第三章：经典物理学

科学格言在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用，物理书中充满了复杂的数学公式，但是，所有的物理学理论都是起源于思考与观念，而不是公式。观念在以后应该采取一种定量理论的数学形式，使其能与实验相比较。－－－－爱因斯坦经典物理学1、牛顿力学，包括质点运动学、质点和质点组动力学，刚体、流体、振动与波。2、

分子运动论与热力学定律。3、电磁学，包括静电场、磁场、电磁感应、麦克斯韦场方程、交、直流电路。4、光的电磁理论经典物理学主要内容一．经典物理学的发展与科学大厦的建立人类是一个充满好奇心的物种，不断地提问题是人类的天性。

从人类有历史以来就对自然界提出各种各样的描述，这些就是最初的科学萌芽。直到近代，工业革命使得科学技术获得了突飞猛进的进步，为科学实验的开展提供了前所未有的条件，由此带动了科学理论的飞速发展。1.经典力学的建立2.热力学的建立3.统计物理学的建立4.经典电动力学的建立5.光的电磁理论1经典力学的建立

经典力学主要处理时间、空间和质量之间的关系。物理学中最早发展的部分是对机械运动规律的认识，力学是物理学中最早发展的分支。

1589-1592年伽利略(GalileoGalilei)用物体的斜面运动进行了自由落体加速运动的研究，确认了物体在重力作用下的运动规律和物体的重量无关。用实验结果阐述了物体惯性的概念。伽利略从实验得出结论：“一个运动的物体，假如有了某种速度以后，只要没有增加或减小速度的外部原因，便会始终保持这种速度－这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为在斜面的情况下，朝下的斜面提供了加速的起因，而朝上的斜面提供了减速的起因；由此可知，只有在水平面上运动才是不变的。”伽利略第一次提出了惯性（inertia）的概念，并且第一次把外力和“引起加速和减速的外部原因”联系起来。10多年后，1609年和1619年德国科学家开普勒(JohannesKepler)发表了行星运动的基本定律。

1609年，开普勒总结天文学观测太阳系行星的运动行为，提出了两个定律。开普勒第一定律

又称为轨道定律：太阳系中所有的行星分别在大小不同的椭圆轨道上围绕太阳运动，太阳位于这些椭圆的一个焦点上。开普勒第二定律—又称为面积速度定律：行星围绕太阳运动时，每一行星和太阳中心的连线在相等的时间内扫过相等的面积。

开普勒第二定律—又称为面积速度定律：行星围绕太阳运动时，每一行星和太阳中心的连线在相等的时间内扫过相等的面积。又过了10年，1619年，开普勒又总结提出了一个定律。开普勒第三定律—周期定律：太阳系各行星绕太阳运动时，行星绕太阳运动周期的二次方和行星椭圆轨道半长轴的三次方成正比。开普勒第三定律—周期定律：太阳系各行星绕太阳运动时，行星绕太阳运动周期的二次方和行星椭圆轨道半长轴的三次方成正比。

1687年在开普勒、伽里略观测和实验工作的基础上，牛顿(SirIsaacNewton)在他的划时代的巨著《自然哲学的数学原理》(PhilosophiaeNaturalisPrincipiaMathematica

)中总结提出了牛顿运动三定律和万有引力定律，建立了经典力学的完整理论。IfIhaveseenfurtherthanothermen,itisbecauseIstoodontheshouldersofgiants.WhowasNewton?

牛顿第二定律

运动基本定律：物体在外力作用下运动的加速度和外力成正比，并且加速度的方向和外力方向相同。

牛顿第一定律

惯性定律：物体不受外力作用时作匀速直线运动。惯性（惰性）不仅存在在运动中，更多是在人的思想，社会。

牛顿第三定律

作用和反作用定律：一物体对另一物体的作用力同时引起另一物体对该物体的大小相等、方向相反的反作用力，作用力和反作用力在同一条直线上。牛顿运动三定律是机械运动的基本规律，它们描绘了物体在受到其它物体对它的作用力时，物体怎么样运动，物体的运动状态如何变化。

万有引力定律

物质相互作用的普遍规律：自然界中任何两个物体都以一定的力互相吸引，这个吸引力的大小同两个物体质量的乘积成正比，同它们之间距离的平方成反比。其中

GN=(6.673±0.010)

