new《物理学史》学习提纲.doc

物理学史学习资料第一部分 基础知识一 物理学史的研究对象物理学史是一门历史科学，首先要描述物理学发展的历史。要从零碎的、分散的科学著作和史料中，把对物理学的认识从起源到现在的发展过程的概貌整理出来，再现各最重要的基本概念、基本定律和基本理论的酝酿、产生和发展过程。另外，还需描述物理学研究方法发展的过程。但物理学史不能简单归结为对史实的单纯记录和罗列，更重要的是研究引起物理观念、研究内容、研究方法发生变化的原因，研究物理学的发展与当时的历史条件及其他学科的关系。总之，物理学史的最基本的任务是研究物理学发展的规律。二 物理学史的分期 物理学史的分期间题，是涉及到对物理学发展过程内部结构及其阶段特征的认识问题。在这个问题上，存在着不同分期原则之间的争论。下面对各种分期方法作一些说明。 (1)按年代分期 例如以一个世纪或五十年为一段，记述物理学发展的主要成就。显然，这是一种形式主义的分期办法。 (2)按人物分期 这种划分由于以人物为中心，往往表现出很大的随机性，反映不出时代经济特点和物理学的内在发展逻辑，反映不出科学认识发展的一般规律。 (3)按照自然观、世界观的特点分期 物理学的发展，固然受到哲学思想的重大影响，但不能把物理学和哲学混同起来，物理学史也不等同于哲学史。所以，这种分期方法也是不甚妥当的。 (4)按照生产和社会经济形态分期 这种分期办法，能够说明社会经济形态以及与之相适应的上层建筑对物理学发展的影响。但是，物理学作为一间自然科学，它不属于上层建筑，与经济基础的变更也不是完全吻合的，所以也不是一种完善的分期原则。 (5)按照物理学自身发展的特点分期 把物理学的发展分为若干时期，在每一时期中找出一些具有表征性的特点。这主要是根据物理学发展的内在逻辑分期的。例如，根据物理知识的概括水平，物理学的基本观念和主要研究方法，来确定各个阶段的基本特征。这些基本特征当然也同外部因素对物理学的影响相联系。所以，采用这一分期原则既可兼顾到社会生产和社会经济形态的影响，又能揭示出贯穿于物理学发展过程中的内在规律性。 采用这种分期方法，物理学的发展大致可划分为三个阶段:第一， 经验物理学的萌芽时期。大约在公元前六、七世纪以后，中国和古希腊形成东、西方两个科学技术发展的中心，当时科学已经以经验科学的形态从生产劳动中分化出来，但当时的物理学还没有从哲学中分化出来。人们对自然界的认识，主要是通过笼统、表面的观察和直觉获得的，基本上处于对现象的描述，经验的总结和思辨性的猜测的阶段。这一时期物理学中发展得较完善的只有静力学，。除此之外，还有一些关于光的直线传播的知识。这二时期的后期，西方处于黑暗的中世纪，科学受到很大的抑制；但是，手工业生产技术的发展，却为实验科学的产生准备了条件。在这同一时期，中国在自然科学技术方面，却取得了辉煌的成就，走在了世界的最前面。第二， 经典物理学的建立时期。十五世纪末叶，资本主义生产关系萌芽，促进了生产和技术的大发展，给予自然科学的发展一个很大的推动。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的研究方法，被引进物理学中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。经过了十八世纪的准备，物理学在十九世纪获得了迅速和重要的发展，终于在十九世纪末叶以经典力学、热力学与统计物理、经典电磁场理论为支柱使经典物理学的发展达到了它的顶峰。第三， 现代物理学时期。十九世纪末一系列重大发现，使经典物理学自身遇到了不可克服的危机，由此爆发了一场物理学革命。这场物理学革命的结果导致了相对论和量子力学的建立，并促进了对天体物理学、现代宇宙学、原子核物理学、粒子物理学以及相互作用统一理论的研究，这个进展至今仍在继续着。三研究物理学史的意义 物理学史的学习和研究，有着广泛的重要意义。 