科学技术史第十六章经典物理学大厦的完成(课堂讲义)

科学技术史（第十六章：经典物理学大厦的完成）课堂讲义XXX-1-第十六章经典物理学大厦的完成大家好，现在到我和千冬艳为大家讲解科学技术史，第十六章经典物理学大厦的完成。课前导入♥大家知道高中物理课本双缝干涉实验的鼻祖是谁吗？答曰：托马斯·杨。♥知道是谁最早试图测量光速的吗？答曰：伽利略。♥热力学经典两大定律又是怎么来的呢？♥静电到动电究竟经过了怎样的推进？♥生活中每天打交道的力、热、电、磁、光这些物理现象早在19世纪就得出了相应的规律和理论阐释，想知道这些规律究竟是怎么得出的吗？那么大家就跟着我和千冬艳一起来学习吧！首先由我来带领大家一起学习：第一节经典光学的建立及第二节里的能量转化与守恒定律的确立。余下内容：热力学第二定律的建立以及经典电磁理论的建立将由千冬艳为大家讲解。首先来看第一节：经典光学的建立17世纪→18世纪→19世纪下半叶经典光学建立先后经过了：几何光学的确立→细微流质观点的提出→实现了电、磁、光的统一，这一系列发展使人们对光的认识也达到了一个新的水平。-2-一、波动说的复兴十九世纪最初几年，托马斯·杨在光的波动说方面做出了一系列实验和理论研究。•提出光与声都是波，研究声波叠加现象•明确光波的频率和波长，在《自然哲学和机械工艺讲义》中描述多种光的干涉•提出“干涉”概念双缝干涉实验，明确揭示了光的波动性质•首次实现了可见光波长的测量人物介绍托马斯·杨，英国医生、物理学家。他博学多才，著述涉及医学、物理学、天体力学和机械学等广泛领域。他具有杰出的语言才能，通晓多种外语，是埃及象形文字最早的翻译者之一。他会演奏多种乐器。杨的研究从生理光学现象开始，杨研究过眼睛的构造及其光学性质，他第一个发现眼球在注视距离不同的物体时改变形状，他最早研究了人眼色觉问题。托马斯·杨：（百度百科评价）这是一个将科学和艺术并列研究、对生活充满热望的天才，几乎可以这样说：他生命中的每一天都没有虚度！（天才儿童）1773年6月13日，托马斯·杨出生于英国一个富-3-裕的家庭，正如赵老师以前说过的：研究学者、科学家往往都是家庭条件好的，能够提供这个条件给他去研究。但是他也十分有禀赋！自幼年起就大张旗鼓地显露开来，是个不折不扣的神童。2岁时学会阅读，对书籍表现出强烈的兴趣；4岁能将英国诗人的佳作和拉丁文诗歌背得滚瓜烂熟；不到6岁已经把圣经从头到尾看过两遍，还学会用拉丁文造句；9岁掌握车工工艺，能自己动手制作一些物理仪器，随后学会微积分和制作显微镜与望远镜；14岁之前，他已经掌握10多门语言，不仅能够熟练阅读，还能用这些语言做读书笔记；之后，他又把学习扩大到了东方语言——希伯来语、波斯语、阿拉伯语；他不仅阅读了大量的古典书籍，在中学时期，就已经读完了牛顿的《自然哲学的数学原理》、拉瓦锡的《化学纲要》以及其他一些科学著作，才智超群。在托马斯·杨26岁时，著名的罗塞塔石碑被发现，石碑上刻有三种文字：古埃及象形文、古埃及通俗文字和希腊文，杨是把碑文的译文发表成书的第一人。值得一提的是，尽管父母送他进过不少名校，但杨还是把自学当作最主要的学习手段。杨热爱物理学，在行医之余，他也花了许多时间研究物理。牛顿曾在其《光学》的论著中提出光是由微粒组成的，在之后的近百年时间，人们对光学的认识几乎停滞不前，直到托马斯·杨的诞生，他成为开启光学真理的一把钥匙，为后来的研究者指明了方向。杨爱好乐器，几乎能演奏当时的所有乐器，这种才能与他对声振动的深入研究是分不开的。同时也思考：光会不会也和声音一样，是-4-一种波？杨做了著名的杨氏干涉实验，为光的波动说奠定了基础。然而，这个理论在当时并没有受到应有的重视，还被权威们讥为“荒唐”和“不合逻辑”，这个自牛顿以来在物理光学上最重要的研究成果，就这样被缺乏科学讨论气氛的守旧的舆论压制了近20年。杨并没有向权威低头，而是为此撰写了一篇论文，不过论文无处发表，只好印成小册子，据说发行后“只印出了一本”。杨在论文中勇敢地反击：“尽管我仰慕牛顿的大名，但是我并不因此而认为他是万无一失的。