物理學(xué)史課件

物理學(xué)史講座——從牛頓到愛因斯坦

“自然和自然的法則

在黑暗中隱藏；

上帝說：讓牛頓去吧！于是，一切都已照亮。”

——蒲柏（英國詩人）

愛因斯坦：“卓別林先生您的藝術(shù)全世界的人都能看懂，您一定能成為一位偉大的藝術(shù)家?！?/p>

卓別林：“愛因斯坦先生，您的著作全世界沒有幾個人能看懂，但您已經(jīng)成為一位偉大的科學(xué)家

近代科學(xué)并不是某個人在某一天創(chuàng)造的。但是如果一定要舉出某個人某一天作為近代科學(xué)誕生的標志，我選牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》在1687年出版的那一天

—楊振寧牛頓運動定律第一定律：一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。第二定律物體加速度的大小跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同第三定律

兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，作用在一條直線上

評說：從地面上物體的運動到天體的運動，從大氣的流動到地殼的變動，從攔河筑壩修建橋梁到設(shè)計各種機械，從自行車到汽車、火車、飛機等現(xiàn)代交通工具的運動，從投出籃球到發(fā)射導(dǎo)彈，人造衛(wèi)星、宇宙飛船……所有這些動要遵從牛頓運動定律和由此樹立起來的經(jīng)典力學(xué)的規(guī)律，充分顯示了牛頓科學(xué)工作的魅力。萬有引力定律自然界中任何兩個物體都相互吸引，引力的大小與物體的質(zhì)量m1和m2乘積成正比，與它們之間的距離r的二次方成反比，方向在它們的連線上

1992年，中國啟動載人航天工程。2003年10月15日9時，我國神州五號宇宙飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，把中國第一位航天員楊利偉送入太空。實現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢想。

評說：

盡管人類已經(jīng)跨入太空，登上月球，但是，相對于宇宙之宏大，地球和月亮不過是茫茫宇宙中的兩粒塵埃；相對于宇宙之久長，人類歷史不過是宇宙年輪上一道小小的刻痕……宇宙留給人們的思考和疑問向深邃而廣闊。宇宙有沒有邊界？有沒有起始和終結(jié)？有沒有地外文明？如果有它們在哪里？愛因斯坦曾經(jīng)說：“一個最完美和最強烈的情感來自面對不解之謎”同學(xué)們：你們想加入破解它們的行列嗎？·如何看牛頓？

對于前輩科學(xué)家的認識也是一個歷史發(fā)展的過程。歷史告訴我們，牛頓以其過人的天才和超越自身時代的發(fā)現(xiàn)，改變了人類對世界的認識和理解，并已浸潤到當今人類生活的各個方面。牛頓的科學(xué)思維是清晰的，牛頓的科學(xué)態(tài)度是嚴謹?shù)?，牛頓的科學(xué)成果是劃時代的。所以人們不吝惜將最熱情的贊譽給予這位偉大的科學(xué)家。他死后，英國為他舉行了國喪，他的靈柩被安葬在威斯敏斯特教堂，成為英國的英雄。但是，隨著一些塵封已久的資料的公開，人們又不得不相信，這位科學(xué)的代言人曾經(jīng)深陷煉金術(shù)的泥沼而不能自拔，并沉溺于宗教狂熱之中；他與胡克、弗拉姆斯蒂德、萊布尼茲的爭斗中凸顯了他盛氣凌人的霸氣和學(xué)術(shù)道德的缺失。那么，我們今天如何看牛頓？

《牛頓傳》作者懷特說：“用陸續(xù)挖掘出來的材料為牛頓畫像，畫出來的形象不一定十分美麗，但真實的人生本來如此，并不都是美麗的。我們應(yīng)該驕傲地接受這樣一個人，既接受他獨特的才華與天分，也接受他怪異的行徑與失敗?！笔堑?，牛頓犯過的錯誤和性格上的弱點也許比人們知道的更多；但也仍是一位無以倫比的巨人！讓我們永遠記住，人類曾經(jīng)存在過這樣一位偉大的智者，并從他的科學(xué)思想和科學(xué)成果中獲得教學(xué)和啟迪。5、牛頓站在誰的肩上？

牛頓：

“如果我比別人看得遠一些，那是因為我站在巨人們的肩上?！?/p>

伽利略—近代物理的先驅(qū)。愛因斯坦評價道：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學(xué)推理方法，是人類思想上最偉大的成就之一，標志著物理學(xué)的真正開端?！?/p>

