物理学史学习.pptx

爱因斯坦：爱因斯坦：“卓别卓别林先生您的艺术全世界的林先生您的艺术全世界的人都能看懂，您一定能成人都能看懂，您一定能成为一位伟大的艺术家。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第1页/共52页 一、牛顿一、牛顿科学的代言人科学的代言人1、度日艰难的遗腹子2、一位伯乐：牛顿的恩师巴罗3、不朽的著作：自然哲学的数学原理第2页/共52页 近代科学并不是某近代科学并不是某个人在某一天创造的。个人在某一天创造的。但是如果一定要举出某但是如果一定要举出某个人某一天作为近代科个人某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛学诞生的标志，我选牛顿顿自然哲学的数学原自然哲学的数学原理理在在1687年出版的那年出版的那一天一天 杨振杨振宁宁第3页/共52页牛顿运动定律第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。第二定律 物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同第三定律 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，作用在一条直线上 第4页/共52页评说：评说：从地面上物体的运动到天体的运动，从大气的流动到地壳的变动，从拦河筑坝修建桥梁到设计各种机械，从自行车到汽车、火车、飞机等现代交通工具的运动，从投出篮球到发射导弹，人造卫星、宇宙飞船所有这些动要遵从牛顿运动定律和由此树立起来的经典力学的规律，充分显示了牛顿科学工作的魅力。第5页/共52页万有引力定律万有引力定律 自然界中任何两个物体都相互吸引，引力的大小与物体的质量m1和m2乘积成正比，与它们之间的距离r的二次方成反比，方向在它们的连线上 第6页/共52页时至今日数千颗人造卫星和宇宙飞船，正在按照万有引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力定律为它们“设定设定”的轨道在宇宙中飞行着，以至于的轨道在宇宙中飞行着，以至于阿波罗宇宙飞船从月球返航的途中，当地面控制中心问阿波罗宇宙飞船从月球返航的途中，当地面控制中心问及及“现在是谁在驾驶飞船现在是谁在驾驶飞船”时，指令长回答道：时，指令长回答道：“我想我想现在是牛顿在驾驶。现在是牛顿在驾驶。”自古以来当人民仰自古以来当人民仰望星空时，天空中壮丽望星空时，天空中壮丽璀璨的景象便吸引了他璀璨的景象便吸引了他们的注意力。智慧的头们的注意力。智慧的头脑开始探索天体运动的脑开始探索天体运动的奥秘，到了十七世纪，奥秘，到了十七世纪，牛顿以他过人的才智把牛顿以他过人的才智把空中的现象与地面上的空中的现象与地面上的现象统一起来，成功地现象统一起来，成功地阐释了天体运动的规律阐释了天体运动的规律。第7页/共52页 1992年，中国启动载人航天工程。2003年10月15日9时，我国神州五号宇宙飞船在酒泉卫星发射中心成功发射，把中国第一位航天员杨利伟送入太空。实现了中华民族千年的飞天梦想。第8页/共52页 2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机返航时在大气层中的解体，七名宇航员全部遇难。无数探索者用自己的汗水和生命铺设了人类通往宇宙的道路。第9页/共52页评说：尽管人类已经跨入太空，登上月球，但是，相对于宇宙之宏大，地球和月亮不过是茫茫宇宙中的两粒尘埃；相对于宇宙之久长，人类历史不过是宇宙年轮上一道小小的刻痕宇宙留给人们的思考和疑问向深邃而广阔。宇宙有没有边界？有没有起始和终结？有没有地外文明？如果有它们在哪里？爱因斯坦曾经说：“一个最完美和最强烈的情感来自面对不解之谜”同学们：你们想加入破解它们的行列吗？第10页/共52页4、一个真实的牛顿、一个真实的牛顿牛顿的基志铭：伊萨克牛顿爵士 安葬在这里 他以超乎常人的智力 第一个证明了行星的运动与形状 彗星的轨道与海洋的潮汐 他孜孜不倦地研究 光线的各种不同的折射角 颜色所产生的种种性质 对于自然、历史和圣经 他是一种勤勉、敏锐而忠实的诠释者 他们自己的哲学证明了上帝的庄严 并在他的举止中表现了福音般的纯朴 让人类欢呼曾经存在这样一位伟大的人类之光。第11页/共52页如何看牛顿？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；他与胡克、弗拉姆斯蒂德、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。