我遗憾地看到，他也会弄错，而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。”除了科学，他还沉浸于艺术，过着多姿多彩的生活：音乐、美术甚至杂技一直滋养着他的生命。他精力旺盛的一生于1829年结束，终年56岁。人们在他的墓碑上刻上这样的文字——“他最先破译了数千年来无人能解读的古埃及象形文字”。主要贡献·杨氏双缝实验，为光的波动说奠定了基础。·杨氏模量：杨对弹性力学也很有研究，后人为了纪念他，把纵向弹性模量称为杨氏模量。·视觉上：他第一个发现眼球在注视距离不同的物体时改变形状。·颜色上：他第一个测量了7种光的波长，最先建立了三原色原理。·医学造诣也很深。·语言上：精通10多种语言。·埃及象形字：他最先破译了数千年来无人能解读的古埃及象形文字。-5-☻马吕思（工程师、物理学家），发现反射光的偏振现象和平面偏振光通过晶体后的光强变化。[☺阿拉果（物理学家），发现色偏振现象。☻菲涅耳（物理学家），完善惠更斯子波概念，提出惠更斯—菲涅尔原理。设计了双光干涉实验，使用半波带法计算计算出圆孔、直边等形状的衍射。成功证明光是沿直线传播。解释了双折射现象。☺菲涅耳与阿拉果合作进行了验证光是横波观点的实验。][]里内容大家了解一下，我想给大家介绍一个人，他给了我很大的启发。阿拉果，他是一个有理想有目标的奋斗青年，当年他立志要当拿破仑军队炮兵军官，决心上综合工科学校，他在15岁时就只身去巴黎自学（托马斯杨也喜欢自学）。两年半内他掌握了考试所需的一切知识（人取得成功不仅需要有天赋，更是需要有理想，有目标，如此便有了奋斗的方向，便可以少走很多弯路）。1806年，阿拉果以第一的成绩从综合工科学校毕业。阿拉果是一个十分优秀的人。二、光速测定♥伽利略最早试图测量光速，但没解决这个问题。♥法国物理学家菲索首先在地面测得光速值，315300Km/s♥迈克尔逊测得光速300140Km/s，非常精确，作为国际标准沿用40年之久。-6-“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”——爱因斯坦对伽利略的评价伽利略意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者，被誉为“近代科学之父”“现代观测天文学之父”、“现代物理学之父”、“科学之父”及“现代科学之父”。当时，人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙（新宇宙：望远镜的发明揭开了一个又一个的宇宙秘密）”。今天，史蒂芬·霍金说，“自然科学的诞生要归功于伽利略，他这方面的功劳大概无人能及。”伽利略的优良品质·善于提问，不问个水落石出不罢休。·爱学习，敢于追求自己喜欢的东西（虽然在父亲的要求下学了医学，他不喜欢医学，最终选择学习数学、物理学等自然科学）。·有主见,敢于挑战权威。·热爱思考。人物故事由于是父亲要求他学的医，他的兴趣并不在医学，他孜孜不倦地学习数学、物理学等自然科学，在大学里，他很少上课，一上课就对教授们教课的内容提出这样那样的疑问，使教授们难于回答。他特别热爱读书，但他并不是那种迷信书本的人，那些人们认为是真理的权威结论，在伽利略的脑子里常常带来意想不到的疑问，他-7-以怀疑的眼光看待那些自古以来被人们奉为经典的学说。有一次，伽利略信步来到他熟悉的比萨大教堂，他坐在一张长凳上，目光凝视着那雕刻精美的祭坛和拱形的廊柱，蓦地，教堂大厅中央的巨灯晃动起来，是修理房屋的工人在那里安装吊灯。这本来是件很平常的事，吊灯像钟摆一样晃动，在空中划出看不见的圆弧。可是，伽利略却像触了电一样，目不转睛地跟踪着摆动的吊灯，同时，他用右手按着左腕的脉，计算着吊灯摆动一次脉搏跳动的次数，以此计算吊灯摆动的时间。这样计算的结果，伽利略发现了一个秘密，这就是吊灯摆一次的时间，不管圆弧大小，总是一样的。一开始，吊灯摆得很厉害，渐渐地，它慢了下来，可是，每摆动一次，脉搏跳动的次数是一样的。伽利略的脑子里翻腾开了，他想，书本上明明写着这样的结论，摆经过一个短弧要比经过长弧快些，这是古希腊哲学家亚里士多德的说法，谁也没有怀疑过。