首先，通过物理学史的学习和研究，掌握物理学认识发展的动态规律，可以帮助我们把握物理学发展的方向和趋势，预测其发展的前景。今天的物理学，是科学认识长期历史发展的产物。只有从历史的角度去考察它的产生、形成和发展，才能够深刻了解它为什么和如何成为现在这个样子的;也才能够用发展的眼光鉴别哪些知识己经不足，哪些正在发展，哪些是具有强大生命力的，从而更加自觉地推进物理学的发展。 第二，学习和研究物理学史，总结各个时期、各个国家物理学发展的历史经验，可以揭示科学技术的发展和生产技术、经济需要以及各种社会因素的相互关系，看出一个国家的科学政策、科学管理体制、科学教育事业对科学技术发展所起的作用，并认识科学的发展对社会经济和社会生活各个方面所带来的巨大影响。这种研究既有利于提高我们发展科学技术事业的自觉性，也会为制订现代化建设的方针政策，正确地制订和执行科技政策提供历史的依据。 第三，学习和研究物理学史，有助于加深对物理学知识本身的理解和培养青年物理学工作者的科研能力。对于物理学中的各个基本概念、基本定律和基本理论，只有了解它们形成和发展的过程，才能深刻掌握它们的实质。通过物理学史的学习和研究，人们还会理解，任何一部分物理知识的获得，都是一个运动的、历史的过程，都是前人长期探索的结果，它们都处于不断更新的永恒流动之中。第四， 学习和研究物理学史，对于正确认识科学和哲学的联系，树立辩证唯物主义的科学世界观有重要的作用。物理学的发展一开始就是与哲学的发展结合在一起的。通过对它们之间相互关系的了解，会使物理学工作者深刻体会学习哲学、学习哲学史的重要意义。当然，这种学习应当与科学思想史的学习结合起来。例如，在希腊哲学的多种多样的形式中，就可以发现以后许多观点的胚胎和萌芽。第五， 学习和研究物理学史，将会激发我们的民族自豪感和爱国热情。著名的英国科技史学者李约瑟（Joseph Needham）认为:“没有一个民族或一个多民族集体曾经垄断过对科学发展所作出的贡献。”他指出:“在人类了解自然和控制自然方面，中国人是有过贡献的，而且贡献是伟大的。”在中国古代科学技术发展的历史上，曾经具体总结出了丰富的物理知识，也提出过一些解释物理现象的学说。这些成就通过多种渠道对整个人类文明的发展作出了应有的贡献，都应看作是近、现代物理学的先声和初始的篇章。研究、整理和学习我们祖先遗留下来的宝贵遗产，将会激发我们的民族自豪感和爱国热情，增强我们攀登世界科学技术高峰的民族自信心。第二部分 光学史简编 光学是一门历史悠久，充满了生命力的学科，自从有了人类以来，人的社会生产和生活活动就离不开光，在光学发展漫长的历史过程中，对光的本性的认识一直是人们所关注的重要问题，开始时人们根椐光的直线传播和反射定理而提出了微粒学说，后来发现了光的衍射而提出了机械波动学，后来进一步发展为光的电磁波动说，随着科学实验的发展，光的经典电磁理论遇上了困难，如黑体辐射。进而建立了光的量子理论到现在，人类认识到光具有波粒二象性。纵观光学的发展过程，可分为以下5个阶段：1.萌芽时期；2.机械微粒说与机械波动学说争论时期；3.光的经典电磁理论；4.光的量子理论与光的二象性；5.现代光学。一. 萌芽时期约从公元400年到17世纪这一漫长时期是光学发展的萌芽阶段，这阶段主要成就就是发现了光的直线传播规律和反射定律。有关光学的最早记录应属我国的墨经，墨经中首先通过针孔成像，影的形成论证了光的直线传播性质，还就平面镜、凹面镜、凸面镜成像等问题作出了今人惊叹的论述。一百多年后，古希腊学者欧几里德在其所著的光学一书中指出反射定律，但他却同时提出了将光当作类似触须的投影学说，这种学说被后来的阿拉伯的巴斯拉和埃及的学者阿尔哈曾所否定，他们认为光线来自观察的物体而光是以球面形式从光源发出；反射线和入射线共面且入射线垂直于界面；阿尔哈曾还详细描绘了人眼的构造，并首先发明了凸透镜，并对凸透镜进行研究，所得结果接近关于凸透镜的理论。