第一篇古代物理学------启明之光第一章中国古代的物理学萌芽第二章西方古代古代物理学进展
第一章中国古代的物理学萌芽第一节：物质本原思想一元素与原子的观点1.阴阳学说2.五行思想（3.原子的观点）二元气说第二节：物理学知识的积累一.力学二.热学三.光学四.电磁学五.声学六.天文学
概况在古代,无论是古希腊还是中国,都谈不上有“物理学”.当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法,也不可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括,使之成为完整的知识体系.但这一阶段仍是物理学形成和发展的先导和渊源.是物理学发展的孕育和萌芽时期.在中国,自夏、商、西周起,随着手工技术的发展,物理知识开始积累.春秋战国时期科学技术蓬勃发展,中国古代物理学开始形成；秦汉时期,形成一个发展高峰；宋元时期达到鼎盛.至此,在西方近代科学诞生之前,中国的科学技术在各个领域都居世界领先地位.明末至清初以后,科学和科学技术的发展逐渐落后于西方,这一时期,西方物理知识开始向中国输入.
一.元素与原子的观点1.阴阳学说阴阳是中国古代哲学的一对范畴.阴阳的最初涵义是表示阳光的向背,向日为阳,背日为阴.后来,又给它赋予了一定的意义,把自然界和社会上一切对立的现象抽象为阴阳,用阴阳概念来解释自然界两种对立和相互消长的物质势力,用来解释天文气象、四季变化、万物兴衰等自然现象.如气候的寒暖,方位的上下、左右、内外,运动状态的躁动和宁静,以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等.阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、太阳等阳性和具有这些特征的事物；阴代表消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、雌性、月亮等阴性和具有这些特征的事物.第一节：物质本原思想
认为：阴阳的对立统一运动,是自然界一切事物发生、发展、变化及消亡的根本原因.是自然界一切事物运动变化的固有规律.阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律.阴阳学说的基本内容包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消长和阴阳转化四个方面.“阴阳有序、整体和谐”是世间的最佳状态,也是事物稳定的基本保证.
《周易》以阴阳的范畴为基础,说明天地变化及各种现象：“易有太极,是生两仪；两仪生四象,四象生八卦”（《易经·系辞上》）.意思是：宇宙的的本原是‘太极’（物质的原始状态）,太极生出天地（阴阳）,天地生出四时（春、夏、秋、冬）,再生出‘八卦’（天、地、山、泽、水、火、风、雷）.白纸称为无极,画上一个圆圈,称为无极生太极（宇宙）,中间一条曲线分成黑白两个部分,称为太极生两仪,中间的曲线表示了阴阳的相互运动和相互转化.黑白两个半球中各有一个与之颜色相反的小圆圈,称为阴阳子,表示阴中有阳,阳中有阴.
四象和阴阳的组合再生八卦：乾、坤、震、撰、坎、离、艮（gèn）、兑.八卦则是其形式化和符号化：－－为阴,——为阳,分别称作‘阴爻（yáo)’和‘阳爻’,阴爻和阳爻的组合构成四象：2223
《周易》是以阴（阴爻－－）、阳（阳爻—）为基本单位而形成的一种对事物的理论性把握.阴与阳二单位的不同组合形成八卦,将八卦中之任意两卦叠合即形成六十四卦.每卦有六爻,共组成384爻.八卦的卦、爻、位之间,有复杂的关系,64卦的卦象变化和爻数就更加复杂,它反映了事物之间错综复杂的相互关系.在易学中,事物的性质即由阴与阳所占整体成份之多少及阴阳空间相对位置关系所决定.
２.五行思想五行：金、木、水、火、土五种基本物质或元素.“水曰炎上,木曰曲直,金曰从革,土爰稼穑.”（《尚书·洪范》）构成：世界万物皆由上述五种元素构成.“以土与金、木、火、水杂,以成百物”（《国语·郑语》）.相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土.发展：五行说的起源早于“太极”和“道”,在殷末已普遍流传；春秋战国时期,五行说与阴阳说相结合,形成了阴阳五行说,形成了五行相生相克的关系.宋代以后,五行作为由太极到万物的中间环节,被容纳于宇宙生成体系之中.宇宙由太极而生,太极生出阴阳,阴阳生出五行,五行相互作用,生出男女及世间万物.和西方比较：古希腊的四根说,古印度的四大说,无金.
1.概述：中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一种统一的物质,认为世界应该是由一种连续分布于整个空间的物质所构成,而不像“五形说”是各种元素的组合.在“道”和“太极”的思想指导下,逐渐形成并发展成为在中国古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”.春秋战国时期,老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气,进而产生万物.庄子继承和发扬老子的学说,提出“通天下一气”的思想.战国末期的荀（xún）况也指出气是构成万物的基本元素.元气说在春秋战国时期出现,在汉代逐渐成熟,经过唐、宋得到相当大的发展,明末清初达到高峰.由汉代的王充、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表,形成了“元气自然论”；由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论”.二元气说
2．“元气说”的主要思想①气是充满整个宇宙客观存在的物质,是万物本原.王充在《论衡》中说：“天地,含气之自然也.”《论衡•谈天》,“天地合气,万物自生”《论衡•自然》.王充（27-约97）：东汉时期的唯物主义哲学家和进步思想家,创立了以气为基础的元气自然论.主要著作有《论衡》,共30卷,85篇,涉及力学、声学、光学、热学、电磁学等多方面的知识,是我国中古时期的一部百科全书.②气有聚散两态,太虚为气,气形转化张载（1020～1077,宋）：“太虚者,气之体…形聚为物,形溃反原”《正蒙•乾称》王夫之（1619～1692,明末清初)：“虚空者,气之量,气弥沦无崖而希微不形,则人见虚空而不见气.凡虚空者,气也.聚则显,显则人谓之有；散则隐,隐则人谓之无.”《张子正蒙注•太和》.
③气分阴阳,永远处于运动变化之中④物质不灭思想王夫之《张子正蒙注•太和》：气“散而归于太虚,复其氤氲之本体,非消灭也.聚而为庶物之生,自氤氲之常性,非幻成也”“聚散变化,而气本体不为之损益.”；“车薪之火,一烈而尽,而为焰,为烟,为烬,木者仍归木,水者仍归水,土者仍归土,特希微而人不见者.”；“一甑（zeng）之炊,湿热之气,蓬蓬勃勃,必有所归；若盖严密,则郁而不散.”
3.元气说的局限、以太和场元气学说注重物质连续与不连续的相互统一,强调事物间的相互联系和相互转化.符合自然界的真实变化,与自然本性更接近.但元气说终究是一种思辩理论,没有实验、数学等科学方法的配合,长期停留在推测、玄想阶段,致使中国没有走上诞生近代科学的道路.中国古代的气概念因为在理论上要泛化而更多脱离了自然存在的一种物质形态的范畴,另一方面在抽象程度上又没能达到哲学的高度.在具体运用中气的内涵也是可以在抽象的元气与具体的空气间漂移.尽管也被中国古人用来解释自然现象,但在中国的文化中,气更多地成为了自然哲学层次的概念而不是物理学层次的概念.
第二节物理学知识的积累一力学1.物理计量：①时间计量、②度量衡2.时间、空间、运动：①空间和时间②运动与静止③运动的相对性3.对力的认识：4.力学知识的应用
一力学1.物理计量①时间计量a.干支纪法：春秋时鲁隐公三年（前722）二月己巳日至清宣统年（1911）.“干支”是“天干”和“地支”的合称.天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸.地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥.组成“六十干支”：甲子、乙丑、…癸酉、甲戊、乙亥…癸亥.共60个组合,也称“六十甲子”,周而复始,不断循环.b.十二时辰记时法：子时：23～1时,丑时：1～3时,…,亥时：21～23时.c.百刻时制（漏壶记时制）：采用日晷或漏壶将一昼夜分为十时,一时分为十刻.‘刻’为漏壶的基本记时单位,在竹或木制的箭上100个等分刻度,其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高度.1刻等于现在的14.4分钟.d.机械记时：东汉时期张衡117年发明浑天仪,用于测定天体位置,一天转一周.后经唐宋发展,成为世界上最早的天文钟.
星晷月晷圭表日晷
漏壶：漏壶有两种形式：泻水型和受水型.我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏壶,只有一把挈壶,出水口在壶底侧.由于挈壶里水位不同时出水速度不同,后来又发展出受水型.并逐渐由最初的两壶发展成多壶.右图为根据唐朝吕才《历象汇编历法典》99卷刻漏图制作的四级漏壶.浮漏：宋代沈括在多级漏壶的基础上发明了浮漏,每昼夜误差小于20秒.宋代燕肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法,精度提高到14.4秒；宋代赵友钦则将精度提高6秒.
②度量衡：度---长度量---容量衡---重量《汉书•律历志》详细记载：长度单位：引、丈、尺、寸、分,十进制；容量单位：斛（hú)、斗、升、合、龠（yuè）,十进制.重量单位：石、钧、斤、两、铢,非十进制.长度：《孔子家语》记载：“布指知寸,布手知尺,舒肘知寻”即：从中指的指端到第一横纹叫一寸,拇指和中指一扎为一尺,两臂伸开长八尺,叫一寻.《孙子算经》：“度之所起,起与忽.蚕吐丝为忽.十忽为一丝,十丝为一毫,十毫为一厘,十厘为一分.”.《汉书·律历志》记载：“度本起黄钟之长.…九十分黄钟之长,一为一分,十分为寸,十寸为尺,十尺为丈,十丈为引”.容量：一手所盛为“溢”,二手合盛为“掬”,“掬四谓之豆”重量：古人将重量器具称之为‘衡’,衡的形式包括：等臂天平、不等臂天平、杆秤.权就是砝码或秤砣.公元211年,秦始皇统一中国后,在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统一,制发了一大批度量衡标准器,意义重大.
2.时间、空间和运动①时间与空间《尸子》“上下四方曰宇,往古今来曰宙”.②运动的相对性《吕氏春秋》：“刻舟求剑”故事；《隋书•天文志》：“乘船以涉水,水去船不徙也”,“仰游云以观,日月常动而云不移”.《抱朴子•塞难》：“见游云西行,而谓月之东驰”.《春秋纬•元命苞》（汉代）：“天左旋,地右动”.《春秋纬•考灵曜（yào）》“地恒动不止,而人不知,比如人在大舟中,闭牖（yǒu）而坐,舟行而人不觉”.比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年.
3对力的认识（1）力的概念※《墨径》：“力,刑之所以奋也”,这里刑即形,指物,奋即飞,动的意思.※王充《论衡•效力篇》：“人有知学,则有力矣.文吏以理事为力,而儒生以学问为力”,“举重拔坚,壮士之力也”,“故夫垦草殖谷,农夫之力也…”（东汉）.※西方,17世纪初‘弗兰西斯•培根’提出：“知识就是力量”.（3）杠杆原理《墨径》中对不等臂天平的论述：“衡,加重于其一旁,必捶,权、重相若也.相衡,则本短标长.两加焉,重相若,则标必下,标得权也.”（2）外力与内力王充《论衡》：“古之多力者,身能负荷千钧,手能决角伸钩,使之自举不能离地.”
（4）浮力：曹冲称象等.（5）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）.（6）大气压力西汉时期已利用虹吸管---渴乌,东汉时已广泛用于灌溉,唐朝已有隔山取水的大型引水工程.《关尹子》：“瓶存二窍,以水实之,倒泻；闭一则水不下,盖（气）不升则水不降.”唐代王冰《素问》：“虚管灌满,捻上悬之,水固不泻,…；空瓶小口,顿灌不入,为气不出而不能入也.”（7）惯性：春秋战国时期的《考工记》中描述：“马力既竭,轴犹能一取焉”
4力学知识应用※尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（duì舂米用具）、水排鼓风机（公元31年东汉南阳太守杜诗发明）、被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等.※古代建筑学上力学的应用：如隋代李春建造的赵周桥,是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥,距今已1300年；※公元1056年建造的辽代山西应县木塔,是世界上现存的最高的古代木构建筑,高67.31米,经受近一个世纪的风雪袭击,12次六级以上地震,至今安然屹立.※宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔”斜塔：“塔初成,望之不正,而势倾西北.人怪而问之.皓曰：‘京师地平无山,而多西北风,吹之不百年当正也.’”《归田录》.※明代的北京故宫群等等.
被中香炉
水排鼓风机（取自《王祯农书》）
启明之光:一.中国古代的物理学萌芽中国古代科技——水碓
二热学1.对热现象和热本质的认识①温度、湿度极其测量※“火候”：在烧制陶器和冶炼金属的过程中,通过对“火候”的观察,来定性的判断温度的高低.《考工记》记载了青铜冶炼时火色与温度的关系：“凡铸金之状,金与锡.黑浊之气竭,黄白次之；黄白之气竭,青白次之；青白之气竭,青气次之,然后可铸也.”即当“炉火纯青”时,炉温达到1200度左右,杂质挥发,铜锡融合,可以用来浇铸了.火色实际为物质原子的发射光谱及其强度的表现.※湿度：《淮南子》：“琴弦缓,天且雨”“风雨之变,可以音律知之”,即现在毛发湿度计的原理.
②热胀冷缩与热应力热胀冷缩；增大热应力：在公元前250年都江堰水利工程中的应用记载：“大滩江中,其崖崭峻不可凿,乃积薪烧之.”这种增大热应力开凿巨石的记载很多.③热的本性五行说：热（火）是构成物质的一种元素；元气说：热这种物质的本原仍是气.
2热能利用与热功高温技术：殷商时期在高温冶炼铸造技术方面就已卓有成效：殷代文物司母戊鼎、商代的四羊尊、战国的铜尊盘、秦始皇陵的大型铜马车等.春秋末期制造的白口铁和中碳钢剑,表明当时的冶炼已达到1300℃的高温.松脂灯（孔明灯）：走马灯：利用冷热空气对流带动纸轮旋转.热气球：14世纪初,元朝仁宗登基时在元大都（北京）升起世界上第一个热气球.火药：四大发明之一.火器,烟花等.火箭：宋代的管形火器“突火枪”.元代的铜炮；明代的多种多发火箭.万虎：明代官员,是“第一个企图利用火箭飞行的人.他用47只最大的火箭绑在椅子背后,手拿两个大风筝,想借助火箭的推力和风筝上升的力量飞向空中.1970年国际天文学会为了纪念他,把月球背面的一个环行山命名为“万虎环行山”.
三光学1.光的直线传播与小孔成像2.光的反射与镜面成像3.光的折射与透镜4.光的色散
1.光的直线传播与小孔成像《墨径》：景倒,在午有端与.景：光之人,照若射,下者之人也高,高者之人也下.足蔽下光,故成景与上.首蔽上光,故成景与下.(午：交叉；端：小孔).赵友钦实验（宋末元初）：赵友钦实验在中国古代史上占有重要地位,其实验目的明确,设计合理,步骤清晰,结果可靠,是中国物理学史上的的一个首创.《梦溪笔谈》：“若鸢（yuān）飞空中,其影随鸢而移；或中间为窗所束则影与鸢相违,鸢东则影西,鸢西则影东.又如窗隙中楼塔之影,中间为窗所束,亦皆倒垂.”
赵友钦实验：实验中他固定几个条件,改变一个条件来观察成像情况.实验分五步进行：①改变孔的大小,比较成像情况；②改变光源强度,作日月蚀模拟实验；③改变像距；④改变光源距离,观察小孔成像的变化；⑤改变孔的大小和形状,做大孔成像实验.小罅光景影象
平面镜：“景,日之光反烛人,则景在日与人之间”凸面镜：“鉴团,景一.…鉴者近,则所鉴大,景亦大；其远,所鉴小,景亦小,而必正.”即鉴团只成一缩小的正立的像（虚）.凹面镜：“鉴洼,景,一小而易,一大而正,说在中之外、内.……中之内,鉴者近中,则所鉴大,景亦大；远中,则所鉴小,景亦小,而必正,起于中缘正而长其直也.中之外,鉴者近中,则所鉴大,景亦大；远中,则所鉴小,景亦小而必易.合于中长直也.”“鉴洼”即凹面镜,“中”为焦点,“易”即倒置.2.光的反射与镜面成像《墨经》中论述了光的反射,包括平面镜、凹面镜、凸面镜的反射情况.
镜术：利用平面镜成像制成“万花筒”样的“魔镜”：日月镜、四规镜等.“灯衢”(清代黄履庄造)：“做小屋一间,内悬灯数盏,人入其中,如至通街大市,人间稠杂,灯火连绵,一望数里.”“罗汉堂”(清代郑复光造)：从侧面小洞向里看“千门万户,百千罗汉”.凹凸面镜：殷武丁时期就出现了凹、凸面铜镜.透光镜：现上海博物馆珍藏有西汉时期的“透光镜”（青铜）.隋唐《古镜记》记载：“承日照之,则背上文字,墨入影内,纤毫无失”.沈括：“阳燧面洼,以一指迫而照之则正,渐远则无所见,过此遂倒.”“小鉴不能全观人面,故令微凸,收人面令小,,则鉴虽小而能全纳人面.仍覆量鉴之小大增损高下,常令人面与鉴大小相若.”
3.光的折射与透镜※冰透镜：西汉《淮南万毕术》记载：”削冰令圆,举向以日,以艾承其影,则火生.“※鲫鱼杯：宋代《春渚（zhŭ）纪闻》：“有一鲫,长寸许,游泳可爱.水倒出,鱼不复见.复酌水酒中,须臾一鱼泛然而起.”※“蝴蝶杯”、“兰花杯”等.
4.光的色散雨后成虹和造虹实验：唐初孔颖达《礼记注疏》“日照雨滴则虹生”唐代张志和《玄真子》“雨色映日而为虹”“背日喷乎水,成虹霓之状.”南宋蔡卞《毛诗名物解》：“云薄漏日,日照雨滴则虹生.今以水喷日,自侧视之,则晕为虹霓….故今雨气成虹,朝阳射之则在西,夕阳射之则在东.”鸡子石英证含光图：著名道士张果修炼内丹的著作《修真历验钞图》：讲到从白石英看到：“映日则光玉也…,五色玄英”.白石英为无色透明晶体,属六角晶系.用白石英作的三棱镜对日光产生了色散.明末方以智《物理小识》
四电磁学1.对电的认识2.对磁的认识3.电与磁的应用
1.对电的认识摩擦起电：*东汉王充《论衡》：“顿牟掇芥,磁石引针…他类肖似,不能掇取者,何也？气性异殊,不能相感动也.”顿牟指玳瑁（爬行动物,形状象龟,这里指其壳）.（用元气解释静电现象）；*西晋张华《博物志》记载：“今人梳头,脱着衣时,有随梳、解结有光者,也有吒声.”*唐代《酉阳杂俎》“猫…黑者,暗中逆循其毛,即著火星”.雷电现象：沈括《梦溪笔谈》：“雷火自窗间出,赫然出檐,人以为堂屋已焚,皆出避之,及雷止,其舍宛然,墙壁窗纸皆黔（黑）.有一木格,其中杂储诸器,其漆器银扣者,银悉熔流在地,漆器曾不焦灼.有一宝刀,极坚刚,就刀室中熔为汁,而室亦俨然.”明代方以智：“雷火所及,金石销熔,而漆器不坏.”武当山天柱峰金顶三大奇观之一的“雷火练殿”.
1.对电的认识《淮南子》记载：“阴阳相薄为雷,激扬为电.”2.对磁的认识磁性：《吕氏春秋》：“慈石召铁,或引子也”；《鬼谷子》：“慈石取针”；高诱注释《吕氏春秋》时指出：“石,铁之母也,以有慈石,故能引其子.石之不慈者,亦不能引也”.磁石吸引物质只限于铁：《淮南子》：“若以慈石之能连铁也,而求其引瓦,则难矣”,“及其于铜则不通”.屏蔽：明末刘献廷《广阳杂记》：“慈石吸铁,隔碍潜通.或问余曰：‘慈石吸铁,何物可以隔之？’犹子阿儒曰：‘唯铁可以隔之耳’.其人去而复来,曰：‘试之果然’.”
3.电与磁的应用①避雷针：②磁性指南器：③磁化地磁场磁化法：1044年出版的宋代曾公亮《武经总要》：“鱼法,以薄铁叶剪裁,长二寸阔五分,首尾锐如鱼形,置碳火中烧之,侯通赤,以铁钤钤（qián印、章)鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之,用时置水碗于无风处,平放鱼在水面令浮,其首常南向午也.”将铁片烧红的是使磁畴重新分布成为顺磁体,淬火使磁畴稳定.磁石磁化法：沈括《梦溪笔谈》：“方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东（地磁偏角）,不全南也.
中国古代科技——指南车模型启明之光:一.中国古代的物理学萌芽
五声学1.声音的产生（略）2.声音的传播（略）3.共振4.共鸣及其消除5.声音的反射6.古代乐器7.律学
1.共振《庄子•徐无鬼》：“为之调瑟,废于一堂,废于一室.鼓宫宫动,鼓角角动,音律同矣.夫改调一弦,于五音无当也,鼓之,二十五弦皆动.”《梦溪笔谈》：“琴瑟弦皆有应声,宫弦则应少宫,商弦则应少商,其余皆隔四相应.今曲中有声音,须依此用之.欲知其应者,先调诸弦令声和,乃剪纸人加弦上,鼓其应弦,则纸人跃,他弦则不动.声律高下苟同,虽在他琴鼓之,应弦亦震,此谓之正声.”（共振实验—鱼洗）2.共鸣及其消除南北朝时期刘敬叔《异苑》：“晋中朝有人蓄铜澡盆,晨夕恒鸣如人扣,乃问张华.华曰：‘此盆与洛钟宫商相应,宫中朝暮撞钟,故声应尔.可错（挫）令轻,则韵乖.鸣自止也.’依其言,后不复鸣.”唐代韦绚《刘宾客嘉话录》记载了当时的太乐令曹绍为一僧人治病的事：该僧人因僧房内一磬无故自鸣,而惊恐成疾.
3.声音的反射①北京天坛：回音壁、三音石、对话石②山西永济“莺莺塔”：普救寺舍利塔,因“西厢记”而称“莺莺塔”,是一座空心砖塔,初建于唐武则天,后重建于明嘉靖42年（1564）,因其可产生蛙鸣般的回声,而列河东“清八景”之一.（普救蟾声）③河南三门峡“蛤蟆塔”：建于金大定十六年,在塔外十余米处击石拍掌,有蛙鸣回音.④四川潼南“石琴”：实为登山石阶,凿于江边完整无缝凹处,沿石阶拾级而上,自第四级到第十九级,凡步履所触,便会发出悠扬婉转的古琴声在洞内回荡.其中有七级石蹬的发音特别洪亮,称为七步弹琴.题为石蹬琴声.
