近代物理学的奠基人和革命者

近代以来科学技术的辉煌科学——指运用范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和规律的知识体系。技术——泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能。科学革命技术革命物理学领域生物学领域经典力学体系的创立和发展（从伽利略到牛顿）量子理论的诞生（从普朗克到爱因斯坦）相对论的建立（爱因斯坦）进化论理论（达尔文与赫胥黎）万能原动机与“蒸汽机时代”（瓦特）电力的广泛应用与“电气时代”（法拉第、西门子等）现代信息技术与信息时代现代物理学理论的发展本专题总体知识结构近代物理学的奠基人和革命者■认识史上的飞跃■1、经典力学体系创立的背景在中世纪的欧洲，亚里士多德的学说长期被教会奉为教条。近代科学诞生后，亚里士多德的力学不断受到质疑。伽利略（1564—1642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了《星空使者》一书。1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，把哥白尼学说推到最终胜利的阶段。2、伽利略的贡献（1）匀速运动、匀加速运动（2）自由落体定律（3）用自己制造的望远镜证明了哥白尼的“日心说”1590年，伽利略在比萨斜塔上做了“自由落体”的著名实验，从此推翻了亚里士多德“物体落地下的速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。你知道牛顿捡到了哪些“光滑的卵石”和“美丽的贝壳”？“我好像是一个在海边玩耍的孩子，为不时发现比通常更光滑的卵石或更美丽的贝壳而欢欣鼓舞，面对展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”——牛顿临终遗言3、牛顿的贡献1666年秋天的一个傍晚，牛顿坐在花园的苹果树下，正在考虑一个运动的问题。忽然一只熟透的苹果掉了下来，正好落在牛顿的前面。这只苹果引起了牛顿的注意。他想，苹果为什么不向天上飞，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地面上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引离地面这么高的苹果树上的苹果，那它也肯定在吸引着月亮。经过研究、演算和论证，牛顿发现了万有引力定律。——引自《科学简史》（1）牛顿的运动三大定律构成了近代力学体系的基础，成为整个近代物理学的重要支柱。（2）牛顿的万有引力定律（3）科学巨著《自然哲学的数学原理》总结了他的力学体系及数学、天文学方面的研究成果。惯性定律加速度定律作用力和反作用力定律牛顿的运动三大定律万有引力定律经典力学体系英国著名诗人波普曾写过一首赞美牛顿的诗：自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。上帝说：“让牛顿去吧!”于是，一切成为光明。我之所以能比别人看得远些，是因为我站在巨人们的肩上。——牛顿■认识史上的飞跃■英国著名的哲学家休谟曾说：“我们被放在这有如戏院的世界上，每个事件的起源和缘由却完全隐瞒不让我们知道，我们既没有足够的智慧预见未来，也没有能力防止那些使我们不断受伤害的不幸事件发生。我们被悬挂在永恒的疑惧之中……”——《大国崛起》解说词三百年前，人类的思想还充斥着迷信和恐惧，水为什么往低处流？太阳为什么升起落下？这些今天看来简单之极的问题，在当时却是根本无法认识和把握的。直到牛顿出现，人类才终于结束了这种状态。——《大国崛起》解说词“牛顿的发现，给人类带来从未有过的自信。曾经匍匐在上帝脚下的人类，终于大胆地抬起头来，开始用自己的理性的眼光大量世界。”1、在光学方面，牛顿发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作了牛顿色盘。他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”。2、在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律。3、在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。4、在天文学领域，1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。1、重大意义（1）牛顿力学体系对自然界的力学现象做了系统合理的说明，从而完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合。（2）使力学和天文学在理论上达到相当完备的程度，并且在科学实验中得到广泛的应用和验证，成为近代科学形成的标志。（3）从此，科学摆脱了神学的束缚向前发展，19世纪进入全面繁荣时期，各门自然科学的理论体系纷纷建立。2、表现（1）万有引力定律适用于一切天体运动和宇宙中的所有物体。（2）根据万有引力定律，人们准确地算出了地球的平均密度和扁平度，正确地解释了潮汐的成因。还在理论上首先预测了海王星的存在。对地球认识的变化海王星和冥王星的发现哈雷慧星轨道的推算“走进威斯敏斯特教堂，人们所瞻仰的不是君王们的陵寝，而是国家为感谢那些为国增光的最伟大人物建立的纪念碑。