物理学史 物理的初创幻灯片.ppt

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1、物理学史 物理的初创第1页，共30页，编辑于2022年，星期一n自由落体定律自由落体定律n惯性定律惯性定律n相对性原理相对性原理n上帝说：让牛顿去吧上帝说：让牛顿去吧n经典物理学的经典物理学的圣经圣经n牛顿与苹果落地的故事牛顿与苹果落地的故事n万有引力定律万有引力定律n伏尔泰与思想启蒙伏尔泰与思想启蒙n这片空间会荒废吗？这片空间会荒废吗？n走下神坛的牛顿走下神坛的牛顿第2页，共30页，编辑于2022年，星期一n自由落体定律自由落体定律第3页，共30页，编辑于2022年，星期一亚里士多德：重物比轻物下落快，质量大一倍的小球下亚里士多德：重物比轻物下落快，质量大一倍的小球下落的末速度也快一倍。落的

2、末速度也快一倍。怀疑者：重物和轻物捆在一起，按照上面观点应该下落更快；怀疑者：重物和轻物捆在一起，按照上面观点应该下落更快；由于两物体相互影响，下落速度应该介于两者之间。由于两物体相互影响，下落速度应该介于两者之间。第4页，共30页，编辑于2022年，星期一n伽利略的反对者曾在比萨斜塔做过落体实验，两个物体没有同时落地n伽利略的直观猜想：真空中的自由落体应该最简单。采用极限的观点来推想。铅球、铁球、木球，分别放水银、水、空气中下落：如果完全排除空气阻力，所有物如果完全排除空气阻力，所有物体将下落同样快。体将下落同样快。n下滚加速度与小球质量和成分无关思想实验思想实验第5页，共30页，编辑于20

3、22年，星期一n惯性定律惯性定律1、惯性：“一贯的德性”2、“这才是流氓”伽利略的另一个重大贡献：不受外力作用的物体将保持惯性运动状态不变德谟克利特很早就有这样的猜想，牛顿牛顿：“所有那些古人都知道第一定律（惯所有那些古人都知道第一定律（惯性定律），他们归之于原子在虚空中做直线性定律），他们归之于原子在虚空中做直线运动，因为没有阻力，运动极快而永恒。运动，因为没有阻力，运动极快而永恒。”伽利略 认为匀速圆周运动属于惯性运动想说明行星绕日运动是惯性运动,广义相对论:弯曲时空中的自由运动第6页，共30页，编辑于2022年，星期一n相对性原理相对性原理地恒动而人不知，譬如闭舟而行不知舟之运也第7页，

4、共30页，编辑于2022年，星期一但是，应该强调，第一个正确描述相对论原理的是伽利略但是，应该强调，第一个正确描述相对论原理的是伽利略“我想起了我在船舱里经常不知道船究竟是动还是静止不动。有时我猜想船是朝某个方向行驶，其实它朝另一个方向走。”“相对性原理”的意思是说，所有的惯性系都是平等的。不能用任何实验来区分一个系统是静止的还是在做匀速直线运动。落体定律、惯性定律、相对性原理：落体定律、惯性定律、相对性原理：伽利略进行科学研究的特点：伽利略进行科学研究的特点：1）重视思想实验，抓住事物本质；）重视思想实验，抓住事物本质；2）把自己熟悉的领域和实验研究透彻；）把自己熟悉的领域和实验研究透彻；第

5、8页，共30页，编辑于2022年，星期一英国资产阶级革命英国资产阶级革命1640年年 清军入关：清军入关：1644年年牛顿出生牛顿出生1643年年 1月月 4日日 旧历：旧历：1642年年12月月25日日遗腹子、体弱多病、成绩不好、缺乏自信遗腹子、体弱多病、成绩不好、缺乏自信牛顿舅舅劝牛顿母亲让其上学牛顿舅舅劝牛顿母亲让其上学18岁以减费生进入剑桥大学三一学院（上帝、耶稣、圣灵）；岁以减费生进入剑桥大学三一学院（上帝、耶稣、圣灵）；23岁取得学士学位，当年爆发大规模瘟疫，避居乡下，岁取得学士学位，当年爆发大规模瘟疫，避居乡下，“丰收年丰收年”：力学三定律，万有引力定律，微积分和色彩理论；：力学

