中学教材中的物理学家(好材料!!!物理学史是教学的好资源!!)ppt课件.ppt

中学教材物理学家介绍 光学部分 力学部分 电磁部分 1 胡克 伽利略 牛顿 笛卡儿 力学部分 返回 2 牛顿 牛顿 IsaacNewton 1643 1727 伟大的物理学家 天文学家和数学家 经典力学体系的奠基人 牛顿1643年1月4日 儒略历1642年12月25日 诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普一个自耕农家庭 出生前八九个月父死于肺炎 自小瘦弱 孤僻而倔强 3岁时母亲改嫁 由外祖母抚养 11岁时继父去世 母亲又带3个弟妹回家务农 在不幸的家庭生活中 牛顿小学时成绩较差 除设计机械外没显出才华 3 在1665 1666年 伦敦流行鼠疫的两年间 牛顿回到家乡 这两年牛顿才华横溢 作出了多项发明 1667年重返剑桥大学 1668年7月获硕士学位 1669年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲座教授 1672年成为皇家学会会员 1703年成为皇家学会终身会长 1699年就任造币局局长 1701年他辞去剑桥大学工作 因改革币制有功 1705年被封为爵士 1727年牛顿逝世于肯辛顿 遗体葬于威斯敏斯特教堂 牛顿的伟大成就与他的刻苦和勤奋是分不开的 他的助手H 牛顿说过 他很少在两 三点前睡觉 有时一直工作到五 六点 春天和秋天经常五 六个星期住在实验室 直到完成实验 他有一种长期坚持不懈集中精力透彻解决某一问题的习惯 他回答人们关于他洞察事物有何诀窍时说 不断地沉思 这正是他的主要特点 对此有许多故事流传 他年幼时 曾一面牵牛上山 一面看书 到家后才发觉手里只有一根绳 看书时定时煮鸡蛋结果将表和鸡蛋一齐煮在锅里 有一次 他请朋友到家中吃饭 自己却在实验室废寝忘食地工作 再三催促仍不出来 当朋友把一只鸡吃完 留下一堆骨头在盘中走了以后 牛顿才想起这事 可他看到盘中的骨头后又恍然大悟地说 我还以为没有吃饭 原来我早已吃过了 牛顿的成就 恩格斯在 英国状况十八世纪 中概括得最为完整 牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学 由于进行了光的分解而创立了科学的光学 由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学 由于认识了力的本性而创立了科学的力学 牛顿在建立万有引力定律及经典力学方面的成就详见本手册相关条目 这里着重从数学 光学 哲学 方法论 等方面的成就作一些介绍 4 牛顿自小热爱自然 喜欢动脑动手 8岁时积攒零钱买了锤 锯来做手工 他特别喜欢刻制日晷 利用圆盘上小棍的投影显示时刻 传说他家里墙角 窗台上到处都有他刻划的日晷 他还做了一个日晷放在村中央 被人称为 牛顿钟 一直用到牛顿死后好几年 他还做过带踏板的自行车 用小木桶做过滴漏水钟 放过自做的带小灯笼的风筝 人们以为是彗星出现 用小老鼠当动力做了一架磨坊的模型 等等 他观察自然最生动的例子是15岁时做的第一次实验 为了计算风力和风速 他选择狂风时做顺风跳跃和逆风跳跃 再量出两次跳跃的距离差 牛顿在格兰瑟姆中学读书时 曾寄住在格兰瑟姆镇克拉克药店 这里更培养了他的科学实验习惯 因为当时的药店就是一所化学实验室 牛顿在自己的笔记中 将自然现象分类整理 包括颜色调配 时钟 天文 几何问题等等 这些灵活的学习方法 都为他后来的创造打下了良好基础 牛顿曾因家贫停学务农 在这段时间里 他利用一切时间自学 放羊 购物 农闲时 他都手不释卷 甚至羊吃了别人庄稼 他也不知道 他舅父是一个神父 有一次发现牛顿看的是数学 便支持他继续上学 1661年6月考入剑桥大学三一学院 作为领取补助金的 减费生 他必须担负侍候某些富家子弟的任务 三一学院的巴罗 IsaacBarrow 1630 1677 教授是当时改革教育方式主持自然科学新讲座 卢卡斯讲座 的第一任教授 被称为 欧洲最优秀的学者 对牛顿特别垂青 引导他读了许多前人的优秀著作 1664年牛顿经考试被选为巴罗的助手 1665年大学毕业 5 1 牛顿的数学成就17世纪以来 原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题 例如 如何求出物体的瞬时速度与加速度 如何求曲线的切线及曲线长度 行星路程 矢径扫过的面积 极大极小值 如近日点 远日点 最大射程等 体积 重心 引力等等 尽管牛顿以前已有对数 解析几何 无穷级数等成就 但还不能圆满或普遍地解决这些问题 当时笛卡儿的 几何学 和瓦里斯的 无穷算术 对牛顿的影响最大 牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法 正流数术 微分 和反流数术 积分 反映在1669年的 运用无限多项方程 1671年的 流数术与无穷级数 1676年的 曲线求积术 三篇论文和 原理 一书中 以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿 论流数 中 所谓 流量 就是随时间而变化的自变量如x y s u等 流数 就是流量的改变速度即变化率 写作等 他说的 差率 变率 就是微分 与此同时 他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理 牛顿利甩它还发现了其他无穷级数 并用来计算面积 积分 解方程等等 1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号 从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广 微积分的出现 成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支 