难道是自己的眼睛出了毛病，还是怎么回事。伽利略像发了狂似的跑回大学宿舍，关起门来重复做这个试验。最后，伽利略不得不大胆地得出这样的结论：亚里士多德的结论是错误的，决定摆动周期的，是绳子的长度，和它末端的物体重量没有关系。而且，相同长度的摆绳，振动的周期是一样的。这就是伽利略发现的摆的运动规律。自己实验得出结论伽利略不用说多么高兴了。可是在当时，有谁会相信一个医科大学生的科学发现，何况他的结论是否定了大名鼎鼎-8-的亚里士多德的权威说法。恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”由于不好好学医，家里经济不景气，父亲要求伽利略回家做店员，没有起码的学习条件，也没有老师可以求教，他就想方设法找到一些自然科学的书籍，以顽强的毅力刻苦自学。（托马斯杨也喜欢自学）随后，便有了举世闻名的落体实验，大家发现没？伽利略特别喜欢动手实验！1642年1月8日，凌晨4时，为科学、为真理奋斗一生的战士，科学巨人——伽利略离开了人世，享年78岁。在他离开人世的前夕，他还重复着这样一句话：“追求科学需要特殊的勇气。”人物名言·“追求科学，需要有特殊的勇敢，思考是人类最大的快乐。”·“生命犹如铁砧，愈被敲打，愈能发出火花。”·“你无法教别人任何东西，你只能帮助别人发现一些东西。”·“科学不是一个人的事业”“真理不在蒙满灰尘的权威著作中，而是在宇宙、自然界这部伟大的无字书中。”·“世界是一本以数学语言写成的书。”·“一切推理都必须从观察与实验中得来。”·“与其夸大胡说，不如宣布那个聪明的、智巧的、谦逊的警句。”三、光谱研究光谱学的历史：-9-[牛顿色散实验→梅耳维尔发现了纳谱线在内的一些谱线→赫歇尔用谱线检验金属的存在→赫歇尔和李特发现红外线和紫外线→沃拉斯顿观察到太阳光谱的不连续性→夫琅和费发明了衍射光栅→基尔霍夫和本生发明了棱镜光谱仪，建立了光谱分析方法→埃格斯特朗发表了《标准太阳光谱图表》→巴耳末找到了一个简单的氢光谱经验公式→里德堡用波数表示巴耳末公式→里兹提出组合原理，把每条谱线表示成两个谱线的波数差。][]里内容大家了解一下。第二节、热力学的建立从18世纪→19世纪这一个世纪里，由建立系统的计温学和量热学→蒸汽机的广泛使用→发现能量转化与守恒定律，这一发展揭示了物质世界的普遍联系，热力学第二定律进一步显示了自然界过程的方向性。一、能量转化与守恒定律的确立自然科学上的重大发现广泛揭示出自然现象间普遍联系和转化。例如，伏打制成的“伏打电堆”：化学运动向电的转化；伏打电流的电解：电运动向化学运动的转化；塞贝克：实现了热和电的转化；焦耳和楞次：发现了电流转化为热的著名定律；奥斯特：电流磁效应；法拉第：电磁感应现象；…………自然科学上的这类发现，使得欧洲科学界形成了一种思想氛围，-10-以一种联系的观点去观察自然现象。正是在这种情况下，从事七八种专业的十多位科学家，分别通过不同的途径，各自独立的发现了能量守恒原理。在这其中有三位声誉卓越的佼佼者：迈尔、焦耳、亥姆霍兹他们分别从哲学性的理性思维、与机械效率的探讨相联系的物理实验以及在力学基础上进行的理论论证的途径开始思考，为能量守恒定律的建立作出了奠基性的贡献。▲迈尔（首先公开表述了能量转化和守恒的普遍原理）（他对万事总要问个为什么，而且必亲自观察，研究，实验。）发现问题并思考：一日，船队在加尔各达登陆，船员因水土不服都生起病来，于是迈尔依老办法给船员们放血治疗。在德国，医治这种病时只需在病人静脉血管上扎一针，就会放出一股黑红的血来，可是在这里，从静脉里流出的仍然是鲜红的血。于是，迈尔开始思考：人的血液所以是红的是因为里面含有氧，氧在人体内燃烧产生热量，维持人的体温。这里天气炎热，人要维持体温不需要燃烧那么多氧，所以静脉里的血仍然是鲜红的。那么，人身上的热量到底是从哪来的？顶多500克的心脏，它的运动根本无法产生如此多的热，无法光靠它维持人的体温。那体温是靠全身血肉维持的了，而这又靠人吃的食物而来，不论吃肉吃菜，都一定是由植物而来，植物是靠太阳的光热而生长的。太阳的光热呢？太阳如果是一块煤，