物理学史课堂作业.doc

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1、物理学史课堂作业1谈谈你对伽利略的科学成就和你对他的评价。(15分)科学成就：提出了类似于惯性原理的说法并第一次把外力和“引起加速或减速的外部原因”即运动的改变联系起来，为牛顿力学理论体系的建立奠定了基础；伽利略的两门新科学揭开了近代科学的序幕；伽利略的落体实验使用数学与实验相结合的研究方法，并推翻了亚里士多德的运动理论；伽利略通过斜面实验，总结出物体下落的距离与所经过的时间的平方成正比；发明了第一支空气温度计；创制了伽利略望远镜等等。评价：伽利略是伟大的意大利物理学家和天文学家，科学革命的先驱。在人类思想解放和文明发展的过程中作出了划时代的贡献。在当时的社会条件下，为争取不受权势和旧传统压制

2、的学术自由，为近代科学的生长，他进行了坚持不懈的斗争，并向全世界发出了振聋发聩的声音。因此，他是科学革命的先驱，历史上他首先在科学实验的基础上融会贯通了数学、物理学和天文学三门知识，扩大、加深并改变了人类对物质运动和宇宙的认识。为了证实和传播N，哥白尼的日心说，伽利略献出了毕生精力。他以系统的实验和观察推翻了以亚里士多德为代表的、纯属思辨的传统的自然观，开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学。伽利略作为古代自然哲学和近代科学之间的过渡人物，为创建近代科学走的是一条很艰辛的道理，这从他的落体实验以及斜面实验的研究过程中就可见一斑。伽利略创立运动学理论的过程相当复杂，既有思辨，又有实验

3、，他依靠思辨和实验相互印证、相互补充。这是一种新的科学思想和科学研究方法。因此，他被称为“近代科学之父”。他的工作，为牛顿的理论体系的建立奠定了基础。虽然他晚年终于被剥夺了人身自由，但他开创新科学的意志并未动摇。他的追求科学真理的精神和成果，永远为后代所景仰。2. 从牛顿的研究道路来谈谈你对牛顿的认识和评价。(15分)追溯牛顿作出人类史上如此丰功伟绩的渊源和他的创造过程：牛顿先研究过数学和天文学并思考过引力问题，后受伽利略和笛卡尔的影响开始动力学的研究，开普勒和布里阿德的天文学工作启示了他对天文学的兴趣，创立了微积分之后，牛顿再次研究天体问题。正是有了这些研究，最后，牛顿终于领悟了万有引力的真

4、谛，用数学方法把地面上的力学和天上的力学统一在一起，形成了以三大运动定律为基础的力学体系以及万有引力定律，这也是宇宙中最基本的法则，被认为是“人类智慧史上最伟大的一个成就”，由此奠定了之后三个世纪中物理界的科学观点，并成为现代工程学的基础。1687年，牛顿发表了自然哲学指数学原理。这部巨著总结了力学的研究成果，标志了经典力学的研究成果，标志了经典力学体系初步建立。这是物理学史上第一次大综合，是天文学、数学和力学发展的产物，也是牛顿创造性研究的结晶。我们都知道牛顿是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家，同时也是物理学家、数学家和哲学家。在牛顿诞生后的数百年里，人们的生活方式发现了翻天覆地的

5、变化，而这些变化大都是基于牛顿的理论和发现。牛顿曾说过：“如果我看得更远，那是因为站在巨人的肩上。”我想他能取得如此大的成就，不仅仅与他善于继承前人的成果有关，更重要的是在于他的奋发好学和勤于思考。牛顿对于科学研究专心到痴情的地步这是当时的人们都有目共睹的。当年住在剑桥大学三一学院大门口附近，在哈雷访问过他之后的数月里，他思考更是达到了废寝忘食的地步。牛顿对科学的这种精神值得我们每一个人学习。3.请从哲学角度来说明历史上对光的本性的认识过程。(15分)光学的起源也和力学、热学一样，可以追溯到二三千年前。中国可追溯到春秋时期墨子在墨经中的记载，西方可追溯到欧几里得在反射光学中的记载，这两本古书中