回音壁传声示意图
三音石和对话石回声示意图
莺莺塔回声示意图
编种4.古代乐器新石器时代：陶埙（xūn）和骨哨.《诗经》记载：有29种之多,包括各种弹琴、吹奏、打击等乐器.战国曾侯乙墓：出土的有：编钟、磬、笙、排萧等.
5.律学商代：已有五声音阶：宫、商、角、徵（zhĭ）、羽（1、2、3、5、6）.后又增加了两个半音：变徵（近4）、变宫（7）,成为七声音阶.西周：已发展为十二律：黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤ruí宾、林钟、夷则、南吕、无射（yì）、应钟.乐律的计算：三分损益法：最早见于《管子•地员》（公元前4世纪）,是世界上最早的乐律计算方法.具体操作是：将一空弦依次乘以2/3或4/3,即缩短1/3(损一)或加长1/3(益一),分割成不同的长度,这就产生出不同频率的乐音.具体的推算是：设黄种宫音的弦长为34=81,徵音的弦长为81×4/3=108,商音的弦长为108×2/3=72,羽音的弦长为72×4/3=96,角音的弦长为96×2/3=64,依次类推.(《清史稿•乐志二》)
十二平均律：发明者：朱载育（1536-1610？）朱元璋的九世孙,成于1581年左右,在《律学新说》和《律吕精义》有记载.和十二律的产生已相距2000余年.是一种相临律间音程差数相等的律制.方法：以公比的等比级数分配音律,也就是在八度音之间,分成十二个等音程的半音,两相临音律间的频率比都是,这样可以使十二律自“黄钟为始,应钟为钟,终而复始,循环无穷.”具体做法：当把2开到12次方得到频率的倍律1.059463后,再把1.059463自乘12次,就得到十二律的平均倍数,具体数字是（单位为尺）：黄钟（正律）为1.000000,应钟（倍律）为1.059463,无射（倍律）为1.122462,…大吕（倍律）为1.887748,黄钟（倍律）为2.000000.上面所列数字表示振动体（弦）长度.
※朱载育依据自己发明的十二平均律确定了“均准”（即弦准）,是世界上第一个依据十二平均律建立的定律器.也是世界上第一个依据十二平均律建立的弦乐器.※朱载育还制定了一套标准律管（36根,含三个八度）,铜材.制作律管时,朱载育发现律管长度加倍或减半且管径相同时,律管发出的音有差别,为此,他根据实验和借助数学找出管口校正的方法和数据.他用缩小管径来校正,因此他的律管为异径律管.
盖天说：起源于殷周时期.《周》：“天圆如张盖,地方如棋局”,后发展为“天似盖笠,地法覆”浑天说：代表人物是东汉张衡(公元78年-139年),生于河南南阳石桥镇,公元111年担任太史令,主持天象观测、编订历法,发明了浑天仪、候风地动仪.张衡在《浑天仪图注》中写到：“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡中黄.…”认为大地是球形的、运动的,地球是宇宙的中心.用一个天壳和附天而行的日月五星来解释天文现象.和西方同一时期的“地心说”相似.张衡强调:“宇之表无极,宙之端无穷”.国际天文学组织用他的名字命名了一颗小行星和月球上的一座环行山.宣夜说：《晋书·天文志》记载：“宣夜之书亡,惟汉秘书郎萌记先师相传云：天了无质,仰而瞻之,高远无极,眼精绝,故苍苍然也.…日月众星,自然浮生虚空之中,其行其止,皆须气焉.…”启明之光:一.中国古代的物理学萌芽六.天文学
启明之光:一.中国古代的物理学萌芽水力浑象与地动仪
第一节古希腊物质本原思想第二节古希腊时期对宇宙的认识第三节古希腊的物理学知识第四节中世纪的物理学知识第五节.亚里士多德的物理学第二章西方古代物理学1.古希腊时期：前8世纪--4世纪2.中世纪：5—15世纪分期
1.古希腊的三个时期（公元前8世纪---4世纪）①城邦时期（前8世纪—前4世纪）：在地中海东岸有10余个不同城邦,这时的雅典为众城邦的盟主,也是科学文化发展的中心.出现了大批著名的哲学家和科学家：泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克利特、苏格拉底、柏拉图和亚里士多德等.③罗马时期（前2世纪—4世纪）：希腊被罗马人征服,开始了罗马时期.初期由于政治动荡,科学开始衰退,当社会稳定后,从公元2世纪到4世纪,亚历山大里亚的科学再度中兴.这时科学家已经转为重视使用的氛围中,研究活动多与实际生活的需求相关.或者表现为对以往科学的注释上.②亚历山大时期（前4世纪—前2世纪）：以亚历山大为首的马其顿人征服了全希腊,建立了地跨欧亚非大陆的亚历山大帝国,在埃及建立了“亚历山大城”,在城内还建立了博物馆和图书馆（谬斯学院）,聚集了大批优秀的科学家.科学文化的中心也自然的转为埃及的亚历山大城；
②阿拉伯文化时代（8—11世纪）：地处东西方贸易交流纽带的阿拉伯,成为沟通东西方文化的桥梁,同时完好的保存了许多古希腊的学术典籍,对后来欧洲文艺复兴乃至近代科学产生重大影响.2.中世纪可以细分为三个时期（5世纪---15世纪）①黑暗时代（5—8世纪）：内部奴隶起义,外部日尔曼部落入侵,西欧逐渐过度到封建领主土地所有制.同时基督教成为罗马国教.消灭一切异教文化,对整个社会实行严酷的思想统治和愚昧政策,违背宗教的见解受到惩罚.圣经的语句具有法律效力.古希腊学术终结.③经院哲学时代（11—15世纪）：经院哲学是以理论形式装扮起来的为封建统治阶级服务的官方哲学.经院哲学所进行的一切论证均以圣经词句作为出发点和终极真理,根本无视经验和实践,敌视对自然界进行科学研究.代表人物托马斯•阿奎那（1226—1274）将亚里士多德的学说神话,使其成为不可侵犯的权威.反叛代表培根.
第一节古希腊物质本原思想一元素论二数的和谐思想三原子论
一元素论1.城邦时期（公元前8世纪—前4世纪）米利都学派创始人泰勒斯(公元前624-前547)认为万物本原是水；其学生阿那克西曼德(公元前610-前547),认为世界的本原应是无任何固定性质的“无限者”,即没有固定的界限、形式和性质的东西,由它生出土、水、气、火等.阿那克西曼德的学生阿那克西米尼(公元前585-前528),则将万物的本原看作是“空气”；赫拉克利特（公元前540-前475,一城邦邦主）认为是“火”；恩培多克勒(公元前493-前433）：西西里岛的一位王子,提出“四根说”,即物质由土、水、气、火四种元素构成.2.亚历山大时期亚里士多德在总结前人研究的基础上,提出：地上万物由土、水、气、火四种元素组成,月层以上的天体由以太组成,而元素又由冷、热、干、湿这四种更基本的基质构成.
二数的和谐思想创始人：毕达哥拉斯（约前584-前497）.认为世界是一个超感性世界,是一个“数”的世界.数是万物本原,有了一个一个的数,才有了几何上的点,有了点才有线、面和立体,有了立体才有土、水、气、火四种元素等.由于注重数的比例关系,发现了数学上的毕达哥拉斯定理（勾股定理）与音乐上的五度相生律.认为世界上的一切现象和规律都服从“数的和谐”,这种“数的和谐”表现为数学上的简单性、对称性与和谐性.毕达哥拉斯学派对数的尊崇形成了对数的神秘主义,但他们对“数的和谐”的追求,却形成了理性的数学传统.对后来自然科学的孕育、形成和发展产生了巨大作用.“数的和谐”成为后来以至今天科学研究的一个重要指导原则.由“数的和谐”发展为“宇宙的和谐”的观念成为历代科学家的指导思想与科学方法.
三原子论创始人：米利都学派的留基伯(公元前500-前440)和其学生德谟克利特(公元前460-前370).接受了毕达哥拉斯的超感性世界的认识,但不接受“数”的本原观点.他将微观的几何点同“存在”结合起来,认为“存在”是不可分的、不变的、球形的.并将“存在”取名为“原子”.100年后雅典的伊壁鸠鲁（公元前341-前270）发展了这一学说：原子本身不仅有形式上的差别,还有大小和重量的不同.只要不遇到任何阻抗,原子在虚空中以同样的速度运动着.但是,由于原子内部的原因,原子在运动中会发生偏斜,由于这种偏斜使原子产生涡旋运动.罗马科学家卢克莱修（约公元前95-前55）也继承和传播了原子论.并用尘埃在阳光中的飞舞比喻原子的运动.到17世纪,法国科学家伽桑狄（1592-1655)重新发现和传播了原子论.他们的研究与传播对道尔顿建立科学的原子论作了必要的准备和中介.
第二节古希腊时期对宇宙的认识1.毕达哥拉斯学派认为天体的形状是球形,天上应该有10个天体,当中是中心火团,10个天体围绕中心火团做同心圆周运动,恒星紧系在天的最高圆顶.10个天体到中心火团之间的距离同音阶之间的音程具有同样的比例关系,以保证“星球的和谐”,奏出“天体的音乐”.天体必须作均匀的圆周运动的假设,一直控制着天文学的发展,直到开普勒为止.2.柏拉图学派继承和发展了毕达哥拉斯学派对科学美的追求.他认为,天体必须沿着完美的圆形轨道作均匀有序的运动,或者沿着复合的圆周运动.其学生欧多克斯(Eudoxus,前409-前355))和亚里士多德提出了同心球层模型：欧多克斯假设了26个同心球,亚里士多德发展到56个,地球为运动中心.
3.地心说的发展与完善同心球层模型要求天体永远和地球保持同一距离,但行星亮度的变化和日食有时是全食、有时是环食的现象,说明行星、太阳、月亮离地球的距离是不断变化的.为了克服这一困难,阿波罗尼（Apollonius,约前247—前205）提出了“本轮—均轮”结构模型：行星沿着本轮做圆周运动,本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动.之后的希帕克斯(Hipparchus,前161-前126)又发展了偏心轮和本轮—均轮体系.
例：从地球上看,金星总是在太阳方向的2θ(θ=48°)角度范围内,从不远离太阳,并且有时亮有时暗一些.赫拉克利特根据这一事实,设想它们沿轨道绕日运转,并产生亮度的变化.地心说体系最终由希腊晚期亚历山大城的数学家、天文学家托勒密（Ptolemaeus,约90—168）发展和完善：他用80个轮来解释天体的运动,与实测数据符合的较好.后来被宗教利用来宣传教义,流行了1400多年.问题：随着观察数据的增多和观察水平的逐渐提高,解释天体运动的圆还在增加,显然这和“简单美”相矛盾.
5.太阳中心说阿里斯塔克（Aristarchus,约公元前310—前230）：他在所写的《太阳和月亮的大小与距离》(OntheSizesandDistancesoftheSunandMoon)一书中提出：太阳是宇宙的中心,地球和行星都围绕太阳运转,地球每年绕太阳转一周,又每天自转一周.因为恒星距离我们太远,其视差太小,我们看不出来,所以看起来恒星在远处不动.由于这一思想远远超过了当时的天文学和力学的知识水平,所以不为当时的人们所接受,并长期受到教会的压制.
第三节古希腊的物理学知识古希腊的物理知识主要集中在力学和光学两个方面.力学主要有亚里士多德的动力学思想和阿基米德的静力学.一力学知识1.亚里士多德的力学研究①关于空间：他认为空间即意味着不动.并提出了空间位置的相对性,如“同一位置可以是右也可以是左,可以是上,也可以是下.”但他认为宇宙有限和天球以外是空虚的.②关于时间：他认为时间就是描述运动的数.他说“时间是使运动成为可以记数的东西”“我们不仅用时间计量运动,也用运动计量时间,因为他们是相互确定的”.他认为时间不同于运动,运动有快有慢,而时间的流失则是均匀的.
③关于运动：他认为运动就是变化,并将自然界的运动分为自然运动和强迫运动.强迫运动指借助外力进行的运动,撤去外力,运动停止.物体的运动速度与施加的外力成正比,与在介质中受到的阻力成反比.对抛体运动的解释:自然界害怕虚空,填补空虚推动物体.对自由落体速度越来越快的解释：物体越接近其天然位置,其奔向倾向就越强；上方空气柱的重量越来越重等.自然运动是指由于物体在“内在目的”的支配下寻找其“天然位置”的运动,与物质所含元素有关,如重物的垂直下落和轻物竖直上升.含土元素的重物的天然位置在地心,由火元素构成的轻物的天然位置在天空等.物体越重,下落就越快；物体越轻,上升就越快.
④意义：亚里士多德能够摆脱神的意志,并能形成一套自圆其说的体系,在当时是有非常重要意义的.在科学史上,他是一个重要的开拓者,尽管其许多观点是错误的,但其历史作用不可否定.
2.阿基米德（前287—前212） 古希腊最著名的物理学家,数学和力学大师.后人称其为“物理学之父”.著有《论平面的平衡》《论浮体》,其数学研究在欧几里德之后达到那个时代的顶点.1）杠杆原理：用了7条假设,论证表述了15个命题.2）浮力定理（阿基米德定理）；3）证明了正圆柱体内切球的体积与该圆柱体积之比 为2:3；他采用了两种方法：①实际制作了两个材料相同的模型,称其重量； ②从数学上推导论证.4）提出了重心的概念和物体重心的求法；5）计算了π的数值在3又10/71和3又1/7之间；6）发明了滑轮组；7）发明了阿基米德螺旋提水器等.
启明之光:二.古希腊时期的物理进展故事1)铜镜烧船:在保卫叙拉古免受罗马海军攻击的战斗中,阿基米德利用杠杆技术制造了远、近距离的投石机攻击敌舰,并用滑轮组把敌舰的船头拉倒.据说阿基米德让妇女用铜镜组成一面聚光镜烧战船上的帆,浸了油的绳与桅杆和帆都烧起来了.1747年,法国科学家布韦为了验证这一情况,用360面镜子,拼成一个大凹镜,烧灼了70米外的木堆.2)豪言：传阿基米德在叙拉古的王宫曾以这样的豪言评价杠杆的作用:“给我一个支点,我可以撬动地球”.3)鉴定王冠：传阿基米德在洗澡时发现了鉴定王冠的纯金成分的方法,并在国王和大臣面前进行了表演.意义：阿基米德的力学研究方法具有“一般”的意义.阿基米德在提出了著名的浮力定律和杠杆原理的过程中所采用的公理化方法---将实验和数学推理结合起来,成为近代甚至现代物理学研究的重要方法之一.
欧几里德（约前330—前275）建立的优美的几何演绎体系,是古代数学乃至整个数学史上的最伟大成果之一.他将几何学引入到光学研究,将光学看作是几何学的一个分支,著有《反射光学》(Catoptrica),确认光的直进性,并建立了光的反射定律.确定了凹面镜的聚焦点在球心或在球心与球面之间.但他却认为视觉的产生是从人眼睛发射出的光线被物反射回来的结果.二光学知识希隆（Heron,前150—前100）：用光程最短原理论证了光的反射定律.光反射时通过的路程SMS’比任何其他的路程SM’S’都短.这个原则后来为费马(Fermat)所发展.
1.阿里斯塔克测量----日地距离和月地距离之比：当月亮恰为半月时,日月地构成直角三角形：日-地间的直线为斜边,日-月和月-地间的直线均为直角边,他测得月-地边和日-地边之间的夹角,进而得出日-地间的距离为月-地间的距离的20倍（实际为400倍）.应用：阿里斯塔克：测量日地距离和月地距离之比；埃拉多塞（约前270—前196）测量地球周长等.日月地θ由于当时观测条件的限制,在阿里斯塔克的计算中,数据误差很大,但其研究方法是正确的,惊人的.
2.埃拉多塞(公元前270-公元前196)：用三尺长的竹竿测地球周长埃及的尼罗河旁有两个城市赛恩和亚历山大.在塞恩有一口很深的井,夏至那天,阳光会照到井底,而阳光同时在亚历山大对竹竿将有一个投影,我们可测出θ角,根据几何关系可知,∠AOS=θ,OS=0A为地球半径,则：启明之光:二.古希腊时期的物理进展计算得：L≈39000千米现在测量数据约为40000千米AS井
第四节中世纪的物理学知识一阿拉伯人的物理成就1.阿勒—哈增（965—1038）著有《光学全书》：研究了眼睛的结构,如“网膜”、“角膜”、“玻璃状体”、“前房液”等术语均出自于他.认为视觉是光线从物体发出进入人眼所致；认为光的入射线、反射线和法线都在一个平面内；研究了球面镜、抛物镜成像问题；正确解释了太阳、月亮在地平线附近看起来较大的原因.2.阿勒•哈兹尼（12世纪人）著有《智慧秤的故事》,可以测量空气中和水中物体的重量,从而编出比重表；发现了水的比重随温度的不同而不同；发现空气有重量,因而阿基米德定律在空气中也适用；指出大气的密度与高度有关；提出物质的量与重量不同,两者成正比关系；最早提出速度的概念：用路程与时间之比表示速度.
二欧洲人的研究工作阿拉伯在8-9世纪开始大量翻译希腊的经典著作.从10世纪中叶开始,欧洲一些学者,将阿拉伯文的书翻译成拉丁文.到12世纪,翻译活动形成了更高的浪潮.这种翻译活动为后来的文艺复兴和科学革命准备了学术上的重要条件.另一重要事件是大学的建立.12-13世纪,在欧洲建立了牛津大学(1168)、剑桥大学(1209)、巴黎大学(1253)和波伦亚大学；后来人们仿照这三所大学又建立了一些大学,同时在大学内又相继成立了一大批专门的学院,这些学院对中世纪晚期学术发展发挥了重要作用.
罗吉尔•培根（约1214--1294）英国人,是13世纪杰出的科学家.大胆同迷信、反动教会作斗争,是近代自然科学的先驱.他提倡：①倡导实验方法研究自然他是当时唯一旗帜鲜明地主张科学实验的人.通过实验培根发现了火药的成分；发明了暗室；用光线在雨滴中的折射解释了虹的成因；提出用平凸透镜制成望远镜的设想；研究过蒸汽的作用,并预言可以造出不用人力浆的航船,不用马拉的自动行驶的车,以及能在天上飞行的装置等.②重视对数学的研究实验方法和数学方法相结合是近代物理学产生的重要支柱.这种方法在西方始于阿基米德,经培根提到原则的高度,预示着近代科学即将诞生.
培根的思想远远超过了他的时代,并写了很多著作.由于培根的科学思想为当时的教会所不容,在教会的严格监视下,培根在巴黎寺院里生活了10年,后来又被关进监狱14年之久,出狱后两年便与世长辞.他的主要著作《大著作》、《小著作》、《第三著作》等也没有流传,只有其中一小部分以手抄本的形式保留下来.
第五节：亚里士多德的物理学1.亚里士多德（希腊,约公元前384-公元前322）:出生于希腊北部的一个城邦,18岁进入柏拉图学园,并在此学习和工作了20年之久.柏拉图死后,亚里士多德离开了学园,不久到了马其顿,任宫廷教师,约在公元前342年,他成为王子亚力山大的私人教师.公元前335年,又回到雅典,创办了吕克昂学园.亚里士多德的研究很广泛,建立了一个庞大的理论体系,被称为“学术理论帝国”.他系统研究了逻辑学、政治学、论理学、文学、天文学、物理学、生物学等,著述甚丰,据说上千卷,包括《形而上学》、《物理学》、《论理学》、《工具篇》等.被称为古希腊思想史上的“百科全书”.在科学领域里起着奠基性的作用.由于他和弟子们常在散步时进行哲学讨论,所以被称为“逍遥学派”.亚里士多德的物理学：二.亚里士多德的物理学
2.主要观点1)提出物理学名称的第一人,强调科学分类.2)若物体不受力,运动即停止.力是运动的原因.3)物体越重,下落速度应该越大.4)地球是宇宙的中心,太阳、行星和月亮围绕它转.亚氏观点从归纳日常生活出发,加上哲学思辩,后来发展为经院哲学,成为自然科学的障碍.亚里士多德的物理学：二.亚里士多德的物理学经院哲学:西欧中世纪主要哲学思想的总称.因产生于天主教的学院,故称经院哲学.主张理性服从信仰,目的在于论证基督教的教条,维护教会和封建主的统治.主要代表为托马斯·阿奎那.宣扬科学的根本目的在于适应神学.
§1.哥白尼与“天体运行论”、第谷与开普勒§2.运动学的奠基人——伽利略§3.牛顿的伟大综合和理论飞跃§4.牛顿后力学的发展（略）第三章经典力学的建立
§1.哥白尼与“天体运行论”、第谷与开普勒一.哥白尼与“天体运行论”二.第谷与开普勒
新芽破土：二.哥白尼与“天体运行论”哥白尼像一.哥白尼与“天体运行论”哥白尼日心体系的提出,是自然科学向神学的第一次严正挑战,标志着自然科学从神学中独立出来.哥白尼是波兰伟大的天文学家,18岁入克拉科夫大学学习数学和天文学；1496年到文艺复兴的意大利留学,波伦亚大学天文学教授诺瓦拉(Novara)关于托勒密体系过于复杂,不符合数的谐和原则的评论,对哥白尼产生了影响.在留学期间,他还阅读了大量古希腊学者的著作,受到了其中有关地球运动的思想（阿里斯塔克）的启发,为他创立新的宇宙体系奠定了思想基础.1503年,哥白尼回到波兰后,在担任牧师职务期间坚持进行天文学观测和新的宇宙体系的研究.
由于观测技术的进步,在托勒密的地心体系里必须用八十个左右的均轮和本轮才能获得同观测比较相合的结果,而且这类小轮的数目还有继续增加的趋势.哥白尼分析了托勒密体系中的行星运动,发现每个行星都有三种共同的周期运动,即:一天一周、一年一周和相当于岁差的周期运动.他认为,如果把这三种运动都归到被托勒密视为静止不动的地球身上,就可消除他的体系里不必要的复杂性.只有月球绕地球转动.恒星则在离太阳很远的一个天球面上静止不动.这样,哥白尼提出了一个以太阳为中心的宇宙体系.在这个体系中,天体从远到近的顺序是：恒星不动；土星,30年转一周；木星,12年一周；火星,2年一周；地球和月亮一年一周；金星,9个月一周；水星,80天一周等.哥白尼把统率整个宇宙的支配力量赋予太阳,而各个天体则都有其自然的运动.
