第六章近代后期的科学成就和第二次技术革命

第六章近代后期的科学成就和第二次技术革命第一部分物理学•19世纪在物理学方面有两个重要的理论成果相继问世，一个是能量守恒与转化定律的发现，一个是电磁理论的建立。一、能量守恒和转化定律的发现1.能量守恒和转化定律的发端●1644年，法国数学家、天文学家和哲学家笛卡尔在《哲学原理》一书中提出运动不灭原理，认为机械运动中碰撞的动量是不变的，提出了宇宙运动的总量是守恒的，但是这一观点没有自然科学的实验和理论研究成果证明，更没有涉及物质运动形式的转化。实例：打台球●德国青年医生迈尔（Mayer,1814-1878）第一个以论文阐述的形式阐述能量守恒和转化思想。迈尔通过观察事实和哲学思辨两种方法，推出能量守恒和转化思想。1840年，作为医生随考察船从荷兰出发到南太平洋的爪哇岛进行考察，船到了爪哇岛以后，很多船员得了肺炎，他用放血的方法进行治疗，结果发现患者的静脉血比在欧洲时更加鲜红、明亮，他对这一现象进行了深入思考，并用拉瓦锡氧化燃烧理论解释，认为由于热带气温高人体维持正常体温所消耗的氧少，血液中还有相当一部分氧没有被消耗掉，所以是血液变得更加鲜红、明亮。通过这一实践观察，他得出推论：人体是一个热的机器，体力和体温都来源于食物所含有的化学能，即燃料物质与氧化合产生热，热的一部分转化成体温，一部分转化成运动所需机械能，另一部分储存在身体变为脂肪。•第二他听说暴风雨来临时，海水温度会升高。这使他认识到机械能可以转化成热能。（原理是什麽？）回国之后，1842年，发表了《论无机界的力》，文中首先阐述了能量守恒原理，第一次提出热功当量概念。它通过实验证明，水的振动可以使温度升高，并用能量守恒解释涨潮、落潮和流星发光现象。1845年，他又发表了《生物界的运动和物质新陈代谢的联系》，文中论述了机械能、热能、化学能、电磁能、光能和辐射能的转化，并且认为能量守恒是支配宇宙的普遍规律。请同学们思考的问题1：德国医生迈尔是根据什麽做出的推论认为宇宙中的能量是守恒和可以相互转化的？对我们有什麽启示？2.能量守恒和转化定律的最终发现（1）焦耳的研究英国物理学家焦耳（1818-1889）与迈尔同时，在能量守恒和转化定律发现方面也取得了重大突破。他用了40年时间进行了一系列实验研究，取得了一系列成果：第一，1840年，它通过研究电流的热效应，发现电流通过导线发出的热与电流强度的平方、导线的电阻、通电时间成正比。即Q=0.24I2RT,这一定律被称为焦耳定律，这一定律揭示了电和热之间的联系和转化关系。第二，1843年，焦耳在英国科学促进会上宣读了一篇名为《论磁电的热效应和热的机械值》的论文，其中对能量相互转化作了重要解释，认为自然界的力量是不能毁灭的，哪里消耗了机械能，总能得到相应的热。请同学们思考的问题2：焦耳上述观点与能量守恒和转化定律有什麽关系？第三，1845-1850年，他又用了五年时间，做了科学史上的有名的搅拌实验，精确地测定了机械能转化为热的当量为4.157J/K,很接近4.1840J/K的数值。焦耳的科学研究趣.ppt第四，1849年6月，他写了一篇总结性论文《论热的机械当量》，公布了他测定热功当量的精确值，至此，能量守恒与转化观点广泛被人们接受。•（2）赫尔姆霍兹的研究•1842年，德国物理学家兼生理学家赫尔姆霍兹在研究腐败和发酵现象时发现了能量守恒与转化定律。1847年又用永动机不可能制作来说明能量守恒定律。同年，他又把自己的研究成果写成《论力的守恒》，指出自然力不管怎样组合，也不可能得到无限的能量。一种自然力如果由另一种自然力产生，其力的当量不变。•还从V=中推出mgh=½mv2这一机械守恒公式，建议用½mv2代替运动的量mv，这是一个非常伟大的发现，但是这一篇《论力的守恒》却遭拒绝发表。