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1、1,一、什么是物理学？古希腊人把对自然现象的观察和理解笼统地包含在一门学问中即自然哲学。牛顿关于物理学的名著称为自然哲学的数学原理。自然科学分化为物理、化学、天文学、地理学、生物学、力学等（数学仅是一种工具）只是近三百年多年的事。什么是物理学？物理学就是研究物质结构、运动和相互作用的基本规律以及它们的各种实际应用的学科。与其他学科相比，它更着重于对物质世界最普遍最基本的规律的追求。物理学作为自然科学的基础学科，历来是人类物质文明发展的动力。作为人类追求真理、探索未知世界奥妙的工具，物理学是一种哲学观和方法论。,大学物理绪 论,2,二、为什么要学物理？人类社会的进步与物理学的发展是息息相关的，没
2、有物理学，就没有科学和技术。毫无疑义，物理学在过去、现在和将来都是科学与技术发展的动力与源泉。在当今科学技术高速发展的时代，物理学愈来愈成为包括人文科学在内的各类人才所必需具备的基本知识。各种管理工作都与科学技术分不开，而科学技术更离不开物理学。因此，许多大学都在人文社科、经济管理等专业开设了物理学课程。,3,三、怎样学物理？第一、认真领会物理学知识体系。包括物理学发展的历史、物理学对物质世界及其运动的基本认识、物理学思想及其科学研究方法、正确的自然观与宇宙观、物理学基本原理、物理学在技术中的应用。第二、正确对待物理中的数学。物理学的基本概念和基本原理都是通过数学语言来表达的。没有数学，物理便
3、不成体系，物理问题就无法说清楚。要完全回避数学，是不现实的。本课程涉及到的是微积分初步知识和矢量的基本知识。为了照顾大家的数学基础，教材作了一些简化处理。学习时还可以参阅附录。碰到数学不要有畏难情绪。只要你下决心去搞懂它，是不困难的。第三、要学会自学。,4,四、物理讲什么？1.物理学的发展历史。主要内容：中国和西方古代物理学思想；科学革命与科学观的形成；经典物理学理论体系的建立以及近代物理学的发展；物理学对人类文明的贡献。2.物质世界的基本运动形式及物理学的基本原理。物质的运动形式包括机械运动、热运动、电磁运动、宏观高速运动、振动和波动、微观粒子运动及其规律。3.物理学对物质世界的基本认识。内
4、容包括：物质世界的层次、形态与基本相互作用；物理学与宇宙观；物质世界的对称性和统一性；物理学认识的真理性。4.物理学在技术科学的应用。高新技术、环境科学、生命科学是21世纪极为重要的、也是人们最为关注的几个技术科学领域。将讨论物理学在这些领域中的应用。,5,第一章 从自然哲学到现代物理学 物理学的发展经历了古代物理学时期（16世纪以前）、经典物理学时期（16世纪19世纪）和近现代物理学时期（20世纪以来）。1.1 古代物理学思想1.1.1 中国古代物理学思想 1.关于物质本原的认识 中国古代，关于对物质本原的研究主要有“阴阳学说”、“五行思想”、“原子观点”、“元气说”诸理论。,6,（1）阴阳
5、学说 易经的注解书易传指出：“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦”，“太极”指宇宙本原（物质的原始态），“两仪”就是阴阳，“四象”是春夏秋冬四时，“八卦”即天、地、山、泽、水、火、风、雷，把自然现象归纳成为八种基本现象。老子说：“万物负阴而抱阳”。按阴阳学说，世间万物的千变万化、生生不息都归结于阴阳之间的彼此消长、对立统一、相互作用和相互转化。,（2）五行思想“五行”指“金木水火土”五种基本物质或元素。认为世间万物皆由这五种元素构成。五种元素之间具有相生和相克的基本关系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。,老子约公元前600500年,7,
6、（3）原子观点 墨经记述，“端，体之无厚而最前者也”。解释是，端的尺寸非常小（“无厚”），内部无间隙，不能再分割，是构成物质的最小颗粒。庄子天下指出：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，认为物质可无限分割。（4）元气理论“元气说”可以概括为：天地是包含元气的实体，万物由物质性的元气构成，是气的不同凝聚状态。万物从混沌中产生和发展，是元气运动所致。有形的物体不可灭，无形的元气也不可灭，元气的运动也不可灭。2.关于时间、空间和运动的认识 魏国的尸佼给宇宙以定义：“上下四方曰宇，往古今来曰宙”，宇即空间，宙即时间。庄子的定义：“有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也。”意思是，宇是实在的且无所不在
