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1、物理学史讲座,从牛顿到爱因斯坦,“自然和自然的法则 在黑暗中隐藏；上帝说：让牛顿去吧！于是，一切都已照亮。”波普（英国诗人）,爱因斯坦：“卓别林先生您的艺术全世界的人都能看懂，您一定能成为一位伟大的艺术家。”,卓别林：“爱因斯坦先生，您的著作全世界没有几个人能看懂，但您已经成为一位伟大的科学家,托勒密地心说体系,古希腊人托勒密,波兰人哥白尼,哥白尼日心说示意图,日心说的创立和天体运行论的出版,约翰开普勒（1571-1630），德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。,一、开普勒天空的立法者,一个贫穷而富有的人,（1）一个凭借精神克服恶劣家境与病弱身体的人（2）一个被国家饿死的天文学家
2、（3）一个精神上富有的人,开普勒行星三定律-中世纪科学与近代科学的分水岭 1600年与第谷合作，使他从第谷处 获得了大量精确的天文学数据。于1609和1619年，他先后提出了 行星运动三定律。,第谷在天文台工作,第谷用过的望远镜,主要贡献,1609年，开普勒出版了新天文学一书，提出了著名的开普勒第一定律和第二定律。第一定律（轨道定律）：所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。,开普勒第一定律,第二定律（等面积定律）：对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。,1619年，开普勒在宇宙谐和论一书中又提出了第三定律,第三定律（周期定律）：所有行星的轨道的半
3、长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等，记为：,奇妙的“2”和“3”,这是一个十分重要的自然定律。不仅行星遵循着它，连同行星的卫星以及太阳周围的其他天体概无例外。从而可以确定，太阳和它周围的所有天体不是偶然的、没有秩序的“乌合之众”，而是一个有严密组织的天体系统太阳系。行星的复杂运动，立刻就失去全部神秘性。它成了天空世界的“法律”。后世学者尊称开普勒为“天空立法者”。,的确，把几千个数据归纳成如此简洁的几句话，这是极为杰出的成就。不过，开普勒并不知道，他所发现的三个定律蕴涵着极其重大的“天机”，那就是万有引力定律。揭示这一自然奥秘的任务是后来牛顿完成的，但开普勒的理论为牛顿经典力学的建
4、立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，他成为近代科学的开路先锋。,开普勒,伽利略（1564-1642）意大利伟大的物理学家和天文学家，被誉为“近代科学之父”。,二、伽利略经典力学的奠基者,伽利略的科学人生,（1）学生时期的“兴趣转移”（2）著名的“比萨斜塔实验”（3）从罗马宫廷的座上宾到阶下囚,（1）（1609年）自制望远镜（放大1000倍）证明了哥白尼“日心说”的正确性。为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为称为“国际天文年”。（2）发现木星的4颗卫星（3）发现太阳黑子（4）定出太阳自转周期,伽利略的折射式望远镜,1、伽利略在天文学方面的贡献：,2、在力学方面
5、的贡献：,（1）确立描述运动的基本特征量速度和加速度。,（2）用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律，v=gt、h=gt2/2。,(3)发现惯性定律隔了一代人，被牛顿总结成动力学的基本定律之一。,（4）提出了运动的相对性原理。,3、对科学方法的贡献 斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。从斜面实验看伽利略的研究方法：,伽利略在解释其观察结论,对现象的观察,提出假设（匀加速运动假设）,进行数学和逻辑的推理（xt2）,实验验证,形成理论,开创了科学实验方法，核心是将实验和逻辑推理（包括数学演算）相结合。提出了理想实验。,1632年伽