第12页/共52页那么，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。第13页/共52页5、牛顿站在谁的肩上？牛顿：“如果我比别人看得远一些，那是因为我站在巨人们的肩上。”第14页/共52页 伽利略近代物理的先驱。爱因斯坦评价道：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”他失明了，因为在自然界已经没有剩下什么他没看见过的东西了伽利略墓志铭第15页/共52页伽利略的科学功绩 (1)确立描述运动的基本特征量速度和加速度 (2)探索落体运动的规律：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 理想实验的魅力：运动不需要力的维持。（4）提出了运动的相对性原理提出了运动的相对性原理第16页/共52页 伽利略在对话一书中写道：“把你和一些朋友关在一条大船的甲板下的主舱里，让你带着几只苍蝇、蝴蝶、和其它小虫。舱内放一只大碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐子里。船停着不动时，你留神观察，小虫都已相同的速度向 舱内各处飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐中。你把任何东西扔向你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比向另一方向用更大的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向，跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速的，也不忽左忽右的摆动，你将发现所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动，还是停着不动。即划船运动得相当快，在跳跃时，你将和以前一样，在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然，当你跳到空中时，脚下的船板向着你跳的相反方向移动，你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要更大的力。水滴将像先前一样，滴进下面的罐子里，一滴也不会滴向船尾，虽然水滴在空中时，船已行驶了许多。鱼在水中游向水碗前部所用的力，并不比游向水碗后部来得大，他们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行，它们也绝不会向船尾集中，并不因为它们可能长时间留在空中，脱离了船的运动，为赶上船的运动而显出累的样子。”第17页/共52页评说：这段十分精辟的观察事实，揭示了一条极为重要的真理，即从船中发生的任何一种现象，均无法判断船究竟是在匀速运动还是停着不动。地球就像一条大船，由于地球上所有的物体都参加了地球的运动，因此彼此并不感觉与地球静止时有什么差异。人们将这个论断称为“伽利略相对性原理”。第18页/共52页（5）开创了实验科学：把观察和实验作为研究的基础，并把它与数理逻辑的推理紧密结合起来，是人类科学思维方式的巨大进步。第19页/共52页伽利略的科学人生（1）从罗马宫廷的座上宾到阶下囚（2）基志铭：“他失明了，因为在自然界中已经没有剩下什么他没有看见过的东西了。”（3）没有思想的自由，就没有科学的发展，历史就失去光辉第20页/共52页开普勒天空的立法者 爱因斯坦评开普勒：“在开普勒生活的时代，人们还根本没有确信自然界是受着规律支配的。他在没有人支持和极少有人了解的情况下，全靠自己的努力专心致志地以几十年艰辛和坚韧的工作，从事于行星运动的经验研究以及这种运动的数学定律的研究，使他获得这种力量的，是他对自然规律存在的信仰，这种信仰该是多么深挚呀！”第21页/共52页行量运动三定律 中世纪科学与近代科学的分水岭 第一定律：所有 行星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳位于椭圆的一个焦点上第二定律：对于任一行星来说，它与太阳的连线在相等的时间扫过相等的面积第三定律：行星绕太阳运动轨道的半长轴a的立方与运动周期T的平方成正比即：a3/t2 =K 式中k是与任何行星无关，只可能与太阳有关的一个常量第22页/共52页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 开普勒一辈子都很贫穷，身为宫廷天文学家，但薪水常常被拖欠。1630年11月15日，在他去索要拖欠了二十余年的薪水时，染伤寒死于途中，死时一贫如洗 黑格尔说：“开普勒是被国家饿死的”第23页/共52页（3）一个精神上富有的人 生活的困苦，研究的艰辛，命运的坎坷，从未使他在科学研究的道路上退缩。