7、，宙有长短但无始终，说明了时空的无限属性。,8,关于运动与静止，墨家定义：“动，域徙也”“止，以久也”，即运动意味物体空间位置（域）的改变（徙），静止意味物体处于空间某位置有一段时间（久）。至于时空与运动的关系，墨家写道：“宇域徙，说在长宇久”“宇徙而又处宇，宇南北，在旦又在暮”。即物体在空间移动，是空间随着时间的由近及远的变化，物体离开原空间而占据另一空间，好比物体从南到北，经历的时间从早到晚。这样，时间与空间的联系便统一于物体的运动中了。吕氏春秋中描述的“刻舟求剑”的故事：一个人坐在行船上，手中剑掉到水中。他在船上掉剑位置刻上记号，以便捞剑。作者笑话掉剑人以行船为参照系去找剑是独劳的。晋代
8、束皙说：“乘船以涉水，水去船不徙矣”“仰游云以观，日月常动而云不移”。是对运动相对性的描述.春秋伟考灵曜记述：“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉也”，是相对性原理的思想。,9,墨经：“力，刑之所以奋也”“重之谓下，举重，奋也”。“刑”即“形”为物体，“奋”为“运动状态的改变”，这与牛顿定律不谋而合。南宋吴曾在能改斋漫录中记述一个故事：燕昭王养的一头肥猪太大，最大的秤也不能称出猪的重量，便命“水官”用船去称重，才称出猪的重量。墨家曾写道：“沉形之衡也，则沉浅非形浅也，若易五之一”。意思是，浮体放,入水中平衡时，浮体下沉一定深度，浮体的重量与水对物体下沉部分的浮力相等，好
9、比五件物品与一件物品的等价交换。可见古人对浮力已有较深刻的认识。至于弹力，我国古人早就有所认识并加以利用了，如弓箭、弹弓、管乐器中的簧片等，而且在许多书籍中也记载了外力与形变的正比关系。张衡的预报地震的地动仪，用到了惯性和杠杆原理等力学知识。,张衡（78-139）,10,4.关于光的认识 中国古代在光的直线传播、光的反射和折射、光的色散、小孔成像实验有许多研究。我国春秋战国时期，墨子及其弟子在墨经中就已记载着光的直线传播（影的形成和小孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的反射现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及大小与所用镜面的曲率相联系。墨经记述的小孔成像实验如图1-1-1，物体通过
10、小孔成的像是倒立的。光照在物体（人）上，从物体上发出的投射到屏上的一切。,光线均相交于针孔处，物体下部发出的光线像箭一样射到高处，上部发出的光线射到低处。,图1-1-1,墨子（公元前479年前381年）,11,宋代的沈括在梦溪笔谈中对凹面镜和凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面均有创造性的阐述。南宋末的赵友钦对小孔成像进行了全面而系统的实验（改变光源、改变物距、改变像距、改变孔的形状大小），得出了一些有意义的结论如大孔成像（明亮部分）和大孔形状相同，小孔成像和光源形状相同。,沈括说“虹乃雨中日影也，日照雨则有之”。朱熹认为虹是“日色散射雨气”。中唐道士张果还用白石英制作了三
11、棱镜，记录了世界上第一幅色散光谱图并且画出了光图，也许注意到了光的折射现象。,沈括（1031-1095）,12,5.关于电和磁的认识“电”字最早见于西周的青铜器的铭文中（雷电现象的记录）。东汉王充在论衡中记述：“顿牟缀芥，磁石引针”（顿牟即琥珀），即摩擦过的琥珀可以吸引轻小物体如芥籽、磁铁可以吸引铁针。他还用“元气”理论解释静电和静磁现象，认为芥籽和琥珀、铁针和磁石具有相同的“气性”，因而互相感动而吸引（“气有潜通”）。雷电是如何产生的？历代学者用“元气说”作了许多解释。先秦的慎到提出：“阳与阴夹持，则磨轧有光而为电”（磨轧即摩擦）。淮南子坠形训中指出：“阴阳相薄为雷，激扬为电”，即阴阳二气彼
12、此撞击产生雷，而相互渗透产生电。王充认为，雷电是因为阴阳二气之争、产生爆炸而形成的。明代刘伯温概括了历代学者的观点：“雷者，天气之郁而激发也，阴气团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。,13,吕氏春秋记载：“慈石召铁，或引之也”“石，铁之母也。以有慈石，故能引其子”，明确地描述了磁石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。淮南子还记述了磁石吸引物质只限于铁，写道：“若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣”“及其于铜则不通”。沈括对指南针形制的改进有重大贡献。在研究磁针时，他还发现了地磁偏现象。6.关于声的认识 中国古人对声学的研究有许多发现和创造，尤其在乐律研究方面有许多重要成果。另外对声音
