自然科学概要（第二版）（微课版）课件 第7章 近代物理学

1经典力学和热力学CONTENTS第7章近代物理学经典电磁学和光学27.1课程标准

1.知识目标了解牛顿、焦耳、赫姆霍兹、克劳修斯、汤姆孙等的创新成果。理解牛顿第一定律、牛顿第二定律；牛顿第三定律、万有引力定律、热力学第一定律。理解热力学第二定律及熵的内涵。2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。

第一节经典力学和热力学

一、经典力学构建经典力学理论体系大厦的是英国科学巨匠牛顿。牛顿(1643—1727)在数学上发明了微积分；在天文学上发现了万有引力定律，开辟了天文学的新纪元；在力学中，他系统总结了三大运动定律，创造了完整的经典力学体系；在光学中发现了太阳光的光谱，发明了反射式望远镜。

一个人只要享有这里的任何一项成就，就足以名垂千古，而牛顿一个人做出了所有这些工作。

44岁牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》出版，给他带来了巨大的声望。牛顿(1643—1727)

1.牛顿第一定律

“一个不受任何外力(或者合外力为零)的物体将保持静止或匀速直线运动。”

这个结论称为牛顿第一定律。牛顿第一定律表明，任何物体都具有保持运动状态不变的性质，这个性质称为惯性，所以这个定律也称为惯性定律。正是由于物体具有惯性，所以物体运动状态的变化，只有在外力作用的条件下才会发生。因此，惯性是物体的属性。惯性图片

2.牛顿第二定律

力是产生加速度的原因

3.牛顿第三定律

作用力和反作用力图片

4.万有引力

牛顿发现万有引力的实际历史过程和思路非常复杂，我们这里分析一下其推导过程。万有引力图片

（1）根据牛顿第一定律:太阳和行星的运动表明，它们处于平衡状态，因而一定有一个净力作用于行星，否则，行星就不会绕太阳运动，将会沿着直线运动。

由于椭圆运动近似于圆周运动，因而行星在任何时刻都受到一个指向太阳的向心力的作用。

（2）根据牛顿第二定律:这个力的大小为:

F向=ma向

（3）根据惠更斯向心力定律:

∵

a向=V2/R；V=2Rπ/T，

∴a向=V2/R=（2Rπ/T）2/R=4Rπ2/T2

F向=ma向=m·4Rπ2/T2=4mRπ2/T2

；

式中T为行星绕太阳旋转的周期。

（4）根据开普勒第三定律：T2=kR3

F向=4mRπ2/T2

=4mRπ2/kR3=4π2/k·m/R2

令4π2/k=CF向=Cm/R2

（5）根据牛顿第三定律:太阳对行星有向心力，行星对太阳也有向心力，这个力与太阳的质量成正比，与距离的平方成反比。F′向=C′M/R2

∵F=F′

∴Cm/R2=C′M/R2Cm=C′MC′/m=C/M=GC/M=GC=MGF向=Cm/R2=MGm/R2

F引=GmM/R2二、热力学

（一）能量守恒定律

1.热质说在古希腊的德谟克里特和伊壁鸠鲁以及古罗马的卢克莱修的著作中都出现了“热是物质的”这种说法。

1703年史塔尔提出的“燃素说”，本质也是热质说。主张热质说的人认为，热是“一种特殊形态的没有重量的物质”，当热质进入物体后物体就会发热。2.运动说（1）1798年美国物理学家汤姆森发现钻孔时钻出的金属屑足以把水烧开。

（2）1799年英国人戴维将两块冰固定在一个由时钟改装的装置上，使两块冰可以不断地摩擦。然后把它们放进抽成真空的大玻璃罩内，两块冰通过摩擦慢慢溶解为水。运动生热图片

（3）德国医生迈尔(1814—1878)第一个得出热的机械当量为1千卡等于365千克米。（4）英国物理学家焦耳(1818～1889)用了近40年时间，做了四百多次实验，确定了热功当量的精确值是：423.85千克米／千卡。现在是418.4千克米／千卡。后人为纪念焦耳，在国际单位制中采用焦耳为热量的单位，取1卡=4.18焦耳