10–11

米３千克-1秒–2称为引力常量，它的值是确定的，不变的。按照牛顿给出的运动三定律和万有引力定律，各个行星的运动行为都可以从理论上严格推算出来。太阳系中每一个行星都受到太阳和其它行星对它的万有引力，在这些吸引力的作用下运动。当然由于这些吸引力中最大的是太阳的吸引力，这就使行星的运动基本上是在一个椭圆轨道上，其它行星对它的吸引力的影响使它的运动偏离开标准的椭圆形轨道，这个现象称为摄动现象。各个行星的运动，包括摄动现象都可以从牛顿运动定律和万有引力定律出发从理论上严格推算出来，并且与天文观测的结果很好符合。

一个好的理论，不但要能够解释已有的事实，还要能够预测未来。

1781年发现了天王星，经过几十年的观测发现天文观测到的天王星的运动行为和预期的不一致。

法国天文学家勒威耶(UrbainJeanJosephLeVerrier)和英国的亚当斯(JohnCouchAdams)认为可能太阳系中在天王星之外还有一个行星也在绕太阳运动，这个新行星对天王星的万有引力使天王星的运动行为有所改变。他们根据对天王星运行轨道的详细天文观测和牛顿的理论预言了太阳系中在天王星之外还有一个新的行星—海王星的存在。

1846年德国天文学家伽勒(JohannGottfriedGalle)根据勒威耶和亚当斯的计算结果发现了海王星。海王星的发现使牛顿运动定律和万有引力定律在牛顿提出159

年后被普遍接受。经典力学的完整理论建立了。

经典力学中出现了三个最普遍的基本物理概念：质量、空间和时间。空间和时间是物质存在的普遍形式。质量是物质量的度量。

*2004年发现太阳系还有一颗行星。*在2006年8月24日于布拉格举行的第26界国际天文联会中通过的第5号决议中,冥王星被划为矮行星,并命名为小行星134340号,从太阳系九大行星中被除名。所以现在太阳系只有八大行星。惯性质量和引力质量以牛顿第二定律定义的质量为惯性质量以万有引力定律定义的质量为引力质量二者相等除了那些真实而已足够说明其现象者外，不必去寻求自然界事物的其它原因。自然界不作无用之事。。。因为自然界喜欢简单化，不爱用什么多余的原因夸耀自己。－－牛顿（自然哲学的数学原理）

19世纪经典力学已经成为物理学中的成熟的分支学科，它包含了：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。声学是研究机械振动和波动的产生、传播、转化和吸收的分支学科。2热力学的建立热是能量表现的一个重要形式。

18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，焦耳（英）、卡诺（法）、开尔文（英）、克劳修斯（德）发展建立了热力学理论。冷热是物体的一个重要的属性，任一个物体都有一定的冷热程度，具有一定的温度。同一个物体不同时间可以具有不同的温度。看一个最简单的热现象：如果把两个温度不同的物体紧密接触，经过一定时间后，两个物体之间的温度就变得一样了（热平衡）。用物理学的语言来说，这两个物体开始接触时，它们之间并没有达到热平衡，经过一段时间的接触后达到了热平衡，具有相同的温度。

热现象的基本规律是：如果两个物体分别与第三个物体处于热平衡，则它们彼此也必处于热平衡。热学现象的基本规律的研究发展，先后建立了热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律。

后来物理学家们意识到热现象的基本规律是热学现象的基础，是一切热学现象的出发点，应该列入热力学定律。但是这时热力学第一定律、热力学第二定律等都已有了明确的内容和含义。所以这时有人提出这应该是热力学第零定律，热力学第零定律的提出远远晚于热力学第一定律和热力学第二定律。

热力学第零定律热平衡定律：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡,则它们彼此也必处于热平衡。研究热现象时，需要一个概念来描述冷热的程度，有了热平衡定律就可以建立温度的概念，两个物体之间达到热平衡的标志是两个物体的温度相等。热平衡定律是“温度”概念的科学基础。有3个温标：摄氏（Celsiur）、华氏（Fahrenheit）、开氏（Kelvin）中世纪以来，许多人企图设计制作不需要消耗任何燃料和动力资源，能源源不断地对外作功的“永动机”。这些设计都没有成功。

早期著名的永动机设计是13世纪法国人奥恩库尔(VillarddeHonnecourt)所提出，这个设计很巧妙，但是没有成功。

15世纪意大利著名的美术家、科学家、工程师达•芬奇(LeonardodaVinci)也设计和制造了一个类似的装置，也没有成功。达•芬奇经过仔细的研究和分析后作出结论：永动机是不可能实现的。