13、的产生与传播、共振与共鸣等现象也做了许多理论和实验研究。北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是声学在建筑上应用的杰作。,14,1.1.2 西方古代物理学思想 1.关于物质本原 古希腊哲学家们对宇宙本原、万物组成、大地构造等问题，进行了许多思考和辩论，提出了各种观点。其中主要有“元素论”和“原子论”等理论。（1）元素论 泰勒斯认为大地漂浮在水面上，万物本原是水。阿那克西米尼认为大地像是“漂浮在空气中的一片宽大的树叶”，万物本原应是“气”。赫拉克立特把物质本原,归于“火”。恩培多克勒认为，万物的本原应由四种“元素”组成即“土、水、气、火”，亚里士多德认为认为，冷、热、湿和干是更基本的性质，四元素是这
14、四种性质两两组合而成的物质本原，湿与冷组合成水，湿与热组合成气，干与冷组合成土，干与热组合成火。,亚里士多德(Aristotel,约前384-前322),15,（2）原子论 德谟克利特建立了“原子论”观点。原子论的大致要点是：（1）宇宙万物都由原子构成，原子是不可分割、不可破灭的极小而结实的物质单元；（2）宇宙中除了原子和虚空，不存在其它任何东西；（3）原子从恒古以来就存在，既不能创造，也不能消灭；,德谟克利特（Democritus,约前460-前361）,（4）原子在数量上是无限的，在形式上是多样的，它们在一个无限的虚空中永远处于涡旋运动之中，因此形成各种复合物。由于组成物体的原子在数量、形
15、状、次序、位置不同，故物体彼此各异；（5）原子在虚空中只有通过直接接触压迫、撞击等，它们才能相互作用，超距作用不可能。,16,2.关于运动和力 亚里士多德将物体的运动分为自然运动和强迫运动。自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动。自然运动的物体要寻找其天然位置，例如，含土元素的重物的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和水的轻重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中下降，气泡在水中上升。物体下落的快慢即速度与重量成正比。强迫运动指借助推力才能进行的运动。,阿基米德（Archimedes,约前 287-前212）,不推，物体就处于静止状态。物体运动的速度与施加的外力成正比，
16、与在介质中受到的阻力成反比。阿基米德论平面的平衡和论浮体中论证了杠杆原理和浮力定律。他曾经声称：“给我一个稳定的支点，我就能把地球挪动”。,17,阿拉伯学者阿勒-哈齐尼通过实验测定了许多物质如金、银、铜、铁、铅、水银、象牙、酒等比重。提出了一个重要的物理思想：物质的量与它的重量并不是一回事。另外他还以路程与时间之比来表示速度。3.关于光学 希腊数学家欧基里德首先将几何知识引入光学研究并将光学看成几何学的一个分支（现称为几何光学）。他研究了平面镜和球面镜成像问题，提出了反射角等于入射角的反射定律，还发现凹面镜的聚焦作用并假定焦点在球心与球面之间。他肯定了光是直线传播的，由此而研究投影现象，指出光
17、源大小和物体大小不同，会产生不同的投影。天文学家托勒密系统地研究了光的折射，最先测定了光通过两种介质界面时的入射角和折射角。,18,天文学家阿里斯塔克最先利用当时的光学知识进行天文数据的测量。例如，他测得日地间距离为月地间距离的20倍（实际上为400倍）、月亮直径约为地球直径的1/2（实际为1/4）、太阳直径约为地球直径的10倍（实际为100倍）。阿拉伯学者阿勒-哈增反对托勒密关于眼睛发出光线才能看到物体的学说，认为光线是太阳或发光体发出并照射到物体上，眼睛接收到这些光线才看到物体。他对反射定律作了进一步的研究，指出入射线、反射线、法线都在同一平面。英国的罗杰培根发明了暗室。他描述了光的反射定
18、律和折射现象，研究了球面镜的像差。用光的折射解释了虹的成因，提出了用透镜校正视力和用透镜组构成望远镜的可能性。,19,4.关于其它物理学知识 卢克莱修用原子论对磁石吸铁进行解释，认为磁体发射出细微粒子流，撞击、驱散磁石和铁之间的空气，形成了真空，铁原子力求进入真空，因而表现出吸引。其它物体如金和木具有特殊结构，故不能被吸引。皮埃尔德马里古特认识到，磁针断为两截，每一截又变成磁针异性磁极相吸、同性磁极相斥；铁与磁石摩擦可以磁化。关于热现象，亚里士多德把热看成是物质元素的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的，把火看作是由最轻、最滑、最活泼的粒子组成的。,20,关于声，亚里士多德把声音看作一种运动
