物理学发展的三个时期

物理学发展的三个时期：①古代：（16世纪以前）②近代：（16——19世纪）③现代：（20世纪）古代物理学内容的主要特点：•属于现象描述性质的。如：中国古代《墨经》中所记载的大量的物理知识；•属于经验总结性的。如：阿基米德的浮力定律、古代东西方各国的天文历法等；•即使有理论形式，但绝大部分是从属于思辩性的自然哲学。如：希腊的原子论和四元说，中国的阴阳五行说，是猜测和臆想，不是严密的科学理论。古代物理学形式的主要特点：•是直觉的——缺乏深入、缜密的分析和严密的逻辑推理。•是零散的——以一个比较孤立的发现、发明、论断、定律的形式出现，彼此缺少必然的联系，未成体系。古代物理学基本上处于现象的描述、经验的总结和猜测性的思辩阶段，主要是以直觉的和零散的形式出现。近代物理学本身的特点：•强调系统的，有目的的实验，而不是简单地对自然现象的观察。•以实验（包括观察）事实为根据，进行缜密的分析和推理，而不是凭猜测和臆想。•从经验定律上升为系统的理论，在各个领域中逐步建立起严密的科学系统。•广泛应用数学方法，使知识日益精密化。近代物理学是把系统的观察和实验同严密的逻辑体系结合起来，形成以实验事实为根据的系统的科学理论。第二章经典力学的建立和发展经典力学热力学统计物理学电动力学光的电磁理论经典物理学•力学现象比较常见，较早形成各种概念。比如力的概念、杠杠平衡等；•在天体运动中，可以忽略摩擦力和空气阻力的影响，因此可掌握精确的数据资料，有利于获得规律性的认识。§2.1经典力学的建立•在太阳系中，只有太阳这一个恒星，其质量占绝对统治地位（~99.85%）。（谢天谢地）自然科学的建立为什么从经典力学开始？古代人们对宇宙天体结构认识的两种不同见解：•地球是宇宙的中心•地球不是宇宙的中心早期，“地心说”的代表人物是：数学家欧多克索斯（Eudoxus,B.C.408-355）哲学家亚里斯多德（Aristotle,B.C.384-322)雅典阶段：一、天文学的演化：地心说与日心说柏拉图时期，希腊数理天文学确立的宇宙论：•宇宙是一个球形（层层相套的诸天球组合）•诸天体均镶嵌在各自的天球上随天球运动•天球的运动是均匀的圆周运动•大地是一个球形•地球绝对静止•地球居于宇宙的几何中心从地球上看到火星相对恒星的运动希腊数理天文学的基本任务：通过天球（匀速的）运动的组合来模拟和再现观测到的不规则行星运动（逆行、运行速度的变化以及亮度的变化）。•数学家阿波罗尼乌斯（Apollonius,B.C.247-205）提出“本轮（epicycle）”、“均轮（deferent）”理论，解释天文观察中发现的“行星逆行和停留的现象”。•天文学家希帕克提出“偏心圆”概念，解释太阳周年运动的不均匀性。•托勒密提出Equant的概念。公元二世纪亚历山大城的托勒密集大成，提出了历史上著名的“托勒密地心说”，使古代天文学的发展达到了高峰。他写下的一部十三卷巨著《天文集》被看作古代天文学的百科全书。托勒密（Ptolemy,A.D.90-168）宇宙有“九重天”，这是九个运转着的同心的晶莹球壳。最底的一重天是月亮天，其次是水星天和金星天；太阳居于第四重天球上，它是宇宙的主宰，世界的灵魂，它以巨大的光辉照亮宇宙；第五到第七重天依次是火星天、木星天和土星天；第八重是恒星天，全部恒星象宝石一般镶嵌在这层天上；在恒星天上，还有一重最高天，即“原动天”，那里是神灵居住的天堂。地球坐落在宇宙中心。行星沿“本轮”的小圆回转，而本轮的中心又循着以地球为中心的均轮运行。托勒密的宇宙结构托勒密有两个重要的功绩：•把古代的“地心”思想发展成为系统的地心说；•运用模型方法，成功地解释了他的宇宙理论。托勒密理论的两个致命弱点：•认为地球是静止不动的宇宙中心；•认为正圆运动是天体最完美的运动。哥白尼（Copernicus,1473-1543）是波兰人的后裔，出生在靠近波兰国界的普鲁士的托恩（Thorn）。他从事于三重职业达十三年之久：履行教会职务、行医和研究天文学。哥白尼对托勒密模型的主要怀疑：•预告有时不准确，比如1504年木星和土星相会的日期差了十天；•对几个行星的描述太过繁琐和牵强，尤其是托勒密的Equant装置，不符合毕达哥拉斯学派“宇宙是和谐的”基本思想；•如果把太阳作为中心，一切变得简单、清晰。哥白尼的基本观点是：㈠太阳是宇宙的中心，行星围绕着太阳运转；㈡地球作为一颗行星绕着太阳运转，它本身还在自转；㈢月亮是地球的卫星，地球带着月亮一起绕太阳运转；㈣行星在太阳系中排列的秩序是：离太阳最远的是土星（30年绕太阳一周）；其次是木星（12年一周）；然后是火星（2年一周）；第四是地球和月亮（1年一周）；第五是金星（9个月一周）；离太阳最近的是水星（80天一周）。恒星在远离太阳的一个天球面上静止不动。