洪振方博士大学物理.ppt

1、1,赫爾姆霍茨Herman von Helmholtz1821-1894物理帝國的宰相,指導教授：洪振方博士 提報學生：尚景賢 學號：89535602,2,馬克士威方程組 (James Clerk Maxwell,18311879),(1)divD：電場從電荷向四處發散，這是對於庫侖力的一種表述 (2)divB0：不存在單獨的磁極 (3)curlE-dB/dt：變化著的磁場產生電場，這是法拉第電磁感應定律的一種表述 (4)curlHdD/dtJ：變化著的電場和電流都產生渦旋磁場 馬克士威把安培定律推廣到包括變化的場的相互作用。採用公尺千克秒制，寫出這些方程最簡潔方式是引用矢量算符散度div和旋

2、度curl。是電荷密度，J 是電流密度，E 是電場，B 是磁場；D 和H 是分別與E 和B 成比例的場量。用這4個方程來對電場與磁場的產生及其相互作用完整的描述。,3,物理之美費曼與你談物理 陳芊蓉、吳程遠 譯,4,物理之美,第一講：簡單就是美 第二講：當物理遇上數學 第三講：偉大的守恆原理 第四講：對稱，對稱 第五講：為什麼時間 只有一個方向 第六講：這是個不確定 的世界 第七講：尋找新定律,5,物理的定律的毛病,重力理論除了數學的形式外，並没有任何更適當的模型可供思考之用。 所有物理定律，每一個都是以頗複雜而深奧的數學所做的純數學描述。當繼續探究時，會發現其中所牽涉的數學越來越深奧沒辦法用

3、一般人能感受到的方式，不要求他們對數學有深刻的瞭解，郤能夠忠實的解釋自然定律之美。,6,物理學家胸有成竹,物理學家的每一詞句都是有意義的，數學家只處理推理的架構，不管真實如何。但只要掌握一組有關實世界的公理，數學家就會準備好一套可用的抽象推理程序。 模型的建立能有多大幫助呢？重大發現往往和模型相去甚遠。狄拉克只憑方程式的猜想，就發現了相對論性量 子力學。 數學是一種可以用來表達大自然的深刻方法，而任何想用直覺和哲思去表達大自然的企圖，是不太有效率的方法。,7,造物者好像數學家,京斯(Sir James H. Jeans, 1877-1946 )偉大的造物者好像是一位數學家 斯諾(Charles

4、 Percy Snow,1905-1980)兩種文化-科技知識份子(對數學的了解夠充分而能欣 賞大自然的人)-人文學科的知識份子(沒有這種數學經驗， 因此無法充分欣大自然的人） 歐幾里得說：幾何學中沒有帝王之路,8,尋找新定律,先是用猜的，然後計算一下，假定這個定律是正確的話，會出現什麼樣的結果。接下來，將這些計算結果跟大自然的現象作一比較，也許是根據原有的經驗，也許是跟實驗結果直接比較，看看這理論行不行得通。如果它跟實驗結果不符，這定律便錯了。 用猜的不一定就不夠科學，雖然許多不從事科學研究的人認為如此。只有說什麼是比較有可能、以及什麼比較不可能發生，才是真正的科學態度，而不是不停地證明什麼

5、是可能、什麼又是不可能發生。,9,當一項理論裡出現小小的改變，圍繞著這項理論的哲學郤很可能發生劇烈的變化。 一個新的想法是否要把背後哲思納入考慮的問題。 實驗愈來愈難進行、造價愈來愈貴了，因此我們知道了九九九的自然現象，但永遠有那麼一點點剛發現的事物是很難測量的.進行的速度愈來愈慢。,10,十九世紀的物理學,溶液理論,不可秤量的流體,單位,原子論,電流,化學效應,電流的其他性質,光的波動說,電磁感應,電磁力場,電磁單位,熱與能量不滅,氣體運動說,熱力學,光譜分析,電波,化學作用,11,歷史軌跡,1800年使用固體推動劑，製造火箭彈，後被用於戰爭(英國 康格揣夫)。 1801年觀察到太陽光譜中的

6、暗線，錯認為是單純顏色的分界線(英國 武拉斯頓)。提出光波的干涉概念，用以解釋牛頓的彩色光環以及衍射現象，第一次近似測定光波波長。提出視覺理論，認為人眼網膜有三種神經纖維分別對紅、黃、藍三色敏感(英國 托楊)。 1802年聲學出版，總結對弦、杆、板振動的實驗研究，發現弦、杆的縱振動和扭轉振動，測定聲在各種氣體、固體中傳播的速度(德國 舒拉德尼)。 1807年首次把活力叫作能量(英國 托楊)。 1809年發現在兩炭棒間大電流放電發出弧形強光，後被用作強光源(英國 大衛)。 發現雙折射的兩束光線的相對強度和晶體的位置有關，從而發現光的偏振現象，並認識到這與惠更斯的縱波理論不合(法國 馬呂斯)。 1

7、810年創制迴旋器(德國 博能堡格)。,12,歷史軌跡_續,1811年發現當反射光呈全偏振時，反射與折射光兩方向成直角，反射角的正切等於折射率(蘇格蘭 布儒斯特)。發現偏振光通過晶體時產生的豐富彩色現象。後人據此發明用偏振光觀測透明體中彈性應變的技術(法國 阿拉戈)。把引力勢理論移植到靜電學中，建立計算電勢的方程(法國 普阿松)。 1815年 提出光衍射的帶構造理論，把干涉概念和惠更斯的波跡原理結合起來(法國 菲涅耳)。 1816年發現玻璃變形會產生光的雙折射現象，為光測彈性學的開端(英國 布儒斯特)。 1819年發現電流可使磁鍼偏轉的磁效應，因而反過來又發現磁鐵能使電流偏轉，開始揭示電和磁之