6、三定律，万有引力定律，微积分和色彩理论；27岁教授岁教授;30岁英国皇家学会会员。岁英国皇家学会会员。n上帝说：让牛顿去吧上帝说：让牛顿去吧英国著名诗人亚历山大波普写道：自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：“让牛顿去吧。”于是一切成了光明。第9页，共30页，编辑于2022年，星期一n经典物理学的经典物理学的圣经圣经1642年，伽利略逝世，牛顿出生。牛顿总结了整个时代的研究成果，把经典物理学的框架建立起来。牛顿说：“如果我看得比别人更远，那是因为我站在巨人的肩上”牛顿认为：转动是绝对的，只有相对于绝对空间的牛顿认为：转动是绝对的，只有相对于绝对空间的转动才是真转动，才会产生惯性离心力。转动

7、才是真转动，才会产生惯性离心力。定义质量为物质的量，认为质量与定义质量为物质的量，认为质量与“惯量惯量”成正成正比，这些提法意义非常深远比，这些提法意义非常深远自然哲学之数学原理自然哲学之数学原理在现代物理学中质量的概念有两种：惯性质量和引力质量。惯性质量表示的是物体惯性大小的度量，而引力质量表示的是物质引力相互作用的能力的度量。这两个质量是严格相等的，是同一个物理量的不同方面。第10页，共30页，编辑于2022年，星期一n牛顿与苹果落地的故事牛顿与苹果落地的故事一些科学史专家认为：苹果落地的故事很可能是牛顿亲属（或牛顿本人）编出来的，提早他发现万有引力定律的时间，用来保护他对该定律的发现权名

8、言“如果我看得比别人更远，那是因为我站在巨人的肩上如果我看得比别人更远，那是因为我站在巨人的肩上”，是与胡克争万有引力发现权提出的第11页，共30页，编辑于2022年，星期一法国著名文学家，思想启蒙家伏尔泰当时流亡英国，正好碰上牛顿逝世，目睹了数万伦敦市民为牛顿送葬的壮观场面。威斯敏斯特教堂不仅是威斯敏斯特教堂不仅是20多位英国国王的墓地，也是一些著名政治家、科学家、军事家、文学家的墓地，多位英国国王的墓地，也是一些著名政治家、科学家、军事家、文学家的墓地，其中有丘吉尔、牛顿、达尔文、狄更斯、布朗宁等人之墓。其中有丘吉尔、牛顿、达尔文、狄更斯、布朗宁等人之墓。第12页，共30页，编辑于2022

9、年，星期一n万有引力定律万有引力定律牛顿生活的时代，科学家都知晓开普勒的行星运动三定律。哈雷、胡克、牛顿等明白，从开普勒第三定律（轨道半长轴立方与周期平方成正比）可以推出：行星受到的太阳引力应该与距离的平方成反比。就是不清楚这种力是否能形成椭圆轨道？一次讨论中，胡克自称能证明这一点，但不愿公布。哈雷去找牛顿，牛顿说已经证明出来，当场未找到证明稿。答应再算，不久收到牛顿寄来的论文稿。第13页，共30页，编辑于2022年，星期一哈雷哈雷1656年出生在伦敦；年出生在伦敦；1673年进入牛津大学学习数学。年进入牛津大学学习数学。1676年，年，哈雷毅然放弃了学位证书，只身搭乘东印度公司的航船，在海上

10、颠哈雷毅然放弃了学位证书，只身搭乘东印度公司的航船，在海上颠簸了三个月，到达南大西洋的圣赫勒纳岛，建立起人类第一个南天簸了三个月，到达南大西洋的圣赫勒纳岛，建立起人类第一个南天观测站，测编了世界上第一份精度很高的南天星表，被人们誉为观测站，测编了世界上第一份精度很高的南天星表，被人们誉为“南天第谷南天第谷”。哈雷推动牛顿写出了经典力学的奠基之作自然哲学。哈雷推动牛顿写出了经典力学的奠基之作自然哲学的数学原理，并慷慨解囊支付这部巨著的出版费用。的数学原理，并慷慨解囊支付这部巨著的出版费用。第14页，共30页，编辑于2022年，星期一他基于牛顿的万有引力定律他基于牛顿的万有引力定律 以及力学以及力