由于担心教会谴责,他迟迟没有公开发表自己的见解.1530年,哥白尼才将他的学说写成一个小册子《纲要》,以手稿形式在友人中流传.直到1542年,在他生命垂危之际,才同意将他的主要著作《天体运行论》交付印行.并且在书的序中写明,将他的著作献给教皇保罗三世.他认为,在这位比较开明的教皇的庇护下,《天体运行论》也许可以问世.除了这篇序之外,《天体运行论》还有另外一篇别人写的前言.前言中说,书中的理论不一定代表行星在空间的真正运动,不过是为编算星表、预推行星的位置而想出来的一种人为的设计.应该说,哥白尼并不是一个想要彻底推翻全部传统观念的革命派,而是一个深受毕达哥拉斯学派思想影响的人,他的出发点是：考虑能否用尽可能少的匀速圆周运动的组合来构造一个宇宙体系,以符合毕达哥拉斯学派的简单、均匀等和谐思想.因此,在很大程度上可以说,哥白尼太阳中心说体系的建立,是深受毕达哥拉斯学派和谐思想影响的结果.
《天体运行论》出版后很少引起人们的注意.一般人不能了解,而许多天文工作者则正如奥塞安德尔所说的那样,只把这本书当作编算行星星表的一种方法.《天体运行论》在出版后七十年间,虽然遭到马丁•路德的斥责,但未引起罗马教廷的注意.后因布鲁诺和伽利略公开宣传日心地动说,危及教会的思想统治,罗马教廷才开始对这些科学家加以迫害,并于公元1616年把《天体运行论》列为禁书.哥白尼的学说不仅改变了那个时代人类对宇宙的认识,而且根本动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础.“从此自然科学便开始从神学中解放出来”,“科学的发展从此便大踏步前进”
二.第谷与开普勒1.第谷(TychoBrahe,1546-1601)的天文观测丹麦人,生于贵族家庭,1576年在丹麦国王腓特烈二世资助下在哥本哈根海峡的一个小岛上修建了一座完善的天文台,测量精度较前人提高了几十倍至上百倍,在21年的观测中,各行星角位置的误差仅为2’(即0.033°,1°=60’).他将亚里士多德理论和哥白尼体系进行了折中,认为,除地球和围绕它的月亮外,其他天体都绕太阳运转,太阳率领众行星围绕地球运转,地球是静止不动的.被人誉为“星学之王”.腓特烈二世逝世后,第谷失去了资助.1599年,他在布拉格得到了奥皇卢道夫的一份赠款,于是他把部分仪器搬到了布拉格.在这里,他得到了一个青年助手开普勒.他们共同进行观察,直到1601年第谷去世.
第谷使用的天文仪器新芽破土：三.第谷与开普勒第谷的墙壁象限仪
开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家,他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的.他以数学的和谐来探索宇宙体系.（在1596年发表的《宇宙的秘密》中,他用古希腊人已发现的五个正多边形和当时已知的六颗行星的轨道的套迭,来解释为什么它们又有这么大小的轨道.其安排是：一个半径等于土星轨道的球内,内接一个正六面体,正六面体的内切球即为木星的轨道；在木星轨道的球内,内接一个正四面体,正四面体的内切球就是火星的轨道；火星轨道内切球内,内接一个正十二面体,其内切球正是地球的轨道；地球轨道内接球的正二十面体,内切球是金星轨道,金星轨道内接球的正八面体,内切球是水星轨道.这样的安排表现出开普勒出色的想象力和数学才能,纯粹是一种偶然性,并带有数学神秘感.但却因此引起了第谷和伽利落的注意,并被第谷召为助手.）开普勒是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家.他以数学的和谐性探索宇宙,在天文学方面做出了巨大的贡献.被后世的科学史家称为“天上的立法者”.2.德国天文学家开普勒(1571-1600)：
开普勒出生在一个贫民家庭,四岁时患上了天花和猩红热,导致视力衰弱,一只手半残.但开普勒顽强的进取精神,使其学习成绩一直名列前茅.1587年进入蒂宾根大学,在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林.在他的影响下,很快成为哥白尼学说的忠实维护者.大学毕业后,开普勒获得了天文学硕士的学位,被聘请到格拉茨新教神学院担任教师.后来,由于学校被天主教会控制,开普勒离开神学院前往布拉格,与第谷一起专心地从事天文观测工作.第谷死后,开普勒接替了他的职位,被聘为皇室的数学家.第谷在临终前将自己多年积累的天文观测资料全部交给了开普勒,于是开普勒一边根据第谷的观测资料重新编制行星表,并于1627年出版了《卢道夫行星表》,一边进行着对行星轨道特点的研究.
对火星轨道的研究是开普勒重新研究天体运动的起点.开始,开普勒用正圆编制火星的运行表,发现火星老是出轨.他便将正圆改为偏心圆.可是,依照这个方法来预测火星的位置,跟第谷的观测数据仍然不符,产生8’的误差.开普勒知道第谷观测数据的准确性,所以他没有将这一误差“观测范围内的允许误差”,而是认为“匀速圆周运动”的假设存在错误.此后,开普勒转向了用第谷的观测数据去确定行星的运行轨道.从而发现火星轨道是一种椭圆,并进而发现每个行星都沿椭圆轨道运动,太阳就在一个焦点上；接着又发现面积定律.上述两定律发表在1609年出版的《新天文学》上.在1619年出版的《世界的和谐》中公布了周期定律.※开普勒的上述重要发现,为牛顿创立天体力学理论奠定了基础.开普勒是用数学公式表达物理定律并成功的人之一.从此开始,数学方程就成为表达物理定律的基本方式.
一.伽利略的运动理论二.意义§2.运动学的奠基人——伽利略
1.伽利略(1564-1642)简介：伽利略发现月亮表面和地球一样是粗糙不平的；他将望远镜指向天空的任一方向,都可以看到无数的星体；他发现银河也是由无数颗暗淡的星星组成的；木星有四颗卫星等.这些发现既否定了古代天体只有7个或10个断言,又表明地球并不是所有天体绕之运转的中心.有力的支持了日心说.《星界信使》使伽利略获得极大荣誉,1610年7月,被邀到佛罗伦萨任宫廷数学家和哲学家.出生于意大利比萨.奠定了经典力学中运动学的基础.1609年5月,用一块凸透镜和一块平凹面镜制成一放大9倍的望远镜,（因此获终身教授）,后经改进,制成一放大约千倍的望远镜.在1610年的最初的几个星期内,伽利略便获得几项重大发现,并于当年出版在《星界信使》中.
一.伽利略的运动理论1.运动的描述和分类提出将运动分为匀速运动和变速运动.2.自由落体定律①首先从思想实验得出的一个佯谬入手,对亚里士多德的落体学说反驳：重物和轻物绑在一起下落时的速度？②通过数学推到出自由落体为匀加速运动：利用三角形面积和一对应的矩形面积相等确定s/t2=常量③设计了“冲淡重力”实验,即著名的“斜面实验”④为了把斜面实验推广到竖直情况的自由落体运动,提出了“等末速度假设”,并用一个单摆实验验证了假设.由等末速度假设得到了沿斜面下滑的加速度g1和重力加速度g之间的关系.
假设的实验验证：摆的升高实验.
3.惯性原理“等末速度假设”和单摆摆球的等高性实验,把伽利略引向另一个理想实验,如右图所示.“任何速度一旦施加给一个运动着的物体,只要除去加速或减速的原因,此速度就可保持不变；不过,这是只能在水平面上发生的一种情形.”这一思想实验,有力地证明了外力不是物体运动的原因,而是运动速度变化的原因.在《谈话》中,他也表达过这一思想“当一个物体在水平面上运动,没有碰到任何阻碍时…它的运动将是匀速的,并将无限继续进行下去,假如平面是在空间无限延伸的话.”
4.抛体运动轨迹--运动的独立进行原理在《两门新科学》的第四天谈话中,详细研究了抛体运动,指出：假设物体以水平初速度抛出,这时物体将同时参与一个匀速的水平运动和一个匀加速的下落运动…这两个运动既不彼此影响、干扰,也不互相妨碍”.这就是运动的独立进行原理.伽利略把各种仰角下物体的射程一一计算出来作成表格,从而得出仰角为α=450时射程最大,以及两个仰角等于α=450±β下射程相等得结论.
5.相对性原理在批驳“倘若地球运动,就会把地球上面的物体抛到后面去”的谬论时,伽利略指出,从行驶的航船的桅杆上落下的石子,仍会落在桅杆脚下；…只要船的运动是均匀的,也不忽左忽右摆动,人们所观察到的现象同船静止时完全一样,人们跳向船尾不会比跳向船头更远；从挂着的水瓶中滴下的水滴仍会滴进下方的罐子里；蝴蝶和苍蝇四处飞行,决不会向船尾集中,或者是为了赶上船的运动而显出疲劳的样子.……这些现象表明,在船里所做的任何观察和实验,都不能够判断船究竟是在运动还是停止不动.”这一原理的发现,是人类科学史上的一个重大飞跃,对物理学基础理论的发展产生了深刻的影响.
6.伽利略的研究方法对现象的一般观察→提出工作假设→运用数学和逻辑的手段得出特殊结论→通过物理的或思想的实验对推论进行检验→对假设进行修正和推广.伽利略把实验和数学逻辑结合起来的方法,有力推进了人类科学认识活动的进展.值得指出的是,在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的.比如在实际的下落实验中,重球和轻球并不是同时落地,伽利略认为这是空气阻力造成的；又如在单摆实验中,摆球并不能完全回到原来的高度等等,能够认识到具体实验中出现的偏差或误差并摆脱其影响,而以理想实验并通过数学逻辑的推倒得出结论,这就是伽利略的伟大之处.
运动学的奠基人——伽利略：二.意义二.意义1.实验方法与数学方法结合的成功不是单纯做实验,而是从明确的物理思想出发,进行数学推证,选典型实验,最后得出结论.2.科学方法的确立：观察—假设—逻辑推理—实验检验的成功之路实验物理思维和数学演绎的巧妙结合.3.落体运动也是一种匀加速运动1586年,斯蒂文和德哥罗在一所二层楼做实验,两个不同重量的铁球同时落地.
§3.牛顿的伟大综合和理论飞跃一.牛顿简介二.牛顿的《自然哲学数学原理》的内容和意义（1687年发表）三.万有引力定律的建立、检验和意义四.牛顿取得成功的历史条件五.牛顿的成功之路六.牛顿的局限
牛顿的伟大综合和理论飞跃背景：15世纪,文艺复兴的大旗飘扬在欧洲大陆上,自然科学获得新的生命,蓬勃成长.科学巨匠N.哥白尼、第谷、J.开普勒、伽利略以及R.笛卡儿等先后驰名于欧洲.欧洲出现政治、经济和科学文化新变革的时代.一.牛顿简介1643年诞生于英格兰林肯郡的自耕农家庭.牛顿出生之前,父亲已去世.3岁时,他的母亲再嫁给一位牧师,把他留在他祖母身边抚养.牛顿自幼沉默寡言,性格倔强,这种习性可能来自他的家庭处境.牛顿儿童时酷爱读书,但并看不出才能出众.在格兰瑟姆中学的校长J.斯托克斯和他当神父的叔父W.艾斯库鼓励下,牛顿于1661年以减费生的身份进入剑桥大学三一学院,1664年成为奖学金获得者,1665年获学士学位.
在剑桥大学,H.卢卡斯创设了一个讲座,讲授内容为地理、物理、天文和数学等课程.讲座的第一任教授I.巴罗是一位博学的科学家.就是这位教师把牛顿引向自然科学.在这段学习过程中,牛顿掌握了算术、三角,学习了欧几里得的《几何原理》,开普勒的《光学》,笛卡儿的《几何学》和《哲学原理》,伽利略的《两大世界体系的对话》,R.胡克的《显微图集》和早期的《哲学学报》等.牛顿在巴罗的门下学习,是他学习的关键时期.巴罗比牛顿大12岁,精于数学和光学,他对牛顿的才华极为赞赏,他认为牛顿的数学才能超过自己.1665～1666年伦敦大疫.剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校停课.牛顿于1665年6月回到故乡乌尔斯索普.
留下了脍炙人口的“苹果落地”的故事.牛顿在家躲避瘟疫的18个月内,对力学、天文学、数学和光学等方面进行了伟大的基础性研究工作,几乎孕育了他一生作出重大贡献的所有思想基础.他在自转中写到：“1665年初,我发现了……把任意指数（幂次）的二项式简化为级数的法则.同年5月我发现了正切方法…11月发现了直接流数法（即微分学）.次年1月发现了色彩理论.接着5月着手研究流数法的逆运算（积分）.同年我开始考虑如何把重力推广到月球轨道…以及将维持月球在其轨道上运动所需要的力与地球表面上的重力加以比较……”.“在这些日子里,我正处在发现力最旺盛的时期.”牛顿的伟大综合和理论飞跃
由好朋友哈雷资助出版.该书的出版标志着经典力学体系的建立.1687年出版旷世之作《自然哲学的数学原理》牛顿的伟大综合和理论飞跃
※1671因发明反射式望远镜被选为皇家学会会员.1689:国会议员.1699:造币厂长.※1703年任英国皇家学会终身会长.与胡克,莱布尼茨等人官司不断,脾气变坏.※1705年被英国女王授予爵士称号.※1727.3.20去世(85岁).隆重国葬,葬于威斯敏斯特教堂.牛顿的伟大综合和理论飞跃
二.牛顿《自然哲学的数学原理》牛顿的伟大综合和理论飞跃序言:“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理,因为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,而后用这些力去论证其他现象……,我希望能用同样的推理方法,从力学中推导出自然界的其他现象.”(一)内容（略）
牛顿的绝对时空观：时间是绝对的,空间是绝对的,运动是绝对的,而静止则是相对的“绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着,而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着”；(绝对时间)“绝对的空间,就其本性而言,是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的”；(绝对空间)“绝对运动是一个物体从某一绝对处所向另一绝对处所的移动”；(绝对运动)“真正的、绝对的静止,是指这一物体继续保持在不动的空间中的同一个部分而不动”.(静止是相对的)为给“绝对空间和运动”寻找证据,提出著名的“水桶实验”
17世纪后期,牛顿设计了一个水桶思想实验：如图1(a),桶开始转而水还没有转(平)；如图1(b),水跟着桶一起转(凹)；如图1(c),桶停转而水却还在转(凹),说明水的平凹(转不转)与桶之间的相对运动无关,而与水相对绝对空间的运动有关,从而试图证明存在一个绝对空间(绝对惯性系)马赫对绝对时空的批判
(二)意义:1.它将个别特殊的情况抽象概括为普遍理论,是当时力学规律的伟大综合；2.绝对时空观的形成；3.机械决定论的形成；4.它发挥了科学理论的预言作用,引导人们从已知的现象去预测未来.牛顿的伟大综合和理论飞跃
三.万有引力定律的建立、检验和意义（一）万有引力定律的建立英国的胡克、伦恩和哈雷在引力问题的研究上都做出了重要贡献.胡克最早觉察到引力与重力有同样本质,他曾在山顶和矿井下进行实验,以确定重力随离地心的距离而变化的关系,但没得出结果.1680年初,在给牛顿的信中,胡克提出了引力反比距离的平方的猜想；1679年哈雷和伦恩导出了作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比,但是,他们还不能证明行星在椭圆轨道下也是如此.1684年8—10月,牛顿作了《论运动》的演讲,明确叙述了向心力定律,证明了椭圆轨道运动的平方反比关系.后来又定义了质量的概念,探讨了引力和质量的关系,才把他引向万有引力定律的发现.在《原理》中,牛顿描述了从高山顶上平抛一个铅球的思想实验,我们称为牛顿月亮或小月球思想实验,从而把地球上物体的重力和天体之间的引力联系到一起.
1.牛顿通过靠近地面的“小月亮”运动的思想实验,论证了“使月球保持在它轨道上的力,就是我们通常称为‘重力’的力”.2.通过“月—地检验”说明了月球所受引力与地面上物体所受引力遵循相同的规律：引力与半径的平方成反比关系.并将此结果推广到行星的运动上去,从而得出宇宙间所有物体之间的引力遵循的规律都相同的结论.所以称为万有引力.（略）
（二）万有引力定律的检验1)关于地球的形状2)哈雷彗星3)“笔尖下的行星”---海王星4)卡文迪什测定万有引力常数
1）关于地球的形状：牛顿指出,行星由于自身的旋转运动,赤道部分应该隆起,使行星成为两极扁平的扁球体.隆起部分将一部分接近太阳和月亮,另一部分远离太阳和月亮,它们受到的引力作用不同,使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心,从而使地球的轴作一种缓慢的圆周运动,造成二分点的岁差现象,牛顿近似估算出地球的扁率为1/230.为了得到更准确的大地测量结果,法国科学院于1735-1736年先后派出两个测量远征队,分赴赤道地区的秘鲁和高纬度地区的拉普兰德,分别在两地的经度圈上测量等角的一段弧长.测量结果基本证实了牛顿的结论.从而使拉普兰德队的领队莫泊丢和成员克雷洛成为牛顿的支持者.18世纪30年代,当牛顿的学说传到法国时,受到巴黎天文台台长雅克•卡西尼（JacquesCassini,1677-1756）等人的强烈反对,他们根据笛卡儿的旋涡理论假说和错误的纬度长度的测量,说地球使两极凸出的椭球体.
2)哈雷彗星1682年以前,人们认为彗星出现时,它将给人类带来灾难.牛顿根据天文资料,应用万有引力定律,说明和计算了彗星的运动轨迹.牛顿的好朋友,英国天文学家哈雷(1656-1742),根据牛顿理论进一步计算了大量彗星的运动轨道,得出1531年、1607年、1682年出现的彗星轨道相同,因此应是同一彗星.由此预言这彗星1758年还将出现.1743年,克雷洛曾计算了木星和土星对这颗彗星的摄动作用,指出它将推迟于1759年4月经过近日点.1759年3月12日,这颗星出现了.迟到的原因,正是因为它受木星和土星的吸引,这正说明了万有引力定律的成功.牛顿的伟大综合和理论飞跃
3)“笔尖下的行星”—海王星1781年,赫舍尔发现天王星,踞太阳约28亿公里,绕一周要84年.但根据牛顿理论,其运动有偏差,于是预言,还应该存在另一颗星.牛顿的伟大综合和理论飞跃柏林天文学家伽勒(JohannGottfriedGalle,1812-1910)于1846年9月23日,在勒威尔推算出在相距不到1°的地方发现了这颗星——海王星,大大拓宽了天文科学家的视野.1843-1845年英国青年大学生亚当斯(JohnCouchAdams)、1845年法国天文学家勒威尔(Leverrier)各自分别独立地根据牛顿的理论计算出了该未知行星的质量、轨道和位置.
4)卡文迪什测定万有引力常数从牛顿于1687年出版《自然哲学的数学原理》,整整一百年时间,还没有任何实验或事实能证明在任意的两个物体之间确实存在引力,以及引力大小.直到1797年,卡文迪什在实验室条件下,用扭秤实验测量了两个物体间微小引力和万有引力常数,才最终解决了定律的验证问题.
（三）万有引力定律建立的意义1.人类第一次完成了天体运动与地面物体运动的统一.2.建立了天体力学；3.是人类科学认识的一次重大综合和飞跃.
牛顿的伟大综合和理论飞跃四.牛顿取得成功的历史条件1.生产力发展的需要航海的发展,需要对天体的运行规律进行研究,对机械加工作物理原理的解释.2.物理方面的进展哥白尼的“日心说”,摧毁了附着在神学上的宇宙观,得到了几乎所有科学家的认同.伽利略奠定了在运动观上的正确理论,各种力正在被发现.3.在英国,政局比较稳定,商业发展使新兴资产阶级从自身的角度,开始注重科学研究.4.科学的国际研究联系加强英法成立了“皇家学会”及“皇家科学院”
1.站在巨人的肩上,勤奋学习,积累知识欧几里德——笛卡尔——莱布尼兹数学哥白尼——第谷——开普勒天文学吉尔伯特——布里阿德——玻列利引力思想达.芬奇——伽里略——惠更斯力学五.牛顿的成功之路牛顿的伟大综合和理论飞跃
2.讲求科学研究方法1)分析综合法牛顿在《光学》一书中曾说：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经找到,并已把他们立为原理,再用这些原理去解释由他们发生的现象.牛顿的伟大综合和理论飞跃归纳演绎实验规律实际问题2)归纳与演绎相结合
3)追求简单、和谐的公理体系牛顿根据月球受地球吸引的现象,归纳出一切天体相互吸引的关系,进而得出了引力定律.牛顿在原理中写道：“自然界喜欢简单化,而不爱用什么多余的原因以夸耀自己.”牛顿的伟大综合和理论飞跃4)数学物理方法:原理是数学与物理的完美结晶大自然追求的是一本用数学语言所写的巨著,他追求的是一个精确的,完完本本用数学表示的定律.——牛顿5)实验——抽象方法万有引力定律既有观测实验的基础,同时也是科学抽象的产物.
六.牛顿的局限1)绝对时空：在承认时间和空间的客观性质上是正确的,但把时间和空间看作与物质运动无关.2）绝对质量：他认为物体的“质量”具有客观性和永恒性,但同时认为物体的质量是不变的,因而具有历史局限性.3）机械决定论：牛顿所总结的运动定律,确立了严格的因果关系.根据初始条件,就可以准确确定体系以往和未来任一时刻的运动状态.所以他认为一切自然现象只能按照机械的必然性发生和进行.4)上帝决定论：《原理》之后,牛顿一直致力于《圣经》的研究,并开始写这方面的著作,手稿达150万字之多,绝大部分未发表.关于牛顿在1692～1693年间答复本特莱大主教4封信论造物主（上帝）之存在,最为后人所诟病.所谓神臂就是第一推动出于第四封信中.牛顿的伟大综合和理论飞跃
第四章经典热力学基础§1.热学现象的初期研究§2.热力学第一定律的建立§3.热力学第二定律的建立§4.低温物理学（略）§5.分子运动论的发展（略）§6.统计物理学的建立（略）§7.物态
§1.热学现象的初期研究一蒸汽机的发明二计温学的发展三量热学的建立（略）四热本质的认识
一蒸汽机的发明1690年巴本(法国)首先制成带有活塞和汽缸的实验性蒸汽机；1698年,托马斯•萨维里（英国)制成一具蒸汽水泵；1705年,托马斯•纽可门（英国)在萨维里和巴本的基础上,研制了一个带有活塞的封闭的圆筒汽缸.是一个广义的把热转变为机械力的原动机,是蒸汽机最早的雏形.但活塞的每次下降都必须将整个汽缸和活塞同时冷却,热量的损失太大.1769年,詹姆斯•瓦特（法国）改进了纽可门机,把冷凝过程从汽缸内分离出来,即在汽缸外单独加一个冷凝器而使汽缸始终保持在高温状态.1782年,又制造出了使高压蒸汽轮流的从两端进入汽缸,推动活塞往返运动的蒸汽机,使机器运作由断续变连续,从而蒸汽机的使用价值大大提高,导致了欧洲的第一次工业革命.§1.热学现象的初期研究
二计温学的发展（一）温度计的设计与制造1603年,伽利略制成最早的验温计：一只颈部极细的玻璃长颈瓶,倒置于盛水容器中,瓶中装有一半带颜色的水.随温度变化,瓶中空气膨胀或收缩.§1.热学现象的初期研究1659年法国天文学家伊斯梅尔•博里奥(IsmaelBuolliau)制造了第一支用水银作为测温物质的温度计.1650年,意大利费迪男二世(G.D.FerdinandⅡ)用蜡封住管口,在瓶内装上红色的酒精,并在玻璃瓶细长颈上刻上刻度,制成现代形式的第一支温度计.1631年,法国化学家詹•雷伊(JeanRey,1582-1630)把伽利略的细长颈瓶倒了过来,直接用水的体积的变化来表示冷热程度,但管口未密封,水不断蒸发,误差也较大.
