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专题高中物理学史一、力学1.英国科学家牛顿1683年，提出了三条运动定律1687年，发表万有引力定律牛顿第一定律：任何一个物体在不受外力或受平衡力的作用时（Fnet=0），总是保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。牛顿第二运动定律：物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。牛顿第三运动定律：两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。•牛顿运动定律（Newton'slawsofmotion）是由伊萨克·牛顿（SirIsaacNewton）总结于17世纪并发表于《自然哲学的数学原理》的牛顿第一运动定律（Newton'sfirstlawofmotion）即惯性定律（lawofinertia）、牛顿第二运动定律（Newton'ssecondlawofmotion）和牛顿第三运动定律（Newton'sthirdlawofmotion）三大经典力学基本运动定律的总称。•万有引力定律(Lawofuniversalgravitation)是艾萨克·牛顿在1687年于《自然哲学的数学原理》上发表的。牛顿的普适万有引力定律表示如下：任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关。•牛顿在推出万有引力定律的同时，并没能得出引力常量G的具体值。G的数值于1789年由卡文迪许利用他所发明的扭秤得出。一、力学•2.1798年英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置比较准确地测出了引力常量；原理利用了二次放大法1，尽可能地增大了T型架连接两球的长度使两球间万有引力产生较大的力矩，使杆偏转2，尽力的增大弧度尺与系统的距离使小镜子的反射光在弧线上转动了较大角度•卡文迪许用一个质量大的铁球和一个质量小的铁球分别放在扭秤的两端。扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上，钢丝上有个小镜子。用激光照射镜子，激光反射到一个很远的地方，标记下此时激光所在的点。•用两个质量一样的铁球同时分别吸引扭秤上的两个铁球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但激光所反射的远点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引力公式中的常数G。•此实验的巧妙之处在于将微弱的力的作用进行了放大。•尤其是光的反射的利用•在卡文迪许的实验中利用了一个扭秤，典型的设计可由一根石英纤维悬挂一根载有质量为m及m的两个小球的杆而组成。每个小球距石英纤维的距离r相等。当一个小的可测量的扭矩加在这个系统上时，在石英丝上可以引起扭转，记下这个扭转值可以标定扭秤。我们可以利用这个扭矩，3.17世纪，伽利略理想实验法指出：水平面上运动的物体若没有摩擦，将保持这个速度一直运动下去；1683年，论证重物体不会比轻物体下落得快。伽利略认为“力是改变物体运动状态的原因”；亚里士多德认为“力是维持物体运动状态的原因”；另：伽利略首先发现单摆的等时性一、力学比萨斜塔实验•荷兰的斯悌文在他1586年的著作中更明确地记载有自由落体实验：“反对亚里士多德的实验是这样的，让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重10倍，把它们从30英尺的高度同时丢下去，落在一块木板或有什么可以发出清晰响声的东西上面，那么，我们就会看出轻球并不需要用重铅球10倍的时间，而是同时落到地板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样。”4.20世纪爱因斯坦提出的狭义相对论；经典力学不适用于微观粒子和高速运动物体．一、力学•19世纪末期物理学家汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。•在麦氏预言电磁波之后，多数科学家就认为电磁波传播需要媒质（介质）。这种介质称为“以太”（经典以太）。“以太”应具有以下基本属性：1．充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；2．具有高弹性。能在平衡位置作振动，特别是电磁波一般为横波，以太应是一种固体（G是切变模量ρ是介质密度）；3．以太只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。在以太中静止的物体为绝对静止，相对以太运动的物体为绝对运动。引入“以太”后人们认为麦氏方程只对与“以太”固连的绝对参照系成立，那么可以通过实验来确定一个惯性系相对以太的绝对速度。一般认为地球不是绝对参照系。可以假定以太与太阳固连，这样应当在地球上做实验来确定地球本身相对以太的绝对速度，即地球相对太阳的速度。为此，人们设计了许多精确的实验（包括爱因斯坦也曾设计过这方面的实验），其中最著名、最有意义的实验是迈克尔逊——莫雷实验（1887年）。•狭义相对论的两条原理1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理，他写道：“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们规定如下：相对性原理•物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。光速不变性原理•任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”•其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性(人为假定的）。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。•既然存在以太，则当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。