数学分析 牛顿称之为 借助于无限多项方程的分析 并进一步进进发展为微分几何 微分方程 变分法等等 这些又反过来促进了理论物理学的发展 例如瑞士J 伯努利曾征求最速降落曲线的解答 这是变分法的最初始问题 半年内全欧数学家无人能解答 1697年 一天牛顿偶然听说此事 当天晚上一举解出 并匿名刊登在 哲学学报 上 伯努利惊异地说 从这锋利的爪中我认出了雄狮 6 2 牛顿在光学上的成就牛顿的 光学 是他的另一本科学经典著作 1704年 该书用标副标题是 关于光的反射 折射 拐折和颜色的论文 集中反映了他的光学成就 第一篇是几何光学和颜色理论 棱镜光谱实验 从1663年起 他开始磨制透镜和自制望远镜 在他送交皇家学会的信中报告说 我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜 以便试验那著名的颜色现象 为此 我弄暗我的房间 接着详细叙述了他开小孔 引阳光进行的棱镜色散实验 关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡儿都认为白光纯洁均匀 乃是光的本色 色光乃是白光的变种 牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的五色而是在红 黄 绿 蓝 紫色之间还有橙 靛青等中间色共七色 奇怪的还有棱镜分光后形成的不是圆形而是长条椭圆形 接着他又试验 玻璃的不同厚度部分 不同大小的窗孔 将棱镜放在外边 再通过孔 玻璃的不平或偶然不规则 等的影响 用两个棱镜正倒放置以 消除第一棱镜的效应 取 来自太阳不同部分的光线 看其不同的入射方向会产生什么样的影响 并 计算各色光线的折射率 观察光线经棱镜后会不会沿曲线运动 最后才做了 判决性试验 在棱镜所形成的彩色带中通过屏幕上的小孔取出单色光 再投射到第二棱镜后 得出核色光的折射率 当时叫 折射程度 这样就得出 白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非匀匀的混合体 这个惊人的结论推翻了前人的学说 是牛顿细致观察和多项反复实验与思考的结果 在研究这个问题的过程中 牛顿还肯定 不管是伽利略望远镜 凹 凸 还是开普勒望远镜 两个凸透镜 其结构本身都无法避免物镜色散引起起的色差 他发现经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大30 40倍 1671年他将此镜送皇家学会保存 至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构 牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法 至今仍是不少工厂光学加工的主要手段 7 光学 第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的 牛顿环 现象的各种实验 除产生环的原因他没有涉及外 他作了现代实验所能想到的一切实验 并作了精确测量 他把干涉现象解释为光行进中的 突发 或 切合 即周期性的时而突然 易于反射 时而 易于透射 他甚至测出这种等间隔的大小 如黄橙色之间有一种色光的突发间隔为1 89000英寸 即现今2854 10 10米 正好与现代波长值5710 10 10米相差一半 光学 第三篇是 拐折 他认为光线被吸收 即衍射 双折射实验和他的31个疑问 这些衍射实验包括头发丝 刀片 尖劈形单缝形成的单色窄光束 光带 今称衍射图样 等10多个实验 牛顿已经走到了重大发现的大门口却失之交臂 他的31个疑问极具启发性 说明牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先作绝对的肯定 牛顿在 光学 一 二篇中视光为物质流 即由光源发出的速度 大小不同的一群粒子 在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性 由于当时波动说还解释不了光的直进 他是倾向于粒子说的 但他认为粒子与波都是假定 他甚至认为以太的存在也是没有根据的 在流体力学方面 牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比 这种阻力与液体各部分之间的分离速度成正比 符合这种规律的 如 空气与水 称为牛顿流体 在热学方面 牛顿的冷却定律为 当物体表面与周围形成温差时 单位时间单位面积上散失的热量与这一温差成正比 在声学方面 他指出声速与大气压强平方根成正比 与密度平方根成反比 他原来把声传播作为等温过程对待 后来P S 拉普拉斯纠正为绝热过程 8 3 牛顿的哲学思想和科学方法牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模的物理学方法论体系 给物理学及整个自然科学的发展 给18世纪的工业革命 社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响 这里只简略勾画一些轮廓 牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开的 一切自然现象他都力图力学观点加以解释 这就形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义 同时也导致了机械论的盛行 事实上 牛顿把一切化学 热 电等现象都看作 与吸引或排斥力有关的事物 例如他最早阐述了化学亲和力 把化学置换反应描述为两种吸引作用的相互竞争 认为 通过运动或发酵而发热 火药爆炸也是硫磺 炭等粒子相互猛烈撞击 分解 放热 膨胀的过程 等等 这种机械观 即把一切的物质运动形式都归为机械运动的观点 把解释机械运动问题所必需的绝对时空观 