8、間的關係(丹麥 奧斯忒)。 發現常溫下，固體比熱按每克原子計算時，都約為每度六卡。這一結果後來得到分子運動論的解釋(法國 杜隆、阿珀替)。 證實相互垂直的偏振光不能干涉，從而肯定光波的橫向振動理論，並建立晶體光學(法國 菲涅耳、阿拉戈)。 1820年 發明電流計(德國 許外格)。,13,歷史軌跡_續,1821年發表氣體分子運動論(英國 赫拉帕斯)。 發現溫差電偶現象，即溫差電效應(俄國 塞貝克)。 1822年 發明電磁鐵，即用電流通過繞線的方法使其中鐵塊磁化 (法國 阿拉戈、蓋呂薩克)。 發現方向相同的兩平行電流相吸，反之相斥。提出“電動力學中電流產生磁場的 基本定律。用分子電流解釋物體的磁性

9、，為把電和磁歸結為同一作用奠定基礎(法國 安培)。 從實驗結果歸納出直線電流元的磁力定律(法國 比奧、薩伐爾)。 創用光柵，用以研究光的衍射現象(德國 夫琅和費)。 推得流體流動的基本方程，即納維爾史托克斯方程(法國 納維爾)。 1824年提出熱機的迴圈和可逆的概念，認識到實際熱機的效率不可能大於理想可逆熱機，理想效率與工質無關，與冷熱源的溫度有關，熱在高溫向低溫傳遞時作功等，這是熱力學第二定律的萌芽。據此設想高壓縮型自燃熱機(法國 卡諾)。,14,歷史軌跡_續,1826年修改牛頓聲速公式，等溫壓縮係數換為絕熱壓縮係數，消除理論和實驗的差異(法國拉普拉斯)。 實驗發現導線中電流和電勢差之間的正

10、比關係，即歐姆定律；證明導線電阻正比於其長度，反比於其截面積(德國 歐姆)。觀察到液體中的懸浮微粒作無規則的起伏運動即所 講祭 運動，是分子熱運動的實證(英國 羅布朗)。 1830年 利用溫差電效應，發明溫差電堆，用以測量熱輻射能量(義大利 諾比利)。 1831年各發現電磁感應現象(英國 法拉第，美國 約亨利)。 1832年 用永久磁鐵創制發電機（法國皮克希）。 1833年 提出天然運動的變分原理(英國 哈密頓)。發明電報(德國 威韋伯、高斯)。在法拉第發現電磁感應的基礎上，提出感應電流方向的定律，即所謂楞次定律(德國楞次)。,15,歷史軌跡_續,1834年 發現溫差電效應的逆效應，用電流產生

11、溫差，後楞次用此效應使水結冰(法國 珀耳悌)。 在熱輻射紅外線的反射、折射，吸收諸實驗中發現紅外線本質上和光類似(義大利梅倫尼)。 提出熱的可逆迴圈過程，並以解析形式表達卡諾迴圈，用來近似地說明蒸汽機的性能(法國 克拉珀龍)。 提出動力學的普適方程，即哈密頓正則方程(英國 哈密頓)。 1835年 推出地球轉動造成的正比于並垂直於速度的偏向加速度，即寇里奧利力(法國 寇里奧利)。 根據波動理論解釋光通過光柵的衍射現象(德國 薛沃德)。 1838年 推出關於多體體系運動狀態分佈變化的普適定理，後成為統計力學的基礎之一(法國劉維葉)。 1842年 發現熱功當量，建立起熱效應中的能量守恆原理進而論證這

12、是宇宙普適的一條原理 (德國 邁爾)。 推知光源走向觀測者時收到的光振動頻率增大，離開時頻率減小的多普勒效應。後在天體觀察方面得到證實(奧地 多普勒)。,16,歷史軌跡_續,1843年 發明電橋，用以精確測量電阻(英國 惠斯通)。創用冰桶實驗，證明電荷守恆定律(英國 法拉第)。測量證明，伽伐尼電池通電使導線發出的熱量等於電池中化學反應的熱效應(英國焦耳)。 1845年 發現固體和液體在磁場中的光性，即強磁場使透明體中光的偏振面旋轉的效應(英國 法拉第)。 18431845年，分別用機械功，電能和氣體壓縮能的轉測定熱功當量，以實驗支援能量守恆原理(英國 焦耳)。推得滯流方程及流體中作慢速運動的物

13、體所受的曳力正比於物體的速度(英國 斯托克斯)。 發展氣體分子運動論，指出赫拉帕斯分子運動論的基本錯誤(英國 華特斯頓)。 1846年認為兩電荷之間的力不但和距離有關，也和其運動速度和加速度有關，而電流就是運動著的電荷所組成(德國 威韋伯)。認識到抗磁性的普遍性和順磁性的特殊性(英國 法拉第)。證實並延伸梅倫尼關於熱輻射的工作；通過衍射、干涉，偏振諸現象的實驗，證明紅外輻射和可見光的區別僅在於紅外的波長比可見光的波長長(德國 諾布勞赫)。,17,歷史軌跡_續,1847年 提出力學中的“位能”和“勢能”概念，給出萬有引力場、靜力學、電場和磁場的位能表示。明確能量守恆原理的普適意義(德國 赫爾姆霍

