物理学史讲座

物理学史讲座——从牛顿到爱因斯坦“自然和自然的法则在黑暗中隐藏；上帝说：让牛顿去吧！于是，一切都已照亮。”——波普（英国诗人）爱因斯坦：“卓别林先生您的艺术全世界的人都能看懂，您一定能成为一位伟大的艺术家。”卓别林：“爱因斯坦先生，您的著作全世界没有几个人能看懂，但您已经成为一位伟大的科学家托勒密地心说体系古希腊人托勒密波兰人哥白尼哥白尼日心说示意图日心说的创立和《天体运行论》的出版约翰开普勒（1571-1630），德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。一、开普勒——天空的立法者一个贫穷而富有的人（1）一个凭借精神克服恶劣家境与病弱身体的人（2）一个被国家饿死的天文学家（3）一个精神上富有的人开普勒行星三定律----中世纪科学与近代科学的分水岭1600年与第谷合作，使他从第谷处获得了大量精确的天文学数据。于1609和1619年，他先后提出了行星运动三定律。第谷在天文台工作第谷用过的望远镜主要贡献1609年，开普勒出版了《新天文学》一书，提出了著名的开普勒第一定律和第二定律。第一定律（轨道定律）：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。开普勒第一定律第二定律（等面积定律）：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。23kTR1619年，开普勒在《宇宙谐和论》一书中又提出了第三定律第三定律（周期定律）：所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，记为：奇妙的“2”和“3”这是一个十分重要的自然定律。不仅行星遵循着它，连同行星的卫星以及太阳周围的其他天体概无例外。从而可以确定，太阳和它周围的所有天体不是偶然的、没有秩序的“乌合之众”，而是一个有严密组织的天体系统——太阳系。行星的复杂运动，立刻就失去全部神秘性。它成了天空世界的“法律”。后世学者尊称开普勒为“天空立法者”。的确，把几千个数据归纳成如此简洁的几句话，这是极为杰出的成就。不过，开普勒并不知道，他所发现的三个定律蕴涵着极其重大的“天机”，那就是万有引力定律。揭示这一自然奥秘的任务是后来牛顿完成的，但开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，他成为近代科学的开路先锋。开普勒伽利略（1564-1642）意大利伟大的物理学家和天文学家，被誉为“近代科学之父”。二、伽利略——经典力学的奠基者伽利略的科学人生（1）学生时期的“兴趣转移”（2）著名的“比萨斜塔实验”（3）从罗马宫廷的座上宾到阶下囚（1）（1609年）自制望远镜（放大1000倍）证明了哥白尼“日心说”的正确性。为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为称为“国际天文年”。（2）发现木星的4颗卫星（3）发现太阳黑子（4）定出太阳自转周期伽利略的折射式望远镜1、伽利略在天文学方面的贡献：2、在力学方面的贡献：（1）确立描述运动的基本特征量——速度和加速度。（2）用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律，v=gt、h=gt2/2。(3)发现惯性定律——隔了一代人，被牛顿总结成动力学的基本定律之一。（4）提出了运动的相对性原理。3、对科学方法的贡献斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。从斜面实验看伽利略的研究方法：伽利略在解释其观察结论对现象的观察提出假设（匀加速运动假设）进行数学和逻辑的推理（x~t2）实验验证形成理论开创了科学实验方法，核心是将实验和逻辑推理（包括数学演算）相结合。提出了理想实验。1632年伽利略出版《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》,被判终身监禁，软禁期间，一直未中断过研究工作，直到逝世前。伽利略受审300年后，即1979年，罗马教皇为伽利略平反。罗马教庭对伽利略的审判爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。”