6、利略出版关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话,被判终身监禁，软禁期间，一直未中断过研究工作，直到逝世前。伽利略受审300年后，即1979年，罗马教皇为伽利略平反。,罗马教庭对伽利略的审判,爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。”伽利略被后人称为“现代物理之父”。,三、牛顿科学的代言人,1、度日艰难的遗腹子2、一位伯乐：牛顿的恩师巴罗3、被迫中断的两年乡村生活4、不朽的著作：自然哲学的数学原理,牛顿（16431727年）英国数学家、天文学家和物理学家。,近代科学并不是某个人在某一天创造的。但是如果一定要举出某个人某一天
7、作为近代科学诞生的标志，我选牛顿自然哲学的数学原理在1687年出版的那一天。杨振宁,1、力学成就之牛顿力学三定律,牛顿创建了力学模型，把物体视为质点（理想模型），将模型与数学相结合研究了物体运动规律，使物理学成为定量的学科。模型方法不仅是物理学，而且已成为现代科学研究的基本方法之一。,牛顿第一定律：惯性定律一个不受外力作用的物体将保持它的静止或匀速直线运动状态。这个定律首先归功于伽利略和笛卡儿的贡献，但他们的那个年代还没有力的概念，牛顿的高明之处在于他将物体间复杂多样的相互作用抽象为“力”，于是在隔了一代人以后，牛顿将它作为力学定律提出，并引入“质点”来描述物体惯性的大小。,牛顿第三定律：作用
8、力和反作用力定律两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。,牛顿第二定律：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。用公式便是就是，这是动力学的最基本定律。,牛顿力学三定律，为力学奠定了坚实的基础，并对其他学科的发展产生了巨大影响。,力学成就之万有引力定律,开普勒三定律问世后，人们又关心着一个新的课题：是什么原因使天体具有这样一个和谐的结构？,英国的科学家胡克(1635-1703)、哈雷(1656-1742)在引力问题的研究上都作出过重要贡献。,1674年，胡克在一次演讲中提出引力随 离吸引中心的距离而变化。168
9、0年初，在给牛顿的信中正式提出了引力与距离平方成反比的观点，但他并没有将自己的引力思想如牛顿所作的那样用数学式子表示出来，并用太阳、地球、月亮、行星和地球上物体的运动实例来加以验证。因此，把发现万有引力定律的殊荣让给了牛顿，但胡克的某些想法对牛顿完成万有引力的研究是起着积极的启示作用的。（牛顿没有回信，但事实上采用了胡克的见解）牛顿用微积分导出了万有引力定律表达式。,万有引力公式的建立 牛顿将第二、第三定律和开普勒定律相结合，建立了万有引力公式,其中引力常数G的测定是100多年以后由卡文迪许利用扭秤实验测得。此实验也被评为历史上“最美丽”的十大实验之一。,理论预言的实践检验哈雷彗星和海王星的发
10、现,哈雷彗星,海王星,英国剑桥大学生亚当斯和法国天文学家勒维耶各自独立利用万有引力定律计算出这颗“新”行星的轨道，1846年9月23日晚，德国的加勒在预言的位置附近发现了这颗行星，人们称其为“笔尖下发现的行星”。后来，这颗行星命名为“海王星”。,海王星的发现和哈雷彗星的“按时回归”确立了万有引力定律的地位，也成为科学史上的美谈。诺贝尔物理学奖获得者，物理学家冯劳厄说“没有任何东西像牛顿引力理论对行星轨道的计算那样，如此有力地树立起人们对年轻的物理学的尊敬。从此以后，这门自然科学成了巨大的精神王国-”,时至今日数千颗人造卫星和宇宙飞船，正在按照万有引力定律为它们“设定”的轨道在宇宙中飞行着，以至