他写道：“要把科学研究之锚沉入科学的海洋之底”，“我勇往直前，百折不回为了给我的上帝塑造一座圣殿，我已经得到了金瓶木已成舟、瓜熟蒂落。我正在写的这部书是现在还是将来子孙后代读到它，那无关紧要。它可以为有一个读者而等上整整一个世纪。正如上帝自己为了有一个智者而等了六千年一样。”自撰墓志铭：“我曾测量天空，现在测量幽冥；灵魂飞向天国，肉体安息土中。”第24页/共52页开普勒、伽利略与牛顿伽利略和开普勒是朋友，长期书信往来，却来曾谋面。开始时伽利略不知道行星绕日运动不再是匀速圆周运动，而开普勒不知道伽利略的惯性定律。后来，当开普勒的行星运动定律与伽利略的惯性定律会合时，历史进入了牛顿时代。可以说，牛顿所建立的万有引力定律，就是把伽利略和开普勒关于力与运动及行星定律的“歌词”谱上了数学的“乐曲”，成为人们可以吟唱的科学乐章。第25页/共52页二、法拉第和麦克斯伟二、法拉第和麦克斯伟 实验大师和理论巨实验大师和理论巨将将牛顿曾说：“我不过像是在玩耍的小孩，不时为发现比寻常更光滑的一块石子或比寻常更 美丽的一片贝壳而沾沾自喜，但对展现在我面前的浩瀚的真理海洋却全然没有发现”是的牛顿并没有揭示值得我们知道的每一样东西，其中就换电现象、磁现象。“江山代有才人出，各领风骚数百年”时代召唤着新的巨人第26页/共52页 爱因斯坦：自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯伟在电磁现象的工作所引起的。第27页/共52页1、变人类命运的伟大发现电磁感应：奥斯特梦圆“电生磁”：“猛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。”第28页/共52页法拉第心系磁生电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：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！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。”成果：电磁感应现象的发现与人类社会的电气化。趣闻：法拉第与财政大臣的对话。第29页/共52页2、创造全新的物理概念场及其图示法概念是科学的细胞：有创见的科学是概念的提出，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。第30页/共52页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。第31页/共52页牛顿的看法：“很难想象没有别种无形的媒介，无生命无感觉的物质可以不需相互接触而对其他物质起作用和产生影响没有其它东西作媒介，一个物体可超越距离通过真空对另一物体作用，并凭借它和通过它。作用力可以从一个物体传递到另一物体，在我看来，这种思想荒唐之极，我相信从来没有一个在哲学的问题上具有充分思考能力的人会沉迷其中。”第32页/共52页法拉第：引领人们摆脱困境的具有深刻洞察力的科学家。第33页/共52页（2）具体内容带电体周围空间存在着电场。磁体周围的空间存在着磁场。电力和磁力是通过电场和磁场来传递的 电场的强弱与方向和磁场的强弱与方向可以用电场线和磁场线来描述。在对电场和磁场做了研究后，法拉第进一步强调了电磁场的重要性。他认为：描述电磁现象，重要的不是带电体和磁体这些看得见、摸的着的物质实体，而是带电体和磁体之间那种看不见，摸不着的然而又是客观存在的弥漫于整个空间的场。第34页/共52页（3）法拉第的局限 重在感性描述与缺少严格的推导证明；偏于直观形式上疏于数学表达。第35页/共52页3、从求知少年到豁达长者 谢绝皇家学会会长和爵位；拒绝研制毒气用于战争；葬礼简朴；墓碑上只有：“迈克尔.法拉第，17911867”字样。第36页/共52页4、麦克斯韦一个走向科学颠峰的高才生广泛的兴趣、精湛的构思和对事物寻根究底的探索精神，来自于接受了良好的教育。霍普金斯教授：“小伙子，如果你没有秩序你永远成不了优秀的数学物理学家。”高才生俱乐部中的佼佼者两个科目的最高奖集于一身。15岁时在爱丁堡皇家学会学报上发表了数学论文。第37页/共52页5、麦克斯的科学贡献 法拉第虽然有高超的实验技巧和丰富的想象力，提出了“场”和“力线”这些非常深刻的思想，但由于数学水平不高，所以无法把他的定性的见解提高到精确的定量的理论上去，而这个任务就由麦克斯韦完成了。积分形式微分形式物理意义(5.3.1.1)安培环路定律法拉第电磁感应定律磁通连续性定律.