19、，认为发声的物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，从而发生传播，当碰到障碍时就象小球被反射一样产生回声。总而言之，从古代到15世纪，中国和西方关于对自然界物理现象的认识，既缺乏系统的科学实验，也未形成完备的科学理论体系，基本上处于对自然的有限观察和零星的记载阶段。一些物理现象的理论解释也受到局限，许多甚至是错误的，物理学在技术上的应用水平也是很低的，物理学仍属于哲学的范畴。尽管如此，古代物理学思想和一些思维方式对后来物理学新体系的建立和发展的影响仍然是非常重要的。,21,1.2 科学革命和科学观的形成1.2.1.欧洲文艺复兴运动 文艺复兴是14世纪中叶到17世纪初发生在欧洲的伟大的思想解
20、放、艺术创造、科学发现运动。“文艺复兴”一词，意指古代灿烂的文化在经历长期的衰落和沉寂之后，现在又得到复兴。文艺复兴的指导思想是人文主义或人本主义，这是从神的世界回到人的世界的一种资产阶级价值观。英国哲学家富兰西斯培根提出了“知识就是力量”的口号，并且指出科学的目的就是要用新发明和,新发现来改善人类的生活。恩格斯所说：“这是一次人类从来没有经历过的最伟大、进步的变革，是一个需要巨人而且产生了巨人在思维能力、热情和性格方面，在多才多艺和学习博学方面的巨人的时代”。,富兰西斯培根(Francis Bacon,1561-1626),22,达芬奇是这些巨人中的杰出代表。他是一个多才多艺的天才，最后的晚
21、餐蒙娜丽沙等绘画作品千古不朽。他不仅是画家、雕刻家、音乐家，而且是哲学家、工程师、物理学家、数学家、生物学家。他在物理学上的成就：初步表述了惯性原理；研究过材料的强度；研究了抛体运动（弹道）、单摆运动，提出了运动合成概念；证明了杠杆原理；重新发现了阿基米德的液体压力概念，提出了连通器原理，研究过液体的流动；认识到光有类似于水波和空气中波的波动特点；通过绘画，研究过光和影的,规律、眼睛的构造并说明了视网膜上像形成的原因。研究过水力、热力动力机械并试图从减少摩擦和部件磨损来提高机械效率；设计过永动机并得出永动机不可实现的结论,达芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）,23,
22、总之，文艺复兴运动的意义在于，在政治、文化、科学等各个领域引起了前所未有的思想大解放，彻底动摇了封建制度和神权统治的根基，给世界留下了一大批文学、艺术、科学、政治理论成果与精神财富，为近代科学的兴起和新科学观的诞生奠定了基础。1.2.2 科学革命 真正的科学革命是从波兰天文学家哥白尼否定地心说、提出日心说开始突破的。中世纪的教会把上帝创造世界及与之适应的地心说奉为不可违反的教条。,哥白尼（Nikolaus Copernicus,1473-1543）,哥白尼详细分析了有关行星运动的大量资料，经过许多年的观测和计算，最终完成了科学巨著天体运行论，提出了以太阳为中心的宇宙结构体系，推翻了主宰西方思想
23、长达千余年的托勒密的地心说。,24,布鲁诺又扬弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是无限的，在太阳系外还有无数的世界。他的观点更加有力地冲击了关于宇宙有限、地球中心的宗教教义。哥白尼的日心说假定行星都在轨道上做圆周运动。丹麦天文学家第谷经过21年的艰苦观测，记录了行星位置，得到了详细而精确的数据。当他用数据去拟合哥白尼学说时，发现日心说中的行星圆轨道模型只是粗略近似。第谷的学生、德国天文学家开普勒摆脱了“匀速圆周运动”观念，经历了长达17年的研究，终于从第谷浩繁的数据中发现并归纳出行星运动三大定律：,图1-2-1,（1）行星做椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上；（2）太阳到行星的矢径在相同时
24、间内扫过相等的面积（如图1-2-1）,25,（3）行星绕太阳的运动周期的平方正比于它绕太阳的圆轨道的半长轴a的立方即T2/a3=常数。开普勒定律对后来牛顿的万有引力定律的发现具有奠基性作用。1632年，意大利科学家伽利略的巨著关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话对哥白尼学说进行了理性论证。伽利略宣传哥白尼学说、抨击托勒密体系和经院哲学，曾受到教会的迫害。后来伽利略又继续力学的研究工作，秘密出版了关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明一书。伽利略为以后牛顿力学的建立铺平了道路。总之，科学革命的实质是思想大革命。科学革命使科学从服从于经院哲学和神学的束缚中解放了出来，也使自然科学从自然哲学中