gh2赫尔姆霍兹（3）开尔文的研究和热力学第一定律同样，1853年，英国爵士开尔文把能量守恒与转化定律描述为：總当一个系统的工作物质无论从某一给定状态以何种方式过渡到另一给定状态时，该系统对外做功与传递热量的总和是守恒的，这一总和就用该系统的内能来衡量，公式表示为U=A+Q(U—表示系统内能的变化，A——表示系统对外所做的功，Q—表示这个过程中系统传递外界的热量)，这一表达式表征了热力学第一定律的表达式。换言之，自然界中一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它能从一种形式转化为另一种形式，由一个系统传递到另一个系统，而转化和传递过程总的总能量不变。请同学们思考的问题3：上述几位科学家关于能量守恒与转化定律的阐述为什麽有差异？本质是否相同？（4）能量守恒和转化定律的科学和哲学意义能量守恒和转化定律是国际性的发现，它具有重大的科学和哲学意义。第一，能量守恒与转化定律的发现是牛顿力学体系建立以来的最大成就，它生动地证明了自然界各种物质运动形式不仅仅具有多样性，而且具有统一性，物质运动既不能无中生有，也不能消灭，只能在一定形式下转化，打破了过去人们把热、光、电、磁、化学等运动形式看作是彼此孤立的观点；第二，从哲学的角度看，能量守恒与转化定律为事物的普遍联系的观点提供了强有力的科学依据。2.热力学第二定律通过热力学第一定律我们认识到，热是物质运动的一种形式，外界传递给一个物质系统的热量等于该系统对外所做的功和系统内能增量的总和，换一句话说，想制造一种不消耗任何能量的永动机是不可能的。1850年，德国物理学家克劳修斯在热力学第一定律的基础上重新研究了卡诺的热机原理，总结出了热力学第二定律，即热不可能独立地、不负任何代价地，或者说没有补偿地从冷物质传向较热的物体；在一个孤立系统中，热总是从高温物体传到低温物体中去，而不是相反。（同学们是如何理解的？）1851年，英国物理学家开尔文也独立地发现了热力学第二定律，他的表达方式是：功可以全部转化为热，但任何循环工作的热机都不可能从单一热源吸取热量使之全部变为有用功，而不产生其他影响。上面两个描述揭示了一个共同真理，即热机在工作过程中不可能把从高温热源吸收的热量全部转化为有用功，总要把一部分热量传给低温热源，这就是理想热机的效率不可能达到100%的真正原因。物理学\热力学第二定律.MPG二、电磁学理论的建立电磁学是18世纪中叶创立的，系统的电磁理论建立是19世纪下半叶的事情。从对电磁的最初认识到电磁理论的简历经历了一个多世纪。为了使大家更好地理解电磁学这部分抽象理论，请看下面的短片：物理学\电磁学.MPG（一）人们对电磁现象的认识1.古希腊时期，人们就认识到摩擦可以生电，泰勒斯把琥珀摩擦生电的事实记录下来，以后人们就用琥珀的同音字用来指电子（electron）。2.16世纪，航海急需罗盘针，英国女皇伊丽莎白令其侍医吉尔伯特研究磁石，经过18年的研究，于1600年出版《磁石》一书，提出了磁石的两极成对存在、不可分离的理论，即切断的两端磁石仍然具有南北两极；同名磁极相互排斥，异名磁极间相互吸引；磁石间的作用力和距离成反比。此外，还证实了除琥珀外，玻璃、火漆、硫磺和宝石等经过摩擦也生电。Staticelectricity3.18世纪中叶，人们对电的认识已经从摩擦生电发展到对天电和生物电的认识。1746年，美国电学家富兰克林用荷兰人马森布兰科发明的蓄电容器（莱顿瓶）做了很多实验，发现莱顿瓶顶端带阳电，瓶底带阴电。Leydenjar(莱顿瓶)莱顿瓶_百度百科.htm请同学们思考：1.生活中遇到静电现象是经常性的，如何避免静电不必要的伤害？2.我们经常看到一些油罐车尾部拖一个落地铁链子，或者拖一个橡胶带，这是为什麽？富兰克林通过实验发现莱顿瓶的内外锡箔带正负电，还发现了放电现象。1752年夏，他为了验证空中是否带电，在费城的一个雷雨交加的天气，做了一个著名的试验，富兰克林带着他的儿子威廉冒着生命危险将风筝放入天空，并将天电引入莱顿瓶，证明了天电和地电是相同的，并发表了《论闪电和电的相同》的论文，第二年又发明了避雷针。请同学们思考：富兰克林是如何证明天电和地电相同的？中小学理科教材流行的图片有科学性的错误吗？