尽管几个世纪以来，所有的永动机的设计都没有成功，但一直不断地有人设计，幻想能制成永动机，不断提出设计方案要求科学界审核和认可。

1775法国科学院正式宣布：“本科学院以后不再审查有关永动机的任何设计”。到1842年科学上正式确立了热力学第一定律。

热力学第一定律能量守恒和转换定律：任一过程中，系统所吸收的热量等于系统内能的增量和对外界作功的总和。

Q=DU+A这里Q

是系统所吸收的热量，U

是系统的内能，DU

是系统内能的增量，A

是系统对外界作的功。

热力学第一定律的另一种表述：第一种永动机不可能。第一种永动机：不需要热源可以不断输出有用的功的机械。

1850年科学上正式确立了热力学第二定律。

热力学第二定律第二种永动机不可能：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用的功而不产生其它影响（也可以说做功效率不能100%）。热力学第二定律的另一种表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其它影响。

1906年科学上正式确立了热力学第三定律。

热力学第三定律绝对零度不能达到原理：不可能用有限手续使一物体冷却到绝对温度的零度。

玻尔兹曼开始考虑时间之箭的问题，所有的物理学定律都不禁止时间的反向流动。熵：无序度的表示。得不到物理学界的承认1906年自杀，此后他的研究得到了重视，成为物理学一个十分重要的研究领域。奥地利物理学家，1844年--1906年热力学第二定律的其它表述和延伸

热力学第二定律：孤立系统的一切自发过程均向着其微观状态更无序的方向发展，如果要使系统回复到原先的有序状态是不可能的，除非外界对它做功。孤立系统的熵（entropy）值永远是增加的。可表达为：dS≥0

熵代表系统的有序状态。可以推出，1.宇宙最后达到完全无序状态，达到热力学平衡而死去，即所谓的“热死”；2.宇宙不可能有无限的过去，不然早就“热死”了，可见宇宙有开始。热平衡状态（平衡态热力学，非平衡态热力学）在没有外界影响的条件下，物体的各部分在长时间内不发生变化，则称物体处于平衡状态。条件：体系内各相的自由能相等ΔG＝0，G1=G2=G3=…..Gn热现象的本质是体系内部分子运动的表现。补充知识热力学量在热力学中，我们经常把所有的热力学量分成强度量（热容量，膨胀系数，压缩系数）和广延量（内能、熵、体积）。广延量与体系或系统的质量有关的量，而强度量则与系统的质量无关。

状态函数（statefunction）

状态函数：系统处于一定（热力学平衡）状态，系统的所有宏观性质均不随时间变化，都有确定的值。系统的状态确定系统的性质，用数学语言可表达为Z=f(状态)，即热力学性质是状态的函数，称为状态函数。状态函数的特征：状态函数的变化值只取决于系统的始态和终态，与中间变化过程无关。如温度T是状态函数：

按过程（I）:△T（I）=80℃-50℃=30℃

按过程（II）:△T（II）=△T1+△T2=-40℃+70℃=30℃

所以，△T（I）=△T（II），与变化过程无关

3统计物理学的建立热力学是一种宏观理论，它是根据实验结果综合而成的系统的理论，热力学中承认热是一种能量，并不问热是一种什么样的运动表现。热学理论的另一个方面是分子动力学理论，认为热现象源于大量分子的运动，是大量分子运动的统计行为。

1857年到1872年，克劳修斯(RudollfClausius)、麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)、玻耳兹曼(LudwigBoltzmann)成功地发展了分子动力学理论。所有的物体都是由大量的分子按一定的规律构成的，大量分子按一定规律运动的合效果表现为物体的热性质，按照分子运动论成功地给出了物体的各种热学性质的微观来源和联系，分子动理学理论是物质运动的微观理论。

1908年关于布朗运动的实验给分子动力学理论提供了事实基础。

1902年美国的吉布斯(JosiahWillardGibbs)在《统计力学的基本原理》中建立了平衡态统计物理的体系。

统计物理学根据物质的微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成的宏观物体的性质和行为的统计规律，是理论物理的一个重要分支。

三种分布规律：不同能量状态的粒子数目1.波尔兹曼分布:微观粒子可分辨,能级填充无限制（例：气体）;2．玻色分布:微观粒子不可分辨,能级填充无限制（例：光子，超导电子对）;3.费米分布:微观粒子不可分辨,能级填充有限制（例，电子）。能级就是能量的大小三种分布图示：早在公元前585年，人们就发现用木块摩擦过的琥珀能够吸引一些细小的物品。这种能力称之为“带电”。电荷相互作用比引力强很多。电荷的基本属性之一是有两种电荷，同性相斥、异性相吸。用电量或者荷电量（电荷）来表示物体带电的多少。电荷不灭。4经典电动力学的建立电磁学的五大基本实验定律1.库仑定律2.高斯定理3.安培定律4.电磁感应定律5.欧姆定律*有人认为有3个基本定律，也有人认为是4个，不包括欧姆定律。我觉得欧姆定律应该包括。