14、茨)。發現細管道中流體的粘滯流動定律(法國 西門) 1848年用卡諾迴圈確立絕對溫標。並提出絕對零度是溫度的下限的觀點(英國 湯姆生)。 1849年 用轉動齒輪，首次實驗測定光的傳播速度(法國 斐索)。 1850年創制稀薄氣體放電用玻璃管，呈現放電發光(德國 蓋斯勒)。 試圖通過實驗建立重力(萬有引力)和電之間的關係，但無所得(英國 法拉第)。 利用旋轉鏡，證實不同媒質中光的傳播速度與媒質的折射率成反比(法國 傅科)。 發現熱力學第二定律，並表述為：熱量不能從一個較冷的物體自行傳遞到一個較熱的物體(德國 克勞胥斯)。,18,歷史軌跡_續,1851年 總結熱力學第二定律為：通過無生命物質的作用，

15、不可能把物質的任何部分冷到它周圍最冷客體的溫度以下，以產主機械效應(英國 湯姆生)。用單擺振動面的轉動，證明地球在旋轉(法國 傅科)。提出氣體擴散速度與其密度相關的擴散定律(英國 格累姆)。用甘油和脂肪酸合成油脂，發現酵母可轉化醣為醇(法國 拜特洛)。 1852年 用回轉器證明地球在旋轉，提出回轉羅盤的設想(法國 傅科)。發現氣體受壓通過狹窄注口後膨脹引起的冷卻效應，稱為焦湯效應(英國 焦耳、湯姆生)。 發現能發螢光的液體、固體所發螢光恒比激發光波長為長(英國 斯托克斯)。 1853年 第一次用玻璃管作低氣壓放電實驗(法國 馬松)。計算電容器放電的振盪特徵(英國 湯姆生)。 1854年 發明潛

16、水電報(海底電報)，並提出其信號的傳遞衰減理論(英國 湯姆生)。 1856年 用數學語言表達出法拉第電磁場的力線概念(英國 詹馬克士威)。 提出氣體分子在相繼碰撞時刻之間作直線運動的假說(德國 克雷尼希)。,19,歷史軌跡_續,1857年提出聽覺的共鳴理論，認為耳蝸有一系列調諧共振子(耳底膜的橫纖維)，從而實現按聲波頻譜的共振(德國 赫爾姆霍茨)。發明自激電磁鐵型發電機(英國 惠斯通)。證明沿導線傳播的電信號傳播速度等於電流的靜電單位和電磁單位之比值，並等於光速，認為這個相合併非偶然，這是光理論和電磁理論統一的先兆(德國 基爾霍夫)。提出理想氣體的定義(德國 克勞修斯)。 1858年從流體動力

17、學原理推出理想液體的渦旋運動定律，即渦旋強度守恆定理(德國 赫爾姆霍茨)。改進低壓放電管，後人稱之為蓋斯勒管(德國 蓋斯勒)。 在低壓放電管中，發現陰極射線(德國普呂克)。 1859年 發現水星近日點繞太陽進動速度和牛頓力學的估計每百年差四十秒(法國 勒維烈)。 證明黑體輻射的性質只由溫度決定，而與物體質料無關(德國 基爾霍夫)。,20,歷史軌跡_續,1860年 推出平衡態氣體分子速度的分佈律，以及提出氣體粘滯性的分子理論，估算出氣體分子的平均自由程(英國 詹馬克士威)。 1862年提出四衝程內燃機工作原理(法國 德羅夏)。提出位移電流概念，用以完成電流的閉合性(英國 詹馬克士威)。 1863

18、年提出樂音諧和理論(德國 赫爾姆霍茨)。 1865年 從電磁理論推斷電磁波的存在，它以光速傳播並斷定光就是一種電磁波(英國 詹馬克士威)。提出熵即“轉變含量”的概念和自發轉變的熵增加原理，用以說明熱力學第二定律。又提出“世界的能量恒定不變，世界的熵趨於極大值”，由此得出宇宙“熱寂論”(德國 克勞修斯)。 1866年 發明自饋發電機(德國 西門於)。 1868年提出用彈性切應力的弛豫過程解釋氣體粘滯性的理論(英國 詹馬克士威)。 推廣馬克士威的分子分佈率，提出平衡態氣體分子的能量分佈定律(奧地利 波爾茨曼)。 1869年 發現陰極射線的主要性質(德國 希托夫)。研究液化二氧化碳時，發現臨界溫度現

19、象，為相圖上的氣液分相的臨界點(英國安德魯斯)。,21,歷史軌跡_續,1870年提出激震波面層前後的絕熱突變條件(英國蘭金)。 1871年 提出通過控制個別粒子的運動，實現違背熱力學第二定律的假想實驗(英國 詹馬克士威)。 1872年 提出H定理，用以證明氣體趨於平衡分佈，從而提出熵的統計幾率解釋，建立了熱力學第二定律的統計基礎(奧地 波爾茨曼)。 1873年發現(晶體)硒在光照射下電阻減小的光導電效應，即內光電效應，隨後德國人西門子用此製成光導電管(英國 施密斯)。電和磁問世，完成經典電磁理論(英國 詹馬克士威)。 1874年提出顯微鏡理論，明確顯微鏡分辨極限(德國 阿貝)。 1875年 發