。（5）德国物理学家和生物学家赫姆霍兹(1821～1892)在《力的守恒》论文中提出，“力”(即能量)是守恒的，并证明了普遍的能量守恒原理。

能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变。焦耳(1818—1889)

（二）热力学第一定律

热力学第一定律是在19世纪中叶被德国物理学家克劳修斯（1822-1888）和英国物理学家汤姆孙（1824-1907）运用于热力学系统而获得的。热力学第一定律可表示为：

Q=（T2-T1）+W.

即：系统由外界吸收的热量，一部分使系统的内能增加，另一部分使系统对外做功。还可表述为不可能制造出不消耗能量的永动机。克劳修斯汤姆孙

（二）热力学第二定律

热力学第二定律是经汤姆孙和德国物理学家克劳修斯的进一步研究，于1850年发现的。热力学第二定律：在一个孤立的系统内，热总是自发地从高温物体传到低温物体中去,而不是相反。根据热力学第二定律，人们认识到热机不可能把从高温热源中吸收的热量全部转化为有用功，而总要把一部分热量传给低温热源。

热总是自发地从高温物体传到低温物体中去

克劳修斯于1865年发表一篇论文，提出了“熵”的概念：将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，S=Q/T。

在封闭系统中，有两物体，它们的温度分别为T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的时间内，有dQ的热量从T1传到T2，因为T1﹥T2

，则有：dQ/T2-dQ/T1﹥0

这就导致了熵的增加。

以熵增加原理表述的热力学第二定律，即：孤立系统的熵总是会自发地趋于极大。定律指出，在一个孤立系统中，任何物理过程或化学过程总是导致熵的增加，系统最终达到一个具有极大熵值的平衡态，而且这种熵增过程是一个不可逆的自发过程。熵的本义表征系统的状态。

宏观意义表征系统能量分布的均匀程度（能量平均状态是熵值达到最大的状态）；

微观意义表征系统内部粒子的无序程度。一旦成为无序状态，它就再也不可能恢复到高度有序状态。克劳修斯将这一定律推广到整个宇宙，提出了著名的“热寂说”：

宇宙的发展最终将达到一个永恒的死寂状态。有序状态无序状态思考与练习1.在物理学方面，牛顿、焦耳、克劳修斯、赫姆霍兹有何创新成果。

2.简答牛顿第一定律、牛顿第二定律、牛顿第三定律；万有引力定律；热力学第一定律、热力学第二定律。3.说说熵的内涵是什么？1经典力学和热力学CONTENTS第7章近代物理学经典电磁学和光学27.2课程标准

1.知识目标了解杜费（法国）、富兰克林（美国）、穆欣布罗克（荷兰）、伽伐尼（意大利）、伏特（意大利）、奥斯特（丹麦）、法拉第（英国）、麦克斯韦（英国）、惠更斯（荷兰）、菲涅尔（法国）、斯涅尔（荷兰）发现的创新成果。理解光的反射定律、光的折射定律、透镜成像规律。2.能力目标具备初步的批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用第二节经典电磁学和光学一、电学

1.对静电的研究

1733年，法国人杜费(1698-1739)发现自然界存在两种电：一种是皮毛与树脂摩擦后树脂带的负电；另一种是丝绸与玻璃摩擦后玻璃带的正电。正负电之间同性相斥、异性相吸。荷兰莱顿大学的穆欣布罗克(1692—1761)用起电机使瓶内的水带电；发明了莱顿瓶。

