现代科技导论第二章精品文稿.ppt
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1、现代科技导论第二章现代科技导论第二章第1页,本讲稿共52页 在创立微积分前,在 17 世纪数学面临四个急需解决的问题:1 1)质点运动学两类基本问题)质点运动学两类基本问题求导求导积分积分(1)(1)由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的由质点的运动方程可以求得质点在任一时刻的速度和加速度;速度和加速度;(2)(2)已知质点的加速度以及初始速度和初始位已知质点的加速度以及初始速度和初始位置,可求质点速度及其运动方程。置,可求质点速度及其运动方程。第2页,本讲稿共52页2 2、物理学、物理学2)怎样求曲线的斜率3 3)怎样求函数的最大值和最小值)怎样求函数的最大值和最小值4 4)如何求曲线所围
2、成的面积、曲面所围成的体积)如何求曲线所围成的面积、曲面所围成的体积 除力学外热学、电学、磁学、光学也得除力学外热学、电学、磁学、光学也得到相应的发展。到相应的发展。热质说热质说库仑定理库仑定理高斯定理高斯定理电流电流磁体间相互作用磁体间相互作用光的折射、干涉、衍射等光的折射、干涉、衍射等第3页,本讲稿共52页3 3、化学、化学 化学在化学在 17 17 世纪后半叶到世纪后半叶到 18 18 世纪末取得重要世纪末取得重要成果是:成果是:1 1)、提出了化学元素的科学概念,批判了)、提出了化学元素的科学概念,批判了练金术;练金术;2 2)、建立了科学的氧化燃烧理论,批判了燃素说。)、建立了科学的
3、氧化燃烧理论,批判了燃素说。4 4、生物学、生物学 如维萨里和哈维创立的血液循环学;细胞的发如维萨里和哈维创立的血液循环学;细胞的发现;对生命的早期研究和探索等。现;对生命的早期研究和探索等。第4页,本讲稿共52页一、天体演化与地球演化英国天文学家赫歇耳(英国天文学家赫歇耳(1738-18221738-1822年)年)1 1、银河系、天王星和海王星等的发现、银河系、天王星和海王星等的发现德国哲学家康德(德国哲学家康德(1724-18041724-1804年)年)赫歇耳赫歇耳17811781年发现天王星;年发现天王星;17831783年发现年发现银河系。太阳在银河系中离银河系中心不远银河系。太阳
4、在银河系中离银河系中心不远处的位置上。处的位置上。太阳、恒星都在运动。太阳、恒星都在运动。1846 1846年德国天文台台长加勒(年德国天文台台长加勒(1812-19011812-1901年)年)发现海王星。发现海王星。第5页,本讲稿共52页2、太阳系的起源和演化 德国哲学家康德德国哲学家康德17551755年首次提出了太阳系起年首次提出了太阳系起源于原始星云的假说。源于原始星云的假说。宇宙在有限天体的生灭中形成永恒而无限运宇宙在有限天体的生灭中形成永恒而无限运动的辩证思想对辩证自然观的建立起到重要作用。动的辩证思想对辩证自然观的建立起到重要作用。1796 1796年法国的数学家拉普拉斯在宇宙
5、体年法国的数学家拉普拉斯在宇宙体系论中提出一种星云假说。系论中提出一种星云假说。第6页,本讲稿共52页 拉普拉斯的星云假说在细节上更多地考虑了太阳系的动力学特征,更加合理自然地说明了太阳系中天体运动为什么都按同一个方向旋转,为什么行星轨道都大致在同一个平面上等。“康德康德-拉普拉斯星云假说拉普拉斯星云假说”比较好的解比较好的解释了天体运动的一些规律。释了天体运动的一些规律。“康德康德-拉普拉斯星云假说拉普拉斯星云假说”重要意义在于重要意义在于提出了宇宙中天体不是一成不变的,而是由演化提出了宇宙中天体不是一成不变的,而是由演化而来。这一重要思想对辩证的自然观的建立起到而来。这一重要思想对辩证的自