伽利落验温计
（二）测温物质的选择和标准点的确定§1.热学现象的初期研究1703年,牛顿把雪的熔点定为自己制作的亚麻子油温度计的零度,把人体温度作为12度等等.1665年,惠更斯建议把水的凝固温度和沸腾温度作为两个固定点；佛罗伦萨的院士们选择了雪或冰的温度为一个定点,牛或鹿的体温为另一个定点；德国的格里凯（Guericke)曾提出以马德堡地区的初冬和盛夏的温度为定点温度；
§1.热学现象的初期研究摄尔修斯(AndersCelsius,1701-1744,瑞典天文学家),用水银作为测温物质,以水的沸点为00C冰的熔点为1000C,中间100个等分.8年后接受了同事施特默尔（M.Stromer）的建议,把两个定点值对调过来.称为摄氏温标.至1779年全世界共有温标19种.列奥米尔(Reaumur,1683-1757,法国)以酒精和1/5的水的混合物作为测温物质,1730年制作的酒精温度计,取水的冰点为00R,使酒精体积增加1/1000的温度变化作为10R,这样水的沸点即为800R,称为列氏温标.华伦海特(GabrielDanileFahrenheit,1686-1736,德国玻璃工人,迁居荷兰)制造了第一支实用温度计：他把冰、水、氨水和盐的混合物平衡温度定为00F,冰的熔点定为320F,人体的温度为960F,1724年,他又把水的沸点定为2120F.后来称其为华氏温标.
高温测量：荷兰的马森布罗克(Musschenbrock)在1747年利用金属杆的热胀冷缩性质制造了金属温度计；本世纪八十年代,韦奇武德(J.Wedgwood)用耐火土块的线度变化制成了量度炉温的高温计.测温物质的寻找,促进了对物体热膨胀的研究.计温学的发展和完善,也进一步促进了实验热学研究的进展.各种温度计
据此,1854年,开尔文(威廉.汤姆逊)提出开氏温标,T=272.3+t.又称热力学温标,它与测温物质的性质无关,即任何测温物质按这种温标定出的温度数值都是一样的.1954年国际计量大会决定将水的三相点的热力学温度定为273.16K.开尔文像§1.热学现象的初期研究热力学温标：19世纪50年代,开尔文注意到：既然卡诺热机与工作物质无关,那么我们就可以确定一种温标,使它不依赖于任何物质,这种温标比根据气体定律建立的温标更具有优越性.
四热本质的认识1.认为热是运动的表现佛兰西斯•培根从摩擦生热得出热是一种膨胀的、被约束的在其斗争中作用于物体的微小粒子的运动.波义耳认为钉子敲打之后变热,是运动受阻而变热的证明.笛卡尔认为热是物质粒子的一种旋转运动；胡克用显微镜观察火花,认为热是物体各个部分非常活跃和极其猛烈的运动；罗蒙诺索夫提出热的根源在于运动等.§1.热学现象的初期研究2.热质说,即认为热是一种看不见无重量的物质.热质的多少和在物体之间的流动就会改变物体热的程度.代表人物：伊壁鸠鲁、卡诺等.热质说对热现象的解释：物质温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；摩擦生热是潜热被挤出来的,特别是瓦特在热质说的指导下改进蒸汽机的成功,都使人们相信热质说是正确的.
3.“热质说”的否定伦福德像§1.热学现象的初期研究伦福德和戴维的实验给热质说以致命打击,为热的唯动说提出了重要的实验证据.1799年,戴维（HumphreyDavy,1778-1829,英国化学家）作了在真空容器中两块冰摩擦而融化的实验.按热质说观点,热量来自摩擦挤出的潜热而使系统的比热变小,但实际上水的比热比冰的还要大.1798年伦福德(CountRumford,英国)由钻头加工炮筒时产生热的现象,得出热是物质的一种运动形式,
一.定律诞生的背景（略）二.确立能量守恒与转化定律的三位科学家：德国的迈尔和亥姆霍兹,英国的焦耳§2.热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立
1.德国的迈尔罗伯特•迈尔（RobertMayer,1814-1878)迈尔,1814出生于德国海尔布隆一个药剂师家庭,1832年进入蒂宾根大学医学系学习,1837年因参加一个秘密学生团体而被捕并被学校开除,1838年完成医学博士学位论文答辩,获医师执照而开始行医.1840年-1841年担任开往东印度的荷兰轮船的随船医生.热力学第一定律的建立迈尔像二.确立能量转化与守恒定律的三位科学家
在一次驶往印度尼西亚的航行中,给生病的船员做手术时,发现血的颜色比温带地区的新鲜红亮.经过思考,他认为,在热带高温情况下,机体消耗食物和氧的量减少,所以静脉血中流下了较多的氧.1841年航行结束后,撰写了《论力的质和量的测定》,并1841年7月寄给当时的德国物理学杂志主编波根道夫(J.C.Poggendorff),但被认为迈尔的文章引入了思辩性内容且缺少精确的实验根据而未发表.热力学第一定律的建立1842年撰文《论无机界的力》,被一向注意各种力之间关系的李比希发表于他主编的《化学和药学年刊》上.在这篇文章中,迈尔从“无中生有,有中生无”和“原因等于结果”等哲学观点出发,表达了物理、化学过程中的力（能量）的守恒思想.考察了用“下落力”转化为运动来论证力的转化和守恒.
1845年写了《与有机运动相联系的新陈代谢》.但这篇文章也被拒绝发表,迈尔只好以小册子的形式自费发行.文中写道：“力的转化与守恒定律是支配宇宙的普遍规律.”并具体考察了5种不同形式的力：第一种,运动的力第二种力：下落力第三种力：热.“热力是能够转化为运动的力”.蒸汽机车就是例证.并具体计算了热功当量：气体在定压膨胀时,温度每改变1℃,体积体积约增大1/274,所以在这个过程中气体对外做的功相当于反抗1.033千克的力移动1/274厘米时的功.即ΔA=1.033×1/27400kgm=3.78×10-5kgm.第四种力：磁和电；第五种力：化学力.
1948年出版了《天体动力学》.就在这一年,由于许多人的工作,能量守恒原理已得到普遍承认,但却发生了“能量守恒定律”发现优先权的争论.焦耳等英国学者否定其工作,认为他只是预见了在热和功之间存在一定的数值关系,但没有完成热功当量的计算.迈尔则发表文章进行反驳,并指出自己在1842年就已经公布了热和活力的等价性及其数值关系.但英国杂志上只出现批评迈尔的文章,而不刊登迈尔的答辩文章.一部分德国物理学家讥笑他不懂物理,而在此期间他的两个孩子夭折,1848年德国革命时由于他观点保守而被起义者逮捕,致使其于1849年5月跳楼自杀未遂,造成终身残疾,1851年患脑炎被人当作疯子送进疯人院.直到1862年才恢复科学活动.热力学第一定律的建立迈尔是将热学观点用于有机世界研究的第一人.恩格斯对迈尔的工作给予很高的评价.
2.海尔曼•亥姆霍兹(HermannHelmholtz,1821-1894)1821年8月31日生于德国波茨坦,1838年考入柏林雷德里克•威廉皇家医学院,以优异成绩于1842年毕业,担任了军医,并开始进行物理学研究.1847年,在不了解迈尔等人工作的情况下,提出了能量守恒和转化定律.1855年最早测量了神经脉动速率,把物理方法应用于神经系统的研究,由此被称为生物物理学的鼻祖.先后担任波恩大学、柯尼斯堡大学、海德尔贝格大学等校的生理学教授,1871年起,在柏林大学任物理学教授,1888年任夏洛腾堡物理技术研究所所长.著有《生物光学手册》、《音乐理论的生理基础》、《论力的守恒》等书.培养了一大批优秀人才.赫兹、普朗克等人都是他的学生.热力学第一定律的建立
1847年,发表著名论文《力的守恒》,阐述了有心力作用下机械能守恒原理：“当自由质点在吸力和斥力作用下而运动的一切场合,所具有的活力和张力总是守恒的.”这里活力是动能,张力是势能.但同样由于论文中含有思辩性内容而未能发表,因此亥姆霍兹也以小册子的形式在柏林单独出版了这篇论文.但亥姆霍兹并没有参与优先权的问题,后来他了解了迈尔的论文后说“我们必须承认,迈尔不依赖于别人而独立发现了这个思想.”热力学第一定律的建立亥姆霍兹像
3.焦耳(JamesPrescottJoule,1818-1889)的实验研究焦耳(1818-1889)是英国著名的实验物理学家,家境富裕.16岁在名家道尔顿处学习,使他对科学浓厚兴趣.当时电机刚出现,焦耳注意到电机和电路中的发热现象,通过实验,焦耳于1840年发现:“产生的热量与导体电阻和电流平方成正比”并发表于《论伏打电所产生的热》论文中,这就是著名的焦耳——楞次定律.1843年进行了感应电流产生的热效应和电解时热效应的实验,,写了两篇关键性论文《论磁电的热效应和热的机械值》和《论水电解时产生的热》,明确指出：“自然界的能是不能消灭的,哪里消耗了机械能,总能得到相应的热,热只是能的一种形式.”焦耳使一个线圈在电磁体的两极之间转动产生感应电流,线圈放在量热器内,证实了热可以由磁电机产生.从这个实验焦耳立即领悟到热和机械功可以互相转化,在转化过程中遵从一定的当量关系.热力学第一定律的建立
为了测定机械功和热之间的转换关系,焦耳设计了“热功当量实验仪”,焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条线,跨过两个定滑轮后挂上几磅重的砝码,由砝码的重量和下落的距离计算出所做的功.测得热功当量为428.9千克力米/千卡.1844年又做了把水压入毛细管的实验和压缩空气实验,测出了热功当量分别为424.9千克力米/千卡和443.8千克力米/千卡.1849年发表《论热功当量》.热力学第一定律的建立焦耳测定热功当量的工作一直进行到1878年,先后采用不同的方法做了400多次实验.以精确的数据为能量守恒原理提供了无可置疑的实验证明.1850年焦耳当选为英国皇家学会会员.1878年发表《热功当量的新测定》,最后得到的数值为423.85千克·米/千卡.
焦尔测量热功当量的一种实验装置--------浆叶实验焦耳像
由于当时热质说占主导地位,焦耳的研究和当时法国工程师们所建立的热机理论相矛盾,因此焦耳的研究也并不顺利.1843年焦耳证实了热是一种能量交换的形式,遭到了一些大物理学家的怀疑和不信任,1844年,他要求在皇家学会宣读自己的论文,遭到拒绝.1847年在牛津举行的英国科学促进会上,会议主席以会议内容太多为由,要求他只将其实验做简单介绍.结果当时著名的物理学家W.汤姆逊对焦耳的实验和观点提出质疑,从而引起人们对焦耳工作的注意.此后,焦耳继续努力,1850年当选为英国皇家学会会员,这也标志着英国科学界观点的明显转变.恩格斯将这一原理称之为“能量转化和守恒定律”.并将它和进化论、细胞学说并列为19世纪的三大发现.
永动机的研究永动机的研究是导致能量守恒原理建立的另一个重要线索.早期最著名的一个永动机设计方案,是十三世纪的法国人亨内考(VillarddeHonnecourt)设计的.如下图(左)所示.后来列奥多也设计了一台类似的装置,如下图(右).
永动机
热力学第二定律的建立§3热力学第二定律的建立热力学第一定律确定了一个封闭系统的能量是一定的,确定了各种形式能量之间转化的当量关系.但它对能量转化过程所进行的方向和限度并未给出规定和判断.比如热不会自动地由低温传向高温,过程具有方向性.这就导致了热力学第二定律的出台.德国的克劳修斯、英国的威廉•汤姆逊（即开尔文）和奥地利的玻尔兹曼等科学家为此做了重要贡献.1917年,德国能斯特进一步提出“绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律.
一卡诺热机理论热力学第二定律的建立理想热机的效率仅取决于加热器和冷凝器的温度,与工作物质无关,其工作过程由两个等温过程（当工作物质与两个热源接触时）和两个绝热过程（当工作物质和两个热源脱离时）组成一个循环.且它的一切过程可以逆方向进行,称为可逆卡诺热机.并且由此得出：任何实际热机的效率都不可能大于在同样两热源之间工作的卡诺热机的效率.
二热力学第二定律的物理表述1.热力学第二定律的提出：1851年,开尔文在总结这些及其它一些实验经验的基础上提出了热力学第二定律的开尔文表述：不可能从单一热源吸取热量,使之完全变为有用的功而不产生其他影响.热力学第二定律的第二种开尔文表述为：第二种永动机是不可能造成的.1850年克劳修斯提出了热力学第二定律的克劳修斯表述：热量不可能自动的从低温物体传到高温物体而不发生其他任何变化.三熵（略）
四宇宙热寂说1865年,可劳修斯在《热力学第二定律》中写到：“宇宙的熵力图达到某一最大值”,在1867年的演讲中,又进一步指出：“宇宙越接近这一最大值的极限状态,就失去继续变化的动力,如果最后完全达到这个状态,那就任何进一步的变化都不会发生了,这时宇宙就会进入一个死寂的永恒的状态.”1852年,开尔文在《论自然界中机械能散失的一般趋势》中说：“自然界中占统治地位的趋向是能量转变为热而使温度拉平,最终导致所有物体的工作能力减小到零,达到热死状态.”
一.气体的液化二.临界温度的发现三制冷技术四低温下物质特性的研究§4低温物理学（略）
一.早期的分子运动论（一）原子论的复兴（二）伯努利的气体运动论（三）分子运动论的复兴二.克劳修斯的理想气体分子模型§5.分子运动论的发展（略）分子运动论的发展
§6统计物理学的建立（略）一.麦克斯韦的工作二.玻耳兹曼的工作三.吉布斯的系综理论和统计力学的建立四.量子统计的建立
除了气、液、固三态外,从物质内部结构来考虑还有：液晶态（也叫介晶态）：处于液态和固态之间；等离子态：如气体被加热和辐射等,而电离成为带正电的离子和带负电的电子的集合体,但正负电荷数相等.超导态：某些金属或化合物,当温度降到一定程度时,其直流电阻趋于零,这种状态称为超导态.超流态：在极低温度下,有的液体的粘滞性消失.中子态：在离地球很远的太空中,有一种后期的恒星,热核反应已经停止,突然爆发后急剧收缩,把原子外层的电子“挤到”原子核内,使原子核内的质子变成中子,从而形成密度极高的物质,这种物质形态称为中子态.§7物态
第五章经典电磁学的建立与发展§1.对电磁现象的早期认识§2.富兰克林对雷电现象的研究§3.从定性到定量—库仑定律的发现§4.由静电到动电—电流的发现§5.电流的磁效应与安培定律§6.电磁感应现象的发现与研究§7.麦克斯韦电磁场理论的建立§8.电磁波的发现与应用（略）
§1.对电磁现象的早期认识1.中国：略2.英国人吉尔伯特(W.Gilbert,1544-1603)：英国物理学家、医生吉尔伯特做了多年的实验,发现了“电力”,“电吸引”等许多现象,并最先使用了“电力” “电吸引”等专用术语,因此许多人称他是电学研究之父.他的主要著作为1600年出版的《论磁性、磁体和巨大地磁体》,书中记载了“小地球”实验（把一块大天然磁石磨成球形,把小磁针放在球的表面）.物理学史上第一部系统阐述磁学的科学专著.伽利落称其为“经验主义的奠基人”.3.莱顿瓶的发现1745年,荷兰莱顿大学教授马森布洛克（Musschenbrock)发明了收集电荷的莱顿瓶.
1.电荷守恒定律的发现：他发现两个带有不同性质电荷的带电体,相互接触后可以呈现中性.把电荷分为“正电”和“负电”,并进一步得出结论①正电和负电在本质上不应有什么差别；②摩擦起电过程中,总是形成等量异种电荷；③摩擦起电过程中,一方失去的电荷与另一方得到的电荷在数量上相等.从而得到了电荷守恒定律.2.费城实验----天电和地电的统一3.发明避雷针4.独立宣言和美国宪法的起草人之一,为美国的独立和解放作出了贡献的政治活动家.§2.富兰克林对雷电现象的研究
一.类比法二.库仑的引力实验三.卡文迪许的工作（略）§3.库仑定律的发现——从定性到定量
从定性到定量-----库仑定律的发现1.电力作用的猜测1759年,德国柏林科学院院士爱皮努斯（F.U.T.Aepinus)发现：①电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减小而增大；②当一个导体靠近一带电体时,该导体的远端会获得与带电体相同的电荷,近端则获得相反的电荷（静电感应）.1760年,D.伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样,服从平方反比定律.他的想法在当时具有一定的代表性.一.类比法2.富兰克林的空罐实验用丝线将一小块软木悬挂在带电金属罐外的附近,软木受到吸引.但把它悬挂在罐内时,不论在罐内何处,它都不受电力.富兰克林写信将这一现象告之他的英国朋友普利斯特利（J.Priestleuy,化学家,氧气的发现者）,普利斯特利想到:1687年牛顿曾证明:万有引力若服从平方反比定律,则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用.普利斯特利重复了上述实验,并将空罐实验与牛顿推理类比.
3.罗比逊实验—同种电荷斥力的测量1769年,英国爱丁堡大学的约翰.罗宾森（JohnRobiso,苏格兰人）设计了一个杠杆装置,如图.通过实验直接推测了平方反比关系：同种电荷间的斥力反比于距离的2.06次幂,异种电荷间的吸引力反比于小于距离的2次幂.由此他推测：在实验误差范围内,正确的关系应为反比于距离的2次幂.
二.库仑的引力实验（扭秤实验为同种电荷的斥力测量,略）-----库仑电摆实验①和牛顿单摆类比：由于地球对物体的作用力反比于两者之间距离的平方,所以存在地面上的单摆的摆动周期正比于摆锤离地心的距离.若电荷间的引力也遵循距离平方的反比关系,则由带电体间引力产生的物体的摆动,其摆动周期T必定也正比于两带电体之间的距离r.从而设计电摆实验.②库仑单摆实验：1785年在法国科学院发表论文,提出著名的库仑定律.意义：库仑定律的建立使电磁学进入了定量研究,数学的引入使电磁学真正成为一门科学.
由静电到动电----电流的发现三.欧姆定律欧姆（G.S.Ohm,1787-1854）：德国人,长期担任中学教师和家庭教师.后被慕尼黑大学任命为教授.类比：从傅立叶发现的热传导规律受到启发：导热杆中两点之间的热流正比于这两点之间的温度差.因而欧姆认为,电流现象与此很相似,猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力,欧姆称之为“电张力(electrictension)”,即现在所称的电势差.§4.电流的发现——由静电到动电一.伽伐尼的研究（略）二.伏打的“金属接触说”（略）
由静电到动电----电流的发现存在的问题：1.伏打电堆产生的电流不稳定2.没有电流强度的测量装置.问题的解决：1.采用温差电偶2.电流扭秤：将电流磁效应和库仑扭秤法结合起来,设计了电流扭力天平：温差电源由弯成aba’b’形的铋条和两根铜条组成,ab端插入冰水中,a’b’插入沸水中,电流扭秤的扭丝和磁针置于玻璃罩中,磁针偏转的角度用一放大镜观察.
自吉尔伯特开始以来的二百多年,电和磁一直是毫无关系的两门学科,围绕电与磁寻找自然现象之间的联系,成为一种潮流.1820年,丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应,从而建立了电与磁的联系.电磁学的新时期§5.电流的磁效应与安培定律一.发现电流磁效应-丹麦奥斯特（略）二.安培和安培定律
二.安培和安培定律1.安培简介2.安培的四个实验和一个假设3分子电流假说4.安培环路定理的提出5.安培的科学研究方法
1.安培(A.M.Ampè,1775～1836年)：法国物理学家,对数学和化学也有贡献.生于里昂一个富商家庭.安培在法国长大时,正是法国社会变革时期,他几乎没受过正规教育,他的父亲信奉J．J．卢梭(植物学家)的教育思想,供给他大量图书,令其走自学道路,于是他博览群书,吸取营养；电磁学的新时期
奥斯特发现电流磁效应的消息传到世界各地,在瑞士参加日内瓦科学会议的法国物理学家阿拉果得知此消息后,随即回国.于同年9月11日向法国科学院报告并重复了奥斯特的实验.这一效应引起了法国科学家安陪的极大兴趣.经过一周的夜以继日的工作后,于9月18日发现了电流间也存在着相互作用力；接着提出了一个完整的定量理论；并于1820年9月与10月间,接连写了三篇论文；在1820年12月4日,又提出了著名的安培定律；1827年发表了名著的《从实验导出的关于电动力学现象的数学理论》.为电动力学的产生奠定了基础.人们为纪念他,将电流强度的单位定义为“安培”.---------时间就是生命背景：
2.安培定律的建立----四个示零实验和一个假设首先安培设计了一个无定向秤：右图为由硬导线作成的无定向秤,由同一根导线作成两个大小相等、电流方向相反的平面回路1和2,两回路固定连在一起,整个犹如一个刚体.线圈的两端A、B通过水银槽和固定支架相连.将通电的无定向秤置于均匀磁场中时,由于不受力和力矩的作用,无定向秤处于平衡状态.但当将其放入非均匀磁场中时将会产生作用而发生旋转.
下方为对折导线（1）实验一：对折导线电流的作用（2）实验二：螺旋状电流的作用（3）实验三：电流作用力的方横向性.（4）实验四：圆形导线电流作用力与距离的关系.