自然科学借以宣布其独立并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行动，便是哥白尼那本不朽著作的出版，他用这本书（虽然是胆怯地而且可说是只在临终时）来向自然事物方面的教会权威挑战，从此自然科学便开始从神学中解放出来。————恩格斯与托勒密体系相比，哥白尼体系具有的明显优点简单和谐哥白尼花了20多年，使他的模型达到了与托勒密模型相当的精度。布鲁诺（GiordanoBtuno，1548-1600），意大利哲学家和思想家。布鲁诺的主要著作有《论无限宇宙和世界》，书中捍卫哥白尼的日心说，并明确指出：“宇宙是无限大的”，“宇宙不仅是无限的，而且是物质的”。还著有《诺亚方舟》，抨击死抱《圣经》的学者。布鲁诺的殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验1600年，开普勒当了第谷的助手——科学史上一件美妙结合的范例。第谷（Tycho，1546--1601）是一个实干家，他几十年如一日，精确地观测和记录了行星的位置和运动情况。提高观测精度，发现地心说和日心说都有缺陷。二、开普勒定律1601年，第谷去世，全部天文观测资料都留给了开普勒——开普勒的理论创造工作就有了坚实的基础。开普勒行星运动定律：第一定律：行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于椭圆的一个焦点上。第二定律：行星和太阳之间的连线在相等时间内扫过的椭圆面积相等。第三定律：行星绕日一周所需要时间的平方，与其绕太阳轨道的半长轴的立方成正比。32312221RRTT椭圆绘制•从开普勒开始，天文学真正成为一门精确科学，从而成为近代科学的开路先锋。•开普勒定律强烈暗示了太阳对行星有一种吸引力，这个力随距离增大而减弱。T20.0580.37813.54140.7867.7D30.057960.377913.54140.85867.85水星金星地球火星木星土星T0.2410.61511.88111.86229.457D0.3870.72311.5245.2039.539爱因斯坦：开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从经验得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。结论：科学的发现必须是“观察实验”和“抽象思维的理论创造”两者结合的产物。三、伽利略的贡献---近代物理学奠基者之一伽利略（Galilei,1564-1642）于1564年2月15日出生在意大利的比萨城。1609年，伽利略自制了放大30倍的天文望远镜。通过观察，①发现月球表面并非完美无缺，而是有大山和平原，有类似火山口的环形山，与地球表面结构相同；②发现了木星的卫星；③发现了太阳的黑子及其移动的变化，证明了太阳的自转；④发现了银河是由无数星星组成，揭开了这个千古哑迷。人们传诵着：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。古代物理学的形式是属于经验总结性的，对事物的认识主要是凭直觉的观察、凭猜测和臆想，因此往往得到错误的结论。古代的哲学家亚里斯多德凭直接的经验和猜测：“物体自由下落的速度正比于物体的重量”。落体的加速度与其重量无关！落体实验的思想实验：设：重物下落时间为t1轻物下落时间为t2亚里斯多德认为：t2t1把两物体捆绑在一起呢？按亚里斯多德的观点会有两种答案：①重物带动轻物下落得快，轻物影响重物落得慢:t1tt2②两个物体作为整体，重于单个物体:tt1tt2矛盾！亚里斯多德的观点：地球上所有的东西都由四种元素------土、水、气、火构成，这四种元素都力图达到不同的自然位置，所以就产生了自然运动。试用亚里斯多德理论解释：当人们肺里充满了空气时能更好地浮在水中；充气的气球加热时上升。月亮、太阳、星星和恒星是由地球上找不到的元素------以太构成。伽利略做了历史时上有名的“斜面实验”实验一：v实验二：伽利略把实验和逻辑推理和谐地结合在一起，构成了一套完整的科学研究方法。爱因斯坦说：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”亚里斯多德的观点：物体必须强迫才会做与其自然运动完全不同的运动。以太没有重量，它的自然运动是环绕地球的完美的圆周运动。对现象的一般观察提出假设进行数学和逻辑的推理实验检验形成理论伽利略的科学研究方法：爱因斯坦：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端第一次作业：1、古希腊人是如何解释行星的逆行？其建立的行星模型有何优点？2、哥白尼理论如何解释行星的逆行？试给出图示。3、滚动的小球，很快它就停下来了，亚里斯多德对此如何解释？伽里略又怎样解释?