6、然观的建立起到重要作用。重要作用。第7页,本讲稿共52页 近代地质学是在近代地质学是在1919世纪开始形成的一门独世纪开始形成的一门独立的科学。立的科学。3、地球演化 是研究固体地球的外层是研究固体地球的外层岩石圈的物质成份岩石圈的物质成份及其形成分布和变化的规律,岩石圈的结构、构造及其形成分布和变化的规律,岩石圈的结构、构造和地表形态的变化特征及发展规律,岩石圈的形成和地表形态的变化特征及发展规律,岩石圈的形成历史、发展规律以及其中古生物的演化特征,矿产历史、发展规律以及其中古生物的演化特征,矿产资源的调查及勘探理论与方法等综合性科学体系。资源的调查及勘探理论与方法等综合性科学体系。第8页,
7、本讲稿共52页 1830-1833 1830-1833年英国地质学家赖尔(年英国地质学家赖尔(1797-18751797-1875年)在地质学原理年)在地质学原理参照现在起作用的各种原参照现在起作用的各种原因来解释地球表面过去发生变化的尝试著作中阐因来解释地球表面过去发生变化的尝试著作中阐明地球的演化过程。明地球的演化过程。地球演化(缓慢变化)取代了上帝创造世纪地球演化(缓慢变化)取代了上帝创造世纪的谬论,把变化、发展的思想即唯物主义辩证思的谬论,把变化、发展的思想即唯物主义辩证思想引入地质学,为建立辩证的自然观起到重要作想引入地质学,为建立辩证的自然观起到重要作用。用。第9页,本讲稿共52页
8、1 1、细胞学说、细胞学说二、生命世界中多种联系的发现 19 19世纪初提出细胞学说并迅速发展。其世纪初提出细胞学说并迅速发展。其主要内容是:主要内容是:动植物发育的过程是细胞形成的过程。动植物发育的过程是细胞形成的过程。有机体都是细胞组成的。病变细胞也是由正有机体都是细胞组成的。病变细胞也是由正常细胞变化而来。常细胞变化而来。细胞学的重要意义在于证明了整个生命世界细胞学的重要意义在于证明了整个生命世界里的内在联系和有机的统一。里的内在联系和有机的统一。第10页,本讲稿共52页2、生物进化论 英国生物学家达尔文(英国生物学家达尔文(1809-18821809-1882年)提出了年)提出了以自然
9、选择为基础的生物进化论的学说。指出人以自然选择为基础的生物进化论的学说。指出人是由类人猿进化而来。是由类人猿进化而来。第11页,本讲稿共52页热学是研究物质和热运动规律的一门学科。热学是研究物质和热运动规律的一门学科。三、物理世界中多种联系的发现1 1、热学、热学 研究热现象的规律有宏观的热力学和微观的研究热现象的规律有宏观的热力学和微观的统计力学两种方法。统计力学两种方法。1 1)统计物理学研究方法)统计物理学研究方法 (微观理论)(微观理论)从物质的的微观结构出发。动用统计的方从物质的的微观结构出发。动用统计的方法法研究大量数目的热运动的粒子系统,解释与揭研究大量数目的热运动的粒子系统,解
10、释与揭示物质宏观热现象及热运动规律的本质,并确立示物质宏观热现象及热运动规律的本质,并确立宏观量与微观量之间的关系。宏观量与微观量之间的关系。第12页,本讲稿共52页2).热力学研究方法 (宏观理论)从能量观点出发,以大量实验观测为基础,研从能量观点出发,以大量实验观测为基础,研究物质热现象的宏观基本规律及其应用。究物质热现象的宏观基本规律及其应用。2 2、能量守恒与转化定律、能量守恒与转化定律 1798 1798年美国物理学家伦福特(年美国物理学家伦福特(1753-18141753-1814)做实验得到热来源于钻头的运动的结论。做实验得到热来源于钻头的运动的结论。1799 1799年英国化学
