物理学发展史.doc

1、 在古代，物理学只是自然哲学的一部分，16世纪以后才从哲学中分离出来。以后又逐步建立了力学、热学、电磁学、光学、相对论、量子力学、粒子物理等分支学科。2、 物理学史可以使我们认识到“科学是最高意义上的革命力量”，它推动了社会的发展。 物理学史是科学发展史，而科学是人类发展的核心部分。每次物理学上的重大突破，都会对人类社会发展产生重大影响，产生震撼人心的冲击和重大技术革命。特别是近代以来，历次物理学重大进展通过技术革命为中心转化为直接生产力，从而推动了社会经济的发展，并最终引发社会革命，推动人类社会从农业社会到工业社会，从蒸汽时代进入电力时代、电子和原子能时代以至现今的信息时代。 3、 研究和学习物理学史有助于学生了解与概括物理学基础知识发展的全貌及其总体规律，研究与掌握物理思想和研究方法的发展过程，有利于巩固和加深理解已学的物理知识，增强学习的主动性与自觉性，提高学习兴趣 在物理学的长期发展中创立了许多很成功的、成熟的方法。 物理学研究中建立了许多理想模型、思想过程、理想实验，这些近似抽象方法促成了许多定律的发现。4、 可以使我们认识到思想观念转变的重要性 物理学中复杂的数学公式和定义等，都不过是基本观念的表达形式和演绎工具，基本观念才是先导的、本质的东西。所以，每当学习一个新理论，必须改变自己的思想观念和思维方法。 5、物理学史可以培养同学们的爱国主义精神 正确认识中国古代文明，在当时的历史时期和历史条件下，中国和希腊成为东方和西方两个古代文明中心，我们要为我国的古代文明而骄傲。 6.可以培养辩证唯物主义思想，以造就同学们追求真理，献身科学的崇高思想境界 对科学研究要有一个正确认识。 科学的道路是不平坦的,科学家成功之路是艰险的,要准备付出比常人更多的精力和代价,必须有热爱科学、献身科学的精神,要善于继承又勇于创新,才有可能取得成功。第一,立足于牛顿力学的经典物理学和经典自然科学在很在程度上是关于自然事物,自然属性,自然过程和自然界规律性的知识,但它往往没有对这些事物,属性,过程和规律性的机制(道理)从因果性上作出解释;近代自然科学所能做到的或应当做到的,则是依据于对微观过程的了解,解决这些为什么的问题. 第二,经典自然科学有它的普遍性和整体性,但就对整个自然事物的反映看,经典理论基本上是关于特殊的,局部的自然领域的知识;近代自然科学则具有更高程度的普遍性和更大范围的全局性 第一章 发展中的物理学 1 相对论 相对论是现代物理学的重要基石.它的建立20世纪自然科学最伟大的发现之一,对物理学,天文学乃至哲学思想都有深远的影响.相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物,是电磁理论合乎逻辑的继续和发展,是物理学各有关分支又一次综合的结果.相对论经迈克耳逊,莫雷实验,洛伦兹及爱因斯坦等 人发展而建立. 2 量子力学 1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难,引入了能量了概念,为量子理论奠定了基石.随后爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾,提出了光量子假说,并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念,为量子理论的发展打开了局面.1913年,玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用了量子化概念,对氢光谱作出了满意的解释,使量子论取得了初步的胜利.之后经过玻尔,索末菲海森堡,薛定谔,狄拉克等人开创性的工作,终于在1925年-1928年开成了完整的量子力学理论. 3 原子核及基本粒子 原子核物理学起源于放射性的研究,是19世纪末兴起的崭新课题.在这以前,人类对这年领域毫开所知.从事这项研究的物理学家,他们通过作新创制的简陋仪器进行各种实验和观察,从中收集数据,总结经验,寻找规律,探索不断开拓新的领域. 1933年以后,原子核物理理论才逐渐形成. 