20、現各向同性的透明介質置於強電場中呈現雙折射的電光效應，後被用於快速光閘，稱克爾盒(蘇格蘭 克爾)。 1879年 發現通電流的金屬中，在磁場的作用下產生橫向電動勢的效應(美國 愛霍爾)。發現黑體輻射率與絕對溫度的經驗律(奧地利 斯忒藩)。 以實驗說明陰極射線是帶電粒子，為電子的發現奠定基礎(英國 克魯克斯)。,22,歷史軌跡_續,1880年研究晶體的對稱性，發現了晶體的壓電效應(法國 居裏兄弟)。發明白熾電燈泡(美國 愛迪生)。 1880年利用焦耳湯姆森的狹口膨脹效應，發展了氣體液化的技術(德國 林德)。在馬克士威電磁理論的基礎上，開始發展介質的分子論，推出折射率和介質密度之間的關係(荷蘭 羅倫

21、茲)。 1881年各提出基本單位的電荷存在，斯通尼稱之為電子(德國黎凱、赫爾姆霍茨，英國斯通尼)。 根據光的電磁理論，推出電介質球微粒密度起伏的光散定律，用以解釋天空呈藍色 ，天光呈偏振等大氣中光現象(英國 瑞利)。首次拍攝到子彈引起的壓縮激震波錐面的照片，推得錐角和超聲速倍數的關係(奧地利 馬赫)。,23,歷史軌跡_續,1883年力學科學出版，反對牛頓力學時空、品質等絕對觀念，主張從相對關係上來理解這些概念(奧地利 馬赫)。 發現真空玻璃泡中可從金屬板極通電流到熱燈絲極，反之不能。可說是熱電發射現象的第一次發現，實質上也是二極真空管整流作用的最早發現(美國 愛迪生)。提出從層流到湍流的無量綱

22、比數，把理論流體力學和工程水力學接連起來(英國 奧雷諾)。 1884年理論上證明黑體表面輻射率定律(奧地利 波耳茨曼)。 18851890年，相繼製成並使用三輪及四輪汽油內燃機汽車(德國 本茨)。發現氫原子光譜的14條譜線的波長可用一個式子表示，後人稱之為巴爾默公式(瑞士巴爾默)。全面提出激震波波面層前後絕熱的突變條件(法國 休岡諾)。 1887年發現紫外光照在火花隙的負極上容易引起放電，是光電效應的早期徵兆(德國 亨赫茲)。第一次精確地安排實驗，試圖測量由於地球在“乙太”中運動而引起的光干涉效應，但所得結果未超過期待值的百分之一(美國 邁克耳遜、莫雷)。 提出“乙太”是旋渦海綿質的數學理論(

23、英國 湯姆生)。,24,歷史軌跡_續,1888年研究赫茲發現的光電效應，發現清潔而絕緣的鋅板在紫外光照射下獲正電荷，帶負電的板在光照射下失其負電荷，在真空中也如此(德國 霍爾瓦希斯)。在萊頓瓶放電的實驗中，發現電磁波，證明它呈現光的反射、折射、干涉、衍射、偏振等性質，特別是從其頻率和波長直接確定其傳播速度等於光速。至此，馬克士威的電磁波理論得到全部驗證(德國 亨赫茲)。 1890年 用紫外光照射鋅板產生連續光電流，是最早的光電裝置 (俄國 斯托萊托夫)。發現表示鹼金屬和氫原子光譜譜線波長的通用公式(瑞典 裏得堡)。提出燃燒和爆炸波的傳播理論(俄國 米海裏遜)。維納根據干涉原理，利用反射面作光駐

24、波的實驗。次年，李普曼在這基礎上發明初步的天然彩色照相法(德國 渥維納，法國 蓋李普曼)。發現兆輻射電波能使裝在管中的松鐵屑電阻減小並利用這一效應製成赫茲電 波接受器(法國 布冉利)。 1892年由電磁理論推出磁場和電場對運動電荷(密度)的作用力表式(荷蘭 羅倫茲)。用分子束方法證實馬克士威爾的氣體分子速度分佈律(德國 斯特恩)。,25,歷史軌跡_續,1892年發明高於3,500攝氏度的高溫反射電爐。用於製備電石、鋁、鎢、金剛砂等重要難熔物質(法國莫伊桑)。發現含烴基的有機物具有相同的紅外輻射光譜，這是紅外輻射譜用於分子結構分析的開始(荷蘭 朱利斯)。利用隔膜法電解食鹽製備氯堿(英國 哈格裏佛

25、)。發現除一氧化碳外異氰酸酯和異氰化物等“二價”碳的穩定化合物，和凱庫勒的四價碳學說有矛盾(美國尼弗)。發現有機化合物反應時的空間位阻效應(德國威邁耶爾)。 1893年 按熱力學研究黑體輻射理論，推出溫度升高使強度分佈移向短波的位移定律(德國威恩)。 改進布冉利的赫茲波接受器，成為無線電檢波器的先驅(英國 洛奇)。 1895年 實驗確定陰極射線由帶負電的粒子組成(法國 貝林)。 發現X射線，舒斯特(英)認為它是波長非常短的“乙太橫波(德國 倫琴)。提出湍流判據的同比理論(英國 奧雷諾)。 18941895年，首次進行一哩的無線電傳播，1898年開始進入實用(義大利 馬可尼)。 1896年發現鈾