他失明了，因為在自然界已經(jīng)沒有剩下什么他沒看見過的東西了

——伽利略墓志銘伽利略的科學(xué)功績

(1)確立描述運動的基本特征量——速度和加速度

(2)探索落體運動的規(guī)律：v=gt、h=gt2/2

(3)發(fā)現(xiàn)慣性定律——隔了一代人，被牛頓總結(jié)成動力學(xué)的基本定律之一

理想實驗的魅力：運動不需要力的維持。

（4）提出了運動的相對性原理評說：

這段十分精辟的觀察事實，揭示了一條極為重要的真理，即從船中發(fā)生的任何一種現(xiàn)象，均無法判斷船究竟是在勻速運動還是停著不動。地球就像一條大船，由于地球上所有的物體都參加了地球的運動，因此彼此并不感覺與地球靜止時有什么差異。人們將這個論斷稱為“伽利略相對性原理”。

（5）開創(chuàng)了實驗科學(xué)：把觀察和實驗作為研究的基礎(chǔ)，并把它與數(shù)理邏輯的推理緊密結(jié)合起來，是人類科學(xué)思維方式的巨大進步。開普勒——天空的立法者

愛因斯坦評開普勒：“在開普勒生活的時代，人們還根本沒有確信自然界是受著規(guī)律支配的。他在沒有人支持和極少有人了解的情況下，全靠自己的努力專心致志地以幾十年艱辛和堅韌的工作，從事于行星運動的經(jīng)驗研究以及這種運動的數(shù)學(xué)定律的研究，使他獲得這種力量的，是他對自然規(guī)律存在的信仰，這種信仰該是多么深摯呀！”行量運動三定律

——中世紀科學(xué)與近代科學(xué)的分水嶺

第一定律：所有行星沿橢圓軌道繞太陽運行，太陽位于橢圓的一個焦點上第二定律：對于任一行星來說，它與太陽的連線在相等的時間掃過相等的面積第三定律：行星繞太陽運動軌道的半長軸a的立方與運動周期T的平方成正比即：a3/t2=K式中k是與任何行星無關(guān)，只可能與太陽有關(guān)的一個常量（3）一個精神上富有的人

生活的困苦，研究的艱辛，命運的坎坷，從未使他在科學(xué)研究的道路上退縮。他寫道：“要把科學(xué)研究之錨沉入科學(xué)的海洋之底”，“我勇往直前，百折不回……為了給我的上帝塑造一座圣殿，我已經(jīng)得到了金瓶……木已成舟、瓜熟蒂落。我正在寫的這部書——是現(xiàn)在還是將來子孫后代讀到它，那無關(guān)緊要。它可以為有一個讀者而等上整整一個世紀。正如上帝自己為了有一個智者而等了六千年一樣?！弊宰怪俱懀骸拔以鴾y量天空，現(xiàn)在測量幽冥；靈魂飛向天國，肉體安息土中?！遍_普勒、伽利略與牛頓伽利略和開普勒是朋友，長期書信往來，卻來曾謀面。開始時伽利略不知道行星繞日運動不再是勻速圓周運動，而開普勒不知道伽利略的慣性定律。后來，當開普勒的行星運動定律與伽利略的慣性定律會合時，歷史進入了牛頓時代?？梢哉f，牛頓所建立的萬有引力定律，就是把伽利略和開普勒關(guān)于力與運動及行星定律的“歌詞”譜上了數(shù)學(xué)的“樂曲”，成為人們可以吟唱的科學(xué)樂章。二、法拉第和麥克斯偉

——實驗大師和理論巨將

牛頓曾說：“我不過像是在玩耍的小孩，不時為發(fā)現(xiàn)比尋常更光滑的一塊石子或比尋常更美麗的一片貝殼而沾沾自喜，但對展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理海洋卻全然沒有發(fā)現(xiàn)”是的牛頓并沒有揭示值得我們知道的每一樣?xùn)|西，其中就換電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象。。?！敖酱胁湃顺?，各領(lǐng)風(fēng)騷數(shù)百年”時代召喚著新的巨人1、變?nèi)祟惷\的偉大發(fā)現(xiàn)—電磁感應(yīng)：