高斯定律第38页/共52页揭示了变化着的电场和磁场之间的相互依存的关系揭示了电磁场确实是一种物质形态，它像实物一样也是有能量、动量、质量，而且它一经产生，便以光速按波动形式传播，为无线电通讯奠定了理论基础。用一组偏微分方程式完美地描述了电磁运动的基本规律预见了电磁波的横向振动性质及其传播速度速度，建立起光的电磁理论将表面上看来风马牛不相及的电现象、磁现象和光现象统一在一个完整的理论之中，揭开了物理学的新篇章。第39页/共52页三、爱因斯坦三、爱因斯坦 科学革命的旗科学革命的旗手手1、人们如何谈论爱因斯坦第40页/共52页朗之万：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦位于最前列。他现在是，将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星因为他对科学的贡献更加深刻地进入了人类思想基本概念的结构之中。”汤姆逊：“爱因斯坦的相对论是历史上最伟大的成就之一，也许就是最伟大的成就。他不是发现了一个孤岛，而是发现了科学思想的新大陆。”第41页/共52页 约翰布朗：“科学界的名人都有其自身的相对性：有的科学家因同行的称道而出名；有些受到学生的赞誉；还有些受到大众的崇拜。但是，很少人能够对任何人，在任何地方，任何时间都是名人。爱因斯坦则达到了这种普遍性 他的形象已经成为一种图标，它代表智慧、想象力和创造力；他的品牌作为“天才”的同义词是如此地深入人心，以致于他本人有一次不得不忏悔地说：我是爱因斯坦，但我并不是人们说的那个天才的爱因斯坦。”第42页/共52页杨振宁：“爱因斯坦就是追求科学所需要的力量和毅力的象征。他的研究工作是在他之后的科学家的灵感和勇气。”李政道：“我们的地球在太阳系中是一个不大的行星。我们的太阳在整个银河系四千亿颗恒星中也不是怎么出奇的星。我们银河系在整个宇宙中也是非常渺小的。可是，因为爱因斯坦在我们小小的地球上生活过，我们这颗蓝色的地球就比宇宙的其他部分有特色，有智慧，有人的道德。”第43页/共52页2、爱因斯坦告诉了我们什么光到底是什么？分子真的存在吗？狭义相对论改变了什么？（1）两个基本原理：相对性与光速不变性（2）从同时的相对性到时间和长度的相对性：（3）质速关系：（4）质能关系与原子核能的利用：E=mc2第44页/共52页引力是什么？（1）光线弯曲（2）行星的进动（3）引力场方程与引力的演化（4）时空、物质与引力的关系第45页/共52页统一场论追求什么？爱因斯坦：“我完成不了这项工作了，我的这项研究即使被遗忘，但是将来仍会被重新发现。”约飞：“如果说这献身于统一场论的最后30年并未留下一些有用的成果的话，但却激发了许多深邃的思想，而且为此后的物理学提出了一系列问题。”现在，爱因斯坦遗留下来的关于统一场论的火炬，正在由后辈科学家门高高擎起，它像一座灯塔，永远照亮着年轻一代向科学高峰攀登的道路。第46页/共52页3、爱因斯坦怎样看待自己？1921年获诺贝尔奖后说：“我不过是在自己的工作中没有退缩而已，没有别的。”“我有时自向，怎么偏偏是我创立了相对论呢？我认为其原因如下：一个正常的成年人不得会思考空间和时间的问题。他会认为这样的问题早在童年时代就搞清楚了，我则正相反、智力发展得很慢，成年以后才开始思考空间和时间问题。很显然，我对这些问题比儿童时期发育正常的人想得要深一些。”“让每一个人都作为个人受到尊重，而让任何人成为崇拜的偶像。我自己就是受到人们过分的赞扬和尊敬。”第47页/共52页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，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陨天的彗星，光芒四射，把无限的光明同他的光芒永远相联。永远相联。”第48页/共52页 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，总好象心不在焉地看着我们。因为他要创立的哪个“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。我们从他那布满脸上的皱纹，能够看到他思潮的波涌，从他的谦和的眼神，能够听到他脑海中的涛声！第49页/共52页结束语：结束语：“当你生活于实验室和图书馆的宁静之中时，首先问问自己：我为自己的学习做了些什么？当你逐渐长进时，再问问自己：我为自己的祖国做了些什么？总有一天，你可以因自己已经用某种方式对祖国的富强和人类的进步与幸福作出了贡献而感到巨大的幸福。”巴斯德（德国生物学家）“一个学生所接受的教育决定了他后来的思考模式，选择课题的兴趣以及面临新困难挑战时的心理和情绪反映。”杨振宁 第50页/共52页再见再见第51页/共52页感谢您的观看！第52页/共52页