11、学三定律，从三定律，从1337年到年到1698年的彗星记年的彗星记录中挑选了录中挑选了24颗彗星，用一年时间计颗彗星，用一年时间计算了它们的轨道。发现算了它们的轨道。发现1531年、年、1607年和年和1682年出现的这三颗彗星轨道看年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙，同一颗星？起来如出一辙，同一颗星？发现发现1456年、年、1378年、年、1301年、年、1245年，一直到年，一直到1066年，历史上都年，历史上都有大彗星的记录有大彗星的记录 大胆地预言，1682年出现的那颗彗星，将于1758年底或1759年初再次回归。再次回归要等到再次回归要等到2062年左右年左右第15页，共30页，编

12、辑于2022年，星期一76年后，当哈雷彗星再次照耀地球的时候，万年后，当哈雷彗星再次照耀地球的时候，万有引力定律得到了举世公认有引力定律得到了举世公认中国人对哈雷彗星的记载，最早可上溯到殷商时代。公元前公元前1057年：年：“武王伐纣 时有彗星，柄在东方，可以扫西人也”：公元前公元前613年：年：春秋左传的“秋七月，有星孛入于北斗。”从公元前240年（战国秦始皇七年）起，哈雷彗星每次回归，中国均有记录。五十年代法国人巴耳代在完成研究五十年代法国人巴耳代在完成研究1428颗彗星的彗星轨道总集之后断定说：颗彗星的彗星轨道总集之后断定说：“彗星记载最彗星记载最好的（除极少数例外），当推中国的记载。好

13、的（除极少数例外），当推中国的记载。”1955年苏联什克洛夫斯基赞扬：年苏联什克洛夫斯基赞扬：“在中国近在中国近2000年的史志记载中，毫无遗漏地记载哈雷彗星的出现年的史志记载中，毫无遗漏地记载哈雷彗星的出现”。由于中国彗星史料丰富、连续和较由于中国彗星史料丰富、连续和较精确可靠，所以在近现代的天体探索中发挥了重要作用，表现出巨大的现代科学价值。精确可靠，所以在近现代的天体探索中发挥了重要作用，表现出巨大的现代科学价值。彗星是由冰晶、尘埃与冰冻的气体组成，慧尾长度可达几亿公里彗星是由冰晶、尘埃与冰冻的气体组成，慧尾长度可达几亿公里第16页，共30页，编辑于2022年，星期一1846年，年，亚当

14、斯、亚当斯、勒维叶勒维叶英国格林尼治英国格林尼治天文台天文台柏林天文台柏林天文台海王星海王星海王星的发现海王星的发现第17页，共30页，编辑于2022年，星期一第18页，共30页，编辑于2022年，星期一起初被认为是太阳系中的一颗大行星，但是在起初被认为是太阳系中的一颗大行星，但是在2006年年8月月24日于布拉日于布拉格举行的第格举行的第26届国际天文联会中将冥王星划为矮行星（届国际天文联会中将冥王星划为矮行星（dwarf planet）。但到了）。但到了2010年，为了纪念发现它的过程，年，为了纪念发现它的过程，美国伊利诺斯美国伊利诺斯州的州的科学家又把它重新归为九大行星之一。科学家又把它

15、重新归为九大行星之一。具有争议的冥王星具有争议的冥王星冥王星是在冥王星是在1930年由于一个幸运的巧合而被发现的。一个后来被发现错误的计算年由于一个幸运的巧合而被发现的。一个后来被发现错误的计算“断言断言”：基于：基于天王星与海王星的运行研究，在海王星后还有一颗行星天王星与海王星的运行研究，在海王星后还有一颗行星(比地球还大比地球还大)按照国际天文学联合会的定义，一个天体要被称为行星，需要满足按照国际天文学联合会的定义，一个天体要被称为行星，需要满足三个条件：三个条件：围绕太阳公转围绕太阳公转、质量大到自身引力足以使它变成球体质量大到自身引力足以使它变成球体，并，并且且能够清除其公转轨道周围的