原子论 由初始条件可以决定以后任何时刻运动状态的机械决定论 事物发展的因果律等等 作为整个物理学的通用思考模式 可以认为 牛顿是开始比较完整地建立物理因果关系体系的第一人 而因果关系正是经典物理学的基石 牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样 不只是创立了某一种或两种新方法 而是形成了一套研究事物的方法论体系 提出了几条方法论原理 在牛顿 原理 一书中集中体现了以下几种科学方法 实验 理论 应用的方法 牛顿在 原理 序言中说 哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力 而后用这些方去论证其他的现象 科学史家I B Cohen正确地指出 牛顿 主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较 牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠 也是将其理论应用于天体 流体 引力等实际问题的能手 9 分析 综合方法 分析是从整体到部分 如微分 原子观点 综合是从部分到整体 如积分 也包括天与地的综合 三条运动定律的建立等 牛顿在 原理 中说过 在自然科学里 应该像在数学里一样 在研究困难的事物时 总是应当先用分析的方法 然后才用综合的方法 一般地说 从结果到原因 从特殊原因到普遍原因 一直论证到最普遍的原因为止 这就是分析的方法 而综合的方法则假定原因已找到 并且已经把它们定为原理 再用这些原理去解释由它们发生的现象 并证明这些解释的正确性 归纳 演绎方法 上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的 牛顿从观察和实验出发 用归纳法去从中作出普通的结论 即得到概念和规律 然后用演绎法推演出种种结论 再通过实验加以检验 解释和预测 这些预言的大部分都在后来得到证实 当时牛顿表述的定律他称为公理 即表明由归纳法得出的普遍结论 又可用演绎法去推演出其他结论 物理 数学方法 牛顿将物理学范围中的概念和定律都 尽量用数学演出 爱因斯坦说 牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础 从这个基础出发他用数学的思维 逻辑地 定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合 只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求 微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一 牛顿把他的书称为 自然哲学的数学原理 正好说明这一点 10 牛顿的方法论原理集中表述在 原理 第三篇 哲学中的推理法则 中的四条法则中 此处不再转引 概括起来 可以称之为简单性原理 法则1 因果性原理 法则2 普遍性原理 法则3 否证法原理 法则4 无反例证明者即成立 有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理 自然哲学的目的在于发现自然界的结构的作用 并且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和一般的定律 用观察和实验来建立这些法则 从而导出事物的原因和结果 牛顿的哲学思想和方法论体系被爱因斯坦赞为 理论物理学领域中每一工作者的纲领 这是一个指引着一代一代科学工作者前进的开放的纲领 但牛顿的哲学思想和方法论不可避免地有着明显的时代局限性和不彻底性 这是科学处于幼年时代的最高成就 牛顿当时只对物质最简单的机械运动作了初步系统研究 并且把时空 物质绝对化 企图把粒子说外推到一切领域 如连他自己也不能解释他所发现的 牛顿环 这些都是他的致命伤 牛顿在看到事物的 第一原因 不一定是机械的 时 提出了 这些事情都是这样地井井有条 是否好像有一位 无所不在的上帝 的问题 光学 疑问29 并长期转到神学的 科学 研究中 费了大量精力 但是 牛顿的历史局限性和他的历史成就一样 都是启迪后人不断前进的教材 返回 11 伽利略 伽利略 GalieoGalilei 1564 1642 伟大的意大利物理学家和天文学家 他开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学 他为推翻以亚里士多德为旗号的经院哲学对科学的禁锢 改变与加深人类对物质运动和宇宙的科学认识而奋斗了一生 因此被誉为 近代科学之父 12 1 动手动脑 孜孜不倦伽利略1564年2月15日生于比萨一个乐师和数学家之家 从小爱好机械 数学和音乐 诗画 喜欢做水磨 风车 船舶模型 17岁时虽遵父命入比萨大学学医 但却不顾教授们反对 独自钻研图书馆中的古籍和进行实验 1582年冬 托斯卡纳公爵的年轻数学教师O 里奇允许伽利略旁听 使他进人一个新世界 里奇擅长的应用力学与应用数学及生动的讲课 引导他学习水力学 建筑学和工程技术及实验 伽利略在此期间如饥似渴地读了许多古代数学与哲学书籍 阿基米德的数学与实验相结合的方法使他深受感染 他深情地说 阿基米德是我的老师 2 善于观察 勤于实验伽利略对周围世界的多种多样运动特别感兴趣 但他发现 运动的问题这么古老 有意义的研究竟如此可怜 他的学生维维安尼在 伽利略传 中记叙了1583年19岁的枷利略在比萨大教堂的情景 以特有的好奇心和敏锐性 注视悬挂在教堂最顶端的大吊灯的运动 它的摆动时间在沿大弧 中弧和小弧摆动时是否相同 当大吊灯有规律地摆动时 他利用自己脉搏的跳动 和自己擅长并熟练运用的音乐节拍 测算 他清楚地得出结论 时间完全一样 他对此仍不满足 回家以后 用两根同样长的线绳各系上一个铅球作自由摆动 他把两个摆拉到偏离竖直线不同的角度 