11、家戴维做两块冰的摩擦实验得年英国化学家戴维做两块冰的摩擦实验得到冰吸收热是由机械运动转化来的结论。到冰吸收热是由机械运动转化来的结论。1800 1800年英国科学家尼科尔逊和医生卡莱尔通年英国科学家尼科尔逊和医生卡莱尔通过电解水的实验证明电可以引起化学反应,表过电解水的实验证明电可以引起化学反应,表明电能可以转化为化学能。明电能可以转化为化学能。第13页,本讲稿共52页 1820年丹麦物理学家奥斯特实验证明电能可以转化为磁能。1831 1831年英国物理学家法拉第实验证明磁能可以年英国物理学家法拉第实验证明磁能可以转化为电能。转化为电能。1821 1821年德国人塞贝克温差电偶实验证明热年德国
12、人塞贝克温差电偶实验证明热能可以转化为电能。能可以转化为电能。1840 1840年德国医生迈尔(年德国医生迈尔(1814-18781814-1878)血液颜色不)血液颜色不同现象,认为化学能可以转化为热能,并第一个发同现象,认为化学能可以转化为热能,并第一个发表了能量守恒与转化定律。表了能量守恒与转化定律。第14页,本讲稿共52页作机械功改变系统作机械功改变系统 状态的焦耳实验状态的焦耳实验AV作电功改变系统作电功改变系统 状态的实验状态的实验 从1840年起到1878年,英国物理学家焦耳通过实验确定了电热转化的焦耳定律。热功当量值为:热功当量值为:焦耳每卡第15页,本讲稿共52页 亥姆霍兹亥
13、姆霍兹 (18211894),德国物理学家和生),德国物理学家和生物学家物学家.于于1874年发表了论年发表了论力(现称能量)守恒的演力(现称能量)守恒的演讲,首先系统地以数学方式讲,首先系统地以数学方式阐述了自然界各种运动形式阐述了自然界各种运动形式之间都遵守能量守恒这条规之间都遵守能量守恒这条规律律.所以说亥姆霍兹是能量守所以说亥姆霍兹是能量守恒定律的创立者之一恒定律的创立者之一.第16页,本讲稿共52页能量守恒与转化定律:能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律是是生产斗争和科生产斗争和科学实验的经验总结;是自然界的普遍规律。学实验的经验总结;是自然界的普遍规律。自然界一切物质都具有能量,能
14、量有各种自然界一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,可以从一种形式转换为另一种形不同的形式,可以从一种形式转换为另一种形式,从一个物体传递给另一个物体,在转换和式,从一个物体传递给另一个物体,在转换和传递中,各种形式的能量总和不变。传递中,各种形式的能量总和不变。第17页,本讲稿共52页 系统从外界吸收的热量 ,一部分使系统的 内能增加 ,一部分使系统对外界做功 .热力学第一定律:“热一热一”实质上是包括了热现象在内的能量转换实质上是包括了热现象在内的能量转换和守恒定律和守恒定律.“热一热一”是是自然界的普遍规律自然界的普遍规律.“热一热一”另一种表述另一种表述:第一类永动机是不能实现第一
15、类永动机是不能实现的的.第18页,本讲稿共52页3、热力学第二定律的发现 热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述1 1)18511851年英国物理学家开尔文(年英国物理学家开尔文(1824-19071824-1907)指出:)指出:不可能制造出这样一种循环动作的热机,它只使单不可能制造出这样一种循环动作的热机,它只使单一热源冷却来做功,而不放出热量给其它物体,或一热源冷却来做功,而不放出热量给其它物体,或者说不使外界发生任何变化。者说不使外界发生任何变化。开尔文说法另一种表述:第二类永动机是不开尔文说法另一种表述:第二类永动机是不可能制成的。可能制成的。永动机的设想图永动机的设想图第