奧斯特夢圓“電生磁”：

“猛然打開了一個科學(xué)領(lǐng)域的大門，那里過去是一片漆黑，如今充滿了光明?！狈ɡ谛南荡派娝枷耄焊鞣N自然現(xiàn)象都是相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)：磁鐵能使臨近的鐵塊感應(yīng)帶磁—磁化。靜電荷能使鄰近的導(dǎo)體中感應(yīng)出另一種電荷—靜電感應(yīng)。聯(lián)想：電與磁的性質(zhì)是相同的。既然電流能產(chǎn)生磁效應(yīng)，那么根據(jù)電與磁的相似性，磁也能產(chǎn)生電呀！志向：“我因為對當時產(chǎn)生電的方法感到不滿意，因此急于想發(fā)現(xiàn)電磁及感應(yīng)電流的關(guān)系，覺得電學(xué)在這條路上一定可以有充分的發(fā)展。”成果：電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與人類社會的電氣化。趣聞：法拉第與財政大臣的對話。2、創(chuàng)造全新的物理概念—場及其圖示法概念是科學(xué)的細胞：有創(chuàng)見的科學(xué)是概念的提出，對科學(xué)理論的形成和發(fā)展，具有十分重要的意義。提出概念的基礎(chǔ)：既是長期實踐發(fā)展的產(chǎn)物，又是深入抽象思維的結(jié)果。法拉第的場概念及其圖示（1）一個更為深刻的問題：、的作用是怎樣的傳遞的？超距作用：不需要任何媒質(zhì)，也不需要任何時間評說：具有神秘色彩與人類的理智的科學(xué)追求不符。牛頓的看法：

“很難想象沒有別種無形的媒介，無生命無感覺的物質(zhì)可以不需相互接觸而對其他物質(zhì)起作用和產(chǎn)生影響……沒有其它東西作媒介，一個物體可超越距離通過真空對另一物體作用，并憑借它和通過它。作用力可以從一個物體傳遞到另一物體，在我看來，這種思想荒唐之極，我相信從來沒有一個在哲學(xué)的問題上具有充分思考能力的人會沉迷其中?！狈ɡ冢?/p>

引領(lǐng)人們擺脫困境的具有深刻洞察力的科學(xué)家。（2）具體內(nèi)容

帶電體周圍空間存在著電場。磁體周圍的空間存在著磁場。電力和磁力是通過電場和磁場來傳遞的電場的強弱與方向和磁場的強弱與方向可以用電場線和磁場線來描述。在對電場和磁場做了研究后，法拉第進一步強調(diào)了電磁場的重要性。他認為：描述電磁現(xiàn)象，重要的不是帶電體和磁體這些看得見、摸的著的物質(zhì)實體，而是帶電體和磁體之間那種看不見，摸不著的然而又是客觀存在的彌漫于整個空間的場。（3）法拉第的局限

重在感性描述與缺少嚴格的推導(dǎo)證明；偏于直觀形式上疏于數(shù)學(xué)表達。3、從求知少年到豁達長者

謝絕皇家學(xué)會會長和爵位；拒絕研制毒氣用于戰(zhàn)爭；葬禮簡樸；墓碑上只有：“邁克爾.法拉第，1791～1867”字樣。4、麥克斯韋——一個走向科學(xué)顛峰的高才生廣泛的興趣、精湛的構(gòu)思和對事物尋根究底的探索精神，來自于接受了良好的教育。霍普金斯教授：“小伙子，如果你沒有秩序你永遠成不了優(yōu)秀的數(shù)學(xué)物理學(xué)家。”高才生俱樂部中的佼佼者—兩個科目的最高獎集于一身。15歲時在《愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報》上發(fā)表了數(shù)學(xué)論文。5、麥克斯的科學(xué)貢獻法拉第雖然有高超的實驗技巧和豐富的想象力，提出了“場”和“力線”這些非常深刻的思想，但由于數(shù)學(xué)水平不高，所以無法把他的定性的見解提高到精確的定量的理論上去，而這個任務(wù)就由麥克斯韋完成了。積分形式微分形式物理意義