11、于阿波罗宇宙飞船从月球返航的途中，当地面控制中心问及“现在是谁在驾驶飞船”时，指令长回答道：“我想现在是牛顿在驾驶。”,自古以来当人民仰望星空时，天空中壮丽璀璨的景象便吸引了他们的注意力。牛顿以他过人的才智把空中的现象与地面上的现象统一起来，成功地阐释了天体运动的规律。,2牛顿在科学研究方法上的贡献 牛顿在这本书不仅讲了研究的目的，还讲了科学研究方法。即从特殊（现象）到一般（规律），再从一般回到特殊。前者是英国哲学家培根强调的“归纳法”，它以实验为基础；后者是被数学家兼哲学家的笛卡儿所强调的“演绎法”，它要用数学工具。,自然哲学的数学原理,牛顿的研究方法：归纳-演绎法归纳法：从实验出发，由特殊
12、到一般演绎法：以理论为主，由一般到特殊 在牛顿前，两种方法被认为是互相排斥的。牛顿在科学方法上的重大贡献就是他把两种方法结合起来了。牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合，模型和数学相结合的科学研究方法，从力学的基本概念和基本定律出发，利用他所发明的微积分这一数学工具，把天体力学和地面上的力学统一起来，创立了经典力学，实现了物理学史上第一次大综合，而且推动了近代科学的大发展。,3、成功的原因,牛顿取得伟大成就在于时代、勤奋、方法这样三个因素。牛顿所处的时代，伽利略和开普勒已经在地上和天上这两个领域实现了局部的综合，具体地说，没有伽利略的“地上三定律”就没有牛顿的三定律，没有开普勒的“天上三
13、定律”也没有牛顿的万有引力定律。牛顿说，“如果我比别人看得远，那是因为我站在巨人肩上。,4、一个真实的牛顿,对于前辈科学家的认识也是一个历史发展的过程。历史告诉我们，牛顿以其过人的天才和超越自身时代的发现，改变了人类对世界的认识和理解，并已浸润到当今人类生活的各个方面。牛顿的科学思维是清晰的，牛顿的科学态度是严谨的，牛顿的科学成果是划时代的。所以人们不吝惜将最热情的赞誉给予这位伟大的科学家。他死后，英国为他举行了国丧，他的灵柩被安葬在威斯敏斯特教堂，成为英国的英雄。但是，随着一些尘封已久的资料的公开，人们又不得不相信，这位科学的代言人曾经深陷炼金术的泥沼而不能自拔，并沉溺于宗教狂热之中；他与胡
14、克、莱布尼兹的争斗中凸显了他盛气凌人的霸气和学术道德的缺失。,那么，我们今天如何看牛顿？,牛顿传作者怀特说：“用陆续挖掘出来的材料为牛顿画像，画出来的形象不一定十分美丽，但真实的人生本来如此，并不都是美丽的。我们应该骄傲地接受这样一个人，既接受他独特的才华与天分，也接受他怪异的行径与失败。”是的，牛顿犯过的错误和性格上的弱点也许比人们知道的更多；但也仍是一位无以伦比的巨人！让我们永远记住，人类曾经存在过这样一位伟大的智者，并从他的科学思想和科学成果中获得教学和启迪。,牛顿物理学的局限性,当物体运动速率很高时（接近光速），当所描写的体系很小时（微观体系），当所描述的物质系统很大，或引力很强时，牛
15、顿的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。（相对论和量子力学）,法拉第,爱因斯坦：自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯伟在电磁现象的工作所引起的。,麦克斯韦,四、法拉第 实验大师,1、自学成才的科学家2、改变了人类文明（电气时代）3、实验大师、电学之父、交流电之父、发明家,法拉第(17911867)，英国物理学家、化学家。,1、改变人类命运的伟大发现电磁感应：,奥斯特梦圆“电生磁”：法拉第评价说“他突然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”,法拉第心系“磁生电”,思想：各种自然现象都是相互关联的。根据
16、：磁铁能使临近的铁块感应带磁磁化。静电荷能使邻近的导体中感应出另一 种电荷 静电感应。联想：电与磁的性质是相同的。既然电流能产生磁效应，那么根据电与磁的相似性，磁也能产生电呀！,法拉第心系磁生电,志向：“我因为对当时产生电的方法感到不满意，因此急于想发现电磁及感应电流的关系，觉得电学在这条路上一定可以有充分的发展。”经过近10年的不断实验，到1831年法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。法拉第的这个发现扫清了探索电磁本质道路上的拦路虎，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。,成果：电磁感应现象的发现与人类社会的电气化。根据这个实验，1831年10月28日法拉第发明了圆盘发电机。这个圆盘发电机，