6、均有大量光学现象和成像方面的描述。其后，人们探索和理解光的本质的步伐也从来没有停止。在17 世纪，以牛顿学派认为的光的粒子说和以惠更斯学派认为的光的波动说展开了激烈争论。牛顿等认为：光可能是微粒流，这些微粒流从光源飞出，在真空或均匀媒质中做惯性运动。惠更斯等认为：光是像声波一类的以太纵波，进而以光速的有限性推断光和声波一样必以球面波传播，并运用子波和波阵面的概念给出了现今人们所熟知的惠更斯原理。但由于惠更斯把光看成是纵波，因此无法解释当时已发现的光的干涉、衍射和偏振现象。这样以符合牛顿力学规律的粒子行为描述光现象在当时被认为是唯一合理的理论。1819 年，菲涅耳从横波观点出发，用严密的数学推导

7、给出了光的偏振解释并得到小圆孔等障碍物的衍射结果，给光的波动说注入了新的活力。 19 世纪末，通过法拉弟和麦克斯韦等人的工作，经典电磁场理论取得巨大成功。基于对电磁场的正确认识，光的波动说一时又占了主导地位，从科学发展的角度看，用经典电磁场理论解释光的本质仅是人们正确理解光现象的开始。虽然经典电磁场理论成功地解释了许多光的现象，然而对当时发现的黑体辐射奇异的谱分布却不能给出令人信服的解释。而后，普朗克以瑞利-金斯和维恩结果为基础，利用数学中的内插法，解决了这一问题，提出了能量子假设。爱因斯坦在此基础上进一步提出了光量子假设，认为光量子可以视为具有特定能量和动量的运动粒子光子，它与物质相互作用时

8、必将展现明显的粒子性，它与物质中的电子作用将导致已发现的光电效应。在爱因斯坦工作的启发下，德波罗意于1924 年进一步提出了物质波假设，指出实物粒子与光子一样，也具有波粒二象性，这一假设在1927 年为戴维逊和革末的电子衍射实验所证实。量子理论关于物质世界波粒二象性的阐述及实验验证，原则上使光的粒子说和波动说这二种学说得以协调。爱因斯坦的光量子理论很好地描述了单光子效应，但光子又是一种全同粒子，其统计行为应存在集体效应，同时60年代初激光的问世要求人们从本质上区别经典光和量子光。普通光的干涉(如杨氏干涉实验) 展现了光的波动性，不能反应出光的量子特征，其原因是它仅表征了光的一价相干性。1963

9、 年格劳伯提出了光场的二价量子相干性，从而建立了描述光本质的一般量子相干理论，揭示经典光和量子光的本质差别在于他们具有不同的量子相干性，正确地表征了光场的波粒二象性，确立了波粒二象性不可动摇的地位。当然，人们对科学的认识永无止境，对光本质的认识今后也会在进一步向纵深迈进。4请举例说明热学研究和工业生产的关系。(10分)工业生产的发展与热学研究有着密不可分的联系。工业发展依赖于热学的研究：比如第一次工业革命，就是以蒸汽机作为动力被广泛应用为标志的。热学理论在工业生产中起着重要的指导作用：比如说工业上借助于热学分析可以判断化学反应进行的可能性，比较同一反应系统中同时发生的几个反应的难易程度，进而从

10、力学角度寻找有利于主反应进行或尽可能减少副反应发生的工艺条件。另外，许多化工工艺流程中都包含各种加热器和冷热塔，还有一些化学反应本身就是放热或吸热反应。工业生产推动着热学研究的进步:比如正是由于工业生产中的热机效率过低，才促进科学家们进一步研究从而得到了热力学第二定律，得到了卡诺循环定理，进而大大推动了热学的研究。5.请简述法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的主要贡献，并阐明原因。(10分)麦克斯韦与法拉第是近代电磁学史上的两颗巨星，他们都在电磁学领域取得了极大的成功。法拉第的主要贡献是在于电学方面，丹麦物理学家奥斯特发现了电流对磁针的作用，法拉第敏锐地感到了它的重要性，他决心进一步探索其内在原理。

11、他通过大量实验验证出电磁感应原理，法拉第的这个发现终于劈开了探索电磁本质道路上的拦路大山，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。法拉第发现的电磁感应原理是一个划时代的伟大科学成就，它使人类获得了打开电能宝库的金钥匙，在征服和利用自然的道路上迈进了一大步。麦克斯韦的主要贡献是建立了麦克斯韦方程组，创立了经典电动力学，并且预言了电磁波的存在，提出了光的电磁说。而麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。对前人和他自己