例如30 和10 然后同时放手 在同伴的协助下 他看到无论沿长弧和短弧摆动 两个摆在同一时间间隔内的摆动次数准确相等 他又另外做了两个相似的摆 只是摆长不同 他发现 短摆摆动300次时 长摆摆动40次 均在大角度情况下 在其他摆动角度 如小角度 下它们各自的摆动次数在同一时间 13 间隔内与大角度时完全相同 并且多次重复仍然如此 他由此得出结论 看来无论对于重物体的快速摆动还是轻物体的慢摆动 空气的阻力几乎不起作用 摆长一定的单摆周期是相同的 与摆幅大小无关 他还看到 摆球的绝对重量或相对比重的大小都引不起周期的明显改变 只要不专门挑选最轻的材料作摆球 否则它会因空气阻力太大而很快静止下来 伽利略对偶然机遇下的发现 不但做了多次实测 还考虑到振幅 周期 绳长 阻力 重量 材料等因素 他还利用绳长的调节和标度作成了第一件实用仪器 脉搏计 1585年因家贫退学 回到佛罗伦萨 担任了家庭教师并努力自学 他从学习阿基米德 论浮体 及杠杆定律和称金冠的故事中得到启示 自己用简单的演示证明了一定质量的物体受到的浮力与物体的形状无关 只与比重有关 他利用纯金 银的重量与体积列表后刻在秤上 用待测合金制品去称量时就能快速读出金银的成色 这种 浮力天平 用于金银交易十分方便 1586年他写了第一篇论文 小天平 记述这一小制作 1589年他又结合数学计算和实验写了关于几种固体重心计算法的论文 这些成就使他于1589年被聘为比萨大学教授 1592年起移居到威尼斯任帕多瓦大学教授 开始了他一生的黄金时代 在帕多瓦大学 他为了帮助医生测定病人的热度做成了第一个温度计 这是一种开放式的液体温度计 利用带色的水或酒精作为测温物质 这实际上是温度计与气压计的雏形 利用气体的热胀冷缩性质通过含液玻璃管把温度作为一种客观物理量来测量 14 伽利略认为 神奇的艺术蕴藏在琐细和幼稚的事物中 致力于伟大的发明要从最微贱的开始 我深深懂得 只要一次实验或确证 就足以推翻所有可能的理由 伽利略不愧是实验科学的奠基人 3 破除迷信闯出新路伽利略认真读过亚里士多德的 物理学 等著作 认为其中许多是错误的 他反对屈从于亚里土多德的权威 嘲笑那些 坚持亚里士多德的一词一句 的书呆子 他认为那些只会背诵别人词句的人不能叫哲学家 而只能叫 记忆学家 或 背诵博士 他认为 世界乃是一本打开的活书 真正的哲学是写在那本经常在我们眼前打开着的最伟大的书里 这本书是用各种几何图形和数学文字写成的 他从小好问 好与师友争辩 他主张 不要靠老师的威望而是靠争辩 来满足自己理智的要求 他反对一些不合理的传统 例如他在比萨大学任教时就坚决反对教授必须穿长袍的旧规 并在学生中传播反对穿长袍的讽刺诗 他深信哥白尼学说的正确 他一针见血地笑那些认为天体不变的人 那些大捧特捧不灭不变等等的人 只是由于他们渴望永远活下去和害怕死亡 伽利略依靠工匠们的实践经验与数学理论的结合 依靠他自己敏锐的观察和大量的实验成果 通过雄辩和事实 粉碎了教会支持的亚里士多德和托勒密思想体系两千多年来对科学的禁锢 在运动理论方面奠立了科学力学的基石 如速度 加速度的引入 相对性原理 惯性定律 落体定律 摆的等时性 运动叠加原理等 而且闯出了一条实验 逻辑思维与数学理论相结合的新路 参见 伽利略的运动理论与科学方法 15 4 热爱科学 传播真理伽利略在帕多瓦自己的家中开办了一个仪器作坊 成批生产多种科学仪器与工具 并利用它们亲自进行实验 1609年7月 他听说荷兰有人发明了供人玩赏的望远镜后 8月 就根据传闻及折射现象 找到铅管和平凸及平凹透镜 制成第一台3倍望远镜 20天后改进为9倍 并在威尼斯的圣马克广场最高塔楼顶层展出数日 轰动一时 11月 他又制成20倍望远镜并用来观察天象 看到 月明如镜 的月球上竟是凸凹不平 山峦迭起 他还系统观察木星的四颗卫星 1610年他将望远镜放大倍数提高到33 同年3月发表 星空信使 一书 总结了他的观察成果并用来有力地驳斥地心说 伽利略发明望远镜可属偶然 但他不断改进设计 成批制造 逐步提高放大倍数 这不是一般学者 工匠或教师所能及的 伽利略通过望远镜测得太阳黑子的周期性变化与金星的盈亏变化 看到银河中有无数恒星 有力地宣传了日心说 5 时代局限历史遗案1615年伽利略受到敌对势力的控告 他虽几经努力 力图挽回局面 但1616年教皇还是下了禁令 禁止他以口头或文字的形式传授或宣传日心说 以后伽利略表面上在禁令下生活 实际上写出了 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 一书来为哥白尼辩护 该书于1632年出版 当年秋伽利略就遭到严刑下的审讯 1633年6月22日伽利略被迫在悔过书上签字 随后被终身软禁 在软禁期间他又写了 关于两门新科学的对话与数学证明对话集 一书 该书于1638年在荷兰莱顿出版 伽利略1642年1月8日病逝 终年78岁 科学的蓬勃发展早已证实了伽利略的伟大和教会的谬误 1979年梵蒂岗教皇保罗二世宣布对这一历史判决平反 只是平反来得过迟了 返回 16 胡克 胡克 RobertHooke 1635 1703 英国实验物理学家 仪器发明家 1635年出生于英格兰怀特岛清水村 从小体弱多病但却心灵手巧 酷爱摆弄机械 自制过木钟 可以开炮的小战舰等 1653年到牛津大学作工读生 1663年获文学硕士学位 1655年成为玻意耳的助手 由于他的实验才能 1662年被任命为皇家学会的实验主持人 为每次聚会安排三 四个实验 1663年获硕士学位 同年被选为皇家学会正式会员 又兼任了学会陈列室管理员和图书管理员 1665年任格雷姆学院几何学教授 1667 1683年任学会秘书并负责出版会刊 学会的工作条件使他在当时自然科学的前沿 如机械仪器改制 弹性 重力 光学 乃至生物 建筑 化学 地质等方面 作出了自己的贡献 1703年在伦敦逝世 胡克的重要贡献主要是在仪器制造方面 如协助玻意耳改进抽气机 制造了复式显微镜 