25、分化并走上独立发展的道路进而逐渐形成系统的学科体系。从哥白尼的日心说开始到后来牛顿力学体系的建立标志着第一次科学革命的完成。,26,1.2.3 科学观的形成 科学观涉及到人们对自然的看法、对科学本质的理解以及科学研究的态度、思维和方法。科学研究方法是科学观的一个重要方面，它指导人们如何认识自然并掌握自然规律。弗兰西斯培根是最早倡导新科学方法的人之一。他认为，一切知识来源于感觉，科学在整理感性材料时，用的是观察、实验、归纳、分析、比较的理性方法，经验、实验是真理的来源和检验标准，利用一定的仪器有程序地进行的实验才是科学知识的源泉。笛卡儿也认为实验可以提供“原始前提的必要素材”，还能检验结论的正确
26、性。伽利略同样强调，人们必须通过实验去阅读“自然之书”。当时的科学家不仅强调了经验、实验在认识中的作用，而且还开始对实验方法进行研究。系统的实验研究方法是把对自然的研究变为真正的科学的重要标志。实际上，物理学在本质上就是一门实验学科。,27,根据获得的经验和实验资料建立科学理论体系，还必须进行理论概括。培根提出了经验归纳法即从大量的个别经验事实中概括出一般原理的方法，还提出了正确归纳的步骤即列举正面和反面事例、提出假说、通过实验进行选择修正、最后得出科学结论。培根对假说不够重视，认为只要对资料进行系统整理，正确的假说就会自然显现出来。实际上并非如此简单，所以他的归纳法有明显缺陷，但是其方法论思
27、想具有深远意义。笛卡儿则不同，他更强调理论思维即理性，把理论思维作为知识的出发点。他认为一切科学都应该按照数学形式建立起来，从明晰的原理出发并通过逻辑途径和数学方法进行论证，就可以得出科学结论，而实验只具有检验理论结果的作用。笛卡儿的唯理论方法也是有缺点的，它忽视了实验和经验的作用，培根的经验归纳法不了解数学的作用，两者的相互补充是近代科学新方法论的基础。,28,真正代表近代科学新方法论精神的是伽利略和牛顿。实验和数学演绎相结合的方法到了伽利略之后已经成熟。伽利略开创的近代科学研究方法可概括为：对自然现象进行观测，总结出规律；提出理论假设，解释实验现象；利用数学和逻辑得到推论；对推论进行客观、
28、可重复、精确定量的实验检验；修改理论及假设；实验检验理论及假设；。这种严谨的方法所得出的结论建立在强有力的实验基础之上，因而是可靠的。他所倡导的这种理论和实验结合的科学研究方法至今仍是自然科学家所遵循的研究准则。,29,1.3 经典物理学体系的建立 文艺复兴运动和科学革命使人的思想得到了解放，资本主义的发展为科学研究提供了物质基础。在此历史环境下，诞生了近代自然科学。牛顿力学的建立，完成了人类历史上第文一次自然科学大统一，标志着经典物理学理论体系正在形成。经典物理学理论有三大支柱即牛顿的经典力学、热力学与统计物理和经典电磁学理论（包括光学）。1.3.1 经典力学体系,牛顿（Isaac Newt
29、on,1642-1727）,1.伽利略近代力学的奠基人 伽利略被科学界誉为近代力学的奠基人。伽利略的两部著作关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话和关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明（两门新学科指材料力学和运动学），为力学的发展打下了思想基础。,30,在力学研究中，伽利略既涉及到静力学，也深入到运动学和动力学。他研究过物体的重心和平衡，研究过材料强度，利用浮力定律制作过静力学天平，等等。然而更重要的是运动学和动力学的研究成就，他发现了摆的等时性，研究了自由落体运动和抛体运动规律，研究过物体的惯性，区分了速度和加速度概念。,伽利略（Galileo Galilei,1564-1642）,关
30、于物体的运动，亚里士多德曾把运动分为强迫运动和自然运动。伽利略认为不能把运动分为自然运动和强迫运动，应当根据运动的基本特征即速度进行分类，由此提出了匀速运动和变速运动的分类方法。他首先定义了匀速运动是指任何相等的时间间隔内通过相等的距离，进而给出了瞬时速度的概念即物体在给定时刻的速度,31,伽利略从落体运动的研究出发来研究变速运动，并假定落体运动是匀加速运动。他对匀加速运动给出了这样定义，若一物体从静止出发，并且在相等的时间间隔内获得相等的速度增量，则称之为匀加速运动。自由落体运动是否是匀加速运动？他认为要通过实验来检验。他设计了著名的斜面实验，因为斜面上的运动慢得多，便于测量。斜面实验的结论