17、结构虽然简单，但它却是人类创造出的第一个发电机。现代世界上产生电力的发电机就是从它开始的。,法拉第心系磁生电,趣闻：法拉第与贵妇人的对话。一天法拉第在皇家学会表演他的发电机时，一位贵妇人冷冷地说：“这玩意儿有什么用呢？”法拉第机智地回答：“夫人，你不应当去问一个刚出生的婴儿会有什么出息，谁也不能预料婴儿长大成人之后会怎么样？”,2、创造全新的物理概念场及其图示法,概念是科学的细胞：科学概念的提出，对科学理论的形成和发展，具有十分重要的意义。提出概念的基础：既是长期实践发展的产物，又是深入抽象思维的结果。,法拉第的场概念及其图示,（1）一个更为深刻的问题：、的作用是怎样的传递的？超距作用：不需要
18、任何媒质，也不需要任何时间评说：具有神秘色彩与人类的理智的科学追求不符。,法拉第的看法：,1837年他引入了电场和磁场的概念，指出电和磁的周围都有场的存在，这打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。1838年，他提出了电场线的新概念来解释电、磁现象，这是物理学理论上的一次重大突破。1852年，他又引进了磁感线的概念，从而为经典电磁学理论的建立奠定了基础。后来，英国物理学家麦克斯韦用数学工具研究法拉第的磁感线理论，总结出麦克斯韦方程组，最后完成了经典电磁学理论。,麦克斯韦方程组的核心地位：,麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典
19、物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。至此经典物理学（经典力学、经典电磁理论、经典统计热学）由力学、电磁学、热学、光学、声学等构建的经典物理学的大厦建立完毕。,物理学发展到19世纪末期，可以说已经达到了相当完美，成熟的程度。物理学的辉煌成就使得不少物理学家踌躇满志、沉溺于欢快陶醉之中，于是产生了这样一种看法：物理学的大厦已经落成，今后物理学家用不着再干什么了,只需要把各种数据测得精确些就行了。,1900年新春之际，著名物理学家开尔文勋爵在送别旧世纪所作的讲演中讲道：“19世纪已将物理学大厦全部建
20、成，今后物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦了。”同时他也提到物理学的万里晴空中却飘来了两朵令人不安的乌云，一朵为以太漂移实验的否定结果，另一朵为黑体辐射的紫外灾难。这些无法用经典物理学解释的新发现，使经典物理学陷入了危机。,物理学晴朗天空中的两朵乌云 The physical sky is obscured by two clouds,迈克尔逊-莫雷实验,相对论,黑体辐射与紫外灾难,量子力学,五、阿尔伯特爱因斯坦,爱因斯坦（1879年3月14日1955年4月18日），20世纪的伟大科学家，犹太裔理论物理学家，创立了相对论以及质能方程E=mc 最著称于世。爱因斯坦被誉为是“现代物理学之父”及二
21、十世纪世界最重要科学家之一。他卓越的科学成就和原创性使得“爱因斯坦”一词成为“天才”的同义词。,科学革命的旗手,1.人生历程,爱因斯坦于1879年3月14日出生在德意志帝国。他的父亲是一名商人。他的母亲是一位音乐家。爱因斯坦刚生下来时，脑袋特别大，与他身体的比例很不协调；尤其是后脑勺，不但大，而且有棱有角。要是一般的父母一定会担心孩子是不是畸形儿，然而爱因斯坦的父亲赫尔曼爱因斯坦却说：“那是因为他那颗脑袋里装的智慧太多了!”,四岁时的爱因斯坦,读书时期,（1）1888年（9岁），开始中学学习。（2）1891年（12岁），自学欧几里德几何，感到狂热的喜爱，同时开始自学高等数学。（3）1895年（
