在笛卡儿学派和莱布尼兹学派发生了一场旷日持久的争论PPT课件

1 第四节牛顿后力学的发展 经典力学形成比较稳固的体系的过程 不是像有些人想象的那么简单 而是经过了18世纪和19世纪无数的实践 争论 修改 探索这样一个长时期的消化巩固和发展过程 牛顿后力学的发展主要在于以下两个方面 一是实验广泛被重视 并迅速发展起来 向着通用化 精确化和适用化方向进军 卡文迪许1731 1810对万有引力常数的测定 付科1819 1868摆的演示等 标志着力学实验精密程度的提高 2 另一方面 出现了关于力学问题若干问题上长时间的争论 下面就介绍一些基本的争论及问题本身的发展或解决简要介绍如下 1 关于地球形状的争论其实是牛顿的引力理论和笛卡儿的以太旋涡运动理论的争论法国国王路易十五命巴黎科学院派出两支测量队 测量结果证明牛顿的结论是正确的 3 2 关于运动的两种度量的争论牛顿关于 运动的量是运动的度量 可由速度和物体的量共同求出 的定义 在当时是没有争议的 17 18世纪 有关 运动的度量 问题 在笛卡儿学派和莱布尼兹学派发生了一场旷日持久的争论 即使在牛顿当时 力 运动 动量 和 功 能量 等等概念混淆不清 名字也互相混用 特别是一个物体具有多少 力 的传统的看法加剧了这种混乱 这就是两种运动度量争论的客观历史原因 4 牛顿沿用了笛卡儿关于用mv表示运动的概念并命名为 动量 把它和 力 质量 等并列作为基本物理量 当时惠更斯意识到完全弹性碰撞中 除了动量守恒外 还有一个物理量mv2守恒 后来mv2被称作 活力 德国物理学家莱布尼兹 1646 1716 接受了 活力 的思想 他从落体运动的分析中发现物体的质量和速度平方的乘积mv2才是运动的真正量度 到后来 英国物理学家托马斯 杨 1773 1829 第一次提出用 动能 一词代替 活力 到1829年 法国物理学家科里奥利 1792 1843 建议把mv2改为1 2mv2 这就是现在所讲的动能的完整表达式 关于运动量度问题 从牛顿时代开始 争论进行长达半个世纪 5 1743年 法国物理学家达朗贝尔 1717 1783 在他的 动力学论 的序言中 指出两种度量都是有效的 但是用在不同的地方 他认为 当物体平衡时 运动的力 用mv来度量 当物体受障碍而停止时 只能用物体克服障碍的能力来表示 这时要用mv2表示 恩格斯在1880或1881年所写的 运动的量度 功 一文中 根据当时自然科学的最新成就 揭示了两种度量的区别 他指出 机械运动确实有两种量度 mv是以机械运动来量度的机械运动本身 而1 2mv2是以机械运动转化为一定量的其他形式的运动的能力即以动能来量度的机械运动 6 3 关于引力性质的争论由于牛顿在万有引力定律中引入了引力而未能解释它的性质 因而有些科学家对此持否定态度 在牛顿时代和牛顿以后 一些物理学家曾作出了许多努力 试图弄清引力的来源 这一类尝试的基本出发点是假设有以太的存在 以太被看作是人类不可能直接感受到的某种很小的介质 爱因斯坦解开了引力之谜 根据爱因斯坦理论 物质不仅可以以实体的形式存在 也可以以场的形式存在 引力可以用引力场和物体之间的相互作用来解释 7 现代科学认为 质量 这是一个决定物体惯性性质和引力性质的物理量 它的含义为 当有力作用在物体上时 这个量决定了物体的加速度 这个量称为惯性质量 当物体受到另一个物体的吸引时 质量这个量又称为引力质量 它决定了该物体受另一个物体的吸引的力 5 关于绝对时空的争论牛顿的绝对时空观 马赫的批评 8 3 质量的概念进一步的发展牛顿把质量看成是物质的量 在牛顿后 许多科学家这是这样理解的 并且他们中的大部分人都把物质看成是构成自然界中所有物体的某种原料 直到19世纪末 人们才认识到这种概念是不正确的 19世纪末发现了电子 并且已知电子的质量不是常数 与速度有关 但是电子运动仍然是电子这个客观实体并没有改变 这说明了 当物体处于运动状态时他们的质量已不是一个常数 而与速度有关 而物体运动时仍然是同一个物体 即它所含的物质的量没有改变而质量变了 9 第四章热学发展 第一节热现象早期研究 10 热是人类最早发现的一种自然力 是地球上一切生命的源泉 恩格斯 11 热学的发展史实际上就是热力学和统计物理学的发展史 可以分为四个时期 第一个时期 也就是热学的早期史 开始于17世纪末直到二十世纪中叶 这个时期积累了大量的实验和观察事实 关于热的本性展开了研究和争论 为热力学理论的建立做了准备 在19世纪前半叶出现的热机理论和热功当量原理已经包含了热力学的基本思想 第二个时期 从19世纪中叶到9世纪70年代末 这个时期发展了唯象热力学和气体动理论 这些理论的诞生 12 