31、可以推广到竖直的自由落体运动（斜面坡度达到90度的极限情况）。由此得出，自由落体运动就是匀加速运动，从同一高度自由下落的物体，不论其重量如何，必然同时落地。他由斜面运动提出了加速度概念。传说伽利略曾经在比萨斜塔上做过实验，证实了落体加速度与物体重量无关的结论。有人说，他用大小相同而重量不同的的铁球和木球同时放下，观众看到两球同时落地，但历史考证对该传说存疑。,32,伽利略在他的著作中所形成的惯性思想，为后来牛顿定律的建立和惯性概念的引入开辟了道路。他曾设计了斜面对接的理想实验（图1-3-1）。小硬球从光滑斜面的某一高度下落到底部再沿对接的斜面上升将达到同意一水平高度。对接斜面越平缓，上升到原高
32、度的时间越长。当对接斜面过渡到坡度为零的水平面时，伽利略得出结论说，小球将以恒的定速度（匀速）永远运动下去。这就是伽利略关于惯性的思想。笛卡儿则比较完整地表述了惯性原理。他指出，除非物体受到外因的作用，物体将永远保持静止或匀速运动状态，惯性运动的物体永远不会使自己趋向曲线运动。笛卡儿的表述对对牛顿的综合工作有深远的影响。,图1-3-1,伽利略研究了抛体运动，把抛体运动看成是物体在水平方向的匀速运动和竖直方向的匀加速运动的合成，而且两种运动互不影响，这是关于运动叠加或合成的原理。,33,他用运动合成的观点论述了运动的相对性：在一个封闭的做匀速运动的平稳的船舱里，由于一切物体都参与了船的匀速运动，
33、因此各物体的相对运动关系保持不变。从桅杆上掉下的物体仍然会落到桅杆脚下，不会因船的运动而落到桅杆后面，人跳向船尾不会比跳向船头来得远，人们感觉不到船在运动。这就是我们今日所称的力学相对性原理或伽利略相对性原理。这个原理的发现是人类科学认识史上的一个重大飞跃。2碰撞的研究及“活力”在力学体系形成过程中，碰撞是一个重要研究课题。最早建立碰撞理论的是笛卡儿，他在哲学原理一书中肯定了运动量就是物质的量和速度的乘积，只是当时还没有建立“质量”的概念，也就无法写出动量的表达式。他还总结了7条碰撞规律，但由于缺乏对动量矢量性的了解，7条规律只有两条正确。这两条规律描述了动量传递的思想。,34,荷兰物理学家惠
34、更斯从1652年开始研究弹性物体的碰撞，发现了动量守恒和弹性碰撞机械能守恒的规律，并且明确地指出了动量的方向性。认为“在两个物体的碰撞中，大的程度与速度的平方乘积的总和保持不变”，“大的程度”即后来质量概念，这里第一次提到mv2这个量。碰撞的研究也为建立作用力和反作用力定律准备了一定的条件。17-18世纪，“力”的概念还不完全清晰，人们从不同的意义上使用这个概念描述了力的各种效应，从而引起了关于“运动量”或“力”的量度的一场争论。笛卡儿学派主张以mv量度运动量或力。而德国数学家、物理学家莱布尼兹则引进“活力”的概念，主张用mv2（后来变成 mv2/2即动能）对与运动量或力进行量度，认为宇宙中“
35、活力守恒”，且发现力和路程的乘积（实际上是功）与活力成正比。“活力守恒”已非常接近机械能守恒原理。以后研究表明，动量和动能是从不同的角度衡量机械运动量的两物理量。,35,3.万有引力定律的发现 万有引力定律的发现是牛顿从运动现象研究自然力的一个辉煌的范例。牛顿根据向心力公式和开普勒定律得出行星受中心力吸引作用、该吸引力与半径的平方成反比。还指出“这些指向物体的力应与物体的性质和量有关”，从而把质量引进到万有引力定律。还有许多人为万有定律作出过贡献。笛卡儿认为宇宙空间充满了“以太”，以太围绕天体形成旋涡运动，带动天体（如太阳）周围的物体（如行星）转动，旋涡压力卷吸着周围物体趋向中心物体表现出引力
36、现象。1645年，法国布里阿德假设“从太阳发出的力和离太阳距离的平方成反比”。1666年，比萨大学玻列利提出，引力是距离的幂的函数。英国的胡克于1680年提出引力反比于距离的平方的猜测。哈雷和伦恩在1679年按圆形轨道和开普勒定律，导出了行星的引力与其到太阳的距离的平方成反比。,36,牛顿在1684年论运动的演讲：叙述了向心力定律，证明了椭圆轨道运动下的平方反比关系。不久又在另一篇文章中：定义了质量的概念并探讨了引力与质量的关系，从而完善了万有引力定律的发现。苹果已成了万有引力的象征：有一次他独自坐在花园里，忽然看到一个苹果从树上掉下来，他吃了一惊，便沉浸在对引力的思考中。他想这种力的作用范围
37、可能要比通常设想的大得多，比如说一直延伸到月亮，很可能这个力就是使月亮维持轨道运动的原因。这个故事说明牛顿已觉察到天体运动与地球上物体运动的统一性。4.牛顿的自然哲学的数学原理物理学史 上第一次大综合 1687年牛顿出版了自然哲学的数学原理（简称原理）这部划时代的科学巨著，从而奠定了他在世界科学史上的崇高地位。,37,原理创造性地综合了前人和他本人的成果，总结了动力学原理并宣布了万有引力定律，缔造了天地统一和以三大运动定律为基础的力学体系。牛顿说过：“如果我看得更远那是因为站在巨人的肩膀上。”这里的巨人指伽利略、开普勒、哥白尼、胡克和笛卡儿等。原理共分两大部分。第一部分为导论，给出了质量、运动