(5.3.1.1)安培環(huán)路定律

法拉第電磁感應(yīng)定律

磁通連續(xù)性定律

.高斯定律揭示了變化著的電場和磁場之間的相互依存的關(guān)系揭示了電磁場確實是一種物質(zhì)形態(tài)，它像實物一樣也是有能量、動量、質(zhì)量，而且它一經(jīng)產(chǎn)生，便以光速按波動形式傳播，為無線電通訊奠定了理論基礎(chǔ)。用一組偏微分方程式完美地描述了電磁運動的基本規(guī)律預(yù)見了電磁波的橫向振動性質(zhì)及其傳播速度速度，建立起光的電磁理論將表面上看來風(fēng)馬牛不相及的電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象統(tǒng)一在一個完整的理論之中，揭開了物理學(xué)的新篇章。三、愛因斯坦

——科學(xué)革命的旗手1、人們?nèi)绾握務(wù)搻垡蛩固估手f：“在我們這一時代的物理學(xué)家中，愛因斯坦位于最前列。他現(xiàn)在是，將來也還是人類宇宙中有頭等光輝的一顆巨星……因為他對科學(xué)的貢獻更加深刻地進入了人類思想基本概念的結(jié)構(gòu)之中?！?/p>

湯姆遜：“愛因斯坦的相對論是歷史上最偉大的成就之一，也許就是最偉大的成就。他不是發(fā)現(xiàn)了一個孤島，而是發(fā)現(xiàn)了科學(xué)思想的新大陸?！奔s翰·布朗：“科學(xué)界的名人都有其自身的相對性：有的科學(xué)家因同行的稱道而出名；有些受到學(xué)生的贊譽；還有些受到大眾的崇拜。但是，很少人能夠?qū)θ魏稳耍谌魏蔚胤?，任何時間都是名人。愛因斯坦則達到了這種普遍性……他的形象已經(jīng)成為一種圖標，它代表智慧、想象力和創(chuàng)造力；他的品牌作為“天才”的同義詞是如此地深入人心，以致于他本人有一次不得不懺悔地說：我是愛因斯坦，但我并不是人們說的那個天才的愛因斯坦。”楊振寧：“愛因斯坦就是追求科學(xué)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學(xué)家的靈感和勇氣。”

李政道：“我們的地球在太陽系中是一個不大的行星。我們的太陽在整個銀河系四千億顆恒星中也不是怎么出奇的星。我們銀河系在整個宇宙中也是非常渺小的?？墒?，因為愛因斯坦在我們小小的地球上生活過，我們這顆藍色的地球就比宇宙的其他部分有特色，有智慧，有人的道德?！?、愛因斯坦告訴了我們什么光到底是什么？分子真的存在嗎？狹義相對論改變了什么？（1）兩個基本原理：相對性與光速不變性（2）從同時的相對性到時間和長度的相對性：（3）質(zhì)速關(guān)系：（4）質(zhì)能關(guān)系與原子核能的利用：E=mc2引力是什么？（1）光線彎曲（2）行星的進動（3）引力場方程與引力的演化（4）時空、物質(zhì)與引力的關(guān)系統(tǒng)一場論追求什么？

愛因斯坦：“我完成不了這項工作了，我的這項研究即使被遺忘，但是將來仍會被重新發(fā)現(xiàn)?！奔s飛：“如果說這獻身于統(tǒng)一場論的最后30年并未留下一些有用的成果的話，但卻激發(fā)了許多深邃的思想，而且為此后的物理學(xué)提出了一系列問題。”現(xiàn)在，愛因斯坦遺留下來的關(guān)于統(tǒng)一場論的火炬，正在由后輩科學(xué)家門高高擎起，它像一座燈塔，永遠照亮著年輕一代向科學(xué)高峰攀登的道路。3、愛因斯坦怎樣看待自己？1921年獲諾貝爾獎后說：“我不過是在自己的工作中沒有退縮而已，沒有別的?！薄拔矣袝r自向，怎么偏偏是我創(chuàng)立了相對論呢？我認為其原因如下：一個正常的成年人不得會思考空間和時間的問題。他會認為這樣的問題早在童年時代就搞清楚了，我則正相反、智力發(fā)展得很慢，成年以后才開始思考空間和時間問題。很顯然，我對這些問題比兒童時期發(fā)育正常的人想得要深一些?！薄白屆恳粋€人都作為個人受到尊重，而讓任何人成為崇拜的偶像。我自己就是受到人們過分的贊揚和尊敬?！?、愛因斯坦的葬禮

這位偉大的學(xué)者在他生命的最后一天向家人留下遺囑：不發(fā)訃告，不舉行