轮式气压计 摆钟 海洋测深仪 海水取样器等等 他还参与过伦敦大火后的城市重建设计等等 其次 对于晶体 化石 燃烧 测温学等也有不少研究 17 胡克于1678年曾将自己发现的弹性定律发表在他的讲演集 态势的恢复 中 他举出螺旋弹簧 发条 悬线 木杆挠曲变形等四种情况 这一定律后来经过A L 科西1822年引入 应力 应变 及G 格林的改进后才具有现代形式 他和惠更斯 参见 惠更斯 是各自独立地建议用发条 游丝 驱动摆轮的 胡克虽长于实验技术且 物理思想活跃 但由于缺乏数学根基 最终并未能从理论和实验上根本解决问题 在重力问题上也是如此 胡克从1661年开始积极参加皇家学会重力专门委员会的活动 进行了在教堂塔尖称量长绳与短绳上的铁块重量的比较 1671年发表 试论地球周年运动 的论文中提出所有天体有吸引力 惯性运动 引力大小与距离有关 后从圆轨道导出为平方反比关系 等三条假设 他还在1679年指出行星运动是由匀速直线的惯性运动和朝向中心天体的吸引这两部分运动合成的 牛顿自己也承认胡克的思想对他有启发 1679年12月13日致胡克信 但对于非圆周情况胡克就无能为力了 在重力问题上也是如此 胡克从1661年开始积极参加皇家学会重力专门委员会的活动 进行了在教堂塔尖称量长绳与短绳上的铁块重量的比较 1671年发表 试论地球周年运动 的论文中提出所有天体有吸引力 惯性运动 引力大小与距离有关 后从圆轨道导出为平方反比关系 等三条假设 他还在1679年指出行星运动是由匀速直线的惯性运动和朝向中心天体的吸引这两部分运动合成的 牛顿自己也承认胡克的思想对他有启发 1679年12月13日致胡克信 但对于非圆周情况胡克就无能为力了 18 胡克1665年出版的 显微术或放大镜下微小物体的生理学描述 描述了显微镜的光学结构和观察到的图画 如矿石 动植物标本 软木塞 昆虫 细胞等 这本书还讨论了云母 肥皂泡 油膜等透明薄膜的彩色于涉图与周期性分布图 胡克还是光的波动说最早的倡导者之一 但对这些干涉图样缺乏定量分析研究 胡克1665年出版的 显微术或放大镜下微小物体的生理学描述 描述了显微镜的光学结构和观察到的图画 如矿石 动植物标本 软木塞 昆虫 细胞等 这本书还讨论了云母 肥皂泡 油膜等透明薄膜的彩色于涉图与周期性分布图 胡克还是光的波动说最早的倡导者之一 但对这些干涉图样缺乏定量分析研究 返回 19 笛卡儿 笛卡儿 RenceDescartes 1596 1650 法国哲学家 物理学家和数学家 1596年3月31日生于法国小镇拉埃的一个贵族家庭 因家境富裕从小多病 学校允许他在床上早读 养成终生沉思的习惯和孤僻的性格 1606年他在欧洲最有名的贵族学校 耶稣会的拉弗莱什学校上学 1616年在普依托大学学习法律与医学 对各种知识特别是数学深感兴趣 在军队服役和周游欧洲中他继续注意 收集各种知识 随处对遇见的种种事物注意思考 1629 1649年在荷兰写成 方法谈 1637 及其附录 几何学 屈光学 哲学原理 1644 1650年2月11日卒于斯德哥尔摩 死后还出版有 论光 1664 等 20 笛卡儿在自然哲学 数学 主要是解析几何学 力学 光学和宇宙结构等方面的思想和成果 促进了物理学的发展 科学史的发展也是在充满矛盾中曲折前进的 笛卡儿正是以其理性思维 近距作用 数学演绎法 直观模型 物质的连续性与无限可分性等鲜明的观点和某些正误兼备的物理成果起着特殊的历史作用 他是继伽利略与开普勒之后另一个新宇宙体系的探索者 在当时情况下 他的成就是和他独具一格的自学方法 学习 沉思 实践 游历 研究 建立新理论体系 有关的 他对于在修道院或学院里反复修补注释几本古籍的经院哲学方法及其学问越发怀疑 决心 在我们自身之内或世界这本大书里 去找学问 他曾说过 即使我们能背诵别人已经作出的所有证明 我们也不会成为数学家 即使我们掌握了柏拉图和亚里士多德的全部论证 我们也不会成为哲学家 如果我们没有能力形成对这些问题的可靠判断的话 心灵方向的规则 1628 我对每一件可以使我怀疑的事 都特别加以思考 同时把以前潜入我的心灵的一切错误通通从我心中拔除干净 方法谈 1636 当时迫切需要在扩大实验成果的基础上找寻理论指导与概括 因此他的 新哲学 风靡一时 他的探求真理的创新精神和方法是有一定教育意义的 笛卡儿主张有两个独立的世界 它们分别由物质实体和精神组成并受到上帝超自然的某些干预 他认为 物质由微粒构成 物质与空间广延性密不可分 物质世界没有真空 物体唯一可能的运动是位置变动 包括圆周运动与涡漩运动 一切自然现象都可用物质粒子的相互机械作用 近距作用 来说明 给我广延和运动 我将造出这个世界 让自然依照他所建立的规律活动 勿须再由上帝照管 这种机械宇宙观一直影响到17 18世纪的自然科学 21 笛卡儿特别重视方法问题 尤其是数学方法 我决心洗手不干的只是抽象的几何学 即不再考虑那种只能起到练习头脑作用的问题 为了要研究一种以解释自然现象为宗旨的几何学 我的物理学可以说跟几何学是没有什么两样的 给麦山尼的一封信 他在古代演绎方法的基础上创立了数学演绎法 以唯理主义为根据 从简单自明的直观公理出发运用数学的逻辑演绎推出结论 这种方法与F 培根的实验归纳法结合起来 成为后来物理学特别是理论物理学的重要方法 他首创的代数几何学即解析几何学使变化的坐标即变数进入了数学 成了物理学与自然科学研究方法中的常用利器 如图解法 笛卡儿坐标系等 此外 笛卡儿还善于运用 直观模型 如用 盲人手杖 比喻光信息传入大脑 和假说方法 如 以太漩涡 在力学方面 他发展了运动相对性思想 明确表述了惯性定律 只要物体开始运动 就将继续以同一速度并沿同一直线方向运动 直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止 哲学原理 37 39节 强调了惯性运动的直线性 他还在同书36节明确提出了动量守恒定律 物质和运动的总量永远保持不变 