26、的放射性(法國 昂貝克勒爾)。發現磁場能使光譜線分裂的效應(荷蘭 塞曼)。發展物質的帶電粒子理論，假定原子中有電子在靜態“乙太”中運動，用以解釋塞 曼效應(荷蘭 羅倫茲)。,26,歷史軌跡_續,18941896年，用洛奇接受器，首次應用天線，實現了三百碼的無線電傳播(俄國波波夫)。發現過飽和汽體能在離子上凝成液滴，據此發明雲霧室裝置，可觀察到電離輻射的徑跡(英國 查威爾遜)。 1897年製成高壓縮型自動點火內燃機，低級油代替汽油，成為工業上主要動力機(德國狄塞耳)。 發現電子；利用陰極射線在靜電場中的偏轉，測定電子的品質和電荷的比值(英國湯姆遜)。創制用螢光屏觀測電子及用電場控制電子束的陰極射

27、線管，後人在這個基礎上於二十世紀三十年代發展出陰極射線示波器，在近代科學技術上廣泛應用(德國 卡布朗)。 1898年發明用磁性鋼絲記錄電訊號的裝置(丹麥 鮑爾森)。 1899年發現射線和射線(英籍新西蘭人厄盧瑟福)。實驗證實電磁輻射的壓強(俄國 彼列別捷夫)。用經典統計力學推出空腔輻射能量密度的頻率分佈正比於頻率的平方，因而在短波極限發散，這一困難史稱“紫外災難”。進一步提出大氣分子散射光的定律，以解釋天空顏色 (英國 瑞利)。,27,赫爾姆霍茲,赫爾姆霍茲是19世紀中葉著名的物理學家、生理學家和心理學家。被後人譽為達爾文之後最偉大的科學家。他出生於德國柏林附近波茨坦市，因病逝於德國柏林夏洛滕

28、區。 除了高等數學、理論物理學、液體動力學、電動力學、物理光學和電磁學等方面都有研究和貢獻外，還以生理學方面的突出成就為實驗心理學的建立奠定基礎。,28,生平記事,他的父親在波茨坦高級中學講授哲學，母親是建立了美國賓夕法尼亞州的威廉佩恩（William Penn）的後人。兄弟四人中他最年長，少年就聰明好學，但因身體虛弱，故在家裏接受教育。 1838 年中學畢業後由於經濟上的原因未能進大學，以畢業後在軍隊服役 8 年的條件取得公費進入在柏林威廉皇家醫學院。學習期間，還在柏林大學聽了許多化學和生理學課程，自修了 拉普拉斯、畢奧和伯努利等人的數學著作和康德的哲學著作。,29,生平記事_續,1842年

29、獲得醫學博士學位後，成為駐波茨坦駐軍軍醫 7 年，他的任務相當輕鬆，所以他有時間在軍營中建立了一間實驗室，從事數學和物理學研究。 1847年在柏林物理學會上宣讀論力的守恆（ueber die erhaltung der kraft）一文，論述了他的能量守恆 - 轉化方面的基本思想，被公認為能量守恆定律發現人之一。 1849 年他應聘任柯尼斯堡大學生理學和普通病理學教授。,30,生平記事_續,1850年提出測量神經衝動傳導速率的方法，並最早進行反應時的實驗。 1851年發明檢眼鏡。 1855年擔任波恩大學解剖學和生理學教授。 1858年擔任海德堡大學生理學教授。 1862年提出視覺三原色說。 1

30、863年提出樂音諧和理論,31,生平記事_續,1871年接替馬格諾斯擔任柏林大學物理學教授。 1873 年當選為英國倫敦皇家學會的外國會員，被授予柯普利獎章。 1882 年受封爵位。 1887 年被任命為新成立的柏林夏洛滕堡物理技術學院院長。 1893 年秋，他前往芝加哥世界博覽會和美國各地參觀，回來上船時重重地摔了一跤，從此一病不起，11 個月後去世。,32,事蹟概述,18561866年發表三卷本生理光學手冊，被譽為經典之作。 對聽覺問題的研究成果集中體現在出版於 1863 年的音樂的生理學理論一書中。此書不僅總結了他自己的研究，也總結了當時全部有用的文獻資料。 在其他一些領域裏發表文章，如

31、後象、色盲、阿拉伯人、 波斯人的音階、雙眼視界的形式、人眼的活動、幾何公理等。 在晚年，他對無線電報和無線電收音機的創造作出了間接的貢獻。,33,事蹟概述_續,他是用反應時法對神經的傳導速率提供經驗測量的第一人。在他之前，一般生理學家都認為，神經傳導速度和光速接近，是無法測量的。 1850年，他首創反應時法對神經傳到速度進行了測量。反應時（reaction time）指從刺激開始到反應出現的短暫時間。 他以青蛙做實驗，測量青蛙不同部位肌肉從受到刺激到肌肉收縮所需時間的不同，推測神經傳導的速度，他的結論是神經傳導速率約為每秒 27.53 米。,34,事蹟概述_續,赫爾姆霍茨以人做測試，對他們的感

32、覺神經的反應時間進行實驗，即研究從刺激感官到產生運動反應的全部回路。他的發現表明：各人之間的反應時間有很大差異，即使同一被試者，每次實驗的反應時間也不相同，因此他後來放棄了這個研究。 赫爾姆霍茨在視覺和聽覺研究上有很大的成就。在視覺感官的問題上，他明確了兩眼肌輻合中的作用，以及內眼肌調節晶體焦距的機制。,35,事蹟概述_續,發展了 T.楊在 18O2 年首度提出的三色色覺理論，形成了著名的楊 - 赫三色論。楊的三色理論認為，視覺神經中有三種不同的感受器，分別感受紅、綠、藍三種不同波長的光。當時楊的理論僅為假說，赫爾姆霍茨在 1850 年以顏色配對實驗（color matching experi