一个假设两个电流元之间的相互作用力沿它们的连线方向.可以看出,电流元之间的相互作用的数学形式类似于电荷之间相互作用的库仑定律.上式表示电流元dL1施加给电流元dL2的作用力df12,dL1和dL2之间的距离为r12.安培定律的建立：在上述四个实验和这个假设的基础上,安培推出了电流元之间相互作用力的公式：
4.安培环路定理的提出1827年,安培发表了《电动力学理论》,在书中,安培总结了已知的电磁现象,得出了磁场的安培环路定理等；还阐述了他处理电磁现象的方法是沿着牛顿所走的道路,遵循法国物理学家拉普拉斯的途径,将一切物理现象归结为粒子间吸引或排斥现象,并将它们付诸数学形式加以表征.安培把牛顿力学引入电学,从而创立了电动力学.3.分子电流假说安培接受了法国数学家菲涅尔的意见,从微观去考虑分子电流来认识物质磁性的起因.经过反复分析和思考,于1821年,提出了著名的“分子电流假说”,成功的解释了物质宏观磁性形成的内在原因.安培假设：磁性物质内存在无数微小的“分子电流”,它们用不衰竭地沿着闭合的路径流动,从而形成一个个小磁体.
一.法拉第（1791-1867）二法拉第电磁旋转实验三.法拉第发现电磁感应四.亨利及自感现象的发现（略）五.楞次定律的发现（略）六.法拉第的力线思想§6.电磁感应现象的发现与研究
变磁生电的发现者——法拉第英国物理学家.他的父亲一个铁匠.十三岁时,他到一家装订和出售书籍的铺子里当学徒.为他读书创造了条件.他的老板也鼓励他读书,后来有一位顾客送给他一些伦敦皇家学院讲演的听讲证.1812年冬季,他来到了伦敦皇家学院,要求和著名的院长戴维见面谈话.作为自荐书,他带来了听戴维讲演时记下的笔记.笔记装订得整齐美观,给戴维留下了很好的印象.戴维正好缺少一位助手,不久他就雇用了他.1821年受任为皇家研究所试验室主任.法拉第所研究的课题广泛多样,按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；电磁转动（1821）；气体液化（1823,1845）；光学玻璃（1825－1831）；苯的发明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）；电化学分解（1832年起）；静电学,电介质（1835年起）；气体放电（1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射线振动思想”（1846年起）；重力和电（1849年起）；时间和磁性（1857年起）.法拉第一生热衷科学事业,不好功名利禄.英国女王曾多次想对他封爵,都被他谢绝；1858年英国史学家廷德尔提议让他担任皇家学会会长,他也坚决推辞.一.法拉第（1791-1867）
二法拉第电磁旋转实验：当接通电源时,发现左侧的容器里,磁铁棒绕着固定导线缓慢的作圆周运动；而右侧则是另一种情景：导线绕固定磁棒在转动.实际上,这就是最早的旋转电动机的雏型.
实验一实验二实验三实验四实验五：感应发电机的产生三法拉第发现电磁感应法拉第电磁感应实验
四亨利及自感现象的发现（略）五楞次定律的发现（略）六法拉第的“力线和“场”的思想及其他意义：牛顿力学,安培定律及库仑定律都是超距中心作用；而力线和场的概念,则是一种近距媒递作用,是对传统力学观念的一个重大突破.
背景：19世纪中期,描述电场、磁场的性质以及电、磁场相互关系的库仑定律、高斯定律、安培定律、法拉第电磁感应定律已相继建立,法拉第关于力线和场的概念已经提出.1847-1853年间,W.汤姆逊提出了铁磁质内磁场强度H和磁感应强度B的定义,并导出了H=μB,同时还导出了磁场的能量密度为μH2/8π、载流导线的磁能LI2/2,并且于1851年提出了《磁的数学理论》.为后来麦克斯韦的研究做出了典范.总之到了十九世纪五六十年代,创立电磁场理论的条件已趋成熟.§7.麦克斯韦电磁场理论的建立一.麦克斯韦（1831-1879）简介二.建立电磁场理论的工作三.意义
麦克斯韦电磁场理论的建立麦克斯韦一.麦克斯韦（1831-1879）简介麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学之大成的伟大科学家.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,完成了物理学的又一次大综合.这一理论自然科学的成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础,导致第二次工业革命.麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡,他的父亲是一位律师,但对研究科学问题有强烈爱好,这对麦克斯韦的一生有深刻影响.
1879年11月3日,4麦克斯韦逝世,时年49岁,在他的一生中共写了100多篇有价值的论文.麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学,14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文《论卵形曲线的机械画法》,反映了他在几何和代数方面的丰富知识.16岁进入爱丁堡大学学习物理,三年后,他转学到剑桥大学三一学院.在剑桥学习时,打下了扎实的数学基础,为他以后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件.他精心研究了法拉第的《电学的实验研究》,以法拉第的力线概念为指导,透过这些似乎杂乱无章的实验记录,运用场论的观点,以演绎法建立了系统的电磁场理论.于1873年出版的《电学和磁学论》一书.这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作.
1.类比：2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”3.麦克斯韦电磁方程组：4.电磁波的预言5.光波就是电磁波的提出二.麦克斯韦电磁场理论
1.类比：1855年发表《论法拉第力线》,从几何观点,为法拉第力线作出了数学描绘.麦克斯韦用类比的方法,把力线看作不可压缩的流体的流线.如把正、负电荷比作流体的源和汇,电力线比作流管,电场强度比作流速等,引入了诺埃曼的矢势函数A,用于表示导体中引起的电动势.并指出,“电紧张态”是场的一种运动性质,是一个物理真实.在论文末尾,麦克斯韦总结了六条定律,为以后建立电磁场理论奠定了基础.从而将法拉第的观念和直观的力线抽象为数学.
2.麦克斯韦的“以太涡旋”模型和“位移电流”1862年,麦可斯韦发表了第二篇电磁学论文《论物理力线》.提出了“电磁以太模型”,把电学量和磁学量之间的关系,形象的表现出来.电磁以太模型：如右图,充满空间的媒质分子在磁作用下具有旋转的性质,它们以磁力线为轴形成涡旋管,涡旋管转动的角速度正比于磁场强度H,涡旋媒质的密度正比于媒质磁导率μ.
由于相互紧密连接的涡旋管的表面是沿相反方向运动的,为了互不妨碍对方的运动,麦可斯韦设想在相临涡旋管之间充满着一层起滚珠轴承作用的微小粒子.它们是些远比涡旋的线度小、质量可以忽略的带电粒子.粒子和涡旋的作用是切向的.粒子可以滚动,但没有滑动.
对于静电场中的情况：麦克斯韦把涡旋模型又进一步推广到静电场.无外磁场时,由于H=0,涡旋管静止.但当处于电场中时,粒子层将受到电力E的作用而发生位移D,并给涡旋管以切向力使之发生形变.当两力平衡时,粒子和涡旋管保持相对静止状态.这时电场能在媒质中转变为弹性势能.这时并无磁感应产生.对于变化电场的情况：当电场发生变化的时候,介质中粒子的总位移D也跟着发生变化,从而形成正负方向上的电流.麦克斯韦称之为“位移电流”,并表示为i∝∂E/∂t.
3.麦克斯韦电磁方程组：1873年,麦克斯韦出版《电磁学通论》,创造性的建立了电磁场理论的完整体系.把以前的电磁场理论都综合在一组方程式中,得到了电磁场的数学方程-----麦克斯韦电磁方程组.以简洁的数学结构,揭示了电场和磁场内在的完美对称.最初,在《电磁学通论》书中,麦克斯韦共列出了20个分量方程,如果采用矢量方程,则仅有8个.后来简化成四个.1890年前后,德国物理学家赫兹和英国物理学家亥维赛,又两次简化麦克斯韦方程组,才得到我们现在通用的微分形式.
1电场中的高斯定理2法拉第电磁感应定律3磁场中的高斯定理4安培环路定律麦克斯韦方程组：
4.电磁波的预言麦克斯韦方程组的一个重要结果,就是预言了电磁波的存在.麦克斯韦通过计算,从方程组中导出了自由空间中电场强度E和磁感应强度B的波动方程为：式中V是波在介质中的传播速度.式中ε是介电常数,μ为磁导率.它表示：电或磁的扰动,将在以太媒质里以速度V传播着.并且推出了电磁波的传播速度为：
5.光波就是电磁波的提出：1856年韦伯测定上述速度值为：V=31.074万公里/秒,麦克斯韦发现这个值与1849年斐索测得的光速31.50万公里/秒十分接近.他认为这不是巧合,而是由于光的本质与电磁波相同,从而提出了光的电磁理论.它表明“光本身乃是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁振动”.从而将光、电、磁理论统一起来.完成了物理学发展史上的第二次理论大综合.
麦克斯韦电磁场理论的建立四.意义1.经典电磁理论的确立,完成了物理学理论的第二次大综合,2.掀起了第二次工业革命,进一步说明了科学技术是第一生产力.
第六章经典光学§1.光学的历史概述§2.光的波动说和微粒说的论争§3.光速的测定§4.光谱的研究（略）
一.早期光学（略）二.折射定律的建立三.光学仪器的研制四.牛顿对光的色散的研究§1.光学的历史概述
1开普勒的工作：1611年写了《折光学》,记载了两个实验.第一个实验是比较入射角和折射角：如图,日光LMN斜射到器壁DBC上,BC边沿的影子投射到底座于HK；另一部分从DB射进一玻璃立方体ADBEF内,阴影的边沿形成于IG.根据屏高BE和两阴影的长度EH和EG,就可算出立方体的入射角和出射角之比.二折射定律的建立
第二个实验是：用一个圆柱性玻璃,令光线沿S1和S2入射,通过圆柱中心的光线S1方向不变,和圆柱边沿相切的光线S2偏折最大,并发现最大偏折角约为420.
全反射的发现：令AB为玻璃与空气的分界面,如图.光线从空气进入玻璃发生折射,由于最大偏折角为420,所以进入玻璃的光线将构成一个夹角为420×2=840的锥形MON.若有一束光∑从玻璃射向空气,当入射角大于420时,则到达O点后,将既不能进入空气,也不能进入MON锥形区域,必定反射为∑’.
2斯涅耳(W.Snell,1591-1626)的工作：荷兰人,1621年从实验得到准确的折射定律.方法和开普勒基本相同,但斯涅耳发现,比值OS/OS’恒为常数,并由此导出图中所示式子.
3笛卡儿的工作：现代形式的折射定律是笛卡儿在1637年出版的《方法论》中提出的.他将空气和其他介质（如玻璃或水）的界面看作是一层很脆薄的布,设想有一小球斜方向投向界面,当球穿过薄布时,在垂直于界面的方向损失了部分速度,但平行于界面的方向上的速度不变.据此他得出：visini=vrsinr,所以有：sini/sinr=vr/vi=常数但由于他假设介质交界面两侧的光速的平行分量相等是错误的,为使理论与实验数据相符,必须假设光密媒质内的光速比光疏媒质大.这显然都是不正确的.
4费马的工作：1661年费马用最短时间原理推出了折射定律：同时证明了光从光疏媒质进入光密媒质时向法线方向偏折.
1.1299年由意大利人阿玛蒂发明并制造了眼镜.2.1608年,荷兰人李普塞（HansLippershey)制成第一台望远镜:他用一个凸透镜作为物镜,用一个凹透镜作为目镜组合而成.现在仍把这种组合称为荷兰望远镜.3.伽利略知道后很快改进成放大32倍,随后又制成放大1000倍的望远镜,并用它对天体进行了观察,于1610年写出了《星际使者》的小册子,有力支持了哥白尼的日心说.4.1611年开普勒出版了《屈光学》,解释了荷兰望远镜和显微镜所涉及到的光学原理.并设计了一种用两个凸透镜构成的天文望远镜,即开普勒望远镜.这种望远镜很快就取代了荷兰望远镜(因为它视野宽).第一台开普勒望远镜由天文学家沙伊纳于1613～1617年制造.光学的历史概述三.光学仪器的研制
5.几乎与望远镜同时,荷兰人发明制造了显微镜,由眼镜制造师詹森(Janssen)发明：由一双凸透镜作物镜和一个双凹透镜作目镜组合而成.后来,意大利那不勒斯的冯特纳(Fontana)第一个用凸透镜代替了凹透镜目镜.6.1665年,胡克出版《显微图象》,并制造了一个带聚光镜的显微镜：用两个平凸透镜分别作物镜和目镜,用一球形聚光器来照亮待观察的物体.
7.1668年,牛顿设计并制造了第一架小型反射式望远镜,全长15厘米,口径2.5厘米,但其放大倍数和当时使用的2米长的望远镜相同.1671年又制造了第二架较大的反射式望远镜,全长1.2米,口径2米,献给了英国皇家学会,现仍保存在英国皇家学会图书馆.
四牛顿的色散研究1.色散的早期研究：（略）2.问题：17世纪正当望远镜、显微镜问世,伽利略用望远镜观察天体,胡克用显微镜观察微小物体.然而,当放大倍数增大时,这些仪器出现了像差和色差,人们深感迷惑,为什么图象的边缘总会出现彩色？这和彩虹有没有共同之处？怎样才能消除？
①如图在一张黑纸上画一条线abc,半边ab为红色,半边bc为兰色,经过棱镜观看,只见这根线好象折断了似的,分界处正是红兰之交,兰色部分比红色部分更靠近棱镜.可见兰色光比红色光折射更厉害.疑问：色散是不是由于光和棱镜作用的结果？牛顿又作了以下实验：3.牛顿的色散实验
②他拿三个棱镜作实验,三个棱镜完全相同,只是放置方式不同,如下图.如果色散是由于光线和棱镜的作用引起的,经过第二和第三棱镜后,这种色散现象应进一步加强.显然实验结果不支持这一观点.
③他用两块木版各开一小孔F和G,并分别放于三棱镜两侧,光从S处平行射入F后,经棱镜折射穿过小孔G,到达另一块木版de上,投过小孔g的光再经棱镜abc的折射后,抵达墙壁MN.使第一个棱镜ABC缓缓绕其轴旋转,这样第二块木版上不同颜色的光相继穿过小孔g到达三棱镜abc.实验结果是：被第一个三棱镜折射最厉害的紫光,经过第二个三棱镜时也偏折的最多.结论：白光是由折射性能不同的各种颜色的光组成.
④有人提出光谱变长是因为衍射效应,为此牛顿又作如下实验：取一长而扁的三棱镜,使它产生的光谱相当狭窄.当屏放在位置1时,屏上显示仍为白光；当将屏倾斜到位置2时,就可看到分解的光谱.这一实验说明：光谱只涉及屏的角度,结果与棱镜无关.因而也就否定了衍射效应的说法.
1.光线随其折射率不同,颜色也不同.色是光线固有的属性.2.同一颜色的光折射率相同,不同色的光折射率不同.3.色的种类和折射的程度是光线所固有的,不会因折射、反射或其它任何原因而改变.4.必须区分两种颜色,一种是原始的、单纯的色,另一种是由原始的颜色复合而成的色.5.本身是白色的光线是没有的,白色是由所有色的光线岸适当比例混合而成.6.自然物质的色是由于对某种光的反射大与其它光的反射的缘故.7.把光看成实体有充分依据.8.由此可解释棱镜色散和虹.在色散实验的基础上,牛顿总结出以下几条规律：
一.光的微粒说二.光的早期波动说三.光应具有波粒二相性§2.光的波动说和微粒说的论争
一光的微粒说：近代微粒说最早由笛卡儿首先提出,后来牛顿发展了微粒说,并和波动说展开了长期的争斗.微粒说认为：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子流,发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流,一旦这些光粒子进入人的眼睛,冲击视网膜,就引起了视觉.牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象.由于微粒说通俗易懂,又能解释常见的一些光学现象,所以很快获得了人们的承认和支持.微粒说还认为,光在水中的传播速度比在空气中的快.缺陷：无法解释为什么几束在空间交叉的光线能彼此互不干扰地独立前时,为什么光线并不是永远走直线,而是可以绕过障碍物的边缘拐弯传播等现象.
二早期的波动说1.胡克：胡克主张光是一种振动,是类似水波的某种快速脉冲.2.惠更斯：荷兰物理学家惠更斯发展了胡克的思想（纵波）.3.托马斯·杨--杨氏双缝干涉实验4.菲涅耳：双光束干涉实验及泊松亮斑
菲涅耳双棱镜实验菲涅耳双面镜实验获得两相干光源的实验
泊松亮斑：为了推进微粒说的发展,1818年法国科学院提出了有奖征文,菲涅耳在阿拉果的鼓励和支持下,提交了应征论文：他以严密的数学推理,从横波的观点出发,圆满的解释了光的偏振,并用半波带法定量的解释了圆孔、圆板等形状的障碍物所产生的衍射花纹,推出的结果与实验符合的很好.在评审菲涅耳的论文时,法国数学物理学家泊松应用菲涅耳对光绕过障碍物衍射的数学方程证明：如果在光束传播路径上放置一块不透明的圆板,则在放在其后的屏上,应观察到圆板黑影的中央出现一个亮斑（后称为泊松亮斑）,泊松认为这是不可能的,从而否定了菲涅耳的应征论文.于是菲涅耳做了一个实验,果然在阴影的中央出现了一个亮斑.托马斯杨的双缝干涉实验和波松亮斑证实了光的波动性.
1817年1月和1818年4月托马斯·杨先后两次写信给阿拉果,讨论有关偏振问题,并把光比作绳索和弦的振动,建议他们把光看成一种横波.阿拉果把信给菲涅耳,菲涅耳立即看出：这一比喻为互相垂直的两束偏振光不能相干提出了解释.并于1819年发表了《关于偏振光线的相互作用》,于1821年发表了光的横波性理论.托马斯·杨和菲涅耳的发现,标志着光学进入了新的发展时期---波动光学时期.1850年傅科测定了光在水中和空气中的速度,给光的粒子说以最后的打击,从此光的波动说占据了统治地位.19世纪60年代,麦克斯韦发表了电磁场理论,并计算出电磁波的传播速度和光速相等,明确提出光是一种电磁波.揭示了光和电磁波的统一性.约20年后被赫兹实验证实.
三光的波粒二相性1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷实验,否定了以太存在.赖以生存的光和电磁波的传播媒介以太的否定,使波动说面临严重的危机.而光电效应的发现和爱因斯坦对光电效应的解释,又一次使光的粒子说暂时占据了上风.直到1921年,德布罗意提出了光的波粒二相性理论.才暂时平息了关于光本性的争论.
光速的测定§3.光速的测定一.早期的实验二.天文学方法三.地面测量方法四“以太漂移”的测定
光速的测定一.早期的实验在光速的问题上物理学界曾经产生过争执,开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间,是在瞬时进行的.但伽利略认为光速虽然传播得很快,但却是可以测定的.1607年,伽利略进行了最早的测量光速的实验：在已知距离的两个高山峰上,放两盏灯,利用接收灯闪亮的时间去除间距,来测光速,但误差较大.
二.天文学方法1.由木卫蚀测量光速由丹麦人奥罗斯·罗末(1644-1710)于1675年提出.木星有13个卫星,I0（木卫一）是木星的一颗卫星,绕木星旋转一周的时间约42小时28分16秒,因此在地球上看I0蚀也应是42小时28分16秒一次,但他在观测木卫I0的隐食周期时发现：在一年的不同时期,它们的周期有所不同；惠更斯据此观察计算出了光的传播速度：214000千米/秒.现代用罗麦的方法经过各种校正后得出的结果是298000千米/秒,
利用木星蚀测量光速图：意义：揭示了光的传播需要时间,即光速有限.
2.由光行差测量光速1725—1728年间,英国天文学家布拉德雷（Bradley)在地球上观察恒星时,发现恒星的视位置在不断地变化,在一年之内,所有恒星似乎都在绕椭圆轨道运行一周．他认为这种现象的产生是由于恒星发出的光传到地面时需要一定的时间,而在此时间内,地球已因公转而发生了位置的变化.
如右图,若当地球(人)从B点运动到A点时,恒星发出的光线从C点传播到A,则光速和地球的公转速度之比为：由此测得光速为：C=299930千米/秒
1849年,法国人菲索（1819-1896）用齿轮旋转法测得光速为3.15×108米/秒.他是第一个首次证明光速可以在实验中测得的人.另外,法国人傅科、美国人纽克姆等都对光速测定做过贡献.光速的测定三.光速的地面测定方法
1.旋转齿轮法：1849年法国物理学家斐索首次在实验室利用齿轮的旋转测定了光速.其装置如下：控制齿轮转速,使其由零逐渐增加,观察者开始将看到闪光,当齿轮旋转而达到第一次看不到光时,齿缝被齿所代替,再增加转速,当看到光且不再闪时,说明光往返的时间和齿轮转过一齿的时间正好相等.据此即可算出光速.菲索测得的光速是315000千米/秒.由于齿轮有一定的宽度,用这种方法很难精确的测出光速.
2.傅科的旋转平面镜法1850年斐索的朋友和合作者傅科设计了旋转平面镜法测定光速,如下图所示.所测速度为298000±500千米/秒.
3.阿尔伯特·迈克尔逊(1926)旋转棱镜法：光速的测定迈克尔逊从1879年开始对光速进行了长达50年的测量工作,基本上沿用了傅科的方法,后来将斐索的齿轮法和傅科的转镜法相结合,创立了棱镜旋转法.棱镜旋转的转速可以测定,由发光和接收光的时间、棱镜转速和光来回传递距离的数学关系,可以导出光速来.
转镜是一个正八面的钢质棱镜,从光源S发出的光射到转镜面R上,经R反射后又射到35公里以外的一块反射镜C上.光线再经反射后又回到转镜.所用时间是t=2D/c.在t时间中转镜转过一个角度.实验时,逐渐加快转镜转速,当转速达到528转/秒时,在t时间里正好转过1/8圈.返回的光线恰恰落在棱镜的下一个面上,通过半透镜M可以从望远镜里看到返回光线所成的像.用这种方法得到c=299796±4公里／秒.1907年,阿尔伯特·迈克尔逊是第一位获诺贝尔物理奖的美国科学家.
4其他方法----试验室方法①克尔盒法：克尔盒能使光束以极高频率做周期性变化.1928年,卡娄拉斯和米太斯塔德首先提出利用克尔盒法来测定光速.②微波谐振腔法：1950年埃文森最先采用测定微波波长和频率的方法来确定光速．③激光测速法：1970年美国国家标准局和美国国立物理实验室最先运用激光测定光速．等等.