1785库仑(CharllesAugustindeCoulomb)通过实验发现静电的库仑定律。 库仑定律：自然界中任何两个带电物体都以一定的力相互作用，这个力同两个物体所带的电荷乘积成正比，同它们之间的距离平方成反比。库仑定律与万有引力定律形式很类似。高斯定理（静电场的基本定律）

通过任意闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所包围的所有电荷量的代数和与电常数之比。

积分形式微分形式安培定律在磁场中任一点P处的电流元所受的磁场作用力dF可以表示为：这里B是P点的磁感应强度。dF称为安培力。安培力其实就是洛伦茨力（就是带电粒子在电磁场中受到的力）的结果。欧姆定律最常见的电磁学定律，电流等于电压除以电阻。1831英国科学家法拉第(MichaaelFaraday)在实验的基础上发现电磁感应定律。 电磁感应定律：闭合回路上产生的感应电动势和通过闭合回路的磁通量的变化率成正比。法拉第电磁感应定律其中

是电场强度，是磁感应强度，为带电粒子速度。等式右边第一项是按库仑定律带电粒子所受的库仑力，第二项是带电粒子所受的洛伦兹力。

洛伦兹力

电磁场对带电物质相互作用的基本规律。

许多物理研究手段利用了洛伦兹力，例如，质谱分析，光电子能谱分析等。

1895荷兰科学家洛伦兹(HendrikAntoonLorentz)提出洛伦兹力。磁场对运动点电荷的作用力正比于电量、磁感应强度以及速度在垂直于磁场方向的分量。这样，带电荷q的粒子在电磁场中运动时所受的力可以统一地写作

：洛伦兹力的应用－光电子能谱

1864麦克斯韦从理论上把电和磁的规律统一，提出电磁场运动的基本方程组，建立了电磁学的系统理论。麦克斯韦电磁理论电磁场运动的基本规律。

麦克斯韦理论是物理学探索统一理论的又一次尝试。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831-1879)，英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，对电磁现象有了本质的认识。

1864年英国物理学家麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)的电磁理论预言当电荷和电流运动变化时，会引起周围的电磁场的强度变化，电磁场强度的变化会以波动的形式传播出去，表现为电磁波。麦克斯韦的电磁理论预言电磁波的存在，并且理论导出电磁波以真空光速传播。麦克斯韦的电磁理论预测光是一种电磁波，确立了光的电磁理论。至此，波动说似乎已经取得了决定性的胜利。麦克斯韦方程组1.积分表达式在普遍情况下,电磁场必须满足的麦克斯韦方程组如下:电场的高斯定理;电场由自由电荷和变化的磁场激发。环路定理；表征变化的磁场激发有旋电场。公式中电场包括库仑电场和感生电场。磁场的高斯定理；传导电流和变化的电场激发的磁场均是有旋场，磁力线是闭合曲线表征传导电流和变化电场激发磁场的环路定理

2.微分表达式式中：是自由电荷密度;

是传导电流密度;

是位移电流密度;有介质时,补充三个方程（对各向同性介质）麦克斯韦方程组+介质性质方程组全面总结了电磁场的规律。5光的电磁理论光的现象是一类重要的物理现象，光有不同的颜色，光一般是沿直线传播的，光传播时遇到不同介质的界面时会发生折射和反射等等。光的本质是什么？一直是物理学要回答的问题。

17世纪对光的本质提出了两种假说：

微粒说—光是发光物体射出的大量的微粒。微粒说的代表人物是牛顿；

波动说－光是发光物体发出的波动。波动说的代表人物是荷兰物理学家惠更斯(ChristiaanHuygens)。

从17世纪到19世纪，光的微粒说与波动说展开了旷日持久的论战，光沿沿直线传播的，光的折射和反射定律等都可以由微粒说自然地解释，再由于牛顿在科学界的威望，微粒说得到很大的有利地位。但后来光学的研究中又发现了一些明显显示波动性质的现象，如光的衍射等，波动说又得到了强有力的支持。

19世纪初波动光学初步形成。到了19世纪末，波动说已完全占了上风。麦克斯韦的电磁理论预测光是一种电磁波，确立了光的电磁理论。至此，波动说似乎已经取得了决定性的胜利。在经典物理中，光的本质尚未被完全理解。量子力学的诞生解决了这个问题。

1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，人们对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为

上面两式左边是描写粒子性的E、P；