4 固体物理学 20世纪初,固体物理学就开始深入到微观领域,人们开始利用微观规律来计算实验观测量.量子力学首先应用于简谐振子及简单的原子上,并显示了其正确性,其次又在化学键的问题上取得了效果.二十世纪20年代后,固体物理学作为一门学科在物理学领域中诞生. 5 物理学与技术 物理学的发展为新技术提供了基础,与此相反的关系也完全存在.假如不采用电子技术的各式各样的机器,今天的物理学,甚至整个科学研究都可能连一天也存在不下去.要建造超高能物理学所不可缺少的巨大加速器,必须要动员当前最先进的精密机械技术和电子学技术才行.同时由于对技术进步的不断要求,作为这些技术基础的物理学的研究也正在日益加强.可以说,没有上述各方面的条件,就不可能存在今天这种大规模,多方面的物理学研究. 6 科学的体制化 近代物理学的基础工程学科化这种趋势,当然是由围绕科学的新的社会状况的出现所形成和促进的. 7 物理学在地理上的扩大 物理学的变迁,同时也伴有物理学在地理上扩大.俄国(苏联),美国,日本,中国及欧洲,亚洲,非洲物理学在地理上的扩大,必将会进一步扩大在进行尖端物理学研究,所以,没有理由认为这些国家将来不会产生真正的物理学研究. 8 研究技术化 可以把这一趋势同由物理学所支撑着的各种各样新技术所持有的可能性相结合,看作是社会进步的一个标志. 第二章节近代物理学的序幕 一 电子的发现 背景: 电子的发现起源于对阴极射线的研究.阴极射线是低压气体放电过程中的一种奇特现象.这一观点得到赫兹等人的支持,赞成以太说的大多是德国人.英国物理学家克鲁克斯以及舒斯特根据各自的实验及解释都认为阴极射线是由粒子组成的.德国学派主张以太学说,英国学派主张带电微粒说. J.J.汤姆生对电子研究 定性研究:J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实验,他进一步提高了真空度,并且减小极间电压,以防止气体电离,终于获得了稳定的静电偏转. 定量研究 :一种方法是用静电场偏转管在管子两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁场,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e/m,另一种方法是测量阴极的温升.因为阴极射线撞击到阴极,会引起阴极的温度升高.J.J.汤姆生把热电偶接到阴极,测量它的温度变化,两种不同的方法得到的结果相近,荷质比 普遍性证明 二 X射线的研究 1895年,德国的维尔茨堡大学,伦琴教授 阴极射线研究 发现了X射线 三,放射性的发现 对阴极射线研究引起了放射性物质的发现 .1896年5月18日,贝克勒尔发现了放射性. 贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时,意义却更为深远.因为这是人类第一次接触到核现象,为后来居里夫妇,卢瑟福等对放射性研究发展开辟了道路. 第三章 相对论的建立 相对论的研究起源于以太漂移的探索以及光行差的观测.1678年惠更斯把光振动类比于声振动,看成是以太中的弹性脉冲.但是后来由于光的微粒说占了上风,以太理论受到压抑,牛顿就认为不需要以太,他主张超距作用.1800年以后,由于波动说成功地解释了干涉,衍射和偏振等现象,以太学说重新抬头.在波动说的支持者看来,光既然是一种波,就一定要有一种载体,这就是以太.他们把以太看成是无所不在,绝对静止,极其稀薄的刚性物质. 机械波的波动方程与电磁波的波动方程 机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波,在弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律,即可建立机械波的波动方程,一维横波的波动方程为 机械波的波动方程和波速这些性质是否也适用于电磁波(包括光波)呢 电磁波有类似于机械波的波动方程,那么,电磁波的波动方程是相对于什么样的参考系建立的 真空中速度是相对于什么参考系的. 1861年,英国物理学家麦克斯韦总结前人的实验规律基础上,推导真空中电磁波的波动方程,其一维形式的真空波动方程为: 3.