既然运动不过是运动着的物质的条件 在物质中就会存在一定量的运动 它的总和在世界上永远不会增加也不会消失 尽管其各个分散部分部分将会改变 这就是说 假定一物体比另一物体小一倍但速度快一倍 二者的运动量是一样的 22 在光学方面 他第一次在 屈光学 中提出折射定律的理论推导 认为光是一种在以太中传播的压力过程 并用网球模型计算两种媒质分界面上的反射与折射 得出sini sinr 常数的形式 但这与光疏 光密媒质中光速度变化的事实恰好相反 引起了后来关于光的粒子性与波动性的长期争论 他还在1637年 方法谈 中 论虹 一文中成功地解释了虹的成因 笛卡儿由于缺乏实验基础而导致不少具体物理结论的失误 例如碰撞问题 光的折射方向 用宇宙以太漩涡假说解释引力现象等 他的 怀疑一切 原则使他陷入 我思故我在 的唯心主义 削弱了他的理性主义主法论的力量 对笛卡儿的褒贬不一 但应从历史发展角度客观地考察 返回 23 惠更斯 赫兹 多普勒 庞加莱 斯涅耳 泊松 麦克斯韦 托马斯 杨 光学部分 返回 24 多普勒 奥地利物理学家及数学家多普勒 克里斯琴 约翰 Doppler ChristianJohann 1803年11月29日出生于奥地利的萨尔茨堡 Salzburg 1842年 他在文章 OntheColoredLightofDoubleStars 提出 多普勒效应 DopplerEffect 因而闻名于世 25 著名的多普勒效应首次出现在1842年发表的一篇论文上 多普勒推导出当波源和观察者有相对运动时 观察者接收到的波频会改变 他试图用这个原理来解释双星的颜色变化 虽然多普勒误将光波当作纵波 但多普勒效应这个结论却是正确的 多普勒效应有很多应用 例如天文学家观察到遥远星体光谱的红移现象 可以计算出星体与地球的相对速度 警方可用雷达侦测车速等 多普勒的研究范围还包括光学 电磁学和天文学 他设计和改良了很多实验仪器 例如光学仪器 多普勒天才横溢 创意无限 脑里充满各种新奇的点子 虽然不是每一个构想都行得通 但往往为未来的新发现提供线索 返回 26 赫兹 赫兹 德国物理学家 生于汉堡 早在少年时代就被光学和力学实验所吸引 十九岁入德累斯顿工学院学工程 由于对自然科学的爱好 次年转入柏林大学 在物理学教授亥姆霍兹指导下学习 1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授 1889年 接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授 直到逝世 赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在 27 1887年11月5日 赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为 论在绝缘体中电过程引起的感应现象 的论文中 总结了这个重要发现 接着 赫兹还通过实验确认了电磁波是横波 具有与光类似的特性 如反射 折射 衍射等 并且实验了两列电磁波的干涉 同时证实了在直线传播时 电磁波的传播速度与光速相同 从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性 此外 赫兹又做了一系列实验 他研究了紫外光对火花放电的影响 发现了光电效应 即在光的照射下物体会释放出电子的现象 这一发现 后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础 1888年1月 赫兹将这些成果总结在 论动电效应的传播速度 一文中 赫兹实验公布后 轰动了全世界的科学界 由法拉第开创 麦克斯韦总结的电磁理论 至此才取得决定性的胜利赫兹也是是国际单位制中频率的单位 它是每秒中的周期性变动重复次数的计量 返回 28 惠更斯 惠更斯 C ChristiaanHuygens1629 1695 荷兰物理学家 天文学家 数学家 1629年4月14日出生于海牙 父亲是大臣和诗人 与R 笛卡儿等学界名流交往甚密 惠更斯自幼聪慧 13岁时曾自制一台车床 表现出很强的动手能力 1645年16岁时进入莱顿大学学习法律与数学 1647 1649年转入布雷达学院深造 致力于力学 光学 天文学及数学的研究 他善于把科学和理论研究结合起来 透彻地解决问题 因此在摆钟的发明 天文仪器的设计 弹性体碰和光的波动理论等方面都有突出成就 惠更斯衣冠楚楚 举止文雅 颇具学者风度 他喜欢音乐和诗歌 终身未娶 晚年长期患病 于1695年7月8日在海牙逝世 享年66岁 29 1 在物理学上最重要的贡献是关于光的波动学说 惠更斯在1679年向法国科学院的报告和1690年出版的 光论 中 提出了著名的惠更期原理 2 他全面细致地解决了完全弹性碰撞问题 证明了这种碰撞中同一方向上的动量保持不变 他还通过对比船岸与岸上两人手中小球的碰撞情况的生动例子 阐明相对性原理也适用于碰撞现象 这是从特殊情况的碰撞出发首次利用相对性原理得出了守恒定律的结论 3 发明了摆钟 1656年开始 惠更斯首先将摆引入时钟 发明了摆钟 图1 并发表了 摆钟 1658 及 摆式时钟或用于时钟上的摆的运动的几何证明 1637 他又研究了简谐运动及弹簧振动 并用游丝代替挂摆 设计出许多种钟表等时结构 例如海上用以测量地理经度的怀表等 4 在光学方面成就 1650年起与其弟用新法研磨球面透镜 作出的望远镜质量优良 用它发现了土星光环和土卫六 猎户座星云等 他深入研究了几何光学理论和应用光学技术 例如折射定律及折射率 眼睛及眼镜片 透镜的放大率 焦深 球差与色差及其消除 以及改进望远镜与显微镜等等 他发明的目镜效果良好 被称为惠更斯目镜 至今通用 返回 30 麦克斯韦 詹姆斯 克拉克 麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家 数学家 