12、的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。更预言出电磁波的存在，发现光也是一种电磁波，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。法拉第和麦克斯韦建立了电与磁之间的完美对应和联系，揭示了磁与电的产生过程；麦克斯韦方程组更是成为分析电磁学问题的最重要工具。从应用和实践角度，这两位的天才发现使得人类可以发电、传输电、使用电，没有这两位，人类的夜晚可能仍然处在黑暗之中。6.请简述量子物理的主要发展过程，说明它和经典物理的最主要区别。(15分)早期量子论和量子力学的准备：1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难

13、，引入了能量子概念，为量子理论奠定了基石。随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。1913年波尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，对氢光谱做出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。从1900年到1913年，可以称为量子论的早期。光的波粒二象性由爱因斯坦提出后，于1916年和1923年先后得到密立根光电效应实验和康普顿X射线散射实验证实，后来德布罗意提出了物质粒子的波粒二象性。这以后经过海森伯、薛定谔、玻恩和狄拉克等人的开创性工作，终于在1925-1928年形成完整的量子力学理论，与爱因斯坦相对

14、论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。量子力学的建立与发展：玻尔的量子理论尽管取得了不少令人惊奇的成果，但也遇到严重困难，一是它面临一系列解决不了的问题，二是内在的不协调。这确实反映了当时物理学的混乱情况，需要重新认识电子的行为，建立新的概念，对玻尔理论作进一步的改造。1924年，泡利提出不相容原理，促使电子自旋假设的提出，从而长期得不到解释的光谱精细结构、反常塞曼效应和斯特恩-盖拉赫实验等难题迎刃而解。此时，海森伯创立了矩阵力学，使量子理论登上了一个新的台阶。1923年，德布罗意提出物质波假设。1926年薛定谔以波动方程的形式建立新的量子理论，不久后证明这两种量子理论完全等价，只是形式不同罢了

15、。1928年，狄拉克提出电子的相对论运动方程狄拉克方程，奠定了相对论量子力学的基础。后来又经海森伯、泡利等人的发展，形成了量子电动力学。1947年，从实验发现了兰姆移位，与此同时，费因曼、施温格和朝永振一郎用重正化概念发展了量子电动力学。区别：最重要的区别在于：经典物理是几乎独立地处理粒子的运动以及粒子群或场的波动，但量子力学却必须统一处理粒子和波动。经典物理认为粒子与波动是两个层次的东西，根本不是一回事儿；而量子力学却认为两者是密不可分的一个整体，此即著名的“波粒二象性”。区别量子物理经典物理能量的连续性能量是一份一份的，是分立的能量是连续分布的光电流产生的截止频率光的频率低于某一临界值，不

16、论光有多强，也不会发生光电流没有截止频率的说法，有光照有光电流产生光电流产生所用时间光照到金属表面，光电流立即产生，同时性的能量是一个积累的过程，只有到一定的能量才会产生光电流7.简述爱因斯坦狭义相对论假设和主要结论及其意义。(20分)狭义相对论是爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都

17、只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。关于狭义相对论，两条原理规定如下： 1相对性原理：物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。2光速不变性：任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。 狭义相对论最重要的结论是使质量守恒失去了独立性。它和能量守恒原理融合在一起，质量和能量可以互相转化。意义：狭义相对论在使用的价值上是毫无意义的，但

18、是它却解决了牛顿力学和电磁学理论的矛盾。狭义相对论开创了一个全新的物理结构体系，这种物理结构体系是完全脱离于日常生活中的概念的一种抽象的数学逻辑结构。在这种数学逻辑结构中，阐释了数学的物理描述结构。其次它还包含了物质存在属性和运动的关系，这对于物理来说是一个非常重要的课题。最后，是对空间结构属性的处理。我们知道广义相对论是对狭义相对论从惯性参照系统到非惯性参照系统的推广，采用时间和空间协变的方案来处理非惯性参照系的物质描述定量问题。狭义相对论是现代物理学的重要基石，它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远的影响。同时也是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。