1752年美国的本杰明·富兰克林用风筝把雷雨中的电引下来使莱顿瓶充电，证明了天上的电和地上的电是一回事。据此，发明了避雷针。静电的发现过程

2、电流的发现

1780年，意大利医生伽伐尼把连接着蛙腿的铜钩子挂到院外的铁栏上，蛙腿抽搐了一下。只要铜钩一接触铁栏，蛙腿就会痉挛，发现了电流。意大利物理学家伏特用各种金属做类似实验，认识到金属的接触是产生电流的真正原因。据此，制成了伏特电堆，这是最早的能提供稳定直流电池。电池的发现过程1.电生磁

1800年，丹麦哥本哈根大学的奥斯特教授在做物理实验时偶然发现：电流通过铂丝时，铂丝下罗盘的磁针发生了偏转。这个现象证明了电能产生磁，电具有磁效应。2.磁生电

英国科学家法拉第经过10年坚持不懈的实验研究，于1831年通过改变磁场强度的变化，使闭合线路中产生电流，这就是著名的电磁感应现象。法拉第还进一步提出了“场”和“力线”的概念。二、电磁学电生磁实验图片磁生电实验图片

1864年，年轻的英国物理学家麦克斯韦（1831－1879）

发表了“电磁场的动力学理论”一文，给出一组描述电磁现象的完整偏微分方程组，即麦克斯韦方程。

之后，写成了电磁理论的名著《论电和磁》，解麦氏方程组得出如下结论：①交变的电场产生交变的磁场，而交变的磁场又能产生交变的电场，这样电场—磁场—电场继续下去，就是电磁波。②解方程组得出在真空中电磁波的运动速度等于光速。麦克斯韦电磁理论的建立，不仅预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁这三种现象的统一性。麦克斯韦电磁场理论的实验验证，直到1888年才由德国物理学家赫兹加以实现。ε和μ是电导率和磁导率。3.电磁波赫兹麦克斯韦

三、光的成因理论

1.光的粒子说

牛顿用三棱镜分解了太阳光，发现了“牛顿环”现象，设计过一种反射望远镜。他的光学成就集中体现在所著《光学》一书中。牛顿认为光是光源向各个方向阵阵簇射出来的粒子流。2.光的波动说

荷兰科学家惠更斯（1629～1695）则认为光是以球面波的形式向前传播的；英国物理学家托马斯·杨所做的光的干涉实验证明了光是波；光的粒子说解释光的反射现象光以球面波的形式向前传播19世纪60年代麦克斯韦预言光是一种电磁波。之后，1905年爱因斯坦发现光电效应，并指出，光不单是粒子或者波，而是具有波粒二象性。

光电效应电磁波谱电磁波的干涉和衍射电磁波

二、反射和折射定律1.光的反射定律

1817年，法国物理学家菲涅尔（1788~1827）发现了光的反射定律。

光射到两种媒质的分界面时，入射光的一部分就从界面沿着某一方向反射出来。如果入射光线平行，沿某一方向反射的光线也是平行的，这种反射称为光的单向反射。

如果界面是粗糙不平的表面，反射的光线就不再平行，而是射向各个不同的方向，这种反射叫做漫反射。菲涅尔光的反射现象光的反射定律：①反射光线在入射光线和法线所决定的平面里，反射光线和入射光线分居在法线两侧；②反射角等于入射角。根据反射定律，我们可以知道：如果光线逆着原来反射光线的方向入射到界面，它就要逆着原来入射光线的方向反射。所以，在反射时，光路是可逆的反射角等于入射角

2.光的折射定律

光射到两种媒质的分界面时，一般是有一部分光反射回原媒质继续传播，另一部分光在两种媒质的分界面上，改变了原来传播的方向，进入另一种媒质里继续传播，形成折射现象。

光的折射定律是由荷兰数学家、物理学家斯涅尔（1580-1626）发现的。斯涅尔的折射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。只是后来惠更斯等人在审查他遗留的手稿时，才看到这方面的记载。斯涅尔（1580-1626）

光的折射现象

透镜的聚焦现象

三、透镜成像

1.透镜以两个球面（或其中一个是平面）为折射界面的透明体，叫做透镜。透镜分为凸透镜和凹透镜，这两种透镜除了