物理学发展简史

主题一物理学发展简史 一 古典物理学与近代物理学 1 古典物理学 廿世纪以前所发展的物理学称为古典物理学 以巨观的角度研究物理 可分为 力学 热学 光学 电磁学等主要分支 2 近代物理学 廿世纪以后 1900 年卜朗克提出量子论后 所发展的物理学称为近代物理学 以微观的角度研究物理 量子力学与相对论为近代物理的两大基石 二 物理学重要人物及其理论简表 科学家年代发表理论 阿基米得年杠杆原理 浮力原理 托勒密二世纪提出 地心说 认为地球为宇宙运行中心 哥白尼 1543 发表 天体运行 认为太阳为宇宙运行中心 伽利略17 世纪 发明天文望远镜 发现木星的四个卫星 比塞塔实验 提出 惯性 想法 物理学实验之父 克卜勒 1609 1619三大行星运动定律 牛顿 1687 三大运动定律 万有引力定律 天文及力学 白努力 1738 白努力定律 流体动力学 古代人 热质说 认为热是一种由高温流向低温处之物质 伽利略 发明气体温度计 仑福特 1798 热的力学说 认为热和物体运动有关 卡诺 1824 热机循环理论 布朗 1827 发现布朗运动 焦耳 1840 测出热功当量 证实热为能量的一种形式 热学 克劳修斯 1850 气体动力论 司乃耳 1615 折射定律 牛顿 1675 光的微粒说 色散实验 海更士 1678 光的波动说 杨格 1801 双狭缝干涉实验 菲左 1849 首次测得光速 富可 1850 测得水中之光速 马克士威 1864 建立光是电磁波的理论 赫兹 1886 发现光电效应 光学 爱因斯坦 1905 提出 光量子理论 成功解释光电效应 库仑 1785 库仑静电力定律 伏打 1800 伏打电池 最早的电池 厄司特 1820 发现电流的磁效应 安培 1820 安培定律 载流导线产生磁场的数学式 奥姆 1826 奥姆定律 法拉第 1831 电磁感应定律 马克士威 1864 马克士威方程式 集电磁学理论之大成 电磁学 赫兹 1889 以实验证实电磁波的存在 仑琴 1895 发现 X 射线 贝克勒 1896 发现天然放射性 汤木生 1897 发现电子 阴极射线 居礼夫妇 1897 发现放射性元素钍 钋 镭 卜朗克 1900 提出 量子论 拉瑟福德 1911 发现原子核 提出原子行星模型 爱因斯坦 1905 解释布朗运动 提出光量子理论 提出狭义相对论 波耳 1912 提出氢原子结构模型 近代物理 德布罗依 1924 提出物质波理论 查兑克 1926 发现中子 哈恩 1938 发现铀裂变 费米 1942 建立第一座核子反应炉 主题二物理学的发展对人类生活的影响 一 古典物理学对人类生活的影响 1 力学 简单机械 杠杆 轮轴 滑轮 斜面 螺旋 劈 2 光学 一 反射原理 1 平面镜 镜子 2 凹面镜 手电筒 车灯 探照灯 3 凸面镜 路口 商店监视镜 二 折射原理 1 凸透镜 放大镜 显微镜 相机 2 凹透镜 眼镜 相机 3 热学 蒸汽机 内燃机 引擎 冰箱 冷 暖 气机 4 电学 一 利用电能运作 一般电器用品 如 电视机 冰箱 洗衣机 二 利用电磁感应 发电机 变压器 三 利用电磁波原理 无线通讯 雷达 二 近代物理学对人类生活的影响 1 半导体 一 半导体 导电性介于导体和绝缘体间之一种材料 可分为元素半导体 如 硅 锗等 和 化合物半导体 如 砷化镓等 两种 二 用途 1 半导体制成晶体管 体积小 耗电量少 具有放大电流讯号功能 2 半导体制成二极管具整流能力 3 集成电路 IC A 1958 年发展出 集成电路 技术 系利用长晶 蚀刻 蒸镀等方式于一小芯片上容 纳上百万个晶体管 二极管 电阻 电感 电容等电子组件之技术 而此电路即称为 集成电路 B IC 之特性 体积小 效率高 耗电低 稳定性高 可大量生产 C IC 之应用 计算机 手机 电视 计算器 手表等电子产品 4 计算机信息科技之扩展大辐改变了人类的生活习惯 故俗称第二次工业革命 2 雷射 一 原理 利用爱因斯坦 原子受激放射 理论 诱发大量原子由受激态同时做能态之跃迁 并放射同频率之光子 藉以将光加以增强 二 特性 聚旋光性好 强度高 光束集中 频率单一 单色光 三 应用 1 工业上 测量 切割 精密加工 2 医学上 切割手术 肿瘤 近视 3 军事上 定位 导引 4 生活 娱乐上 激光视盘 光纤通讯 3 光纤 一 光纤 将高纯度石英熔融抽丝制成极细之圆柱体 柔软可挠曲 含内层 纤芯 及外层 包 层 两层 二 原理 纤芯之折射率大于包层 光讯号以特定角度射入纤芯之一端后 因连续之全反射 而传递至另一端 三 特性 1 通讯容量大 频宽较大 约为传统铜线之 10 倍以上 2 重量轻 价格便宜 3 传输过程中耗能低 利于长程传输 4 不受干扰 保密性佳 四 应用 通讯 4 核能发电 一 