迈克耳逊莫雷实验 波动理论假定了真空中充满以太,光相对于以太的速度C传播,地球上的观察者所测到真空中光速的数值将是多大呢 如果认为地球运动时以太完全没有被带动,地球上测到的真空光速应该是光对以太的速度与地球相对于以太速度的矢量差,为了能够显示出光相对于地球的传播速度不同于C,迈克耳逊设计了一个十分巧妙的实验. 在迈克耳逊最初装置中,采用地球公转速度可得0.04个条纹,这是一个很小的效应,但他的仪器装置观察到的只是0.02个条纹的变动,即使进一步改进,结果都没有观察到条纹的移动. 4.洛伦兹等人的贡献 斐兹杰惹于1889年,洛伦兹于1892年先后独立地提出了著名的洛伦兹斐兹杰惹收缩假定.他们都承认以太的存在,在以太中静止的一个长为L的物体,当它沿长度方向相对于以太速率V运动时,将缩短到 5. 爱因斯坦与狭义相对论 将相对性原理应用于电磁理论,如果认为电磁场的麦克斯韦方程组是正确的(方程组中真空中光速C的普适常数出现).则必须同时承认真空中光速C对所有惯性系相同,与波源的运动无关.然而,这却是于牛顿力学不相等的.在牛顿力学中,速度总是相对于一定的参考系,不允许在动力学方程中出现普适的速度. 6.广义相对论的建立 狭义相对论建立之后,爱因斯坦并没有止步,他认为狭义相对论还有许多问题没有解决,例如:为什么惯性质量随能量变化 为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度 1916年,爱因斯坦发表了广义相对论的基础,对广义相对论的研究作了全面的总结.在论文中,爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第一级近似,并且组给出了谱线红移,光线弯曲,行星轨道近日点进动的理论预言 7.爱因斯坦的成功分析 1.兼收并蓄 2.敢于创新,突破常规精神 3.哲学修养 美发射探测卫星 验证88年前爱因斯坦的预言 第四章 量子力学的发展 一 黑体辐射的研究 1859年 基尔霍夫物体热辐射的发射本领e(v,T)和吸收本领a(v,T)的比值都相等,并等于该温度下黑体对同一波长的辐射度 1879年 斯特潘根据实验总结出黑体辐射总能量与黑体温度四次方成正比的关系 1893年 维恩经验式子 1900年 瑞利 为了解决上述困难,普朗克利用内插法,将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利金斯公式衔接起来.在1900年提出了一个新的公式 普朗克与统一思想的波动 普朗克对量子论的研究工作中犹豫徘徊,畏缩不前的主要原因是物理学的统一性问题,即如何对量子论的解释. 玻尔理论的形成 光谱 卢瑟福 量子理论 玻尔理论 1913年原子构造和分子构造 提出了两条基本假设:定态,跃迁 1914年,夫兰克和G.赫兹以能量分立的指导思想,进行电子与原子的碰撞实验设计.他们利用慢电子与稀薄水银蒸气碰撞方法,来确定银原子的激发电位或电离电位.从而证实原子只能处在一定的分立能量状态当中.由此突破了自然无飞跃能量连续性的经典物理观点.这个实验成为玻尔原子理论的一个重要证据之一, 1918年,玻尔为了解释谱线强度这一当时原子理论无法解决的难题,提出了协调经典物理理论与微观量子理论之间相互关系的对应原理 玻尔的直觉与创新研究方法 玻尔的科研思想与他的直觉相联系在一起,他从不畏缩不前,也不遵循所谓严格的逻辑道路的方法.玻尔灵活的思维特点与思想方法在今天已成为越来越多的人所理解和赏识. 量子力学的建立 1924年泡利提出不相容原理.这个原理促使乌伦贝克和高斯密特,在1925年提出电子自旋的设想.从而使长期得不到解释的光谱精细结构,反常塞曼效应和斯特恩盖拉赫实验等难题迎刃而解.同年,海森伯创立了阵矩力学,使量子理论登上了一个新的台阶.1923年德布罗意提出物质波假设,导致了薛定谔在1926年以波动方程的形式建立了新的量子理论.不久薛定谔证明,这两种量子理论是完全等价的,只不过形式不同罢了.1928年狄拉克提出电子的相对论性运动方程狄拉克方程,奠定了相对论性量子力学的基础.