公元十一世纪，我国宋代的沈括在梦溪笔谈中记载了有关凹面镜的成像规律，测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因。培根提出用透镜校正视力和采用透镜组构成望远镜的可能性，并描述过透镜焦点的位置。阿玛蒂发明了眼镜。由此可见到十六世纪初，凸、凹面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。二. 机械微粒学说与波动学说争论的时期这一时期先建立了光的反射、折射定律。以牛顿为代表的学者在光的直线传播规律和光的反射、折射定律的启发下提出了光是一种微粒的学说，接下来又发现了光的衍射和干涉现象，从而以惠更斯为代表的学者又提出了光的波动学说。这学说经后来的托马斯杨和菲涅耳的进一步发展后，初步战胜了光的机械微粒说。这一时期为了扩大人眼的观察能力出现了光学仪器。荷兰李普塞在1608年发明了第一架望远镜十七世纪初冯特纳和延森研制了第一台复合显微镜。望远镜和显微镜的出现大大促进也天文学和生物学的发展。开普勒于1611年发表了，折光学，其中提出了照度定理，他还研制了由两块凸透镜构成的开普勒望远镜透镜制造业的兴起和各种光学仪器的应用迫切需要搞清楚光的折射规律。1621年斯涅耳在他一篇未发表的文章中指出入射角的余割和折射角的余割之比是常数，这一结论经笛卡儿整理成现在我们熟悉的用正弦函数表述的折射定理。接着费马在1657年首先提出了光在介质中传播时所走光程取极值的原理，这原理可以包括反射、折射定律。到这为止。才弄清楚光的几何性质。知道了光的几何性质后，人们就想弄清楚光究竟是什么。最先提出光是一种机械微粒的学说是笛卡儿，后来牛顿成为这种学说的代表人物。他们提出微粒说的主要依据有两个：一、光直线传播定律；二、那时人们认为能在真空中传播，而任何波的传播都必须有传播媒质，因此光是微粒而不可能是波，牛顿用经典力学理论来解释光微粒的运动规律很容易解释光的直线传播和反射定律，但在解释折射定律时却得到了光在光密介质的传播速度比在光子疏介质快的结论，并且用微粒说来解释“牛顿环”现象时也遇上了困难。在以后相继发现的干涉、衍射和偏振等现象时，都无法给出令人信服的解释。牛顿也研究了光的色散问题并提出了引起色散的根本原因。这一研究大大改进了望远镜、显微镜的性能。17世纪以后，人们相断发现了一系列微粒说无法解释的现象，波动说学继而兴起。意大利科学家格里马迪在实验中观察到衍射现象。衍射现象表明光在物体边沿上发生弯曲，与原先人们所确认光的直进性相矛盾，后来胡克和波意耳各自独立发现了第一个干涉现象，即薄漠产生的彩色。胡克首先提出了光是由快振动组成，并以非常大速度传播的观点，惠更斯后来发展了这种观点，他注意到光的独立传播原理与声学现象相似，从而提出也了光本性的波动学说，他从机械波观点出发，接受了笛卡尔的“以太”思想。认为宇宙间充满了一种弹性以太。光源在以太中产生一个扰动后，以太的振动传播过程就形成光波，关于光传播问题，惠更斯提出了惠更斯原理，这原理不但成功地解释了光的反射和折射现象，还解释了晶体的双折射现象，在解释光的折射现象时他得出了光在光密媒质中光速较小的正确结果，为光的波动说后来战胜光的机械微粒说设下伏笔，但此时惠更斯认为光象声波一样是纵波，又没建立周期性和位相等概念，导致他的波动说不能解释偏振现象和干涉衍射现象。1801年托马斯扬最先用干涉原理令人满意地解释了白光照射下薄膜颜色的由来和用双缝显示了光的干涉现象，并第一次成功地测出光波长。1808年马吕斯发现了光的偏振现象。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理补充了惠更斯原理形成惠更斯菲涅耳原理，运用这原理可解释光在均匀各向同性介质中的直线传播，还能解释衍射现象。为了解释光的偏振现象。