这便是英国人民对于才能的尊敬。”－－伏尔泰位于英国伦敦威斯敏斯特教堂的艾撒克·牛顿勋爵墓地■驱走乌云的太阳■质疑与思考：经典力学体系是最完美的物理学理论吗？19世纪末，面对经典物理学近乎完美的发展，有的物理学家表示：“19世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这座大厦。”经典物理学是以日常生活中常见的低速运动的物体为研究对象的，一旦进入光速运动时，经典物理学的某些结论就变得不准确。19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。这三大发现以实验事实使得原子不可分、不变化的传统观念发生了动摇。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。过去的物理学都以牛顿的理论为基础，认为时间和空间是绝对的，两者是没有任何直接联系的。似乎宇宙间存在着一个永远走动着的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都以它为度量标准。1、背景（1）19世纪的物理学领域，以牛顿力学为基础，形成了完整的理论体系；（2）19世纪末，物理学界的重大研究课题士黑体辐射，量子理论就是在此过程中发现的。2、诞生（1）奥地利斯蒂芬：1879年发现黑体辐射的总能量与其温度之间的定量关系；（2）德国普朗克：1900年在《关于正常光谱能量分布定律的理论》中提出量子概念。标志着量子理论的诞生。黑体辐射任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(blackbody)，以此作为热辐射研究的标准物体。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。普朗克，生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳、忠于职守，他的业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山运动。3、发展（1）德国爱因斯坦：1905年解释光电效应，得出了光具有波粒二象性的结论；（2）法国德布罗意：1923年提出物质波理论；（3）奥、德物理学家：建立量子力学。4、意义（1）量子力学成为反映自然界基本规律的理论体系，指导人们向无知运动的各个层面进行深入探讨；（2）理论从根本上改变了近代物理学中的传统观念，使物理学乃至整个自然科学的观念都发生重大变革。量子论确实深奥难懂，甚至连量子论奠基人之一的玻尔都说：“如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。”1999年12月，在20世纪最后一期的《时代》周刊中，评出了一位“世纪人物”。该刊称赞他为“天才、政治难民、人道主义者、原子弹和宇宙迷的开启者”，“以其伟大的思想和无与伦比的形象独占鳌头”。■爱因斯坦的“时空”■狭义相对论发表100周年，也许全世界只有几十个人能完全理解他的真谛，但这并不能掩盖相对论对人类生活的巨大改变。1、狭义相对论2、广义相对论创立内容意义1905年《论动体的电动力学》1916年（1）时间和空间都与物质运动有关；（2）时间和空间随着物质运动的速度的变化而变化（1）物质存在的现实空间是弯曲的（2）空间结构取决于物质的质量和分布情况（3）空间弯曲的程度体现为引力场强度打破绝对时间和绝对空间，但不是对牛顿力学的全盘否定，而是继承和发展第一次阐述了思维时空和物质的分布相联系的重要思想这个故事形象地说明了时间和空间的相对性爱因斯坦关于相对论的比喻：为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？”男青年说：“当然坐在火炉上烤的时间觉得长久。”爱因斯坦说：“这就是我的相对论内容。”爱因斯坦的“时空弯曲”概念3、意义（1）相对论的建立是对近代物理学理论框架的重大突破，深刻揭示了空间和时间的本质属性。（2）这种全新的时空观，运动观和物质观的形成，是人类思想发展史中的一次根本性变革，对整个自然科学和哲学都产生了极其深远的影响。量子论和相对论是现代物理学的两大支柱爱因斯坦与奥本海默（美国原子弹之父）1955年4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲；那专属他个人的东西，早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成200片带走。但至今没有结论。红色——代表过去蓝色——代表未来黄绿——代表连结过去到未来2005世界物理年对物理学家而言，这个标识象征的是光锥；对一般大众而言常被看成是沙漏，象征着爱因斯坦在时间相对性上渊博的见解及洞察力。经典力学奠基者（17世纪初）经典力学建立者（17世纪晚期）从经典力学发展到量子论、相对论（19世纪末～20世纪初）伽利略（意）牛顿（英）普朗克（德）爱因斯坦（德）近代物理学的发展过程经典力学体系的创立和发展量子理论的诞生(从普朗克到爱因斯坦)相对论的建立（爱因斯坦）现代物理学理论的发展近代物理学的奠基人和革命者伽利略对亚里士多德力学观的否定牛顿对前人科学理论的发展