16、其他物体能够清除其公转轨道周围的其他物体。同时满足上述三个条件。同时满足上述三个条件的只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海的只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。冥王星直径只有王星。冥王星直径只有2300千米，比月球还要小。千米，比月球还要小。冥王星和它的卫星冥王星和它的卫星 第19页，共30页，编辑于2022年，星期一卡文迪许麦克斯韦瑞利汤姆逊卢瑟福布拉格剑桥大学 卡文迪许实验室第20页，共30页，编辑于2022年，星期一n伏尔泰与思想启蒙伏尔泰与思想启蒙法国著名文学家和思想启蒙家生于1694年，出生时体质极差，护士预言最多活一天，但他活了84年。不过大部分时

17、间是在床上度过的个子矮小、其貌不扬、生活轻浮、语言尖刻、才华横溢，充满叛逆精神 我不同意你的观点，但我誓死捍卫你说话的权利。我不同意你的观点，但我誓死捍卫你说话的权利。人类最宝贵的财产人类最宝贵的财产自由。自由。书读得多而不思考，你会觉得自己知道的很多。书读得多而不思考，你会觉得自己知道的很多。书读得多而思考，书读得多而思考，你会觉得自己不懂的很多。你会觉得自己不懂的很多。图书馆是人类知识与谬误的宝库图书馆是人类知识与谬误的宝库。坚强的信心坚强的信心,能使平凡的人做出惊人的事业。能使平凡的人做出惊人的事业。一个家庭没有书籍一个家庭没有书籍,如同这个房间没有窗户。如同这个房间没有窗户。天分就是持

18、续不断的忍耐。天分就是持续不断的忍耐。第21页，共30页，编辑于2022年，星期一神父并不像你们想的那么聪明，我们无知才以为他们有学问。应该相信自己，只相信自己的眼睛，让眼睛成为我们的上帝和圣经。“更明智的做法不是卖马，而是把政府中的蠢驴裁剪一半。”“我没有显赫的门第，但我的门第将因我而显赫。”爵士雇流氓暴打伏尔泰：“别打他的脑袋，那里面还有有用的东西。”并通过警察局把他驱逐到英国。使他有幸目睹牛顿葬礼，有机会拜访牛顿的亲属，把苹果落地的故事弄得人人皆知，流传至今。三年后回法国，在英国写的一些抨击法国政府的文章被一个书店老板在未经同意下以英国书简的名字出版，使得伏尔泰大难临头第22页，共30页

19、，编辑于2022年，星期一伏尔泰这次逃跑中，“拐跑”了28岁的夏特莱夫人，在远离巴黎的西雷庄园过起了浪漫、充满创造性的同居生活夏特莱夫人精通数学物理；把牛顿的自然哲学之数学原理从拉丁文翻译成法文，还加了很有学术夏特莱夫人精通数学物理；把牛顿的自然哲学之数学原理从拉丁文翻译成法文，还加了很有学术水平的注释，非常了不起。水平的注释，非常了不起。伏尔泰对数学物理一窍不通，但对历史、地理、社会、文学却有渊博的知识。伏尔泰对数学物理一窍不通，但对历史、地理、社会、文学却有渊博的知识。对牛顿哲学与物理思想的传播起过重大作用。对牛顿哲学与物理思想的传播起过重大作用。伏尔泰高度评价他的情人，伏尔泰高度评价他的