伽利略被后人称为“现代物理之父”。三、牛顿——科学的代言人1、度日艰难的遗腹子2、一位伯乐：牛顿的恩师巴罗3、被迫中断的两年乡村生活4、不朽的著作：《自然哲学的数学原理》牛顿（1643～1727年）英国数学家、天文学家和物理学家。近代科学并不是某个人在某一天创造的。但是如果一定要举出某个人某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿《自然哲学的数学原理》在1687年出版的那一天。—杨振宁1、力学成就之牛顿力学三定律牛顿创建了力学模型，把物体视为质点（理想模型），将模型与数学相结合研究了物体运动规律，使物理学成为定量的学科。模型方法不仅是物理学，而且已成为现代科学研究的基本方法之一。牛顿第一定律：惯性定律——一个不受外力作用的物体将保持它的静止或匀速直线运动状态。这个定律首先归功于伽利略和笛卡儿的贡献，但他们的那个年代还没有力的概念，牛顿的高明之处在于他将物体间复杂多样的相互作用抽象为“力”，于是在隔了一代人以后，牛顿将它作为力学定律提出，并引入“质点”来描述物体惯性的大小。牛顿第三定律：作用力和反作用力定律——两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。2112FF牛顿第二定律：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。用公式便是就是，这是动力学的最基本定律。Fma牛顿力学三定律，为力学奠定了坚实的基础，并对其他学科的发展产生了巨大影响。力学成就之万有引力定律开普勒三定律问世后，人们又关心着一个新的课题：是什么原因使天体具有这样一个和谐的结构？英国的科学家胡克(1635-1703)、哈雷(1656-1742)在引力问题的研究上都作出过重要贡献。1674年，胡克在一次演讲中提出引力随离吸引中心的距离而变化。1680年初，在给牛顿的信中正式提出了引力与距离平方成反比的观点，但他并没有将自己的引力思想如牛顿所作的那样用数学式子表示出来，并用太阳、地球、月亮、行星和地球上物体的运动实例来加以验证。因此，把发现万有引力定律的殊荣让给了牛顿，但胡克的某些想法对牛顿完成万有引力的研究是起着积极的启示作用的。（牛顿没有回信，但事实上采用了胡克的见解）牛顿用微积分导出了万有引力定律表达式。万有引力公式的建立牛顿将第二、第三定律和开普勒定律相结合，建立了万有引力公式221RmmGF其中引力常数G的测定是100多年以后由卡文迪许利用扭秤实验测得。此实验也被评为历史上“最美丽”的十大实验之一。理论预言的实践检验——哈雷彗星和海王星的发现哈雷彗星海王星英国剑桥大学生亚当斯和法国天文学家勒维耶各自独立利用万有引力定律计算出这颗“新”行星的轨道，1846年9月23日晚，德国的加勒在预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来，这颗行星命名为“海王星”。海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”确立了万有引力定律的地位，也成为科学史上的美谈。诺贝尔物理学奖获得者，物理学家冯劳厄说“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国------”时至今日数千颗人造卫星和宇宙飞船，正在按照万有引力定律为它们“设定”的轨道在宇宙中飞行着，以至于阿波罗宇宙飞船从月球返航的途中，当地面控制中心问及“现在是谁在驾驶飞船”时，指令长回答道：“我想现在是牛顿在驾驶。”自古以来当人民仰望星空时，天空中壮丽璀璨的景象便吸引了他们的注意力。牛顿以他过人的才智把空中的现象与地面上的现象统一起来，成功地阐释了天体运动的规律。2．牛顿在科学研究方法上的贡献牛顿在这本书不仅讲了研究的目的，还讲了科学研究方法。即从特殊（现象）到一般（规律），再从一般回到特殊。前者是英国哲学家培根强调的“归纳法”，它以实验为基础；后者是被数学家兼哲学家的笛卡儿所强调的“演绎法”，它要用数学工具。《自然哲学的数学原理》牛顿的研究方法：归纳-演绎法归纳法：从实验出发，由特殊到一般演绎法：以理论为主，由一般到特殊在牛顿前，两种方法被认为是互相排斥的。牛顿在科学方法上的重大贡献就是他把两种方法结合起来了。牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合，模型和数学相结合的科学研究方法，从力学的基本概念和基本定律出发，利用他所发明的微积分这一数学工具，把天体力学和地面上的力学统一起来，创立了经典力学，实现了物理学史上第一次大综合，而且推动了近代科学的大发展。3、成功的原因牛顿取得伟大成就在于时代、勤奋、方法这样三个因素。牛顿所处的时代，伽利略和开普勒已经在地上和天上这两个领域实现了局部的综合，具体地说，没有伽利略的“地上三定律”就没有牛顿的三定律，没有开普勒的“天上三定律”也没有牛顿的万有引力定律。牛顿说，“如果我比别人看得远，那是因为我站在巨人肩上。4、一个真实的牛顿对于前辈科学家的认识也是一个历史发展的过程。历史告诉我们，牛顿以其过人的天才和超越自身时代的发现，改变了人类对世界的认识和理解，并已浸润到当今人类生活的各个方面。牛顿的科学思维是清晰的，牛顿的科学态度是严谨的，牛顿的科学成果是划时代的。所以人们不吝惜将最热情的赞誉给予这位伟大的科学家。他死后，英国为他举行了国丧，他的灵柩被安葬在威斯敏斯特教堂，成为英国的英雄。但是，随着一些尘封已久的资料的公开，人们又不得不相信，这位科学的代言人曾经深陷炼金术的泥沼而不能自拔，并沉溺于宗教狂热之中；他与胡克、莱布尼兹的争斗中凸显了他盛气凌人的霸气和学术道德的缺失。那么，我们今天如何看牛顿？《牛顿传》作者怀特说：“用陆续挖掘出来的材料为牛顿画像，画出来的形象不一定十分美丽，但真实的人生本来如此，并不都是美丽的。我们应该骄傲地接受这样一个人，既接受他独特的才华与天分，也接受他怪异的行径与失败。”是的，牛顿犯过的错误和性格上的弱点也许比人们知道的更多；但也仍是一位无以伦比的巨人！让我们永远记住，人类曾经存在过这样一位伟大的智者，并从他的科学思想和科学成果中获得教学和启迪。牛顿物理学的局限性当物体运动速率很高时（接近光速），当所描写的体系很小时（微观体系），当所描述的物质系统很大，或引力很强时，牛顿的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。（相对论和量子力学）法拉第爱因斯坦：自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯伟在电磁现象的工作所引起的。麦克斯韦四、法拉第——实验大师1、自学成才的科学家2、改变了人类文明（电气时代）3、实验大师、电学之父、交流电之父、发明家法拉第(1791～1867)，英国物理学家、化学家。1、改变人类命运的伟大发现—电磁感应：奥斯特梦圆“电生磁”：法拉第评价说“他突然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”法拉第心系“磁生电”思想：各种自然现象都是相互关联的。根据：磁铁能使临近的铁块感应带磁—磁化。静电荷能使邻近的导体中感应出另一种电荷———静电感应。联想：电与磁的性质是相同的。既然电流能产生磁效应，那么根据电与磁的相似性，磁也能产生电呀！法拉第心系磁生电志向：“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于想发现电磁及感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以有充分的发展。”经过近10年的不断实验，到1831年法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。成果：电磁感应现象的发现与人类社会的电气化。根据这个实验，1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机。这个圆盘发电机，结构虽然简单，但它却是人类创造出的第一个发电机。现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的。法拉第心系磁生电趣闻：法拉第与贵妇人的对话。一天法拉第在皇家学会表演他的发电机时，一位贵妇人冷冷地说：“这玩意儿有什么用呢？”法拉第机智地回答：“夫人，你不应当去问一个刚出生的婴儿会有什么出息，谁也不能预料婴儿长大成人之后会怎么样？”2、创造全新的物理概念—场及其图示法概念是科学的细胞：科学概念的提出，对科学理