16、19页,本讲稿共52页2)1850年德国物理学家克劳修斯(1822-1888)指出:不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化。热力学第一定律和热力学第二定律是大量实热力学第一定律和热力学第二定律是大量实验和经验的总结验和经验的总结,是热力学中两个基本规律。是热力学中两个基本规律。“热一热一”指出过程要满足能量守恒指出过程要满足能量守恒,“热二热二”指出过指出过程的方向程的方向.两种说法的共同点:热机在工作过程中不可两种说法的共同点:热机在工作过程中不可能把从高温物体吸收的热量全部转化为有用的功。能把从高温物体吸收的热量全部转化为有用的功。它总要把一部分热量传给低温热源。它总要把
17、一部分热量传给低温热源。第20页,本讲稿共52页 热功转换完全功功不完全热热无序无序有序有序自发非均匀、非平衡非均匀、非平衡均匀、平衡均匀、平衡自发非自发传热自发传热高温物体高温物体低温物体低温物体 热传导 热力学第二定律的热力学第二定律的实质实质是反映是反映自然界一切与热自然界一切与热现象有关的实际宏观过程都是不可逆的现象有关的实际宏观过程都是不可逆的.第21页,本讲稿共52页 系统的能量相同时,温度高的系统熵小,温系统的能量相同时,温度高的系统熵小,温度低的系统熵大。度低的系统熵大。1865年克劳修斯引入态函数:熵熵表示某一热力学状态可能出现的程度。熵表示某一热力学状态可能出现的程度。若物
18、体的温度为若物体的温度为,物体的热量为,物体的热量为,=/表示熵。表示熵。热量总是从高温物体自动传递给低温物体。热量总是从高温物体自动传递给低温物体。所以对一个独立的系统,热力学的过程总是要沿所以对一个独立的系统,热力学的过程总是要沿着熵增加的方向进行。着熵增加的方向进行。熵的概念说明了热力学过程的不可逆性。熵的概念说明了热力学过程的不可逆性。第22页,本讲稿共52页熵增加原理:孤立系统中的可逆过程,其熵不变;孤立系统中的不可逆过程,其熵要增加.熵增加原理成立的熵增加原理成立的条件条件:孤立系统或绝热过程孤立系统或绝热过程.热力学第二定律亦可表述为热力学第二定律亦可表述为:一切自发过程一切自发
19、过程总是向着熵增加的方向进行总是向着熵增加的方向进行.熵增加原理的应用熵增加原理的应用:孤立系统中的孤立系统中的不不可逆过程总是可逆过程总是朝着熵增加的方向进行朝着熵增加的方向进行,直到熵为最大值为止直到熵为最大值为止.给出自发过程进行方向的判椐给出自发过程进行方向的判椐.第23页,本讲稿共52页熵与能量的区别:能量是表明运动转化能力的大小。熵是表能量是表明运动转化能力的大小。熵是表明运动不能转化的量度,即能量中可利用的能明运动不能转化的量度,即能量中可利用的能量有多少。量有多少。系统的熵越大,系统越接近平衡态,系统系统的熵越大,系统越接近平衡态,系统中可利用的能量就少。中可利用的能量就少。热
20、力学第二定律亦称为热力学第二定律亦称为“熵增加原理熵增加原理”。“宇宙热寂说宇宙热寂说”恩格斯根据能量守恒与转化定律对恩格斯根据能量守恒与转化定律对“宇宙热寂宇宙热寂说说”进行了批判。进行了批判。第24页,本讲稿共52页4、气体分子运动论的建立 从从18571857年到年到18681868年,克劳修斯、麦克斯韦和年,克劳修斯、麦克斯韦和玻尔兹曼等把统计方法和几率的概念引进到热学,玻尔兹曼等把统计方法和几率的概念引进到热学,创立了气体分子运动论。创立了气体分子运动论。气体分子模型气体分子模型 分子运动论表明,分子的热运动是大量分分子运动论表明,分子的热运动是大量分子的无规则运动的表现,服从统计规
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