33、ments）證明此說。 在實驗中，他要求受試者混合不同色光來配成與標準刺激相同的色光。他發現一般人只要用三種色光就可以達成（但是其中一種色光不可由另外兩種混合而成），所以他認為人類有三個系統來處理色彩。,36,楊 - 赫三色論,37,事蹟概述_續,赫爾姆霍茨在聽覺上也有一些重要研究，包括複音和單音的知覺、諧音和非諧音的性質，以及聽覺共鳴說。 他認為，聽覺器官為內耳基底膜上的毛細胞，毛細胞的排列呈一端窄一端寬的形式。窄端纖維短，與高音共鳴；寬端纖維長，與低音共鳴。由不同共鳴激起不同的神經衝動，傳入人腦而生聽覺。,38,事蹟概述_續,赫爾姆霍茨提出感覺和知覺有區別。他認為感覺是限於當前的刺激所起的

34、直接作用，沒有過去經驗成分參加；知覺是指對於事物認識的整個過程。 在日常生活中，人們只有知覺，而無單獨的感覺。單獨的感覺只有在實驗室中才能得到。,39,事蹟概述_續,他的知覺理論對後來完形心理學對知覺的解釋，有較大的影響。他還在知覺理論中提出“無意識推理”這一概念。他認為在知覺中有許多不能直接感受到的刺激，但卻根據過去的經驗附加在知覺上。這種心理活動既是無意識的，又是由“推理”歸納得來的。 他的推論就是聯想的過程。後來，巴甫洛夫認為赫爾姆霍茨的無意識推理就是條件反射。,40,事蹟概述_續,在心理學方面，赫爾姆霍茨承認客觀世界的存在，感覺是由客觀事物引起的，並能正確地反映這些事物的屬性。但是，他

35、認為客觀事物千變萬化，我們感覺到的僅僅是事物的現象，是外物的符號或象徵，不能認識外物的真正性質。 這種思想顯然是和康徳的不可知論相符合。他反對先驗論支持經驗論的理論，極有利地推動了實驗心理學的建立。,41,生理學和心理學方面,在其論人的視力一文中，首先強調康德認識論的重要意義，並試圖利用感官生理學的成果證明康德的先驗主義。 另把能量守恆和轉化定律應用於生理學和心理學研究中，使十九世紀六至七年代的生理學和心理學研究掀開新的一頁。 因而使弗洛伊德有條件直接繼承這一方面的科學成果，在研究生理學和心理學的基礎上，創立其精神分析學。,42,方法論問題,赫爾姆霍茨曾謂歸納科學絕對是科學方法的典範，但後來他

36、指出歷史認識是另外一種不同的認識，因為在這個領域內不存在自然法則，而只存在對實踐法則的自由依循，即對律令的自由依循。人類的自由世界並不承認自然法則的絕對普遍性。 但是，加達默爾認為赫爾姆霍茨前後不一致，他不同意赫爾姆霍茨將精神科學的經驗主義也應像氣象學的經驗主義那樣受到同樣的評判，也即應當放棄和丟捨。,43,指導過的一些著名學者,赫茲進入柏林大學，便是在赫爾姆霍茨指導下學習並進行研究工作。1880年他以純理論性工作的旋轉導體電磁感應論文獲得博士學位，成為赫爾姆霍茲的助手。並在後續的研究中發現了電磁波。 馮特(意識心理學創始人WundtWilhelm 18321920)德國心理學家、哲學家，構造

37、主義創始人，也曾於1858年受聘擔任赫爾姆霍茨的助手。 貝爾曾就教於赫爾姆霍茨，發明了電話。,44,補充資料,45,熱與能量守恆,18-19世紀中，由於蒸汽機的發展，熱學成為一門具有非常重要的實際 意義的科學，這反過來引起人們對於熱學理論的重新注意。按照熱質說，熱是一種不可秤量的流體。這個學說在啟發和解釋測量熱量的實驗方面起過有益的作用。但作為物理的解釋，分子激動說更合於敏銳的自然 哲學家如波義耳和牛頓的口味。 1738年，別爾努利（Daniel Bernouilli）指出，如果 將氣體想像為向四面八方運動的分子，那末這些分子對盛器的壁的沖擊，便可解釋氣體 的壓力，這壓力又必因氣體被壓縮與溫度

38、的增高而按比例增加，正如實驗所要求的那樣。,46,熱與能量守恆,熱質論者解釋摩擦生熱的現象時，假定摩擦生出的屑末或摩擦後最終態的主要物質 的比熱比摩擦以前的初態物質要小一些，因而熱是被逼出而表現於外的。 但在1798年，美國人湯普遜（Benja-min Thompson後來在巴伐利亞成了朗福德伯爵Count Rumforo）用鑽炮膛的實驗證明發熱的量大致與所作的功的總量成正比，而與削片的量無關。可是 熱的流體說仍然存在了半個世紀。,47,熱與能量守恆,1840年人們就開始了解自然界裡各種能量至少有一些是可以互相變換的。 1842年邁爾(J. R. Mayer)主張由熱變功或由功變熱均有可能。在

39、空氣被壓縮的時候，所有的功都表現為熱的假定下，算出熱的機械當量的數值。同年，以發明一種伏特電池著名的英國格羅夫(W. R. Grove)爵士，在一次講演中說明自然間能量相互關係的觀念，並在1846年出版物理力的相互關係中闡述這個觀念。這本書和1847年赫爾姆霍茨獨立研究寫成的論力的守恆一樣地論述現今所謂的能量守恆原理的最早著作。,48,熱與能量守恆,1840至1850年，焦耳以實驗方法測量了用電和機械功所生的熱量。他先證明電流通過導線所生的熱量，與導線的電阻和電流的強度的平方成正比例。他壓水通過窄管或壓縮一定量的空氣或使輪翼轉動於液體中，而使液體生熱。 他發現不管用什麼方式作功，同量的功常得同