38、量、力、惯性等定义，提出了绝对时间、绝对空间、绝对运动和绝对静止的概念，写出了著名的三个运动定律以及矢量的合成分解法则、运动叠加原理、动量守恒原理、伽利略相对性原理。第一定律即惯性定律，第二定律的形式是（mv）=ft而不是现在的f=ma。第三定律是作用力和反作用力定律。第二部分的第一篇研究了万有引力定律和有心力，给出了点状物体和均匀球体的引力公式：f=Gm1m2/r2。第二篇指出了笛卡尔漩涡学说的错误。第三篇用万有引力解释了天体的运动，宣布了宇宙中任何物体之间普遍存在着万有引力。,38,牛顿还用一个理想实验，直观说明了轨道运动的力与重力是同一种力：在高山上水平射出一炮弹，速度不够时，重力使炮弹
39、落在地上。当速度足够大时，炮弹就绕地球运动而不掉下来。牛顿定律在原则上可以解决所有力学问题，对多质点系统，直接应用牛顿定律烦琐，又逐渐发展起了动量、动量矩、机械能三个守恒定律。18世纪，力学家和数学家又致力于寻找一种比牛顿定律更广泛、更简便的普遍力学原理，形成了分析力学。牛顿力学与天文学结合又形成了天体力学。牛顿力学的另一发展方向是推广到连续介质形成了弹性力学、流体力学、材料力学、空气动力学和变质量体力学等，它们是解决许多工程问题的基础。牛顿首次大量地用数学方法系统地整理和阐述物理理论以及在观察、实验的基础上归纳出自然规律的方法，为以后各种物理理论体系的建立树立了典范。,39,1.3.2 经典
40、光学理论体系 光学的发展可分为五个时期即萌芽时期（15世纪以前）、几何光学（16-18世纪）、波动光学（19世纪）、量子光学（20世纪初）和现代光学（20世纪60年代起）。此处着重介绍经典光学包括几何光学和波动光学的发展。1几何光学 从托勒密开始，经历了1500年终于得到了严格的折射定律。折射定律连同反射定律和光的直线传播原理一起，构成了几何光学的理论基础。2波动光学 1704年，牛顿提出了光的微粒学说：光是微粒流，从光源飞出，在真空和均匀媒质中因惯性而匀速直线运动。用此观点解释了光的直线传播、光的反射和光的折射。,40,惠更斯、胡克和欧拉坚决主张光的波动说。惠更斯认为光是发光体中微小粒子的振
41、动，是弥漫于宇宙空间的介质“以太”中的波的传播过程.他用子波和波阵面的概念引进了著名的惠更斯原理，解释了反射和折射定律。但他没有把波动过程的特性给予足够的说明，没有指出光波长，没有认识到波的叠加性，没能解释光的干涉、衍射和偏振，而且以太这种物质也值得怀疑。由于牛顿的权威，微粒说占统治地位达一个世纪之久。19世纪初，托马斯杨和菲涅耳为光的波动理论奠定了坚实的基础，人们开始普遍接受光的波动说。1801年，杨做了著名的双缝干涉实验。1815年，菲涅耳将干涉原理和惠更斯原理结合，形成了惠更斯-菲涅耳原理，解释了光的衍射。1808年，马吕斯发现了光的偏振。杨用光的横波假设说明了光的偏振现象。但人们把光仍
42、然看成是“以太”中的机械弹性波。,41,1865年，麦克斯韦提出了一套完整的电磁场方程并由此推出了电磁场传播的波动方程，预示电磁场以横波形式在空间传播，求出了电磁波的速度为光速。1868年，麦克斯韦又发表了关于光的电磁理论论文，把光概括到了电磁理论中，将电、磁、光统一起来。1888年赫兹由实验测定了电磁波的速度，正好等于光速。至此完全确立了光的电磁说。19世纪末到20世纪初，人们对光学的研究已经深入到光的发射、光与物质的相互作用的微观机制中，光的电磁理论在解释光和物质相互作用的某些现象时遇到了困难，例如黑体热辐射实验、光电效应实验等。1900年普朗克提出了能量子概念成功地解释了黑体辐射。190
43、5年，爱因斯坦提出了光子假说，圆满地解释了光电效应。光子理论为后来许多实验如康普顿效应所证实，从而形成了量子光学。20世纪60年代激光问世以来，形成了现代光学,42,1.3.3 经典热力学与统计物理学体系 1早期的热学研究 古代对热的不同看法只停留在思辩和猜测的水平上，没有科学的证明。17世纪以后，热的本质问题又引起了人们的兴趣。存在着两种观点：一种是从物质内部的运动解释热现象，另一种是用意想的特殊物质即热质来解释热现象，热质说一度占了上风。不少人根据摩檫生热，认为热是物质内部分子运动的表现，但尚缺乏足够的实验依据，因此人们未普遍接受。18世纪中叶以后，多数物理学家用热质来解释自然界的冷热变化
44、.热质说者称热由无重量的某种特殊物质组成。在热质说指引下,热学也有一定进展.波尔哈夫在做混合物的实验时断言“热不能创造也不能消灭”，提出了混合时热量守恒的思想。英国化学家布莱克是热质说的主要倡导者。,43,他在研究热传导时，提出了比热、热容量概念，得出了量热学基本公式Q=cmt，而且区分了温度和热量的概念即温度是“热的强度”、热量是“热的数量”，还发现了潜热。当时热质说之所以能占上风，是因为热质说能很好地解释一些热现象如温度的变化是吸收和放出热质引起、热传导是热质的流动、摩檫或碰撞生热是热质被逼出来的缘故。18世纪末，热质说受到了严重的挑战。伦福德于1797年向皇家学会提交了论摩檫激起的热源的