1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡 自幼聪颖 父亲是个知识渊博的律师 使麦克斯韦从小受到良好的教育 10岁时进入爱丁堡中学学习14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文 已显露出出众的才华 1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理 1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习 1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金 毕业留校任职两年 1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授 1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授 1861年选为伦敦皇家学会会员 1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果 完成了电磁场理论的经典巨著 论电和磁 并于1873年出版 1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授 负责筹建著名的卡文迪什实验室 1874年建成后担任这个实验室的第一任主任 直到1879年11月5日在剑桥逝世 31 麦克斯韦主要从事电磁理论 分子物理学 统计物理学 光学 力学 弹性理论方面的研究 尤其是他建立的电磁场理论 将电学 磁学 光学统一起来 是19世纪物理学发展的最光辉的成果 是科学史上最伟大的综合之一 他预言了电磁波的存在 这种理论遇见后来得到了充分的实验验证 他为物理学树起了一座丰碑 造福于人类的无线电技术 就是以电磁场理论为基础发展起来的 麦克斯韦是霍普金斯的研究生 霍普金斯学问渊博 培养出了不少人才 有多方面成就的威廉 汤姆生就是著名的开尔文勋爵 和数学家斯托克斯 1819 1903 都是他的门下 麦克斯韦在导师的指导下 首先克服了杂乱无章的学习方法 霍普金斯对他的每一个选题 每一步运算都要求得很严格 那时 麦克斯韦还参加了剑桥大学的斯托克斯讲座 24岁的麦克斯韦麦表 论法拉第的力线 这是他第一篇关于电磁学的论文 在论文中 麦克斯韦通过数学方法 把电流周围存在力线这个现象 概括做一个高等数学里的矢量微分方程 根据这个方程 每一股电流都产生一条环状磁力线 这一年 1855 恰好法拉第结束了长达30多年的电学研究 他在科学笔记里写下了最后一个编号 5430 正是 芳林新叶催陈叶 流水前波让后波 麦克斯韦接过了这位伟大先驱者的火炬 开始向电磁领域的纵深挺进 返回 32 庞加莱 亨利 庞加莱 JulesHenriPoincar 是法国数学家 1854年4月29日生于南锡 1912年7月17日卒于巴黎 庞加莱的父母亲都出身于法国的显赫世家 几代人都居住在法国东部的洛林 1875年 1878年 庞加莱在高等工科学校毕业后 又在国立高等矿业学校学习工程 准备当一名工程师 但他却缺少这方面的勇气 且与他的兴趣不符 1879年8月1日 庞加莱撰写了关于微分方程方面的博士论文 获得了博士学位 然后到卡昂大学理学院任讲师 1881年任巴黎大学教授 直到去世 33 庞加莱的研究涉及数论 代数学 几何学 拓扑学等许多领域 最重要的工作是在分析学方面 庞加莱还开创了动力系统理论 1895年证明了 庞加莱回归定理 他在天体力学方面的另一重要结果是 在引力作用下 转动流体的形状除了已知的旋转椭球体 不等轴椭球体和环状体外 还有三种庞加莱梨形体存在 庞加莱对经典物理学有深入而广泛的研究 对狭义相对论的创立有贡献 他从1899年开始研究电子理论 首先认识到洛伦茨变换构成群 庞加莱的哲学著作 科学与假设 科学的价值 科学与方法 也有着重大的影响 他是约定主义的代表人物 认为科学公理是方便的定义或约定 可以在一切可能的约定中进行选择 但需以实验事实为依据 避开一切矛盾 1906年 庞加莱当选为巴黎科学院主席 1908年 他被选为法国科学院院士 这是一位法国科学家所能达到的最高地位 返回 34 斯涅耳 威里布里德 斯涅耳 WillebrordSnellVanRoijen1591 1626 荷兰莱顿人 数学家和物理学家 曾在莱顿大学担任过数学教授 斯涅尔最早发现了光的折射定律 从而使几何光学的精确计算成为了可能 35 1621年 斯涅耳通过实验确立了开普勒想发现而没有能够发现的折射定律 当时斯涅耳注意到了水中的物体看起来象漂浮的现象 并试图揭开其中的奥秘 由此便引出了他对折射现象的研究 在总结托勒密 开普勒等前人的研究成果后 斯涅耳做了进一步的实验 在实验中 斯涅耳应用开普勒的方法发现 从空气到水里并落在容器垂直面上的一条光线在水中所走的长度 同该光线如按未偏离其原始方向而本来会通过的路程成一定的比 他指出 折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内 入射光线和折射光线分别位于法线两侧 入射角的正弦和折射角的正弦的比值对于一定的两种媒质来说是一个常数 这个常数是第二种媒质对第一媒质的相对折射率 其中i1和i2分别为入射角和折射角 n21为折射光所在媒质对入射光所在媒质的相对折射率 n2和n1为两种媒质的绝对折射率 斯涅耳的这一折射定律 也称斯涅耳定律 是从实验中得到的 未做任何的理论推导 虽然正确 但却从未正式公布过 只是后来惠更斯和伊萨克 沃斯两人在审查他遗留的手稿时 才看到这方面的记载 斯涅耳在数学上也颇有成就 他善于实验和测量 1617年 他运用三角方法 精确地测量了地球的大小 且测出了纬度一度为66 66英国法定里 他得出的这一数据比前人的数据精确的多 所以后来被引用在 函数尺和直角仪的说明 