40、量的熱，根據這個等值的原理，他斷定熱是能量的一種形式。雖是這樣，經過多年之後，科學界領袖才開始贊同這種看法，雖然斯托克斯告訴威廉湯姆生：他寧願做焦耳的一個信徒。,49,熱與能量守恆,1853年，赫爾姆霍茨訪問英國時就已經看見許多人對這個科學問題發生興趣，他到法國時又看見雷尼奧已經採取了新的觀點。 焦耳的最後結果表明：使一磅水在華氏55至60度之間溫度升高1度所需要消耗的功為772呎磅。後來實驗證明比較接近精確的數字是778呎磅。 焦耳用熱與功等價的明確的實驗結果，給予格羅夫所主張的力的相互關係、和赫爾姆霍茨所倡導的力的守恆的觀念有力的支持。這個觀念就這樣發展成為物理學上以能量守恆得名的確定原理

41、。,50,熱與能量守恆,能量作為一個確切的物理量，在那時的科學上還是新東西。這個名詞所表示的觀念，曾經用不准確的、具有雙重意義的力一詞來表達。 托馬斯楊指出，這樣就把能量和力混淆起來了。能量可以定義為作功的力，而且如果兩者的轉換是完全的，能量便可以用所作的功來測度。 能量一詞用於這種專門的意義應歸功於蘭金（Rankine）與湯姆生。湯姆生採用了托馬斯楊所提出的把力和能量區別開來的主張。,51,熱與能量守恆,焦耳實驗證明一個體系中能的總量是守恆的，功所耗失之量，即作為熱而出現。一般的證據引導我們把這個結果推廣到其他的變化上去，例如機械能變為電能，或化學能變為動物熱之類。 直到近年，一切已知的事實

42、都適合於這句話：在一個孤立的體系中，總的能量是守恆的。這樣確立的能量守恆原理可以和較早的質量守恆原理相媲美。,52,熱與能量守恆,牛頓的動力學的基礎就在於這樣一種認識：有一個量，為了便利起見，稱為一個物體的質量經過一切運動而不變。天秤證明：這個原理在化學變化中也一樣地有效。 空氣中燃燒的物體，它的質量並不消失。把所產生的物質收集起來，它們的總量必等於原物體與所耗的空氣的份量的總和。 能量是這樣：質量以外的另一個量出現在我們的意識裡，主要是因為它經過一系列的轉換仍然不變。,53,熱與能量守恆,我們覺得承認這個量的存在，把它當作一個科學的概念，並給它起一個名字，是有種種便利的。我們稱它為能或能量，

43、用所作的動量或發生的熱量來測量它的變化，花費許多工夫，經過許多疑惑，才發現它的守恆性。 十九世紀的物理學，沒有一個方法可以創造或毀滅質與能。二十世紀出現了一些跡象，說明質本身就是能的一種形式，從質的形式轉變為能的形式並非不可能的事，但直到近些年為止，質與能是截然不同的。,54,能量守恆,能是什麼？在物理學上說，凡是可以作功的物理量就稱為能。那什麼是功？施予力量，使物體產生位移，就是對物體作功。當一個作用力克服了阻力，並使物體在作用力的方向移動時，就是作功。 一個物體能夠對外界作功，這個物體具有能量。 作功的過程也是將能量由一物體傳到另一物體的過程，因此功與能量的關係極為密切。 能可以轉變為功，

44、功也可以轉變為能。能量是一種作功的能力，舉例來說，球桿撞球時，球從靜止狀態變成運動的狀態，這球獲得了動能，動能是一種能量，它可以作功。,55,能量守恆,對一物體作功時，有時這物體所獲得的能量並不是動能，而是另一種儲存起來的能量，叫做位能。 把東西舉到空中時，它便獲得了位能，這種位能是屬於重力位能。舉得越高，重力位能越大，它作功的本領也越大。 把弓拉開使弓變形，這時弓及弦並不動，故無動能。然而它已獲得了一種能，亦即具備了作功的本領，這時如果我們搭上一根箭，把扣弦的手一鬆，弓弦就會把箭推出去而對箭作功。故張弓時，弓便獲得了勢能（即位能），這種勢能就是彈力位能。,56,能量守恆,用力拉長彈簧，即對彈

45、簧作功，因此它便獲得了彈性勢能，這是一種儲存起來的能量，可以用來作功。彈簧拉得越長或壓得越短，彈性勢能越大。 換個較通俗的講法，能是物件（包括我們人）要完成物理動作，如走路、拿起杯子、使水變熱、或播放電視等，所需要的東西。 能有不同的形態，各形態之間可互相轉變，但總能量保持不變。我們現在取得石油的化學能（亦是來自古代的太陽能），燃燒變成熱能，再轉變成車子的動能等，基本上，總能量前後並沒有改變。,57,能量守恆,種植甘蔗，是由太陽吸取最初的能源，轉化成化學能，將甘蔗壓榨出糖汁，經發酵的化學反應製成酒精，又是另一種化學能（酒精具有化學能），酒精可以經過不同途徑變成車輛的動能（如以酒精做為燃料），其