第五章中国物理学者在近代物理学发展中贡献 一 出国留学 中国学者出国留学可追溯到,在19世纪中叶,清朝赴欧留学得就达一百多人.清朝洋务活动的求强,求富过程中,为训练新式陆海军和创办近代军事工业和民安企业,曾陆续派出许多学生到各国求学.在18621900年间,有几百人,以官费,自费出国游学,但主要是学习语言,驾驶,架线,电工,炮术,造船,铸造,采矿,机织等实用技术和军事技术,当时不可能也没有眼光派学生去学习数理化基础学科. 二 物理学教育的发展 在1895年和1897年分别创办了天津西学堂和上海南洋公学.中西学堂分设头等学堂,二等学堂,前者相当于大学. 1898年创办的京师在大学堂, 三 研究机构的建立 1928年3月在上海成立国立理化实业研究所,同年6月中央研究院创立,同年11月理化实业研究所之一部分改名为物理学研究所,隶属中央研究院. 1929年9月在北平建立了北平研究院 20世纪20年代末,国家批准有条件大学设立研究部,在教学同时开展科学研究. 四 中国物理学会 中国物理学会成立于1932年,它是中国物理学教学,研究发展的必然结果,截止1932年左右,物理学工作者约300人左右. 中国物理学报于1933年创刊.在19331935年出版了第一卷共三期,至1950年共出版了七卷.该学报以外文(主要为英文,个别为法文,德文)发表,附以中文摘要.它在国内外学术交流中起到了很好的作用. 五 国外物理学家对我国近代物理学发展得作用 1 国外物理学家对我国物理学者得培养与帮助.我国许多物理学家都得到了国外著名物理学者的培养. 2 国外物理学家来华讲学极大地促进了我国物理学的发展.1921年蔡元培和夏元0访问爱因斯坦,并邀请他来中国讲学 .朗之万于1931年底来华讲学.1937年5月31日至6月4日,玻尔来华进行了讲学. 六 我国物理学者在近代物理学中得主要贡献 吴有训在美国研究Compton效应著称,他的关于Compton效应中变线与不变线的能量分布比率的两篇实验论文,确凿地证明了Compton效应的存在,丰富的和发展了Compton工作,并加速国际学术界对Compton效应的认识.吴有训回国后,或独自或带领研究生继续从事有关的研究. 赵忠尧在研究硬射线的吸收系数及其散射的实验中,最早观察到正负电子对的产生和湮没现象 萨本栋在30年代关于三相电路并矢代数的研究,是属于数学,物理和电机的三角地带,被美国电气工程师学会评为1937年度理论和研究最佳文章荣获.40年代萨本栋从事交流电机研究,以标么值系统分析交流电机问题.他根据在厦门大学和美国讲课的素材编写的交流电机基础一书,被英国,美各国高等院采作教材.开创了中国科学家编写的教材被国外采用的先例. 1949年,张文裕在吸收介子的云室研究中,发现了子和子辐射现象,开拓了奇异原子物理研究的新领域.国际上曾称此二发现为张辐射和张原子. 黄昆在1947年发现了后来被称为黄散射,即固体中杂质缺陷导致X光漫散射,它直接有效地成为研究晶体微观缺陷的手段.1950年,黄昆和(李爱扶)共同提出了多声子辐射和无辐射跃迁的量子理论,在国际上被称为黄理论.1947-1951年间,黄昆与合著晶格动力学一书,它成为该领域的一本基本理论著作而在国际上享有盛名. 谢玉铭于1932-1934年间在美国与W.V.Houston合作研究氢原子光谱Balmer系的精细结构,发现了在40年代后期才得以肯定的Lamb移位,并提出了40年代后期有关重整化理论的发展方向相同的大胆建议.W.E.Lamb于1947-1948年间所作的类似实验及发现而获得1995年诺贝尔物理学奖.宇宙起源及超导体材料的研究. 量子力学中的，量子密码学，量子计算机，等等和量子有关的分学科 往更小和更大的方面发展。 更小-了解物质的构成，看看夸克是否可以再分。 更大-了解宇宙了！宇宙物理学 外星人的存在与否公元1897年，英国科学家J.J.汤姆逊从阴极射线证实电子的存在，测出的荷质比与塞曼效应所得数量级相同，其后J.J.汤姆逊进一步从实验确证电子存在的普遍性，并直接测量电子电荷。 公元1898年，新西兰裔英国科学家卢瑟福揭示铀辐射组成，他把“软”的成分称为射线，“硬”的成分称为射线。 