请同学们思考并讨论：你知道避雷装置的工作原理吗？4.1780—1791年间，意大利解剖学教授伽伐伲通过解剖青蛙实验时发现了青蛙腿在受到刺激时会产生电，这一点和鳗鱼一样。说明动物可以产生生物电。（二）静电力大小的测定1767年英国物理学家普特斯特里提出了静电力的大小与电荷多少成正比，与距离平方成反比的论断。法国物理学家库仑（Coulomb,1736-1806）1785年先后发表了四篇论文，提出了“带同种电的两个小球之间的斥力与两球中心点距离的平方成反比”的重要理论。用数学公式表示为：k=9.0×109N.m2/c2同学们思考一下：上述公式是否适合带异种电的两球之间的吸引力？2121rQQkF第五章静电场.doc（三）连续电流的获得1799年，意大利物理学家伏打对伽伐伲的发现进行了认真的研究和实验分析，认为青蛙腿起到了两块金属板之间产生电流的敏感验电器的作用，电是由于渗在溶液中的两种不同种类金属接触产生的，这种电效应比摩擦起电机产生的电效应更强。1800年，他用酸浸不同的金属板（银板和锌板）制成了世界上第一个电池，获得了连续电流，揭开了电力革命的序幕，电技术由此产生。西元1793年意大利的科学家伏打(Volta)用浸过食盐水的一片湿布夹在銀、鋅兩金属片之間，可以产生電流。现代伏打电池–+鋅銅電池的化学反应甲烧杯（负极）內反应：Zn→Zn2+＋2e－乙烧杯（正极）內反应：Cu2+＋2e－→Cu鋅銅電池放电时的总反映：Zn＋Cu2＋→Zn2＋＋Cu–+监桥内的反应甲烧杯內，Zn2＋增多，故监桥內的NO3－往甲(负极)移動，以维持甲烧杯內溶液的电中性。(負电荷往负极移动)乙烧杯內，Cu2＋析出減少，故监桥內的K＋往乙(正极)移动，以维持乙烧杯內溶液的电中性。(正电荷往正极移动)–+電池的原理一般電池是指化學電池，即为利用化學变化将化學能转变成電能的裝置。这种将不同的金属片插入电解质溶液中，所形成的電池通称为伏打電池。伏打的种类：鋅銅電池、鋅銀電池、銅銀電池…请同学们课后到图书馆查阅资料：日常生活中我们是用的电池有哪些种，电池中有哪些有害物质？回收不当会有哪些危害？应该如何回收？（四）电流的磁效应:奥斯特、安培1.奥斯特:丹麦物理学家(1777~1851)青年时代就是康德哲学的崇拜者，1799年的博士论文讨论的就是康德哲学．康德哲学_百度百科.htm丹麦物理学家－奥斯特后来他周游欧洲，成了德国自然哲学派的追随者．1806年回国后，被母校哥本哈根大学聘为教授．奥斯特的研究工作:奥斯特一直坚信电磁之间一定有某种关系，电一定可以转化为磁．在1812年的一本书中，奥斯特推测，既然电流通过较细的导线会产生热，那么通过更细的导线就可能发光．导线的直径再小下去，还可能产生磁效应．沿着这个思路，奥斯特做了许多实验，但都没有取得成功．（奥斯特的假想对电学的发展有哪些启示？）1819年冬天，他受命于主持一个电磁讲座，有机会继续研究电流的磁效应问题．他产生了一个新的想法，即电流的磁效应可能不在电流流动的方向上．为了验证这个想法，他于次年春设计了几个实验，但还都没有成功．1820年4月，在一次讲座快要结束时，他灵机一动又重复了这个实验，果然发现电流接通时附近的小磁针动了一下．奥斯特惊喜万分，又反复实验，终于在1820年7月发表了《关于磁针上电流碰撞的实验》的论文。论文指出，电流所产生的磁力既不与电流方向相同也不与之相反，而是与电流方向相垂直。还指出，电流对周围磁针的影响可以透过各种非磁性物质。请大家回忆一下：这一结论和谁在论著中论述的一致？通电直导线对磁针的作用请同学们实际实践一下体会一下安培右手定则：磁场方向在哪？2.安培:法国物理学家（1775~1836)生于一个富裕的商人之家．据说他是一个心不在焉的教授，常常沉入思考而忘记周围的一切，有一次连拿破仑的宴会都忘了去，但他是一位天才物理学家，不仅具有良好的数学基础，而且精于实验．安培的研究工作:奥斯特的发现马上轰动了整个欧洲科学界.安培敏锐地感到这一发现的重要性,第二天即重复了奥斯特的实验.