以及 地理学 等书中 返回 36 泊松 法国数学家 1781年6月21日生于法国卢瓦雷省的皮蒂维耶 1840年4月25日卒于法国索镇 1798年入巴黎综合工科学校深造 在毕业时 因优秀的研究论文而被指定为讲师 1806年接替J B J 傅里叶任该校教授 1809年任巴黎理学院力学教授 1812年当选为巴黎科学院院士 泊松的科学生涯开始于研究微分方程及其在摆的运动和声学理论中的应用 他工作的特色是应用数学方法研究各类力学和物理问题 并由此得到数学上的发现 他对积分理论 行星运动理论 热物理 弹性理论 电磁理论 位势理论和概率论都有重要贡献 37 在经典物理学时期 关于光的本性有两种观点 即波动论和粒子论 当然现在已经知道其实是波粒二象性了 而数学家泊松是坚定的粒子论者 他对光的波动说很不屑 我们知道 波是可以产生衍射的 于是泊松为了推翻光的波动说就用很严谨的数学方法计算 得出的结论是 假如光是一种波 那么光在照到一个尺寸适当的圆盘时 其后面的阴影中心会出现一个亮斑 这在当时看来是一个很可笑的结论 影子的中心应该是最暗的 如果光是波动的反而成了最亮的地方了 泊松自认为这个结论完全可以推翻光的波动说 然而物理学家菲涅尔的试验却使泊松大跌眼镜 事实的确如此 在阴影的中心就是有一个亮斑 泊松本来想推翻光的波动说 结果反而又一次证明了光的波动性 由于圆盘衍射中的那个亮斑是由泊松最早证明计算出来的 所以叫做 泊松亮斑 具体地来说就是 泊松亮斑 当光照到不透光的小圆板上时 在圆板的阴影中心出现的亮斑 在阴影外还有不等间距的明暗相间的圆环 形成的原因是由于光的衍射 可以利用衍射公式来具体计算 38 托马斯 杨 托马斯 杨 英国医生兼物理学家 光的波动说的奠基人之一 他不仅在物理学领域领袖群英 名享世界 而且涉猎甚广 光波学 声波学 流体动力学 造船工程 潮汐理论 毛细作用 用摆测量引力 虹的理论 力学 数学 光学 声学 语言学 动物学 埃及学 这实在是一个庞大的目录 他对艺术还颇有兴趣 热爱美术 几乎会演奏当时的所有乐器 并且会制造天文器材 还研究了保险经济问题 而且托马斯 杨擅长骑马 并且会耍杂技走钢丝 39 托马斯 杨 ThomaxYoung 1773 1829年 英国医生兼物理学家 光的波动说的奠基人之一 1773年6月13日生于萨默塞特郡的米菲尔顿 他从小就有神童之称 兴趣十分广泛 后来进入伦敦的圣巴塞罗缪医学院学医 21岁时 即以他的第一篇医学论文成为英国皇家学会会员 为了进一步深造 他到爱丁堡和剑桥继续学习 后来又到德国哥廷根去留学 在那里 他受到一些德国自然哲学家的影响 开始怀疑起光的微粒说 1801年进行了著名的杨氏干涉实验 为光的波动说的复兴奠定了基础 1829年5月10日杨氏在伦敦逝世 40 他热爱物理学 在行医之余 他也花了许多时间研究物理 牛顿曾在其 光学 的论著中提出光是由微粒组成的 在之后的近百年时间 人们对光学的认识几乎停滞不前 直到托马斯 杨的诞生 他成为开启光学真理的一把钥匙 为后来的研究者指明了方向 光会不会也和声音一样 是一种波 杨做了著名的杨氏干涉实验 为光的波动说奠定了基础 这个著名的实验如今已经进入中学物理课本 让通过一个小针孔S0的一束光 再通过两个小针孔S1和S2 变成两束光 这样的两束光来自同一光源 所以它们是相干的 结果表明 在光屏上果然看见了明暗相间的干涉图样 后来 又以狭缝代替针孔 进行了双缝实验 得到了更明亮的干涉条纹 杨并没有向权威低头 而是为此撰写了一篇论文 不过论文无处发表 只好印成小册子 据说发行后 只印出了一本 杨在论文中勇敢地反击 尽管我仰慕牛顿的大名 但是我并不因此而认为他是万无一失的 我遗憾地看到 他也会弄错 而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步 杨在物理光学领域的研究是具有开拓意义的 他第一个测量了7种光的波长 最先建立了三原色原理 指出一切色彩都可以从红 绿 蓝这三种原色中得到 杨对弹性力学也很有研究 后人为了纪念他的贡献 把纵向弹性模量称为杨氏模量 返回 41 奥斯特 法拉第 安培 欧姆 库伦 楞次 电磁部分 返回 42 安培 安培在物理学方面的主要贡献是对电磁学中的基本原理有重要发现 如安培定律 安培定则和分子屯流等 1820年七月二十一日丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应 法国物理学界长期信奉库仑关于电 磁没有关系的信条 这个重大发现使他们受到极大的震动 以阿拉果 1786 1853 安培等为代表的法国物理学家迅速作出反应 43 八月末阿拉果在瑞士听到奥斯特成功的消息 立即赶回法国 九月十一日就向法国科学院报告了奥斯特的实验细节 安培听了报告之后 第二天就重复了奥斯特的实验 并于九月十八月向法国科学院报告了第一篇论文 提出了磁针转动方向和电流方向的关系服从右手定则 以后这个定则被命名为安培定则 九月二十五日安培向科学院报告了第二篇论文 提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引 电流方向相反的两皋平行载流导线互相排斥 十月九日报告了第三篇论文 阐述丁各种形状的曲线载流导线之间的相互作用 后来 安培又做了许多实验 并运用高度的数学技巧于1826年总结出电流元之间作用力的定律 描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小 间距以及相对取向之间的关系 后来人们把这个定律称为安培定律 十二月四日安培向科学院报告了这个成果 安培并不满足于这些实验研究的成果 1821年一月 他提出了著名的分子电流的假设 认为每个分子的圆电流形成十个小磁体 这是形成物体宏观磁性的原因 安培还对比了静力学和动力学的名称 第一个把研究动电的理论称为 电动力学 并于 1822年出版了 电动力学的观察汇编 1