•1887年，阿尔贝特·麦克尔逊（后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。•由于光在不同的方向相对地球的速度不同，•达到眼睛的光程差不同，产生干涉条纹。•从镜子M反射，光线1的传播方向在MA方向上，•光的绝对传播速度为c，地球相对以太的速度为υ，•光MM2的传播速率为c+u•光线1完成来回路程的时间为d/2u•光线2在到达M2和从M2返回的传播速度为不同的，•分别为C+υ和C－υ，完成往返路程所需时间为：•光线2和光线1到达眼睛的光程差为：•在实验中把干涉仪转动90°，光程差可以增加一倍。移动的条纹数为：•实验中用钠光源，λ=5.9×10－7m；•地球的轨道运动速率为：υ≈10－4C；干涉仪光臂长度为11m，•应该移动的条纹为：ΔN=2×11×(10－4)2/λ=0.4•干涉仪的灵敏度，可观察到的条纹数为0.01条。但实验结果是几乎没有条纹移动。•在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克·罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特·爱因斯坦，在1905年发表的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话，整个以太的观念就是多余的。几个星期之后，一位法国最重要的数学家亨利·彭加勒也提出类似的观点。爱因斯坦的论证比彭加勒的论证更接近物理，因为后者将此考虑为数学问题。通常这个新理论是归功于爱因斯坦，但彭加勒的确在其中起了重要的作用。5.17世纪德国天文学家开普勒；提出开普勒三定律6.多普勒首先发现一—多普勒效应（由于波源和观察者之间有相对运动而使观察者感到频率发生变化的现象）7.笛卡儿（法国）第一个提到“动量守恒定律”。•开普勒第一定律，也称椭圆定律；也称轨道定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。•开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。用公式表示为•开普勒第三定律，也称调和定律；也称周期定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是牛顿的万有引力定律的一个重要基础。•这里，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转周期，K是常数•物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blueshift）；当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移redshift）。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。•如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，这个结论叫做动量守恒定律。动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体，也适用于高速运动物体，它是一个实验规律，也可用牛顿第三定律和动量定理推导出来。1.1785年法国物理学家库仑：利用扭秤实验发现了电荷之间的相互作用规律—一库仑定律.2.1826年德国物理学家欧姆（1787-1854）：通过实验得出欧姆定律。3.1911年荷兰科学家昂尼斯：大多数金属在温度降到某一值时，都会出现电阻突然降为零的现象——超导现象．二、电磁学•库仑定律是1784--1785年间库仑通过扭秤实验总结出来的。纽秤的结构如下：在细金属丝下悬挂一根秤杆，它的一端有一小球A，另一端有平衡体P，在A旁还置有另一与它一样大小的固定小球B。为了研究带电体之间的作用力，先使A、B各带一定的电荷，这时秤杆会因A端受力而偏转。转动悬丝上端的悬钮，使小球回到原来位置。这时悬丝的扭力矩等于施于小球A上电力的力矩。如果悬丝的扭力矩与扭转角度之间的关系已事先校准、标定，则由旋钮上指针转过的角度读数和已知的秤杆长度，可以得知在此距离下A、B之间的作用力。•1827年欧姆又在《电路的数学研究》一书中，•把他的实验规律总结成如下公式：S=γE。•式中S表示电流；E表示电动力，即导线•两端的电势差，γ为导线对电流的传导率，•其倒数即为电阻。•欧姆在自己的许多著作里还证明了：•电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积•和传导性成反比；在稳定电流的情况下，电荷•不仅在导体的表面上，而且在导体的整个截面•上运动4.1820年，丹麦物理学家奥斯特首次论证了电和磁之间的关系。他把—根磁针靠近带电的金属线，结果磁针向右偏转。电流可以使周围的磁针偏转的效应，称为电流的磁效应。5.荷兰物理学家洛仑兹：提出运动电荷产生了磁场和磁场对运动电荷有作用力（洛仑兹力）的观点。二、电磁学•他首先发现载流导线的电流会产生作用力于磁针，使磁针改变方向。在化学领域，铝元素是他最先发现的。•1819年上半年到1820年下半年，奥斯特一面担任电、磁学讲座的主讲，一面继续研究电、磁关系。1820年4月，在一次讲演快结束的时候，奥斯特抱着试试看的心情又作了一次实验。他把一条非常细的铂导线放在一根用玻璃罩罩着的小磁针上方，接通电源的瞬间，发现磁针跳动了一下。这一跳，使有心的奥斯特喜出望外，竟激动得在讲台上摔了一跤。但是因为偏转角度很小，而且不很规则，这一跳并没有引起听众注意。以后，奥斯特花了三个月，作了许多次实验，发现磁针在电流周围都会偏转。在导线的上方和导线的下方，磁针偏转方向相反。在导体和磁针之间放置非磁性物质，比如木头、玻璃、水、松香等，不会影响磁针的偏转。•1820年7月21日，奥斯特写成《论磁针的电流撞击实验》的论文，这篇仅用了4页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告。奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和60多个实验的结果，从实验总结出：电流的作用仅存在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极，等等。正式向学术界宣告发现了电流磁效应。•1．