核能 较大原子核发生分裂 核裂变 如 核弹 核电厂内部 或较小原子核发生融合 核 聚变 如 氢弹 太阳内部 时 因生成物质量减少而转变成能量 此能量称为核 能 二 原理 质量与能量之转换遵守爱因斯坦狭义相对论中之 质能互换公式 2 Emc 三 过程 利用铀 235 在可控制的情形下进行核分裂反应 产生之核能转变成热能使水变成 水蒸气后 推动发电机产生电能 核能热能动能电能 5 超导体 一 超导体 1908 年翁内斯发现部份物质于某特定温度 临界温度 以下 其电阻完全消失 c T 此时此物称为超导体 二 特性 超导体具有 零电阻 及 完全反磁性 之特性 三 高温超导体 1987 年朱经武 吴茂昆发现钇钡铜氧化物之临界温度约为 92K 高于液态 氮之沸点 77K 称为 高温超导体 四 应用 超强力磁铁 磁浮列车 主题三物理学与测量 一 物理量 1 定义 物理学上所使用的量 2 分类 一 依有无方向性而分 1 向量 兼具大小及方向性者 如 速度 力 2 纯量 仅具大小无方向性者 如 体积 时间 功 二 依定义方式而分 1 基本量 由基本概念定义而出之物理量 共有时间 长度 质量 电流 温度 发光强 度 光度 物质的量 物量 七种 2 导出量 由基本量所定义出之物理量 如 体积 面积 速度等 3 物理学 力学 上最常用的三个基本量 时间 长度 质量 二 测量 1 定义 将待测物理量与一标准量做比较的过程 2 结果 準確值 數值有效數字 測量結果一位估計值 單位 3 科学记号 将一数字化为之形式 称为科学记号 n a 10 1a10 4 数量级 一数化为科学记号后 一 若 则其数量级为a103 16 n 1 10 二 若 则其数量级为a103 16 n 10 三 单位 1 定义 物理量之比较标准 2 条件 单位须具 恒常性 及 方便性 3 SI 单位 国际度量衡局选定七个基本量之单位 基本单位 作为单位系统之基础 简称 SI 单 位 亦称为公制单位 4 七个基本量及基本单位列表 基本量代号基本单位单位代号 时间 T 秒 s 长度 L 公尺 m 质量 M 公斤 kg 电流 I 安培 A 温度 T 凯耳文 K 发光强度 I 烛光 cd 物质的量 N 莫耳 mol 5 辅助前缀 一 意义 置于单位前方 用以表示极大或极小物理量之符号 二 辅助前缀列表 数量级 前缀 megakilocentimilimicronanopicofemto 符号 Mkcmnpf 名称百万千厘毫微奈皮飞 四 物理学三大基本量之测量及单位 1 时间之测量及单位 一 秒之定义 1 1967 年前 A 定义 以太阳日为标准 地球上任一点连续 2 次对正太阳之时间间隔称为太阳日 一 年内太阳日之平均值称为平均太阳日 再将一平均太阳日分为 24 小时 1 小时 分为 60 分 1 分分为 60 秒 故 1 秒平均太阳日 1 86400 B 缺点 a 平均太阳日逐年改变 b 使用不便 2 1967 年后 原子间之振动具良好之恒常性 故国际度量衡局于 1967 年会议中 选定了 以铯原子之某一固定振动次的时间定义为 1 秒 此标准沿用至今 二 单摆之等时性 1 当单摆之摆角不大 摆角 时 其周期只与摆长 有关 5 T2 g 2 周期秒之单摆称为秒摆 其摆长T2 1m 三 半衰期 半生期 1 定义 放射性物质衰变数量达原来总数之一半 即剩下一半尚未衰变 所需的时间 称为 半衰期或半生期 2 公式 设半衰期为 之某放射性物质原数量为 经过时间 后 剩下数量为 N 则 0 Nt t 2 1 0 NN 3 应用 利用物体所含之浓度可鉴定其年代 C 14 2 长度之测量及单位 一 公尺之定义 1 18 世纪 以北极经巴黎至赤道的子午线长之一千万分之一为 1 公尺 并以此标准制作 了一标准尺 铂铱合金棒 2 1889 年后 因标准尺长之一千万倍不等于子午线长 遂改以标准尺为 1 公尺之标准 其缺点为易受环境影响 3 1961 年 国际间同意将公尺之标准改订为氪的同位素所发出某一特定光的波长的 1650763 73 倍 4 1983 年 国际度量衡会议决议将光在真空中分之一秒所行之距离定义为 1 公尺 二 常用特殊长度单位 1 光年 L Y 光在一年中所行之距离 15 9 46 10 m 2 天文单位 A U 地球绕日公转轨道之平均半径 500 光秒 11 1 49 10 m 3 埃 常用于表示原子之大小 o A o 10 1A10m 3 质量之测量及单位 一 公斤之定义 1 1889 年前 A 定义 定义 4 1 公升之纯水其质量为 1 公斤 C B 缺点 a 纯水取得不易 b 易受环境 温度 影响 2 1889 年后 国际度量衡会议决议采用铂铱合金制之 公斤原器 为 1 公斤之标准 4 M K S 制及制 单位制长