公元1898年，居里夫妇发现放射性元素镭和钋。 公元1899年，俄国科学家列别捷夫实验证实光压的存在。 公元1899年，德国科学家卢梅尔与鲁本斯等人做空腔辐射实验，精确测得辐射能量分布曲线，为普朗克的量子假说(1900年)提供了重要实验依据。 公元1900年，法国科学家维拉尔德发现射线。 公元1901年，德国科学家考夫曼从镭辐射测量射线在电场和磁场中的偏转，从而发现电子质量随速度变化，实验所得早于爱因斯坦的狭义相对论的理论结果(1905年)。 公元1901年，英国科学家理查森发现灼热金属表面的电子发射规律。后经多年实验和理论研究，又对这一定律作了进一步修正。 公元1902年，勒纳德从光电效应实验得到光电效应的基本规律：电子的最大速度与光强无关，为爱因斯坦的光量子假说提供了实验基础。 公元1908年，法国科学家佩兰实验证实布朗运动方程，求得阿佛伽德罗常数。 公元1908年，荷兰科学家卡梅林翁内斯首次将氦液化。 公元19081910年，德国科学家布雪勒等人，分别精确测量出电子质量随速度的变化，证实了洛仑兹爱因斯坦的质量变化公式。 公元1908年，德国科学家盖革发明计数管。卢瑟福等人从粒子测定电子电荷值。 公元19061917年，美国科学家密立根测单个电子电荷值，前后历经十一年，实验做过三次改革。 公元1909年，英国科学家盖革与马斯登在卢瑟福的指导下，实验发现粒子碰撞金属箔产生大角度散射，导致1911年卢瑟福提出有核原子模型的理论，这一理论于1913年为盖革和马斯登的实验所证实。 公元1911年，荷兰科学家卡梅林-翁内斯发现低温下金属的超导现象。 公元1911年，英国科学家威尔逊发明威尔逊云室，为核物理的研究提供了重要实验手段。 公元1911年，奥地利科学家海斯发现宇宙射线。 公元1912年，德国科学家劳厄提出方案，弗里德里希、克尼平进行X射线衍射实验，从而证实了X射线的波动性。 公元1913年，德国科学家斯塔克发现原子光谱在电场作用下的分裂现象(斯塔克效应)。 公元1913年，英国科学家布拉格父子研究X射线衍射，用X射线晶体分光仪测定X射线衍射角，并根据布拉格公式算出晶格品格常数。 公元1914年，英国科学家莫塞莱发现原子序数与元素辐射特征线之间的关系，奠定了X射线光谱学的基础。 公元1914年，德国科学家弗朗克与赫兹测量汞的激发电位。1915年，丹麦科学家玻尔判定他们测的结果实际上是第一激发电位，这正是玻尔1913年定态跃迁原子模型理论的极好证据。 公元1914年，英国科学家查德威克发现能谱。 公元1915年，在爱因斯坦的倡议下，荷兰科学家德哈斯首次测量回转磁效应。 公元1916年，荷兰科学家德拜提出X射线粉末衍射法。 公元1919年，英国科学家阿斯顿发明质谱仪，为同位素的研究提供重要手段。 公元1919年，卢瑟福首次实现人工核反应。 公元1919年，德国科学家巴克家森发现磁畴。 公元1922年，德国科学家斯特恩与盖拉赫使银原子束穿过非均匀磁场，观测到分立的磁矩，从而证实空间量子化理论。 公元1923年，美国科学家康普顿用光子和电子相互碰撞解释X射线散射中波长变长的实验结果，称康普顿效应。 公元1927年，美国科学家戴维森与革末用低速电子进行电子散射实验，证实了电子衍射。同年，英国科学家G.P.汤姆逊用高速电子获电子衍射花样，他们的工作为法国科学家德布罗意的物质波理论提供了实验证据。 公元1928年，卡文迪许实验室的印度科学家喇曼等人发现散射光的频率变化，即喇曼效应。公元1931年，美国科学家劳伦斯等人建成第一台回旋加速器。 公元1932年，英国科学家考克拉夫特与爱尔兰科学家瓦尔顿共同发明高电压倍加器，用以加速质子，实现人工核蜕变。 公元1932年，美国科学家尤里将天然液态氢蒸发浓缩后，发现氢的同位素氘的存在。 公元1932年，查德威克发现中子。在这以前，卢瑟福于1920年曾设想原子核中还有一种中性粒子，质量大体与质子相等。据此曾安排实验，但末获成果。1930年，德国科学家玻特等人在射线轰击铍的实验中，发现过一种穿透力极强的射线，误认为射线；1931年，法国科学家约里奥与伊仑居里让这种穿透力极强的射线通过石蜡，打出高速质子。查德威克接着做了大量实验，