杨氏在1817年提出了光波和弦中传播的波相仿而导出菲涅耳公式。1850年法国科学家傅科测出了光在水中的速度为空气中速度的四分之三，证明了当年惠更斯的论断，否定了牛顿的论断。至此光的机械微粒说已被彻底否定。至此，波动说已能成功解释光的直线传播、反射、折射、衍射、干涉、偏振等现象，但却也存在着难以克服的困难那就是作为传播光振动的介质“以太”。机械横波只能在固体中传播，按当时已测得的光速数值估算“以太”的切变模量约比钢铁大107倍，而密度 却非常小，以致行星和各物体均可在其中运动而不受阻力，如此奇怪而特殊的性质令人难以想象。并且机械波动说把光现象纳入机械运动的范畴，将光视为与其他运动形式毫无关系的机械运动，这必然会碰到难以克服的困难。三. 光的经典电磁理论1846年法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转，这表明光与磁间存在内在联系。这使人们获得新的启发，即必须把光学现象和其它物理现象联系起来考虑。到19世纪中叶，麦克斯韦成功地把电磁学领域内所有前人发现的规律总结为一个完备的方程组，从这一方程导出电磁波所遵从的波动方程，从理论上预言了电磁波的存在并证明了电磁波的横波性，并且指出电磁波传播速度等于静电单位电量（或电流）与电磁单位电量（或电流）的比值。1856年科耳劳希和韦伯完成了这些测量，麦克斯韦根据他们测量的数据计算出电磁波在空气中的传播速度非常接近于1849年斐索测得的光速值。以此为依据，麦克斯韦认为光波是一种电磁波。这就是著名的光的电磁波理论。1888年赫兹用实验直接产生和测探了电磁波，测出了电磁波的波长和频率，并由此算出电磁波的传播速度与光速相同，并证明了电磁波和光一样能产生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。这样，光的电磁理论以大量无可辩驳的事实赢得了普遍公认。麦克斯韦的理论只解决了光的传播问题，并不涉及光与物质的相互作用。荷兰物理学家洛伦兹于1896年创立了经典电子论与物质相互作用。这就解释了物质的发光、吸收光、色散、散射等光与物质的相互作用的问题。麦克斯韦关于光的电磁理论和洛伦兹的经典电子论结合起来就形成了完整的光的经典电磁理论。这使人类对光的本性的认识达到了一个新的阶段。光的电磁理论摆脱了机械“以太”的困难，但却引进了电磁“以太”的假设。直到爱因斯坦建立起狭义相对论才彻底抛弃“以太”，认识到电磁波的传播无需任何介质，它只是电磁场的一种运动形式。在此期间还用了多种实验方法对光速进行了多次测定。光速的测定不仅推动了光学实验的发展，而且为粒子说和波动说的争论提供了判决依据，还推动了相对论理论的建立。开普勒、笛卡尔认为光的传播是不需时间的。伽利略却认为光速是有限的，他想通过实验测出但失败。1670年丹麦文学家罗默首先测量了光速，他根据连续两次卫星蚀相隔的时间差测算出光速为203,000KM/S。1849年斐索用旋转齿轮测出光速成为315,000KM/S。1851年傅科使用旋转镜法测定光在各种不同介质中的传播速度。1926年迈克耳孙用旋转棱镜法测出光速为299,774土500KM/S。到现在已有很多种精确测光速的方法，现在公认的光速最可靠值是299,792.485土0.001KM/S。根据电磁理论算出的光速值为299,792.50KM/S与实验值非常接近。这给麦克斯韦的光的电磁理论提供了有力的证据。四. 光的量子理论与光的二象性光的经典电磁理论虽取得伟大成就，但随后又遇上了无法解释的困难黑体辐射、光电效应、康普顿效应等，对这些问题的研究最终使人类发现了光的二象性。十九世纪末到二十世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用的微观机构中，光的电磁理论又遇上了困难，主要困难是不能解释光和物质相互作用的某种现象