光速测量一览表
五“以太漂移”的测定1.早期对“以太”的认识（略）2.“以太”的运动观：1818年菲涅耳提出静止以太说1845年斯托克斯提出完全拖曳说1851年菲索提出部分拖曳说3.“以太漂移”的测定①斐索的流水实验②迈克耳逊干涉实验③洛奇的转盘实验
①斐索的流水实验1851年,斐索在流水中比较光速,实验原理如下图,光源发出的光经半透镜反射进入两狭缝S1和S2形成两光束,进入水管,一束顺水流方向,一束逆水流方向,均经反射镜M反射,在S’处会合发生干涉.观察干涉条纹可以检查因受水流曳引形成的光程差.
假如水中的以太不被流水曳引,两束光在水中的速率是一样的,无论水是否流动,干涉条纹都不会发生变化.如果以太被流水曳引,拖曳系数为k,水流的速度为v,则以太被拖曳的速率为kv；两束光在流水中相对于地球的速率就不相同,于是便能看到干涉条纹的变化.光在流水中相对于地球的速度为:c’=c/n±kv,斐索通过实验测得k=0.46,表明水中的以太被部分拖曳.(1817年,菲涅耳通过理论导出以太被物体拖曳的常数为1-1/n2.对水而言,其值为0.438,两结果一致.)根据菲涅耳理论,对于地球表面的空气,n≈1,所以k=0.表明空气对以太没有拖曳作用.但是这一公式的意义,当时并没有被人所理解.直到爱因斯坦建立了相对论才得到圆满的解释.
②迈克耳逊干涉仪：1881年迈克耳逊设计了一种干涉仪,如图,用于寻找绝对静止的以太是否存在.当两光束有一定光程差时,在d处则出现干涉条纹.如果以太是静止不动的,则由于地球绕太阳的运转,地球表面应有“以太风”刮过.这以太风相当于斐索实验中水的流动.如果把仪器转动90度,则必然会出现条纹的移动.通过推导,条纹的移动量为：Δ=c·δt/λ,估计应有0.4条纹的移动,但实验结果只有0.1条纹的移动,而这一微小数值可以理解为实验中的误差.
1887年迈克尔逊与莫雷合作,对仪器改进后又进行了更精密测量：将整个光学系统安装在大石板上,再将石板浮在水银槽上,可以自由旋转改变方位.光路经多次反射,光程可达11米.但结论仍是“零结果”.因此得出：①以太被完全拖曳；或者是②根本不存在以太.早在1728年,英国天文学家布来得雷在他的光行差实验中,就已判明以太没有被太阳拖曳(洛奇的转盘实验也证明以太静止),以太相对于太阳是静止的.迈克尔逊和莫雷仍倾向于完全曳引假说,但从完全曳引假说必然会得出这样一个结论：在运动物体表面有一速度梯度的区域,如果靠得很近,总可以觉察出这一效应.
③洛奇的转盘实验1892年,英国物理学家洛奇做了一个钢盘转动实验,以实验“以太”的漂移.他把靠得很近的大钢锯圆盘（直径3英尺）平行的装在电机的轴上,使其高速旋转（可达4000转/分）.一束光经半透镜分为两路,分别沿相反方向在钢盘之间走三圈,再回合于望远镜产生干涉条纹.如果钢盘转动拖曳周围以太旋转,则两路光线将产生时间差,造成干涉条纹移动.但实验结果为：不论钢盘转速如何,钢盘正转或反转,造成的条纹移动都在误差范围以内.从而证明以太静止.所以迈克尔逊—莫雷实验的“以太风的零结果”表明：以太根本不存在.
第七章世纪之交物理学的发展§1经典物理学的局限性§219世纪的三大发现§3经典物理学的两朵乌云
一经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；3.物体的质量恒定不变,与物体的运动和能量无关；4.只适于宏观低速的范围,不适于高速和微观领域.5.机械决定论§1经典物理学的局限二经典物理学与经典力学之间的矛盾经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系,但是,随着经典物理学的深入发展,却越来越显露出他们与经典力学之间的裂痕,从而动摇了经典力学的基础地位.
1.与光学的不调和性：主要表现在两个方面,一是对光的认识一直存在两种互相矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的载体的“以太”究竟是什么,如何对它进行检测？它到底具有哪些性质？如从光速的巨大数值来看,“以太”应具有极大的刚性.又由于天体不受阻碍的在太空中穿行,“以太”必须极其稀薄且没有质量,等等.这些性质不但难以理解,有些甚至相互矛盾.2.与电磁学的矛盾：媒递作用---超距作用的矛盾；即时传播---有限速度的矛盾；能量连续分布的场---质点是能量的唯一载体的矛盾等等.3.与热学的不协调：经典力学（包括电磁场理论）中的规律关于时间都是对称的、可逆的,时间只是从外部描述运动的一个参量.它的变化对于运动的性质并无影响.而热学中熵增原理的发现,却指出了自然过程的不可逆性和历史性.
三马赫对经典力学的批判1883年,奥地利的马赫出版了《力学及其发展的批判历史概论》,从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判.例如质量的概念,在牛顿的《力学原理》中,质量被定义为密度和体积的乘积.马赫认为,按照这种定义的方法,不同种类物体的质量无法比较,应当建立相对质量的概念：加速度是可测量的量,如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、方向相反的加速度,那么这两个物体的质量就相等,如果测得的加速度不相等,则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比.马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判,马赫认为：“时间是一种抽象”,时间是不能独立自存的.空间也不能脱离物体而存在.如果宇宙中没有物体,谈论空间就毫无意义.如果宇宙中只有一个物体,这唯一的物体也无运动可言.马赫批判了牛顿的“水桶实验”
爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路.在狭义相对论创立的过程中,正是马赫对绝对时间的批判,使爱因斯坦“终于醒悟到时间是可疑的”,并从“同时性的相对性”这个问题上取得了突破性的进展.马赫对水桶实验的批判,使人们的思想从“绝对运动”的桎梏中解放出来,从而确立加速运动的相对性的观念.马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响了波尔、波恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子物理学家.马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了启蒙和推动作用.
§219世纪的三大发现一.电子的发现二.X射线的发现三.天然放射性的发现
一电子的发现1.阴极射线的研究：①德国学派的以太波的观点：普吕克尔,哥尔茨坦,赫兹等②英国学派的带电微粒说：瓦尔利,克鲁克斯,舒斯等.佩兰(Perrin)实验：1895年法国物理学家微粒说支持者佩兰(Perrin)将圆桶电极安装在阴极射线管中,用静电计测圆桶接收到的电荷.结果为负电.支持了带电微粒说.
发现电子的——J·J·汤姆逊2.电子的发现：J·J·汤姆逊(1856-1940)简介14岁进入曼彻斯特大学,1876年获数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造.1880年获二等史密斯奖金,进入卡文迪什实验室,在瑞利教授的指导下进行电磁学研究.1883年被选为英国皇家学会会员.1884年出任卡文迪什实验室主任（这一年瑞利出任皇家学会会长）,年仅28岁.领导该室人员工作长达42年.1906年获得诺贝尔物理学奖.培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人,他们都先后荣获了诺贝尔奖.J.J.汤姆逊设计了一系列实验,以无可辩驳的事实确证了阴极射线是带负电的粒子流.
实验一阴极射线的磁偏转实验：1895年,汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进,他把阴极A和法拉第圆桶F放在不在一条直线的方向上,如图示.
实验二：阴极射线的静电偏转实验：J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验,他改善真空条件,并减小极间电压,终于获得了稳定的静电偏转.从而否定了以太说.实验三：荷质比e/m的测量：方法一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈,以产生垂直于电场的磁场.然后根据电场和磁场分别造成的偏转,计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度.v≈2.7×109厘米/秒,e/m≈0.8×107电磁单位/克.
物理革命的新曙光二X射线的发现1.伦琴德国物理学家.1901年,伦琴获首届诺贝尔物理奖.略
三天然放射性的发现1.铀盐的放射性的发现----贝克勒尔2.钋和镭的发现----------居里夫人3.α、β、γ射线的发现--卢瑟福
贝克勒尔生于法国巴黎,祖父和父亲都是固体磷光专家,从事研究工作有60多年的历史,贝克勒尔早期从事光学研究,43岁开始研究放射现象.选择硫酸钾铀酰作为实验材料,并放在太阳底下暴晒(暴晒可使荧光物质发出更强荧光),底片感光了.后来由于阴雨连绵,贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉,结果再次实验前检查底片时,底片仍旧被铀盐感光了.贝克勒尔经过分析,认为：使底片感光的射线与日晒和荧光无任何关系,它是铀盐自身产生的辐射现象,于是第二天,他在科学院的例会上公布了这一重大发现.贝克勒尔获1903年诺贝尔奖天然放射性的发现1.铀盐放射性的发现------贝克勒尔
天然放射性的发现①.居里夫人(1867-1934)波兰中学毕业获金质奖章,由于波兰当时女子不能上大学,做了8年家庭教师,筹了费用,于1891年到法国巴黎,进入法兰西共和国大学理学院学习.1893年获物理硕士学位,次年又获得数学硕士学位.1894年与法国物理学家皮埃尔·居里相恋.1903年获诺贝尔物理奖,1911年获诺贝尔化学奖.皮埃尔·居里法国物理学家,从小聪慧过人,16岁获学士学位,18岁获硕士学位,24岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任.曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应,发明了测量微量电量的压电石英静电计---“居里计”.后来从事磁学研究,发现磁性消失的温度---“居里点”.2.钋和镭的发现
天然放射性的发现②.钋的发现首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进行了精密测量.证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成正比,而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无关.居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程.1897年7月,他们终于从铀矿渣中提炼出了钋,它比纯铀放射性强400倍!③.镭的发现但是钋的放射性比预期的仍然低,继续实验,1898年12月,又发现了比铀的放射性强200多万倍的新元素----镭(radium)!
为了消除人们的怀疑,他们决心提炼出纯镭,镭矿渣非常贵,奥地利送了一吨,在低矮的棚屋里,居里夫妇从1899年至1902年,花了45个月的时间,历时四年,经过几万次的提炼,终于从8吨矿渣中提炼出0.12克的氯化镭,从中找到了两根特征光谱线,并宣布镭的原子量为225!1903年完成博士论文,同年12月获诺贝尔物理学奖.1912年又成功分离出纯金属镭,第二年或诺贝尔化学奖.居里夫妇在工作天然放射性的发现
④.科学属于全人类镭可以治狼疮和癌肿,0.1克镭就值75万金法郎!一个美国公司想收买专利,都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了.他们认为:我们发现了科学,又把它据为己有,这违反科学精神,再说镭能治病,我们就更应该无条件地献出它的秘密!然而,居里夫人由于长期接触放射性物质,患了恶性贫血症,她的丈夫和战友居里1906年死于车祸,居里夫人在精神打击和身体折磨的双重压力下,仍然初衷不改,献身于科学事业.她的高风亮节,赢得了人们的敬重.她的女婿约里奥（1900-1958）在50年代用仪器检测她当年的实验记录本,发现全部污染了放射性物质,她当年用过的烹调书,50年后再检查,仍然有放射性.1934年,居里夫人去世；1956年她的女儿伊伦·居里（1897-1956）也死于恶性贫血；1958年女婿约里奥也因放射性辐射而去世.居里夫人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事业.天然放射性的发现
镭的发现促进了对放射性的进一步研究,其中贡献最大的是J.J.汤姆逊的学生----卢瑟福①卢瑟福新西兰人,祖籍英国苏格兰,1871年生于新西兰,18岁进入新西兰大学学习,1893年大学毕业,1895年被选送到剑桥大学深造,在J.J.汤姆逊领导的卡文迪什实验室当研究生(J.J.汤姆逊的第一位研究生).1898年应邀担任加拿大麦吉尔大学物理学教授.在获知居里夫妇发现镭辐射后,立即转向放射性对气体电离作用的研究,提出原子的嬗变理论.1907年返回英国,任曼彻斯特大学物理学教授.主要研究α粒子的散射作用,提出了原子的核式模型.1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖.1919年任剑桥大学教授,并任卡文迪许实验室主任.3.α、β、γ射线的发现
②卢瑟福发现α射线和β射线：1898年,卢瑟福用强磁铁使铀射线偏转,发现射线分为方向相反的两股,一股极易被吸收,他称之为α射线；另一种具有较强的穿透力,称之为β射线.③维拉德(P.Villard)发现γ射线：法国人,1900年,维拉德将镭放入一个铅管中,铅管一侧开一小口,放射性射线可从此射出,射线经磁场后用底片记录.在底片和射线口之间加一层铝箔,用于阻挡α射线而让β射线通过,结果发现在正对发射口的方向有暴光的痕迹,后来维拉德又加了一层铝箔,射线仍能穿透.因此表明,这一射线肯定不是α射线,而是一种不受磁场偏转的辐射能力更强的一种新射线.与X射线非常类似,后来被卢瑟福称为γ射线.④原子的嬗变理论：对放射性过程的研究,使他们意识到“放射性既是原子现象,又能产生新的化学变化的伴生物”.并于1902年提出了放射性元素的嬗变理论.
上述三大发现打破了几百年来形成的物质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观念,揭开了物理学革命的序幕,它标志着物理学的研究由宏观进入到微观.
卡文迪什实验室：始建于1871年,建成于1874年,是英国剑桥大学的前身,麦克斯韦为第一任实验室主任.卡文迪什实验室,作为世界上最著名的物理学教育和科研中心之一,培养了一大批世界级的著名物理学家,26位诺贝尔奖金获得者.1885～1919年,由J.J.汤姆逊主持实验室工作,在这34年间,主要进行了电学、磁学、光学等方面的基本测量工作.这期间科学研究硕果累累,人才辈出,走在世界的前列,有10位工作人员获得诺贝尔奖.1919～1937年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作,主要进行放射性和核物理研究,先后取得了发现中子、验证了正电子的预言、人工打破原子核的重大成就.尤其在1932～1933年间,卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰.在卢瑟福主持工作的18年间,实验室中共有12人获诺贝尔奖,这18年是该实验室的黄金时期,这期间它成为世界实验物理的研究中心.
§3经典物理学的两朵乌云19世纪的最后一天,在欧洲著名的科学家年会上,英国著名物理学家W．汤姆生（开尔文）发表了新年祝词.他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理学大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作.同时,他在展望20世纪物理学前景时讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,”“第一朵乌云出现在光的波动理论上,”“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上.”他所说的第一朵乌云,主要是指第一朵乌云：“迈克耳逊－莫雷实验”与“以太漂移说”的矛盾；第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出.
黑体辐射实验：19世纪末,卢梅尔等人在做实验时发现：黑体辐射的能量不是连续的,它按波长的分布仅与黑体的温度有关.与经典物理学严重矛盾.第二朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难”实验结果的解释：当时,人们仍然以经典物理学作为出发点,由于出发点不正确,最后都导致了失败的结果.典型人物是维恩、瑞利和金斯.
首先德国物理学家维恩建立起了黑体辐射能量按波长分布的公式,但这个公式只在短波、较低温度时才和实验事实符合.它的失败表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败,所以这也是整个经典物理学的“灾难”.英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在长波、较高温度时候的黑体辐射公式,和实验事实比较符合.但是,在短波区（紫外光区）随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加.所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”.
悲观情绪：物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的严重分歧.在人们提出波粒二象性新概念时,洛仑兹哀叹到：“在今天,人们提出了完全相反的主张；这样一来,也就没有真理的标准了,也不知道科学是什么了.我真后悔我没有在这些矛盾出现前的五年死去.”法国科学哲学家雷伊在1907年出版的《现代物理学家的物理学理论》中描述了当时的这种情绪：“传统的机械论的破产,确切的说,它所受到的批判,造成了如下论点：科学也破产了.”“物理学失去了一切教育价值；物理学所代表的实证科学的精神成为虚伪的危险的精神”.开尔文则竭力否定新的发现和新学说.他说X射线是一场“精心策划的骗局”,说元素嬗变理论是巧妙的捏造出来的.门捷列夫也宣称：“承认原子可以分解出电子只会时事情复杂化.”等.
第一朵乌云,最终导致了相对论革命的爆发.第二朵乌云,最终导致了量子论革命的爆发.
第八章相对论的建立§1.相对论先驱者的思想§2.爱因斯坦的狭义相对论§3.广义相对论的建立
§1.相对论先驱者的思想一.洛仑兹的收缩假说（略）二彭加勒的观点
①洛仑兹的理论是以静止以太为出发点,在保持麦克斯韦方程不变的条件下创立起来的“构造性”理论；而爱因斯坦的狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的“原理性”理论.②洛仑兹认为长度收缩是真实的,是由分子运动引起的.爱因斯坦这只是一种相对论效应.③洛仑兹认为地方时（在运动物体上测量的时间）只不过是一个数学假设,不具有真实的物理意义,而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间.爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间,地方时才是唯一真实的时间.洛仑兹长度收缩假说与爱因斯坦狭义相对论的不同：洛仑兹的长度收缩假说、地方时、洛仑兹变换以及他最早形成的关于物质质量随其运动速度增加的思想,都已包含了狭义相对论的基本内容,为爱因斯坦创立狭义相对论创造了条件.
二彭加勒的观点彭加勒(J.H.Poincare)：法国数学家、物理学家和哲学家,1854年4月生于法国南锡,1871年进入巴黎工艺学院,毕业后又进入国立矿业学院学习.1879年获数学博士学位,同年任卡昂大学数学教师,1881年起任巴黎大学教授.1887年当选为巴黎科学院院士,1906年任该院院长,1908年当选为法国科学院院士.1912年7月逝世.①1895年对洛仑兹的“长度收缩”假说的批评.②1905年发表论文《论电子动力学》,给洛仑兹理论以更简洁的形式,并将其时空变换命名为洛仑兹变换.
③1898年发表论文《时间的测量》,首次提出光速在真空中不变的公设,认为没有这一公设,就无法测量光速；在论文中还讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法.④1899年彭加勒就认为绝对运动是不存在的,只有相对运动才有意义.⑤1902年在出版的《科学与假设》中提出“相对运动原理”：“任何系统的运动应当遵守同样的定律,不管人们把它纳于固定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”.⑥彭加勒预感到物理学上将有重大突破,他说：“也许我们还要构造一种全新的力学,我们只不过是成功的瞥见了它,在这种力学中,惯性随着速度而增加,光速会变为不可逾越的极限.通常比较简单的力学可能依然是一级近似,因为它对不太大的速度还是正确的,以致于在新动力学中还可以找到旧动力学.”
在英费尔德(L.Infeld)的《相对论的发展史》中记录了一段他和爱因斯坦的一次谈话,英费尔德说“在我看来,即使您没有建立它,狭义相对论的出现也不会再等多久.因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了.”爱因斯坦回答说：“是的,这说的对.”⑦彭加勒的局限：遗憾的是,彭加勒最终未能认识到抛弃以太的必要性,没能迈入相对论的殿堂.直到临终,他还对洛仑兹补偿理论的精神实质充满信心.他的相对性原理是作为一个“普遍的自然定律”提出来的,他期待有一种理论能解释或证明它.而狭义相对论中爱因斯坦则把相对性原理提升为公设,其中差别显而易见.
§2爱因斯坦的狭义相对论一爱因斯坦生平二爱因斯坦狭义相对论的探索过程三长度收缩、时钟变慢（略）四同时的相对性（略）五质能关系及质量与能量守恒的统一（略）六相对论被世人接受的历程（略）七意义
1905年9月,德国《物理杂志》上发表了一篇划时代的论文--《论动体的电动力学》,从此狭义相对论创立了.一爱因斯坦生平阿尔伯特·爱因斯坦(Albert．Einstein)1879年3月生于德国,一年后迁居慕尼黑.1896年10月,进入苏黎世工业大学师范系学习数学和物理学.期间他广泛阅读了赫尔姆霍兹、麦克斯韦及赫兹等物理学大师的著作.1900年大学毕业.在毕业的一年多时间里,由于找不到工作,靠做家庭教师和代课教师生活.在失业一年半以后,在同学马塞尔·格罗斯曼的父亲的帮助下,爱因斯坦到瑞士专利局去作了一个技术员.这段工作经历对爱因斯坦非常有益.“它迫使你从事多方面的思考,它对物理的思索也有重大的激励作用”.1900～1904年,爱因斯坦每年写出一篇论文,发表于德国《物理学杂志》.
爱因斯坦发明的第一个高峰----1905①1905年3月,爱因斯坦完成论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》(德国《物理年报》),把能量子概念推广到光在空间中的传播情况,提出光量子假说.认为：对于时间平均值,光表现为波动；而对于瞬时值,光则表现为粒子性.第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的统一.文章结尾,解释了光电效应,导出光电方程.10年后由密立根给予实验证实.1921年,爱因斯坦因为“光电效应定律的发现”而获得诺贝尔物理学奖.②1905年6月,爱因斯坦完成了长篇论文《论运体的电动力学》,完整的提出了狭义相对论.③1905年9月,爱因斯坦写了一篇短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》,提出质能关系式,为20世纪40年代实现的核能的释放和利用开辟了道路.
1912年,爱因斯坦回到苏黎世母校工作.在格罗斯曼帮助下,他在黎曼几何和张量分析中找到了建立广义相对论的数学工具.于1913年发表了重要论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出了引力的度规场理论.首次把引力和度规结合起来,使黎曼几何获得实在的物理意义.爱因斯坦发明的第二个高峰（1915----1917年）：1915年10月到11月,他集中精力探索新的引力场方程,一连向普鲁士科学院提交了四篇论文,在18日的论文中,爱因斯坦根据新的引力场方程,推算出光线经过太阳表面所发生的偏转是1.7弧秒,同时还推算出水星近日点每100年的进动是43秒,完满解决了60多年来天文学的一大难题.在25日的论文《引力的场方程》宣告了广义相对论作为一种逻辑结构终于完成.1916春天,爱因斯坦写了一篇总结性的论文《广义相对论的基础》.
1917年又开创了现代宇宙学.1917年,爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构,发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》.分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念的不协调性.他认为,宇宙在空间上是有限无边的.1916年在辐射量子方面提出引力波理论1916年6月,爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时,发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波,从而提出引力波理论.1979年,在爱因斯坦逝世24年后,间接证明了引力波存在.
1925年以后,爱因斯坦全力以赴去探索统一场论.1925年～1955年这30年中,除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外,爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索.但在同一场理论方面,他始终没有成功.由于他远离了当时物理学研究的主流,独自去进攻当时没有条件解决的难题,因此同20年代的处境相反,他晚年在物理学界非常孤立.可是他依然无所畏惧,毫不动摇地走他自己所认定的道路,直到临终前一天,他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算.四种相互作用：强相互作用,电磁相互作用,弱相互作用,万有引力作用
七意义爱因斯坦的狭义相对论和量子论一起,成为物理学革命的标志性成果.其意义正如他自己在1948年在《相对性：相对论的本质》中所指出的：“狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解,并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为.它在原则上取消了牛顿所理解的那个即时的超距作用概念.它指出,在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时,运动定律必须加以修改.它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的澄清,特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解.它把动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律,并且指出了质量同能量的等效性.从形式的观点来看,狭义相对论的成就可以表征如下：它一般指出了普适常数c在自然规律中所起的作用,并且表明以时间作为一方,空间坐标作为另一方,两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系.”