45、报告，叙述了他的机械功生热的发现，他观察到大炮镗孔时剧烈发热，浸在水中的炮筒使水温快速上升。他认为热是物质运动的一种形式。1799年，英国化学家戴维利用钟表机件使放在真空容器里的两块冰摩檫融化成水，他断言，热质是不存在的，热质守恒不成立，热是物体微粒的运动或振动。伦福德和戴维的正确观点为热质说的最终破灭提供了令人信服的论据.,44,但热质说在当时并未因此而推翻。这个问题直到19世纪热力学第一定律建立后，才得到真正解决。,2能量守恒定律与热力学理论的建立 能量守恒原理的建立是生产技术、哲学和自然科学长期发展的结果。在中国古代和古希腊，就已经提出运动不灭又不可创造的思想。在近代科学产生以来，对能量
46、守恒原理的认识是从力学的研究开始的。到19世纪20年代，人们已弄清了功和机械能变化的量度关系。机械能守恒实际上是能量守恒在机械运动中的特殊情况。永动机不可能实现的历史教训，从反面提供了能量守恒原理的例证。很早以来，一些发明者企图创造一种理想机械，这种机械（第一类永动机）在不消耗任何燃料和动力的情况下不断地进行有效的工作。但各种设计巧妙的永动机最后都以失败告终。,45,17世纪末期，法国人巴本发明了第一台活塞式蒸汽机，尔后还出现了各种其他蒸汽机。瓦特最有名，他设计的蒸汽机效率最高。蒸汽机的发明和利用为能量守恒与转化定律（热力学第一定律）的发现创造了最基本的物质基础。而提高热机效率的研究则导致了热
47、力学第二定律的建立。,瓦特（James Watt,1736-1819）,蒸汽机的动力应用促使人们去深入探讨机械运动和热运动之间的相互转化，而在其他领域，各种运动形式之间的相互联系和转化，也相继被发现。如动物电、温差电及其逆效应、电流的热效应、电流产生机械运动、电流的磁效应、电磁感应、电解、化学反应热、伏特化学电池、紫外线的化学作用等等，还有古人已发现的摩檫生电、摩檫生热。人们逐渐形成了能量概念并认识到各种运动形式是能量的不同表现形式。,46,能量守恒定律就是在对力、热、光、电、化学等各种运动形式相互联系的基础上建立起来的。到19世纪40年代，能量守恒定律已经完全确立。公认对能量守恒定律（热力学
48、第一定律）的建立贡献最大的是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。迈尔提出了,焦耳（Janes Prescott Joule,1818-1889）,力（即能量）的不灭性和可转化原理，并初步计算了热功当量。焦耳从1837年起到1878年花了40年的时间，先后用不同的方法进行了400多次关于热功当量的实 验，以精确的数据为能量守恒定律提供了无可置疑的实验事。1847年，亥姆霍兹在论力的守恒中写道：“自然界作为整体来说，它蕴藏着一定数量的能量，既不会减少，也不会增加。因此，自然界中的能量是永恒的和不变的，就象物质的数量守恒一样。我把这种形式定义的普遍规律称为能量守恒定律”。,47,热力学第一定律就是能量守恒与转换定
49、律在涉及热现象过程中的具体体现。德国克劳修斯于1850年给出了热力学第一定律的数学表达式。热力学第二定律（能量耗散定律）是关于热能与机械能（或其他形式能量）转化的一种特殊规律，基本内容是：涉及到热的过程是不可逆的，在实用上是寻求热机效率的最大可能性。克劳修斯和英国开尔文分别给出了关于热力学第二定律的说法。热力学第二定律的发现与热机效率的研究分不开。卡诺于1824年提出了在热机理论中有重要地位的卡诺定理，该定理成了热力学第二定律的先导。克劳修斯引出了新的物理概念熵，得出了热力学第二定律的数学式，用熵的概念表述了热力学第二定律即自然界一切自发过程总是沿着熵不减少的方向进行的。热力学第一、第二定律构
50、成了热力学的理论基础，热力学是物理学的重要组成部分。1912年，德国的能斯脱建立了热力学第三定律（绝对零度不可能达到）。,48,3分子运动论及统计物理学 19世纪中叶，物理学界普遍认识到热和分子运动的联系。克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼是分子运动论的主要奠基者，他们对分子动理论进行了系统研究，运用概率统计方法,由系统的微观运动状态预言系统热运动的宏观性质。克劳修斯在1857年第一次引进了统计思想，提出了理想气体分子模型，得到了气体压强和分子平均平动能成正比、分子的平动能又与绝对温度成正比的认识。麦克斯韦得出了气体分子在碰撞后沿各个方向运动的概率相等的结论。他还指出，气体分子速度大小范围可以从0到