22、16岁），自学完微积分。爱因斯坦开始思考当一个人以光速运动时会看到什么现象。对经典理论的内在矛盾产生困惑。（4）1900年8月（21岁），爱因斯坦毕业于苏黎世联邦工业大学；12月完成论文由毛细管现象得到的推论，次年发表在莱比锡物理学杂志上并入瑞士籍。（5）1901年3月21日（22岁），取得瑞士国籍。在这一年57月完成电势差的热力学理论的论文。,毕业以后,(1)1902年6月16日（23岁），被瑞士伯尔尼专利局雇佣。(2)1905年（26岁）发表了五篇不同领域的划时代的论文，其中有独立提出狭义相对论并建立了光量子论。开创物理学的新纪元，轰动了整个世界。1905年因此被称为“爱因斯坦奇迹年”。2
23、005年被定于国际物理年。（3）1909年（30岁）10月，离开伯尔尼专利局，任理论物理学副教授。（4）1913年（34岁）重返德国，任柏林威廉皇帝物理研究所长和柏林洪堡大学教授，并当选为普鲁士科学院院士。,震惊世界,（1）1914年（35岁）4月，一战爆发，爱因斯坦在反对战争的告欧洲人民书上签上自己的名字，这一“叛国”举动震惊了全世界。（2）1915年（36岁）11月，提出广义相对论引力方程的完整形式，并且成功地解释了水星近日点运动。（3）1921年（42岁）爱因斯坦因光电效应研究而获得诺贝尔物理学奖，他的研究推动了量子力学的发展。（4）1922年（43岁）1月，完成关于统一场论的第一篇论文
24、。（5）1923年（44岁）发现了康普顿效应，解决了光子概念中长期存在的矛盾。（6）1924年（45岁）取得最后一个重大发现，从统计涨落的分析中得出一个波和物质缔合的独立的论证。,2、爱因斯坦的主要成就,（1）分子运动论 爱因斯坦于1905年发表了关于液体中悬浮粒子运动的论文，这种运动就是布朗运动。另外爱因斯坦通过观测由分子运动撞击所产生的悬浮粒子的无规则运动来测定分子的实际大小。,2、爱因斯坦的主要成就,（2）量子统计理论 1905年，提出了光量子说，发表了关于光的产生和转化的一个推测性观点一文，这是历史上第一次揭示微观粒子的波粒二象性。在这篇文章中，爱因斯坦应用光量子说E=h，成功地解释了
25、光电效应，并提出爱因斯坦光电效应方程，是量子力学奠基人之一。,3、爱因斯坦开创领域,之一：建立了狭义相对论,之二：建立了广义相对论,之三：宇宙学理论,之四：统一场论,爱因斯坦不仅是物理学家，而且是一名哲学家，杰出的社会活动家。他认为：“人只有献身于社会，才能找到那短暂而有风险的生命的意义。”他关心社会，关心政治，反对军国主义和法西斯主义，一战时拒绝“爱国”。二战时，当爱因斯坦得知日本广岛遭原子弹轰炸的消息时，感到极度震惊。作为推动美国原子弹研究的第一人，爱因斯坦不无遗憾地说：我现在最大的感想就是后悔，后悔当初不该给罗斯福写那封信我当时是想把原子弹这一罪恶的杀人工具从疯子希特勒手里抢过来。想不到
26、又将它送到另一个疯子手里。直到爱因斯坦去世之前，爱因斯坦都利用一切机会呼吁美国不要把科学的发现变成杀人武器，并号召全世界科学家团结起来反对核战争。,4、爱因斯坦的葬礼,这位伟大的学者在他生命的最后一天向家人留下遗嘱：不发讣告，不举行葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。他的遗体的火化是悄悄的进行的，没有仪仗、没有乐队、没有花圈、也没有悼词。悼念仪式结束后，他的遗嘱执行人，好友奥托纳坦在灵柩前朗诵了歌德为悼念席勒所写的诗：“我们全都获益匪浅，全世界都感谢他的教诲，那属于他个人的东西，早已传遍了人类。他像行将陨天的彗星，光芒四射，把无限的光明同他的光芒永远相联。”,他还叮嘱再三：骨灰撒向大地，不要在他工作和生活的地方建立任何纪念馆，不可把他的住所变为人们“朝圣”的殿堂，他的办公室一定要让别人使用一颗巨星陨落了，人们虽然找不到纪念和瞻仰他的馆所，但却在心理筑立了永久纪念他的殿堂！,爱因斯坦晚年留下了许多照片。在他的照片中，这位慈祥的老人，总好像“心不在焉”地看着我们。因为他要创立“统一场论”以便对宇宙中几种基本相互作用作出统一解释的努力未能成功。我们从他那布满皱纹的脸上，好像能看到思潮的波涌；从他的谦和的眼神，仿佛能听到脑海中的涛声！,成功的“公式”A=X+Y+Z,A 代表成功,X 代表不懈努力,Y 代表正确的方法,Z 代表少说空话、废话。,