20、情人，“一个伟大的人，她惟一的错误就是不幸生为女人一个伟大的人，她惟一的错误就是不幸生为女人”。第23页，共30页，编辑于2022年，星期一法国国王路易十六被革命风暴送进监狱后，他在牢房中阅读了伏尔泰和卢梭的著作，感叹道：“就是这两个人搞垮了法国！”伏尔泰的作品和言论伏尔泰的作品和言论对法国人民的思想启对法国人民的思想启蒙发挥了巨大作用蒙发挥了巨大作用第24页，共30页，编辑于2022年，星期一n这片空间会荒废吗？这片空间会荒废吗？1766年中学教师提丢斯发现，太阳系个行星到太阳的平均距离R满足一个经验公式。R=0.3x2(n-2)+0.4行星nRcalRexp水星10.40.39金星20.7

21、0.73地球311火星41.61.5352.8木星65.25.22土星7109.6n=5处有空位，造物主会荒废这片空间吗？一种巧合？9年后发现天王星刚好在n=8处第25页，共30页，编辑于2022年，星期一小行星是一颗在火星和木星之间的行星破裂而成的？但带内的所有小行星的全部质量比月球的质量还要小。是太阳系形成过程中没有形成行星的残留物质？第26页，共30页，编辑于2022年，星期一行星nRcalRexp水星10.40.39金星20.70.73地球311火星41.61.53小行星52.82.33.3木星65.25.22土星7109.6天王星819.619.3海王星938.830.2这种规律背后

22、的物理还没有弄清楚这种规律背后的物理还没有弄清楚第27页，共30页，编辑于2022年，星期一n走下神坛的牛顿走下神坛的牛顿青年时代的牛顿，谦虚谨慎、胆小怕事。中年以后，变得沽名钓誉而且有时不择手段。晚年大部分时间是在争吵中度过：与天文学家弗莱姆斯梯德冲突，迫使其发表最新观测数据，指使哈雷剽窃；与胡克激烈争吵色彩理论；争夺万有引力发现权；与惠更斯学派争吵光究竟是粒子还是波；与莱布尼兹争微积分的发现 书呆子型，一辈子没结婚，个人生活由他妹妹和外甥女照顾。从不做任何娱乐和消遣，不骑马外出换空气，不散步，不玩球，常工作到半夜，往往忘记吃饭第28页，共30页，编辑于2022年，星期一莱布尼兹请英国皇家学

23、会进行裁决，结果作为学会主席的牛顿，指定了一个莱布尼兹请英国皇家学会进行裁决，结果作为学会主席的牛顿，指定了一个完全由自己朋友组成的完全由自己朋友组成的“公正的公正的”委员会来裁决，而且牛顿自己起草了裁决委员会来裁决，而且牛顿自己起草了裁决报告，正式谴责莱布尼兹剽窃。报告，正式谴责莱布尼兹剽窃。莱布尼兹死后，牛顿为伤透了其心此洋洋自得。莱布尼兹死后，牛顿为伤透了其心此洋洋自得。（微积分是两人各自独立完成的）（微积分是两人各自独立完成的）与胡克争万有引力发现权：与胡克争万有引力发现权：“我之所以能做出重大发现，是因为我站我之所以能做出重大发现，是因为我站在巨人的肩上在巨人的肩上”，双重含义：，双

24、重含义：1）与前人有关；）与前人有关；2）与胡克无关）与胡克无关与牛顿的成就相比，他的缺点犹如太阳的黑子，牛顿对物理学的贡献与牛顿的成就相比，他的缺点犹如太阳的黑子，牛顿对物理学的贡献是无与伦比的。是无与伦比的。第29页，共30页，编辑于2022年，星期一“我不过像一个在海边玩耍的小孩，时而发现一块光滑的石子，时而发现一我不过像一个在海边玩耍的小孩，时而发现一块光滑的石子，时而发现一个美丽的贝壳，但真理的广阔海洋，却还在我面前有待发现。个美丽的贝壳，但真理的广阔海洋，却还在我面前有待发现。”麦穗空瘪的时候，它总是长得很挺，高傲地昂着头；麦穗饱满而成熟麦穗空瘪的时候，它总是长得很挺，高傲地昂着头；麦穗饱满而成熟的时候，它总是表现得温顺的样子，低垂着脑袋。的时候，它总是表现得温顺的样子，低垂着脑袋。蒙田蒙田 第30页，共30页，编辑于2022年，星期一