〇背景一广义相对论基本原理的提出二引力红移的预言三光线的引力偏折四时空“柔性”度规概念的建立五引力场方程的建立六广义相对论的检验§3广义相对论的建立
狭义相对论给出的结论是：对于一切惯性系自然规律是等效的,那么对于非惯性系是否也都具有等效性呢？从1907年开始,爱因斯坦就着手创建广义相对论,经过十年艰苦探索,终于完成.这一理论的创立,既非为了解决理论与实验的矛盾,也非理论发展的迫切需要,完全是爱因斯坦个人独自工作的发展,这是一个社会人无法做到的.爱因斯坦创立广义相对论的目的是要解决两个问题：一是取消惯性系的优越性；二是将引力理论纳入狭义相对论中.背景
1.马赫原理马赫在《发展中的力学》中对牛顿的水桶实验批判说：如果桶壁足够厚,其质量足够大时,水桶旋转时水面又如何呢？马赫认为“惯性来源于物体的一种相互作用”,这些对爱因斯坦都有很大启发.爱因斯坦对此评述道：“对牛顿水桶实验的那些看法,表明他的思想同普遍意义的相对性（加速度的相对性）要求是多么接近.”“表明马赫已清楚地看到了古典力学的薄弱方面,而且离提出广义相对论已经不远.”一广义相对论基本原理的提出马赫关于惯性以及惯性力起源于宇宙间物质相互作用的观点,1918年被爱因斯坦称之为“马赫原理”,马赫因此被尊称为“相对论的先驱”.
2.引力质量与惯性质量的等同性质量是物理学的七个基本量之一.最初,牛顿把质量定义为物质的量,同物质的密度和体积成正比.直到19世纪下半叶,以马赫为代表的一批物理学家对牛顿力学的基础进行了认真的考查,对牛顿的质量定义提出了非议,在实验事实的基础上建立了惯性质量和引力质量的概念.在牛顿运动定律中,质量是物体惯性大小的量度,叫做惯性质量.在万有引力定律中,质量反映物体受到的和产生的引力的大小,与惯性无关,叫做引力质量.爱因斯坦深刻地看出了“引力质量与惯性质量相等”这个结论的重要意义,在此基础上提出了“等效原理”,这一原理成为爱因斯坦建立广义相对论的基本原理之一.
3.等效原理的提出1907年爱因斯坦在《关于相对论原理和由此得出的结论》论文中提出了等效原理：“引力场同参照系的相当的加速度,在物理上是等价的.”文中描述了一个升降机理想实验：在一自由下落的升降机里,由于升降机和其中所有的仪器都以同一加速度下落,因而无法判断引力场的效应.在自由下落的升降机中,惯性力和引力彼此抵消.由此,在引力和惯性力局域等效的前提下,爱因斯坦考察了两个彼此做加速运动的参照系∑1和∑2,“我们考察两个参照系∑1和∑2.∑1在X轴方向上加速运动；加速度为a(不因时间而变),∑2静止,但它处在一个均匀的引力场中,这个引力场赋予一切物体在X轴方向上一个加速度a.”“就我们所知,无法把参照系∑1的物理定律同参照系∑2的物理定律区别开来.”据此他以假设的形式提出了等效原理.1912年正式称为“等效原理”并推广到非均匀加速运动中.
4.等效原理的局域性在1907年对等效原理的阐述中,爱因斯坦用一个匀加速参照系来代替一个均匀的引力场.但任何真实的引力场都是非均匀的.1913年爱因斯坦将等效原理进一步精确化,他在与同学M.格罗斯曼合写的论文《广义相对论和引力理论纲要》中,把等效原理阐述为“在物理学上,(在无限小的体积中均匀的)引力场完全可以代替加速运动的参照系.”从而明确了等效原理的局域性.5.广义协变原理的提出1907年,爱因斯坦把相对性原理扩展到参照系做匀加速平动运动的情况.1916年,在《广义相对论基础》中才把它推广到所有的坐标系中,完善了广义协变原理.
二引力红移的预言1907年,爱因斯坦提出等效原理之后,立即注意到引力场对时钟速率的影响,并作出引力红移的预言.一个处在引力场中的时钟,当所在点引力势为Φ时,它所指示的当地时间读数将是与它校准的不在引力场中(即处于加速运动的参考系中)的同样时钟读数的(1+Φ/c2)倍.由此,他得出结论：“来自太阳表面的光是从这样一种发射源发出的,这种发射源所发出的光所具有的波长比地球上同类物质所发出的光的波长大约大两百万分之一.”
在1911年的论文中,爱因斯坦从等效原理出发,根据光的频率与引力势之间的关系,得出结论说,光在经过引力场时,光的传播方向将发生偏折,偏折的方向朝向引力势减小的一侧,即向天体的一侧偏折.偏折角的大小为：(式中K为引力常数,M为天体质量,Δ为光线同天体中心的距离.)并由此计算出“光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转”.并且提出检验这一预言的途径：“由于日全食时可以看到太阳附近天空的恒星,理论的这一结果就可以同经验进行比较”.1916年爱因斯坦又重新计算了太阳光线的偏折,纠正了上次计算的不完整性,不仅考虑了太阳的引力作用,还考虑了太阳质量导致空间几何形变,计算得到的偏转角为1.75″.三光线的引力偏折
1平直空间的直接度规：狭义相对论解决了同时性的相对性、运动物体的长度收缩、时钟变慢等问题,但仍认为时空是均匀的和各向同性的.在同一参照系中有统一的时间、空间测量标准,即具有“刚性”的尺和“同步”的钟,长度、时间的测量仍与坐标差相对应.直接度规是指坐标差等于理想标尺或理想时钟所测得的直接量度结果.它们可表示为：这种可直接量度的时空是一“平直”时空；或者说,空间是欧几里德几何学的空间,时间是均匀流失的时间.只有在一个平直空间里,才能建立一个正交坐标系.四时空“柔性”度规概念的建立
2广义相对论的“柔性”度规：在1916年《广义相对论的基础》一文中,爱因斯坦讲到一个转动的刚性圆盘的理想实验.当刚性圆盘转动时,处于中心轴处的观察者看来,就不存在静止的刚性尺和同步的钟,因为在不同的半径处,由于旋转的线速度不同,放在不同地点的尺子收缩的程度和钟变慢的程度也就不同,时空失去了均匀性和各向同性,也即失去了“刚性”而具有“柔性”结构,坐标差也就失去了直接量度的物理意义.这样就只有“时空连续区”这一概念具有可观测性,而坐标只能起到记录物理事件的时空连续区的作用了.甲ω乙
闵克夫斯基平直空间：1907—1908年闵克夫斯基对爱因斯坦的狭义相对论进行了四维格式化,即将时间坐标统一到四维空间中,这一空间被称为闵克夫斯基平直空间,在这一空间中,线元ds的平方表示为爱因斯坦将这种度规推广到非线性变换,即适用于非惯性系或引力场中的物理现象.于是,四维时空中两相邻事件的四维间隔（线元ds）的平方应表示为：式中gμν为四维度规张量,是四个坐标的函数,亦即gμν是一种“柔性”度规.实际上闵克夫斯基平直空间是一种准欧几里德空间,它存在着一个准欧几里德度规.这种度规对应着线性洛仑兹变换.
引力场方程建立的主要问题是数学问题.1912年,爱因斯坦在格罗斯曼帮助下,利用黎曼几何和张量分析数学工具,经过一年的奋力合作,于1913年发表了论文《广义相对论纲要和引力理论》,提出了引力的度规场理论.首次把引力和度规结合起来,并使黎曼几何获得实在的物理意义.1915年论文《引力的场方程》完善了引力场方程,具有真正普遍协变性,宣告广义相对论作为一种逻辑结构终于完成了.五引力场方程的建立黎曼空间罗巴切夫斯基空间
1.水星近日点进动1859年天文学家勒维利埃(LeVerrier)发现水星近日点进动的观测值比牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒.他猜想可能在水星以内还有一颗小行星.1882年,纽康姆(S.Bewcomb)经过重新计算,得出水星近日点的多余进动值为每百年43角秒.他解释说可能是水星发出的黄道光的弥漫物质使水星的运动受阻.计算出ε=43″/百年.正好和纽康姆结果一致.成为广义相对论的一个有力证据.六广义相对论的检验1915年,爱因斯坦把行星的绕日运动看成是行星在太阳引力场中的运动,由于太阳质量造成周围空间弯曲,使行星每公转一周近日点进动为：
爱因斯坦在1911年的论文中指出,光在经过引力场时,光的传播方向将发生偏折,并由此计算出“光线经过太阳附近时要受到0.83″的偏转”.1916年爱因斯坦又重新计算了太阳光线的偏折,计算得到的偏转角为1.75″.并预言可通过日全食时对太阳附近天空的恒星的观测加以验证.1974年到1975年间,福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪,观测了太阳对三个射电源的偏折,最后得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1.761″±0.016″.1919年日全食期间,英国皇家学会和天文学会派出两个观测队,由爱丁顿(A.S.Feddington)等人率领分赴非洲和巴西两地进行观测.经过比较,两地观测结果分别为非洲为1.66″和巴西的1.98″与爱因斯坦的理论结果基本相符.但这种观测精度太低,还会受其他因素影响.2.光线在引力场中的弯曲
广义相对论指出,在强引力场中时钟变慢.因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线,会向光谱的红端移动.日光谱线与地球上的光源对应的谱线相比较,移动的相对总量为：2×10-6.用原子钟测：1971年海菲勒(J.C.Hafele)和凯丁(R.E.Keating)用几台铯原子钟比较不同高度的计时率,其中一台置于地面作参考钟,另外几台由飞机携带,在1万米高空沿赤道绕地飞行.实验结果与理论预期值在10%内相符.1980年魏索特(R.F.C.Vessot)等人用氢原子钟作实验,将氢原子钟用火箭发射到1万公里太空,得到的结果与理论值相差只有7×10-5.1959年,庞德(R.V.Pornd)和雷布卡(G.Rebka)运用穆斯堡尔效应检测引力频移,得到的结果与理论值相差约5%.1925年,美国威尔逊山天文台的亚当斯(W.S.Adams)观测了天狼星的伴星天狼A.这颗伴星是所谓的白矮星,其密度比铂大2000倍.观测它发出的光谱线,得到的频移与广义相对论的预期基本相符.3.光谱线的引力红移
4.雷达回波延迟光线经过大质量物体附近的弯曲现象可以看作是一种折射,相当于光速减慢.所以从空间某一点发出的信号,途径太阳附近到达地球的时间将有所延迟.1964年,夏皮罗(I.I.Shapiro)小组,先后对水星、金星和火星金星做了雷达实验,证明雷达回波确有延迟现象.近年来,有人用人造天体作为反射靶,实验结果与相对论理论值比较,误差大约1%.5.引力波的验证1918年,爱因斯坦预言引力波的存在,他认为具有质量的物体加速运动时会辐射引力波.1974年胡尔斯和泰勒发现一个由脉冲星和一个伴星组成的双星系统由于辐射引力波而损失能量,使轨道缩小,周期变短.他们仔细观察了脉冲星PSR1913＋16,经过近20年观察得到的结果与广义相对论计算值符合得很好,胡尔斯和泰勒荣获1993年诺贝尔物理学奖.
爱因斯坦的相对论童年时的爱因斯坦
年轻时的爱因斯坦
第九章量子力学的建立§1.紫外灾难和普朗克的量子假说§2.爱因斯坦的光量子理论§3.卢瑟福的原子核式结构§4.玻尔的氢原子理论§5.电子自旋的提出§6.量子理论的发展
上一代人能取得自然知识的如此神奇进展,应归功于人们从传统思想束缚下获得的这一解放.——玻尔紫外灾难和普朗克的量子假说一.紫外灾难二.普朗克独步一时的研究§1.紫外灾难和普朗克的量子假说
1.维恩定律1896年,德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法,得到一个辐射能量分布公式：这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合,而在长波区不符.紫外灾难和普朗克的量子假说2.瑞利——金斯定律这一公式却只有在长波区和实验结果符合,而在短波区不符.由于辐射能量与频率ν的平方成正比,因此当波长接近紫外时,能量为无限大!即在紫色端发散.一.紫外灾难
但瑞利、金斯两人得出的共识,是根据经典物理的理论严密推导的,瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人,理论值与实验值在短波区的北辙南辕,揭示了经典物理学面临的严重困难,使人们不得不称之为“紫外灾难”.紫外灾难和普朗克的量子假说
紫外灾难和普朗克的量子假说二.普朗克的研究1.普朗克德国人,1874年考入慕尼黑大学数学系,因为爱好又转向物理,他的老师约里劝他不要选物理,但普朗克选了物理并于1879年获得博士学位.1880年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教.1888年柏林大学任命他为基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长.1894年当选为普鲁士皇家科学院院士,1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖.同年被选为英国皇家学会会员,1930-1937年任威廉皇家协会会长.
2.普朗克的内插公式普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起,得到普朗克辐射定律：紫外灾难和普朗克的量子假说当ν→0,即在长波范围,普朗克定律变为瑞利—金斯公式.当ν→∞,即在短波范围,又与维恩定律一致.鲁本斯得知这一公式后,立即把自己的实验结果和理论曲线相比较,完全符合.于是两人于1900年10月19日向德国物理学会做了报告.题目是《维恩光谱方程的改进》.
3.普朗克的能量子假设普朗克为一理论物理学家,他不满足于找到一个经验公式,普朗克写道:“……从10月19日提出这个公式开始,我就致力于找出这个公式的真正物理意义.这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系,也就是说把我引到了波尔兹曼的思想.”1900年12月14日,普朗克明确提出了能量子概念,并指出每个能量子的能量与频率ν成正比,这一天,被称为量子力学的诞生日.普朗克从这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式.紫外灾难和普朗克的量子假说
普朗克的矛盾普朗克的能量子假说,对能量连续的观点形成了严重冲击,人们只承认普朗克公式,却不接受他的能量子假说.就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义.对此,他的心情非常矛盾,一方面直觉告诉他：这个发现不同寻常,另一方面他又总想回到经典理论的立场上去.他说：“在将作用量子h引入理论时,应当尽可能保守从事；这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论.”1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的,而吸收则完全是连续进行的.到了1914年,干脆取消了量子假说（ε→0）,认为发射过程也是连续的.但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场.为此他百感交集：“为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中,我花了几年的时间（一直到1915年）,它们耗费了我大量的精力.…现在我懂得了一件事实,基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多.”
一.光电效应二.康普顿效应§2.爱因斯坦的光量子理论
1.光电效应的发现1887年赫兹发现了光电效应.当时赫兹在验证麦克撕韦的电磁理论的火花放电实验时,意外发现：如果接收电磁波的电极受到紫外线照射,火花放电就变的容易产生.并将这一现象发表于论文《紫外线对放电的影响》.2.爱因斯坦的光量子假说的提出1905年6月、1906年3月、11月,爱因斯坦连续发表了三篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》《论光的产生与吸收》《普朗克的辐射和比热理论》.提出光两字理论,并对光电效应进行了解释.3.光电效应理论的验证美国实验物理学家密立根从1905年起,花了十年时间.爱因斯坦“因对理论物理所做的贡献,特别是发现了光电效应定律”获1921年诺贝尔物理学奖.密立根也因此获1923年诺贝尔物理学奖.一、光电效应
康普顿效应进一步证实了光量子理论的正确性.1918年美国物理学家康普顿(A.H.Compton)开始研究X射线的散射,1922年,他把X射线投射到石墨上,以观察被散射后的X射线,发现其中有两种不同的频率成分：一种频率与入射线相同,另一种频率则低于入射线.按照经典理论,散射过程不会改变入射线的频率.1923年康普顿利用爱因斯坦1916年提出的光量子的动量表达式,对光子与电子的碰撞过程应用质能守恒和动量守恒定律,圆满解释了实验结果.英国物理学家威尔逊(C.T.R.Wilson)用自己发明的“云室”发现了这些反冲电子.康普顿因发现康普顿效应、威尔逊“因发现用蒸汽凝聚观察电子粒子轨迹的方法”分享了1927年的诺贝尔物理学奖.二、康普顿效应
吴有训:1897年4月2日出生,江西高安人.物理学家.1920年毕业于南京高等师范学校.1926年获美国芝加哥大学物理学博士学位.1948年选聘为中央研究院院士.中国科学院研究员、副院长,中国物理学会理事长.主要从事近代物理学特别是X射线散射光谱方面的研究工作,是中国开展近代物理学实验研究的先驱者之一.20年代在康普顿的X射线散射研究中进行了多项实验,为康普顿效应的进一步确立和公认作出了部分重要工作.1955年选聘为中国科学院院士（学部委员）.1977年11月30日于北京去世.康普顿最初发表的论文只涉及一种散射物质（石墨）,为了证明这一效应的普遍性,吴有训在康普顿的指导下,做了７种物质的Ｘ射线散射曲线,证明只要散射角相同,不同物质散射的效果都一样.1925年吴有训以《康普顿效应》的论文获得博士学位.
一.原子模型的历史演变二.卢瑟福的核式结构§3.卢瑟福的原子核式结构
一.原子模型的历史演变电子的发现,引起了人们对原子内部结构的兴趣,提出了各种结构模型.卢瑟福的原子核式结构3.J·J·汤姆逊西瓜模型：正电荷像西瓜瓤,负电荷像西瓜子分布其上（面包和葡萄干模型）.2.长岗的土星模型:1904年,提出土星卫环模型.这一模型实际已经提出了原子的有核结构模型,只是未对核的大小的数量级及原子的稳定性等问题给予明确的阐述.1.勒纳德的动力子模型：1902-1903年勒纳德通过作阴极射线透过金属箔的实验表明,金属中的原子并不是相互紧靠着的刚性小球,其中存在大量空隙,刚性球约占全部空间的10-9.于是他提出：原子内的每个电子与每个正电荷组成一个中性的“刚性配偶体”,并取名为“动力子”,无数动力子漂浮于空旷的原子太空中.
1.卢瑟福行星模型提出的过程二.卢瑟福的行星模型---核式结构J·J·汤姆逊认为：“原子内的正电荷是均匀地分布在原子中的,而并非呈粒子状态”.而卢瑟福认为应该用带电粒子碰撞去试探.1909年,卢瑟福和盖革、马斯顿,用氦核轰击厚度为10-6米的金箔(α散射实验).起初盖革什么现象也没看到,卢瑟福告诉他要仔细观察：“要多看细看,实验要重复几十次、几百次、几千次,才能发现偶然的现象.”结果,实验测得散射角大于90°的比例约为1/8000.根据汤姆逊模型,α粒子的大角偏折是多次小偏折积累造成的.其概率约为1/103500.实验结果和模型明显不符.卢瑟福说:“犹如一发15寸的炮弹去轰一张薄纸,而炮弹却掉过头来击中你自己一样.”
卢瑟福的原子核式结构为了解决这一矛盾,卢瑟福放弃比汤姆逊模型,利用长冈半太郎的土星模型进行计算,结果与实验值基本相符.于是1911年发表了《物质的α粒子和β粒子的散射和原子结构》的论文,提出原子的有核模型.在论文中他写到：“经过思考,我认为反向散射必定是单次碰撞的结果,而当我作出计算时看到,除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的系统,是无法得到数量级的任何结果的,这就使我后来提出原子具有很小而质量很大的核心的想法.”1911-1913年间盖革和马斯顿在卢瑟福指导下做了一系列α粒子的散射实验,“记录下了100000次以上的闪烁,所有结果都和卢瑟福理论符合的很好,结果都证明：原子中心有很强的电荷,这个中心比原子直径要小的多.”原子核式结构模型的建立,只肯定了原子核的存在,但还不知道原子核外电子的情况.
卢瑟福的原子核式结构2.卢瑟福的有核原子结构与经典理论的矛盾电子轨道及转动频率不断变化,辐射电磁波频率也是连续的,原子光谱应是连续的光谱.实验测得原子光谱是不连续的谱线.按经典理论电子绕核旋转,作加速运动,电子将不断向四周辐射电磁波,它的能量不断减小,从而将逐渐靠近原子核,最后落入原子核中.计算表明,原子的寿命将仅有10-12秒.而实验表明原子相当稳定.
一.玻尔(1885-1962)二.玻尔的氢原子理论三玻尔理论的验证四.玻尔理论的缺陷§4.玻尔的氢原子理论
玻尔的氢原子理论一.玻尔(N.D.Bohr,1885-1962)丹麦物理学家尼尔斯·玻尔,生于丹麦哥本哈根的一个富裕知识分子家庭,父亲是哥本哈根大学生理学教授.1903年进入哥本哈根大学数学和自然科学系,大学二年级时他热中于研究水的表面张力问题,并在丹麦皇家科学院的有奖征文中容获金质奖章,1909年获硕士学位,1911年以论文《金属电子论的研究》获博士学位.1913年提出著名的玻尔原子理论.1916年任哥本哈根大学教授,1921年起一直领导着该校为他建立的理论物理研究所,直到去世.玻尔于1916年、1927年分别提出对应原理和互补原理,1936年提出原子核的液滴核模型,1939年创立核裂变理论,预言铀的自身裂变.曾参加第一颗原子弹的制造.1922年因对原子结构和原子辐射的研究而获得诺贝尔物理学奖.
玻尔的氢原子理论二.玻尔的氢原子理论2.斯塔克的启示：1913年2月玻尔注意到德国物理学家斯塔克(J.Stark)在《原子动力学原理》一书中的一段话：“一个光谱的全部谱线是由单独一个电子造成的,是在这个电子从一个（几乎）完全分离的状态逐次向势能最小的状态跃迁过程中辐射出来的.”他将这一电子跃迁思想和光谱线联系到一起,这样,玻尔突然领悟到,他可以用这一理论解释巴尔末公式了.玻尔曾说过：“我一看到巴尔末公式,整个情形就一下子弄清楚了.”1.汉森的拜访：1912年7月回到哥本哈根,1913年初,玻尔的好友、光谱学家汉森(H.M.Hansen)在拜访玻尔时问到原子结构和光谱学中的谱线有什么关系？并向玻尔详细介绍了巴尔末的发现,以及谁也无法对巴尔末公式作出解释.3.跃迁理论的提出：1913年3月、6月、9月,分别写出了《原子构造和分子构造（1）（2）（3）》三篇论文（人称“三部曲”）,提出了定态跃迁的原子模型.