直接与热功当量原理有关 热功当量原理奠定了热力学第一定律的基础 它与卡诺理论结合则导致了热力学第二定律 第三时期内唯象热力学的概念和气体动理论的概念结合的结果导致了统计物理学 代表人物 玻尔兹曼第四时期 也就是从20世纪30年代起 现在 这个时期出现的量子统计物理学和非平衡态理论现代物理学的重要分支 13 1 温度计的发明和改进人类很早就思考着这个问题 热是什么 古代人们就曾思索这个问题 但为此而臆想出来的种种假设 并未涉及热现象的任何实质 16世纪末 伽利略对热现象感到兴趣 他决定制作一个能指示物体 热 程度的仪器 当时还没有温度的概念 1593年 伽利略利用空气热胀冷缩的性质 制成了温度计的雏形 一 热现象的早期研究 14 伽利略温度计是一个象麦杆那么粗的长玻璃管 起一端带有鸡蛋大小的玻璃泡 使用时把玻璃管插入水中 通过把玻璃泡预先受热 使水沿管子升高一些 这就构成了伽利略温度计 15 2 温标的建立要使用温度计确定物体的热状态 必须对温度计进行刻度 这样才能对不同的热状态进行比较 在18世纪 温标的种类很多 但留下来的只有以下三种 荷兰人华伦海特 1686 1736 制作了第一个比较准确的温度计 1709年选用酒精作为测温物质 1714年以后又改水银为测温物质 16 法国的化学家雷伊 1582 1630 将伽利略的温度计简单的倒过来了 将水注入玻璃泡 而将空气留在管中 于是 水成了测温物质 由于他不知道封闭管子的上部 因水的蒸发会出现误差 1659年 法国天文学家布里奥制造了第一把水银作为测温物质的水银温度计 当时 对温度计测量的是什么物理量是很含糊的 通常认为被测量的是热量 即使在18世纪的著作中可以看到 失去了多少度热 或说物体 具有多少度热 等含糊的概念 17 他选用三个固定点 结冰的盐水混合物的温度定为0度 人体的血液的温度定为96度 并把他们之间分隔为96度 第三个固定点为冰水混合物的温度 定为32度 而在1724年以后 他又把水的沸点212度作为一个固定点 这就是华氏温标 18 法国的列缪尔 1683 1757 设计了另一种温度计 他用酒精作为测温物质 他的温度计在冰点和沸点之间分为80份 这就是列氏温标 1742年瑞典的天文学家摄尔修斯定义水的沸点为零度 冰的熔点为100度 八年后施勒默尔将两个固定点倒过来 建立了摄氏温标 到19世纪 1854年 开尔文提出开氏温标 绝对温标 得到世界公认 19 3 量热学的发展热学中的许多基本概念 诸如热量 热容量等都是在量热学的发展过程中产生的 俄国的物理学家李赫曼在这方面做了许多工作 还有英国的化学家布拉克也作出了贡献 他第一个把温度和热量概念区分开 从而实现热学上的一大进步 继而布拉克的学生伊而文引入了热容量的概念 接着在热学的研究中逐步确定了物质的比热 溶解热 汽化热等概念 20 4 热本性说的争论第一种认为热是一种物质 即热质说 代表人物 伊壁鸠鲁 付里叶 卡诺 认为热量是渗透到物体空隙中的一种无重量的流体 热质的多少决定热量的多少 第二种认为热是物体粒子的内部运动 这是不能直接被观察而却是存在的一种运动 代表人物 笛卡尔 胡克 罗蒙诺索夫 伦福德 他们认为 尽管看不到 也不能否定分子运动是存在的 从17世纪下到18世纪上 这两种观点同时并存 并都有所发展 21 其中丹尼尔 伯努利和罗蒙诺索夫等 通过摩擦声生热等现象详细研究了关于热的运动理论 但是 由于人们当时采用了把热现象和其他现象割裂开来的研究方法 加上热质说比热的运动说更为简明 更加易被人接受 而大多数物理学家不愿接受看不见摸不着的运动说 因此 从18世纪中期开始 热质说得到愈来愈广泛的传播 并占据了统治地位 22 当时以热质说为主导思想的热学分支 除量热学外 还有研究传热现象的传热学 传热学在18世纪初就建立了定量的规律 这就是牛顿在1701年发现的冷却定律 热的损失正比于温度差 在1804年毕奥 1774 1862 根据热量守恒的思想建立了初步的热传导理论 接着傅立叶 1768 1830 在1807年向巴黎科学院交了他的关于热传导的论文 由于拉格朗日等人认为缺乏严密性 论文没有通过 直到1822年写成 热的分析理论 一书 这本书总结了他在热学领域内多年的研究成果 在这本书里他热传导方程 后来他的成就得到了泊松的肯定 23 随着物理学的发展 发现和热质说相矛盾的现象越来越多 直到19世纪中期 人们才抛弃了热质说 伦福德伯爵 1753 1814 起了很重要的作用 24 5 热机的发展 蒸汽机是一个真正的国际发明 而这个事实又证实了一个巨大的历史进步 蒸汽机的发明可以追溯到古希腊时代 公元50年 希罗发明过一种演示用的蒸汽球 这个发明没有得到