏打电流的电解：电运动向化学运动的转化； 塞贝克：实现了热和电的转化； 焦耳和楞次：发现了电流转化为热的著名定律； 奥斯特：电流磁效应； 法拉第：电磁感应现象； 三位声誉卓著的佼佼者： 迈尔、焦耳、亥姆霍兹 他们分别从哲学性的理性思维、与机械效率的探 讨相联系的物理实验以及在力学基础上进行的理 论论证的途径开始思考，为能量守恒定律的建立 作出了奠基性的贡献 迈尔（首先公开表述了能量转化 和守恒的普遍原理） 发现问题并思考：患病船员的静脉血比在欧洲时红一 些，这是怎么回事？ 迈尔（他对万事总要问个为什么，而且必亲自观察，研究，实验。）在 拉瓦锡的燃烧理论启示下，迈尔发表论文“论无机界的力” ，他得出“力就是不灭的、能转化的、无重量的客体”的结 论。 迈尔以“下落力”（重力势能）、“运动力”（动能）和热的 转化具体论证了力的转化和守恒。 焦耳（关于热功当量的测量， 为能量守恒原理的确立奠定了坚实的实验基础） 发现问题并思考：酒厂中使用的用电池驱动的电动机 和电路中的发热现象，是为什么？ 首先对电流热效应进行了定量研究，提出焦耳定律，此 后，从实验上研究热和机械功互相转化的当量关系。 1847年，焦耳报告了他用砝码下落带动铜质的翼轮分别 搅动水、鲸脑油和汞的实验，测得热的机械当量数值。 亥姆霍兹（给出了能量守恒定律的数字表示， 从多个方面论证了这个定律在自然界的普遍适用性， 为能量守恒定律奠定了重要的理论基础） 发现问题并思考：如果永动机是不可能的话，那么在 自然界的不同的力之间应该存在着 什么样的关系呢？ 亥姆霍兹论力的守恒提出了能量转化与守恒定律的哲 学基础、数学公式和实验根据，并把它演绎到物理学的各 个分支。系统的证明了力的守恒定律“与自然科学中任何一 个已知现象都不矛盾”。 以上三个大人物的研究方法启发我们： 遇到现象多多提问 遇到问题多多思考 为人师表，最好说得少、做得多，行 动胜于一切言语！ 1850年，克劳修斯提出了热力学第一定律： dQ=dU+dW, dQ表示工作物质吸收的热量, dW是热力学系统对外所做的功, dU是内能的变化, 它实际上是其他能量与内能发生转化时的能量守恒定 律。 二、热力学第二定律的建立 热力学第二定律的建立与提高蒸汽机效率的研究有密切 关系。 热力学第二定律的三个伟大人物： 卡诺 W.汤姆孙 克劳修斯 卡诺把蒸汽机和水车相比，他认为蒸汽机的工作过程总 是要伴随着热质的流动和重新分布，蒸汽机是靠热质从 高温加热器流向低温冷凝器而做功的。 卡诺热机：全无摩擦，热无散失，至少有一个高温热源 和一个低温热源。 卡诺的结论热机必须工作于至少两个热源之间，热 机的效率仅仅取决于热源的温度差，而与采用什么工作 物质无关；在相同温度的高温热源和相同温度的低温热 源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于卡诺热 机的效率。 卡诺工作的意义实践上，卡诺的工作为提高热机效 率指明了方向；理论上，热力学第二定律的思想都包括 在其中。 W.汤姆孙认为，卡诺关于热只在机器中重新分配而并不 消耗的观点是不正确的。 克劳修斯指出，为解决这个问题，需依据热的一个一般 特性：热从冷的物体传向热的物体不可能无补偿的发生 。 W.汤姆孙指出：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是不可能的。 （以上红体字即为热力学第二定律的两种经典表述） 第三节、经典电磁理论的建立 17-18世纪，好奇驱使人们对摩擦起电、静电放电、大气 电等静电学现象的关注。 18世纪末，建立了静电相互作用的库仑定律。 19世纪，直流电源的发明把电学引向了对电流的研究， 导致电磁相互联系的发现。 19世纪末，电磁学理论体系完成。 一、电磁联系的发现和研究 伽伐尼，把电学的研究工作从静电领域推动到了 动电领域。 奥斯特，电流磁效应的发现，使电磁学的研究进 入到一个迅速发展的时期。 欧姆，建立了全电路和部分电路的欧姆定律。 安培（“电学中的牛顿”），提出磁性的本质是电 的运动，进而他转而研究电流之间的相互作用， “电动力学”安培定律。 二、法拉第的电磁学研究 大家都在思考：能不能用磁体使导线中产生出电流 来？ 法拉第做实验时发现了“伏打电