46、總能量在宇宙中還是維持一定。 宇宙創造之始，最初能量從哪裡來？在極高溫的初始條件下，物質與能量混沌在一起，現在的高能物理學家和宇宙學家，正探討大霹靂當時能量、物質的來源，也許有一天，可以給我們較清楚的答案。,58,能量守恆,1.能量不會從無中產生或消失。能量只能夠由一種形式轉化成另一種形式，但總能量在轉化中保持不變。 2.力學能守恆定律：物體在運動過程中，在沒有外力作功的情況下，則物體的動能和位能之總和不變，此稱為力學能守恆定律。,59,能量守恆,重力位能因為物體的總重可視為集中在重心上，故其重力位能可視物體的質心位於基準面之上下的高度求得。yG以向上為正，物體的重力位能可寫成Vg= WyG,

47、當yG為正，此處之重力位能為正，因物體回到基準時，重量會做正功，如上圖。同樣的，若物體位於準面之下(yG)，重力位能為負，因當物體回至基準時，重量會做負功。,60,能量守恆,彈力位能彈性彈簧的彈力也是一保守力。當彈簧由位置(末變形s = 0)被壓縮或拉伸至末位置s，彈簧傳給附屬的物體的彈力位能(elastic potential energy)為,在變形的位置上，當彈回到原始末變形位置時，作用在物體的彈簧力總有做正功的力。,61,角動量守恆,如果在某段時間內，系統對某點O 的合力矩MO始終等於零，則在這段時間中 ，系統對O 點的角動量HO恆為定向量，即： HO =定向量 此稱之為角動量守恆。,

48、62,梅耶（左上）、焦耳（右上）、與道耳吞（下）。,63,梅耶,梅耶是德國醫生，但對行醫興趣不大，他沒有實驗設備，更沒有從當代物理學家取得任何幫助，是一個獨立的研究工作者。 1840年左右，他的第一篇論文寄給德國物理年鑑，文中提出能量守恆和轉換的概念，認為運動、熱、電等都可以歸結為一種力的現象，它們有一定的規律轉換，但此論文被退回未能發表。 1842年他不死心又投稿到化學和藥學年鑑上，除了重述能量守恆的概念，並提出熱可以作功，功也可以產生熱的能量等價觀念，並根據比熱實驗推出熱功當量為1千卡約為365kgwm，此文也未受重視。 1845年他自費印發了第三篇論文，且明確指出，熱功當量即是氣體在等壓

49、膨脹過程中所作的功，其值等於定壓下所吸收的熱量與定容下所吸收的熱量之差，後來稱為梅耶公式。,64,卡諾循環,卡諾（Nicolas Leonard Sadi Carnot，1796.6.1-1832.8.24）是法國拿破侖時代末期人。 卡諾研究促進蒸汽機發展所需的理論，基礎是熱素的保存和永動機械不可能這兩個原理，他指出熱從高溫物體移到低溫物體時才會產生動力，並認為最理想的機械應該具備：由帶著活塞的汽缸裡面的氣體所產生的等溫膨脹、絕熱膨脹、等溫壓縮、絕熱壓縮等四循環過程稱卡諾循環。 他用永動機械不可能的原理證明了在理想的機械，由於同量熱素的移動會產生同量的工作，而其量只由溫度決定，這個卡諾定律成為

50、熱力學的基礎。,65,在這些研究的備忘錄中，卡諾放棄熱素說，轉為熱的運動說，幾乎到達能量守恆定律。但可能因為他不屬於物理學家集團，故直到一八三四年，其研究才由克萊培倫（Benoit Pierre Emile Clapeyron）介紹於世。 卡諾明白指出熱不是一種物質而是一種能量的形式，雖然他是最早有熱力學能量守恆概念的人，但由於晚了近五十年，其間又有梅耶（Julius Robert Mayer, 1814-1878）和焦耳提出功能互換的原理，故一般都不把卡諾視為能量守恆定律的創始人。,66,焦耳,英國物理學家焦耳奠定了能量守恆定律，為熱力學的發展確立基礎，同時，其理論亦造就了冷凍系統的發展，改

51、善了普羅大眾的生活素質。 焦耳花了將近四十年的時間來證明功轉換成熱時，功和所產生熱的比是一個恆定的值，即熱功當量。他是第一位研究熱能、機械能與電能的相互關係的科學家，也是第一位發現氣體自由膨脹時四周溫度會隨之下降的科學家。,67,焦耳_續,焦耳最為人稱頌的成就是：能量的測定與各種能量間相互轉換關係的研究。他最初的研究興趣是電學，製造了許多不同形式的發電機，希望能改善發電機的效率，由於這項企圖，他開始思索電能、熱能與機械能間的轉換關係。,68,焦耳_續,1848年，他透過實驗證明，當物體所含的力學能轉換為熱能時，整體能量會保持不變，能的形式可以互相轉變，但是總能量永遠不變。在這個基礎上逐漸發展出能量守恆定律，這是物理學的基本定律之一，焦耳可說是主要的貢獻者。 同時期的德國著名數學和物理學家赫姆霍茲也對能量守恆和轉換定律有重要貢獻，他亦將能量形式及守恆的概念做了一些整合。,69,道耳吞,道耳吞是原子論的真正創始者，但他不以原子論創始人自居。他以為這是大勢所趨、事有必至的結論。 曾經有很多人喜歡把道耳吞和牛頓相提並論，即使是道耳吞最著名的化學原子論也有人認為是師承牛頓派的健將。,70,道耳吞_續,道耳吞在年求學期間遇兩位賢明的老師，並且成