1.匹克林谱线的观测：1896-1897年间,美国天文学家匹克林(E.C.Pickering)在船舻座ξ星的光谱中发现一个很象巴尔末系的线系,这个线系中每隔一条谱线和巴尔末系的谱线重合.里德伯得出这个线系符合带有半整数的巴尔末频率公式.玻尔指出,皮克林系的频率公式中不应包含有半整数,而应都取整数,只是其里德伯常数为氢的4倍,并认为这些谱线是电离了的氦原子发射的.1913年给卢瑟福去信,请求他要求光谱学家否勒(A.Fowler)检验这种氦假说.由于否勒不太相信这种说法,卢瑟福就请伊万斯作这一实验,伊万斯在一个玻璃管中充入极纯的氦气,得到了匹克林谱线.否勒又提出,就这些谱线而言,其里德伯常数并不精确等于氢的4倍.玻尔回答说,这个微小的差别产生于氦原子核的不可忽略的运动.三玻尔理论的验证：
2.玻尔预言的氢光谱的其它线系的陆续发现.3.夫兰克-赫兹实验:J.夫兰克和G.赫兹通过碰撞测出原子的“电离能”,玻尔指出这是原子的“激发能”,由此可以肯定地证明原子定态的存在.从而验证了玻尔理论的正确性.四.玻尔理论的历史地位和缺陷1.玻尔理论的历史地位解决了原子的稳定性问题,揭示了光谱规律与原子结构的本质联系,波尔理论标志着量子论的最后形成.2.波尔理论存在的缺陷：①它只能解释氢光谱和类氢光谱,对于稍复杂一些的原子 光谱,如氢光谱的精细结构,无法解释；②不能计算谱线强度；③玻尔理论是经典与量子理论的混合物,存在着内在的不 协调,内在的矛盾.
1.塞曼效应和反常塞曼效应1896年,荷兰物理学家塞曼按照他的老师洛伦兹的建议,研究磁场对光源的影响.发现在磁场中发射光谱的每条谱线都会发生分裂,当磁场方向和光路垂直时分裂为三条,一致时分裂为两条-----称为塞曼效应.之后不久人们又发现了反常塞曼效应：分裂成三条以上.但反常塞曼效应却始终没能从理论上给予解释.§5电子自旋的提出1916年索末菲和德拜分别发表文章解释了正常塞曼效应.
2.电子自旋概念的提出①克罗尼格(R.L.Kronig,美国)：首先提出电子自旋假设,并进行了初步计算,结果和用相对论推出的结论完全相符.于是去找泡利讨论,但却遭到了泡利的反对.因为泡利早就考虑过这一模型,但由于电子的表面速度有可能超过光速,违背了相对论.于是克罗尼格就放弃了这一研究和想法.②乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck)和古兹密特(S.A.Goudsmit)：半年以后,在不了解克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法.在导师埃伦费斯特的支持下,写了一篇只有一页的短文,并由埃伦费斯特推荐给《自然》杂志.后来他们又去找洛伦兹请教.结果洛伦兹经思考后再见他们时,却给了他们一叠稿纸,并告诉他们,如果电子绕自身轴旋转,其表面速度将达到光速的十倍.但因为论文已寄走,并可能要发表了.乌伦贝壳和古兹密特感到十分懊丧.③海森堡慧眼识珠：海森堡看到乌伦贝壳和古兹密特的论文后,立刻去信表示赞许,并认为可利用自旋-轨道耦合作用,解决泡利理论中所谓“二重线”的问题.
量子力学的发展线索与代表人物一.德布罗意波的提出二.波动力学的创立三.矩阵力学的建立四.玻尔与爱因斯坦的争论§6.量子理论的发展
1.线索:量子力学德布罗意薛定谔薛定谔波动方程海森堡波恩,提出矩阵力学量子理论的发展量子力学的发展线索与代表人物
2.代表人物:量子理论的发展泡利像玻尔和泡利
量子理论的发展玻尔索末菲
量子理论的发展泡利海森堡玻尔
G·P·汤姆逊戴维森量子理论的发展
量子理论的发展1.德布罗意(LouisVictordeBroglie,1892～1989)：法国物理学家.1910年获巴黎大学文学学士学位,1913年获理学硕士学位.第一次世界大战后,拜朗之万为师,研究与量子有关的理论物理问题,攻读博士学位.1923年9～10月间,连续在《法国科学院通报》上发表三篇短文：《辐射─波和量子》、《光学─光量子、衍射和干涉》、《物理学─量子、气体动理论及费马原理》,在1924年通过的博士论文《量子论研究》中提出了德布罗意波理论.1929年获诺贝尔物理学奖,成为第一个以学位论文获得诺贝尔奖金的学者.1932年任巴黎大学物理教授,1933年被选为法国科学院院士.1942年任该院常任秘书,1962年退休,1987年3月去世,享年95岁.主要著作有：《波动力学导论》,《物质和光：新物理学》,《物理学中的革命》,《海森伯不确定关系和波动力学的概率诠释》等.一德布罗意波的提出
2.思维过程：德布罗意在获得诺贝尔奖的演讲《电子的波动性》中说：人们无法理解,为什么对于光来说,需要两种相互矛盾的学说,即波动说和微粒说.为什么原子中的电子只有可能进行某些运动,而按经典概念它应当有无穷多的运动.……当我开始思考这些困难时,主要有两个问题吸引着我.第一个问题是,不能认为光量子理论是令人满意的,因为它是用ω=hν这个关系式来确定光微粒的能量,其中包含着频率ν.可是纯粹的粒子理论不包含任何定义频率的因素.对于光来说,单是这个理由就需要同时引进粒子的概念和周期的概念.另一个问题是,确定原子中电子的稳定运动涉及到整数,而至今物理学中涉及整数的只有干涉现象和本征振动现象.这使我想到,不能用简单的微粒来描述电子本身,而应当赋予它们以周期的概念.于是我得出指导我进行研究的全部概念,对于物质和辐射,尤其是光,需要同时引进微粒概念和波动概念.
3.物质波假设的提出1924年,德布罗意在博士论文中提出物质波概念.德布罗意在论文中提出如下预言：“从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象,这或许就是人们能借以寻找关于我们的想法的实验证据的方向.”①他曾向道维耶先生提过建议,请他用电子进行实验以获得衍射和干涉现象,但道维耶正忙于其他工作,没有按照他的建议去做；②德布罗意的导师也认为他的思想大胆的近乎荒唐,不知该如何评价他论文,于是将论文的副本寄给了爱因斯坦,爱因斯坦认为德布罗意理论体现了光子和物质微粒之间的对称性,并称赞德布罗意“已揭开了巨大帷幕的一角”.
4.德布罗意波的实验验证X射线照在晶体上可以产生衍射,如果物质波理论正确,那么电子打在晶体上也能观察电子衍射.(1)戴维孙-革末实验---单晶体电子衍射1927年,在一个偶然机会,做电子束在镍单晶体表面散射实验时,观察到了和X射线在晶体表面衍射相类似的衍射现象,从而证实了电子具有波动性.(2)G.P.汤姆逊实验---多晶体电子衍射1927年G.P.汤姆逊也独立完成了电子衍射实验.但他是在德布罗意理论启发下自觉进行实验的.他采用了高能电子束穿过细晶体粉末或薄金属片做透射实验,很快得到了衍射环,并计算出了相应的波长.G.P.汤姆逊与C.J.戴维森共获1937年诺贝尔物理学奖.
1.薛定谔简介(E．SchrÖdinger,1887～1961)奥地利理论物理学家,波动力学的创始人.1887年生于维也纳.1906年入维也纳大学物理系学习,1910年获得博士学位.毕业后,在维也纳大学第二物理研究所工作.1920年移居耶拿,担任维恩的物理实验室助手.1921年,薛定谔受聘到瑞士苏黎士大学任数学物理学教授.1927年接替普朗克任柏林大学理论物理学教授.同年当选为普鲁士科学院院士.1933年受德国纳粹党徒的迫害,离开苏黎士到英国任牛津大学任物理学教授.同年和狄拉克一起荣获诺贝尔物理学奖.1936年回到奥地利,1938年奥地利沦陷,逃往爱尔兰的都柏林,在都柏林高级研究所,成为理论物理学的领军科学家.1956年,回到奥地利,成为维也纳大学物理系的名誉教授.奥地利政府设立了以他的名字命名的国家奖金.1961年在奥地利的阿尔卑巴赫山村病逝.量子理论的发展二.波动力学的建立
2.与爱因斯坦的讨论1925年前后,爱因斯坦正在研究气体理论,发表了《单原子理想气体的量子理论Ⅰ和Ⅱ》.薛定谔当时也在研究气体理论,他对爱因斯坦的论文很不理解,认为有错,于1925年2月5日写信给爱因斯坦进行讨论.爱因斯坦在回信中建议他仔细研究德布罗意的博士论文,这促使了薛定谔对德布罗意物质波思想的极大关注,并迅速掌握了德布罗意的新思想.到薛定谔发表波动力学之前,薛定谔与爱因斯坦之间共同通了九封信.3.德布罗意思想的影响1925年,著名物理学家德拜主持了一个学术讨论会,指定由薛定谔报告德布罗意理论.当薛定谔介绍完之后,德拜评论说,“讨论波动而没有一个波动方程,太幼稚了”.这次讨论会,实际上就是薛定谔事业的开端.1926年上半年,薛定谔以《作为本征值问题的量子化》为总题目,连续发表了六篇论文,建立了波动方程,创立了波动力学体系.
1.海森堡的贡献德国物理学家,1920年进入慕尼黑大学物理系,师从索末菲攻读理论物理学.1923年考取博士,先后跟随玻恩和玻尔学习,并在他们的指导下,研究量子伦.海森堡曾经说过：“在索莫菲那里学了物理,玻恩那里学了数学,玻尔那里学了哲学.”海森堡1925年7月创建矩阵力学,1927年提出测不准关系,同年任莱比锡大学理论物理学教授,1941年任柏林大学物理学教授和威廉皇家物理研究所所长.因创立量子力学获1932年诺贝尔物理学奖,1976年在慕尼黑的家中去世.三.矩阵力学的创立在矩阵力学的建立中,海森堡于1925年首先取得突破性成果,后来由海森堡、波恩和约当三人共同完成.
海森堡认为,理论必须建立在实验中可观察量的基础上,他“相信应该不考虑原子里有电子轨道的问题,而应该只用和谱线强度相联系的频率和振幅来处理…….”1925年7月,海森堡写了《关于运动学和力学关系的量子论新释》,在文中,他按照经典力学中用振幅和频率表示坐标的方法,得出量子论的x表达式：海森堡的数学方法,当时对大多数物理学家并不熟悉,波恩经过几天的思考后,这就是70年前被创立的矩阵演算,所以海森堡的理论就被称为“矩阵力学”.
2.玻恩的工作随即波恩运用海森堡的矩阵方法为海森堡的理论建立严密的数学基础,当时海森堡已去英国剑桥访问,玻恩找了年轻数学家约当作助手,于同年9月发表《关于量子力学Ⅰ》.1925年11月,海森堡、玻恩和约当合作完成了论文《关于量子力学Ⅱ》.论文中,他们将结果推广到多自由度和有简并的情况,系统的论述了本征值问题,建立了定态微扰和含时间微扰的基础,讨论了角动量、谱线强度和选择定则,奠定了以矩阵形式表示的量子力学的基础理论.3.波动力学和矩阵力学的等价性1926年4月发表了《关于海森堡-玻恩-约当的量子力学与我的波动力学之间的关系》,从数学上证明了两种理论的等价性.后来,把矩阵力学和波动力学合在一起,统称为量子力学.
四.玻尔与爱因斯坦的争论：量子力学建立以后,对于量子力学的物理解释和哲学意义,一直存在着严重的分歧和激烈的争论.许多著名物理学家、哲学家、实验物理学家、数学家等都卷入了这场争论.争论之深刻、广泛,在科学史上是罕见的.在这其中,以玻尔和爱因斯坦之间的争论最为引人注目.
①波函数的几率诠释：在微观领域里,力学的因果律和决定论都遭到了破坏.在相同的实验条件下,可以发生各种不可预测个体量子过程,每次测量都会由于观测仪器与客体之间不可控制的相互作用而引进新的实验条件,使通常情况下的因果链被打断.所以在量子力学中,人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论,而把几率性看成是本质的.1921年玻尔在丹麦哥本哈根创建了理论物理研究所(1965年改名为玻尔研究所).并很快成为当时国际上公认的物理研究中心.逐渐形成了以玻尔为核心、以哥本哈根的名字命名的学派.对量子力学的创立和发展做出了杰出贡献,代表人物有玻尔、海森堡、泡利和玻恩等.海森堡的“测不准关系”和玻尔的“互补原理”构成了哥本哈根学派诠释量子力学的两大主要支柱.1927年后,逐渐为大多数物理学家所接受.因此被人们称为量子力学的“正统”解释.1.量子力学的哥本哈根学派的诠释：
②测不准关系：1927年,海森堡在论文《量子论中运动学和动力学的可观测内容》中,提出了著名的“测不准原理”.为了说明他的测不准原理,海森堡设计了一个理想实验：用一个γ射线显微镜观测一个电子.由于显微镜的分辨率受光波波长的限制,为了精确确定电子的位置,应该使用波长短的光,而波长越短,光子的动量越大,根据康普顿散射,引起电子动量的变化就越大.因此电子的位置愈准确,就愈难确定电子的动量.反之亦然.③互补原理：微观粒子具有波粒二相性,是用经典语言描述微观客体的结果,但经典理论中波和粒子这两种图象却不能同时存在,它们是相互排斥的,并且,无论是那一种图象都不能向我们提供微观客体的完整描述；只有把这两种图象结合起来、相互补充,才能提供微观客体的完整描述.这就是玻尔的互补原理.这种互补概念适用与整个物理学,甚至成为一种哲学原理.
以爱因斯坦为首的另一部分物理学家,如薛定谔、德布罗意等对哥本哈根学派的观点提出了质疑.主要表现在两方面：①因果性还是几率波？②量子力学仅可建立在可观察量的基础上？2.爱因斯坦的观点
①序幕：1926年9月,薛定谔应玻尔的邀请,到哥本哈根介绍他的波动力学.在结束时,薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念,而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为.即以传统的连续性观念,代替量子力学理论中的间断性观念.薛定谔的这一想法一提出来,立即遭到玻尔的强烈反对.这一争论可以看做是爱因斯坦和玻尔争论的序幕.②玻尔的互补原理：1927年9月,在意大利科摩召开的一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会上,玻尔第一次提出了“互补原理”.这篇演说不仅用物理学语言,而且还用了大量的哲学语言.这使科学家们感到震惊.薛定谔和老厄不赞成玻尔的观点,尤其是不同意把物理学建立在测不准关系或其他不确定的统计解释上.3.论战的爆发：
③论战开始：几个星期后,1927年10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议.会议主题是“电子和光子”.在玻恩和海森堡做关于矩阵力学的报告时指出：“我们主张量子力学是一种完备的理论,它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的.”这番话无疑是向不同意见提出了挑战.接着玻尔阐述了他的“互补原理”,重复了他在科摩会议上的观点.由于爱因斯坦一直对量子力学的统计解释感到不满,他曾在1926年12月给玻恩写信时说：“上帝不是在掷骰子”,当玻恩问到爱因斯坦的意见时,爱因斯坦表示赞同量子力学的系综几率解释,但不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点.（爱因斯坦对测不准关系和量子力学的几率解释极为不满,认为这是由于量子力学主要的描述方式不完备造成的,所以只能得出不确定的结果.）爱因斯坦的发言掀起了波浪,也从此引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论.④爱因斯坦的单缝衍射实验（略）⑤双缝干涉实验（略）
4.争论的高潮在1930年10月召开的第六届索尔维会议上,爱因斯坦与玻尔的争论达到一个高潮.会议主题是“物质的磁性”,不过关于量子力学的讨论却成了实际上的主要内容.起因是爱因斯坦提出了一个新的理想实验,试图从能量和时间这一对共轭变量的测量来否定测不准关系.①“光子箱”实验：如图示.一个光子箱悬挂在上底座上,不消耗辐射能.箱壁上开一小孔C,并设有用计时装置控制的快门.箱子下面挂一重物G,整个箱子重量可由装在箱子外面的指针测定.在从快门打开到闭合的时间Δt里,只让一个光子飞出；Δt可通过计时装置精确测定；由于飞出一个光子而引起的整个箱子的质量改变Δm也可精确测定,由质能关系式即可计算出能量的变化ΔE.这样Δt和ΔE就可同时精确测定.测不准关系不再成立.
玻尔指出,如果光子箱的重量是用弹簧秤来测量的,那么当光子飞出去而引起箱子的重量发生变化时,箱子必将沿重力方向发生运动.箱子内的钟的快慢也将因广义相对论的红移效应而发生改变,从而使时间的测量产生一个不确定量.玻尔由此得出结论：用这种仪器作为精确测定光子能量的工具,将不能控制光子逸出的时间.爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验,不但没有难倒玻尔,反而成了测不准原理的一个绝好例证.爱因斯坦不得不承认玻尔的结论无可指责.②“EPR佯谬”：第六届索尔维会议之后,爱因斯坦承认了海森堡的测不准原理和量子力学理论在逻辑上的自恰性,但是仍坚持认为量子力学是不完备的.1935年5月爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基(B.E.Podolsky)、罗森(N.Rosen)合作发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》,对量子力学完备性提出了有力的反驳,即“EPR佯谬”.
5.没有结尾的尾声由于二次世界大战,争论平息了一个时期.这是一场真正的科学论战.爱因斯坦完全承认,统计性的量子理论为理论物理学带来了极其重大的进展；这个理论也是迄今为止唯一能把二相性以逻辑上令人满意的方式统一起来的理论.玻尔更是这样,据他的助手回忆,在每一个重大问题上,玻尔习惯上总是先考虑爱因斯坦是怎样想的；1962年11月18日玻尔逝世时,人们在他工作室的黑板上发现了两张草图,其中之一就是爱因斯坦的光子箱.
6.意义爱因斯坦和玻尔的争论,使量子力学的意义不断得到澄清,一步步逐渐深入的揭示了量子力学的本质含义.这场争论也是量子力学发展的一个组成部分.这个争论的一个中心论题是：科学规律本质上是因果性的,还是概率性的？量子力学表明,微观物理实在既不是波也不是粒子,真正的实在是量子态.真实状态分解为隐态和显态,是由于测量所造成的,在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义.微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上.量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的.
玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物理学家.
一人工核反应的实现及质子的发现（略）二中子的发现（略）三人工放射性的发现（略）四慢中子效应和核裂变的发现（略）五正电子的发现（略）六中微子的发现（略）七介子理论的建立（略）八奇异粒子的研究（略）九粒子的分类十强子结构和夸克理论第十章原子核及粒子物理学的兴起
九基本粒子的分类现在公认的科学分类方法是按粒子参与相互作用的类型来分.粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用.①轻子：主要参与弱作用,带电的轻子也参与电磁作用,自旋都是1/2,所以是费米子；轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭.电子等6种是轻子,加上它们的反粒子,轻子共12种.②强子：直接参与强相互作用的粒子统称为强子,强子也参与弱作用,带电强子也参与电磁相互作用.强子又分为介子和重子两类：自旋为整数或零的称为介子,如π、K、Η等；自旋为半整数的称为重子,如p、n、Σ、Λ、Ξ等；③规范玻色子：是传递各种相互作用的中介者,它们是传递电磁作用的光子；传递弱作用的W±、Z0,传递强作用的胶子.胶子至今未发现.规范玻色子都是玻色子.
十强子结构1964年盖尔曼提出强子结构的“夸克”模型：他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子,所有强子都是由三种夸克（上夸克(u)、下夸克(d)、奇异夸克(s)）和它们的反粒子组成.夸克性质：①夸克必须是费米子.②夸克具有分数电荷.③夸克带有色荷：红色(R)、黄色(Y)、绿色(G).这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度.标准模型：中子由2个下夸克和1个上夸克构成,写作(udd)；质子则由2上夸克和1下夸克构成,记为(uud).在强子内部,夸克通过胶子传递强相互作用.胶子带有色荷,彼此有相互作用,可以形成胶子-胶子束缚态（即胶球）.
夸克囚禁核子在原子核内是通过核力约束的,而核力对核子的约束是有限的,在外界作用下,如放射性元素,核子脱离原子核并不是非常困难.夸克在强子内的约束力是“色力”,但色力却使夸克不可跨越.从实验情况看,人们从未发现单个自由的夸克,只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态.通常情况下,夸克总是被约束在质子和中子内部.夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的.这种现象称作“夸克囚禁”.但粒子加速器上的实验,却显示质子中的夸克粒子间,好像并没有相互作用力.“弦”模型：1968年,意大利的维尼基亚诺(Vineziano)找到了一个与量子场论无关的函数.用这个函数描述粒子的性质,粒子将等效成一根一维弦.
“渐近自由”理论：1973年,正在普林斯顿大学攻读博士学位的维尔切克和其导师格罗斯共同发表了一篇论文,提出强作用理论中的“渐近自由”理论.同年,正在哈佛大学攻读博士学位的波利策也独立发表的一篇论文,提出了同样的理论.“渐近自由”理论,用数学模型解释了夸克的上述神秘行为.理论认为,强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大,因此没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由.这些夸克会永久地被结合在一起,因此不可能找到单个的夸克.同样根据“渐近自由”理论,强作用力会随夸克间距离变小而减弱,这就意味着约束在质子等内部的夸克,在彼此距离足够小时,将近乎自由地进行运动.这个发现导致了“量子色动力学”(QCD)的诞生,这是一个关于强相互作用的理论.
美国加州理工学院的许瓦兹(J.G.Schwarz)和舍科(Sherk).从1979年起,共同致力于弦理论研究.在这个“弦”模型中,介子中的正反夸克就象系于一根“弦”的两端.重子中的三个夸克则由三个“弦”连系着.这样,夸克间的距离越远,弦的张力就越大,即色力随着距离的增大而增大,因此夸克不可能挣脱“弦”的作用而变为“自由夸克”.夸克只能在“弦”的控制下,在距离较近时,获得“渐进自由”.弦有开弦和闭弦两种,弦的线度为普朗克长度.单弦的每一振动模式,都对应一种粒子,粒子间的基本相互作用就是弦的分裂和接合.这三位美国科学家戴维•格罗斯、戴维•波利策和弗兰克•维尔切克,因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象,荣获2004年度诺贝尔物理学奖.
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