经典物理学的全面发展

第三节：经典物理学的全面发展一．力学的建立二．光学的进展三．热学的成就四．电磁学的建立0光的类型光的定义解释光是一种既具有波动特性，又具有粒子特性的特殊物质。cV==λνn光的波动性光的粒子性2E=hν=mc2m=chνp=mc=hλ光的反射光的折射萌芽期光学的起源在中国可追溯到远古时代的春秋战国之际，墨翟及其弟子所著《墨经》中，记载着关于光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列经验规律。墨翟（公元前468-376年）小孔成像铜镜光学的起源在西方可追溯到希腊的欧几里德，他在其著作《光学》一书中提出光线的直线传播理论，并研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角的反射定律。（公元前330-275年）光的直线传播镜像反射中国：古代的实用科学缺乏严谨的实验证明、理论说明和科学表达，大多为经验性的描述，导致中国在未来光学领域的发展极为缓慢。西方：在生产和社会需要的推动下，在光的反射和透镜的应用方面，逐渐有了些成果。15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。凹、凸面镜凹、凸透镜暗箱几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象。几何光学时期李普赛（公元1587-1619年）伽利略（公元1564-1642年）望远镜荷兰李普塞在1608年发明了第一架望远镜。1610年伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于地球绕日运转的日心说提供了强有力的证据。冯特纳（公元1580-1656）十七世纪初延森和冯特纳最早制造了复合显微镜。费马（公元1601-1665年）折射和反射定律1657年费马首先指出光在介质中传播时时所走路程取极值的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。牛顿（公元1643-1727年）牛顿(1665年)利用色散实验证实了白光是由一些彼此独立的彩色光所组成。波动光学时期建立了光的波动理论，圆满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过迈克尔逊干涉仪否定了“以太”的存在；提出并证实了光的本质就是电磁波。波动光学时期光的波动理论的创始人，提出了“光是‘以太’中传播的波动”理论和次波假设（惠更斯原理），并解释了反射、折射定律和双折射现象。惠更斯（公元1629-1695年）惠更斯原理1801年，杨氏最先利用干涉原理解释了白光下的薄膜颜色，设计并完成了著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地测定了光的波长。提出了光是横波的假设。杨氏（公元1773-1829）薄膜干涉双缝干涉1865年，麦克斯韦尔建立期完整的经典电磁理论，指出光是一种电磁波，产生光的电磁理论。该理论一直到廿余年后由赫兹的实验所证实。赫兹（公元1857-1894年）麦克斯韦尔（公元1831-1879年）1887年，迈克尔逊和莫雷一起以近乎完美的条件进行了干涉实验，通过测量两束光的形成的干涉条纹数目和移动，证实了光速的不变性及以太是不存在的，为爱因斯坦狭义相对论的提出奠定了基础。迈克尔逊（公元1852-1931年）迈克尔逊.莫雷实验二、热学的成就2.1热的本质在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。拉瓦锡在1789年的《初等化学概论》中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。热质说拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。这种物质实体－－热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。热机：从技术到理论蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。这一局面因卡诺于1824年出版《关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察》一书而改变。SadiNicolasLéonardCarnot卡诺(1796-1832)出身于法国望族。1814年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队服役，1820年退役后专心从事物理学理论研究。他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总统。热机的效率瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-95%都被浪费掉。卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。永动机热质守恒卡诺在《关于火的动力》一书中是立足于热质说来考察热机效率的。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。卡诺循环：理想热机卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。热力学的奠基人卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。但是不幸的是他在36岁就死于霍乱。热动说伦福德(1753-1814)纠正了热是一种无质流体的说法。伦福德出身于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。热质伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。机械运动转化为热伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数值偏高。1799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。热运动说的处境伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。2.2能量守恒定律的发现能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。(2)十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。2.2能量守恒定律的发现德国人迈尔（1814-1878）作为随船医生在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。1841年他完成《关于无机界各种力的意见》一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了李比希主编的《化学和药学年鉴》上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。2.2能量守恒定律的发现英国的焦耳擅长实验。他对所有他想得到的有热量产生过程进行热测量。1840年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正比－－焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：41,450,000尔格的功产生1卡的热量。为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为4.18焦耳/卡。1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。1849年发表《论热功当量》。1878年发表《热功当量的新测定》，最后得到的数值为423.85公斤·米/千卡。焦耳测热功当量用了四十多年，实验了400多次，付出大量的辛勤劳动。成果无处发表当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒绝发表他的文章。1847年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时几乎没有听众，只有一位23岁的年青人威廉·汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。1849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文，他的成果终于获得完全承认。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。能量守恒定律的发现对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国生理学家和物理学家赫姆霍兹（1821-1894）则立足于力学基础之上，追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定律的确立者。《论“力”的守恒》1847年赫姆霍兹独立完成《论“力”的守恒》一文，并于7月23日在柏林物理学会的年会上宣读1854年赫姆霍兹在《自然力的相互作用》一文中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为‘力的守恒原理’”。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。以1850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。意义能量守恒与转化定律被认为是物理学的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯），恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。该定律的发现标志着近代物理学第二次理论大综合。2.3热力学第一、第二定律的建立热力学第一定律的建立热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无关。在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。第一定律的克劳修斯表述1850年4月克劳修斯在《物理和化学年鉴》上发表了《论热的动力和可由此推导热学本身的定律》提出热力学第一定律表述：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。”第一定律的开尔文表述1851年开尔文发表《以焦耳先生的单位热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热的动力学理论》一文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：“物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量”。这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。热力学第二定律的建立热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。第二定律的克氏表述在1854年《物理和化学年鉴》上发表的《论机械热理论第二基本定律的一个改变形式》一文中