第三章 近代自然科學(xué)的全面發(fā)展

第三章近代自然科學(xué)的全面發(fā)展第1頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)經(jīng)典物理學(xué)體系的形成第二節(jié)近代化學(xué)的展開(kāi)第三節(jié)近代生物學(xué)的演進(jìn)第四節(jié)近代天文學(xué)的進(jìn)展與地質(zhì)學(xué)的起步第2頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)經(jīng)典物理學(xué)體系的形成一、幾何光學(xué)的進(jìn)展與光的本質(zhì)的探討二、熱學(xué)的成就和熱現(xiàn)象的微觀解釋三、從電磁現(xiàn)象的研究到電磁場(chǎng)理論的建立第3頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、幾何光學(xué)的進(jìn)展與光的本質(zhì)的探討1、幾何光學(xué)的進(jìn)展光的反射定律光的折射定律第4頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、波動(dòng)光學(xué)的興起衍射現(xiàn)象3、光是什么4、波動(dòng)說(shuō)的勝利第5頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、熱學(xué)的成就和熱現(xiàn)象的微觀解釋1、熱的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)17世紀(jì)以后，不少人根據(jù)摩擦生熱的現(xiàn)象，認(rèn)為熱是一種特殊的運(yùn)動(dòng)。例如弗·培根(FrancisBacon)就在歸納大量熱觀象經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上斷言：“熱的本質(zhì)就是運(yùn)動(dòng)”。當(dāng)時(shí)這種熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)，由于缺乏精確的實(shí)驗(yàn)根據(jù)，沒(méi)有形成為科學(xué)理論。在18世紀(jì)，普遍流行“熱質(zhì)說(shuō)”，這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為熱是一種沒(méi)有重量的流質(zhì)，它不生不滅，存在于一切物體之中，物體的冷熱程度決定于它所含熱質(zhì)的多少。第6頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1798牛，倫福德(Rumford)在觀察槍炮制造時(shí)，發(fā)現(xiàn)鉆孔切下來(lái)的碎屑有極高的溫度，他懷疑這大量的熱能否由金屬內(nèi)部的熱質(zhì)所供給。他還用一只幾乎不能切削的鈍鉆頭鉆孔，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的熱量競(jìng)能在2小時(shí)45分鐘的時(shí)間內(nèi)使大約18磅(1磅＝0．453公斤)的水沸滕。根據(jù)這一系列實(shí)險(xiǎn)結(jié)果，他否定了熱質(zhì)說(shuō)，認(rèn)為熱是運(yùn)動(dòng)的一種形式。第7頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月19世紀(jì)40年代以后，邁爾(Mayer)首先提出各種運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化的思想。焦耳(Jou1e)在總結(jié)倫福德等人工作的基礎(chǔ)上，運(yùn)用電磁、化學(xué)和機(jī)械方法進(jìn)行了一系列精確的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地測(cè)量了可以轉(zhuǎn)化為一定數(shù)量熱的其他各種形式的能量。焦耳所確定的熱功當(dāng)量，有力地說(shuō)明了熱在本質(zhì)上是一種運(yùn)動(dòng)。在許多人研究的基礎(chǔ)L．建大了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，說(shuō)明自然界各種形式的能量都可以按照一定的當(dāng)量關(guān)系互相轉(zhuǎn)化。熱功當(dāng)量的確定與能顯守恒和轉(zhuǎn)化定榨的建立，徹底捎毆了熱質(zhì)說(shuō)。熱縣運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)終于被建立起來(lái)了。人們終于認(rèn)識(shí)到：宏觀熱現(xiàn)象是物體內(nèi)部大量分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。第8頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月２、能量守恒定律19世紀(jì)40年代建立起來(lái)的能量守恒定律，被認(rèn)為是自牛頓力學(xué)以后的科學(xué)發(fā)展的第二次大革命。這一發(fā)現(xiàn)涉及到多個(gè)國(guó)家在多種領(lǐng)域中工作的10多位科學(xué)家，其中主要是邁爾、焦耳和亥姆霍茲。焦耳在研究過(guò)程中的許多實(shí)驗(yàn)是和著名物理學(xué)家威廉·湯姆生（后來(lái)受封為開(kāi)爾文勛爵）共同完成的。在焦耳發(fā)表的九十七篇科學(xué)論文中有二十篇是他們的合作成果。當(dāng)自由擴(kuò)散氣體從高壓容器進(jìn)入低壓容器時(shí)，大多數(shù)氣體和空氣的溫度都要下降，這一現(xiàn)象就是兩人共同發(fā)現(xiàn)的。這一現(xiàn)象后來(lái)被子稱(chēng)為焦耳—湯姆生效應(yīng)。第9頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、熱力學(xué)定律第零定律：若兩個(gè)系統(tǒng)都與第三個(gè)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，這兩個(gè)系統(tǒng)必定相互達(dá)到熱平衡。第一定律：外界傳遞給系統(tǒng)的熱量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量和系統(tǒng)對(duì)外所作的功的總和。第二定律：熱量不能自動(dòng)地從低溫物體傳向高溫物體。第三定律：沒(méi)有辦法借有限的步驟來(lái)達(dá)到絕對(duì)零度。第10頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、從電磁現(xiàn)象的研究到電磁場(chǎng)理論的建立1、電現(xiàn)象兩種不同性質(zhì)的物體，例如干燥的絲綢和玻璃棒相互摩擦后，有吸引輕微物體(如紙片)的現(xiàn)象，這是由于玻璃棒與絲綢因摩擦而帶電的緣故。處于帶電狀態(tài)的物體稱(chēng)為帶電體。帶電體吸引輕微物體能力的強(qiáng)弱和它所帶電的多少有關(guān)，用來(lái)量度物體帶電程度的量稱(chēng)為電量。實(shí)驗(yàn)證明，物體所帶的電荷有兩種：一種是與絲綢摩擦過(guò)的破璃棒所帶電荷相同的叫做正電荷；另一種是與玻璃棒摩擦過(guò)的絲綢所帶電荷相同的叫做負(fù)電荷。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，帶電體之間有相互作用，而且是帶鬧種電荷的物體相互排斥，帶異種電荷的物體相互吸引。庫(kù)侖(Coulumb)在1785年通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間相互作用力，建立了庫(kù)侖定律。其內(nèi)容是：兩個(gè)靜止點(diǎn)電荷間的相互作用力，正比例于它們電量的乘積，反比例于它們之間距離的平方，力的方向沿著電荷的連線。第11頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，人們認(rèn)為電荷之間的作用是“超距作用”。也就是說(shuō)，認(rèn)為一個(gè)電荷所受到的作用力是由另一個(gè)電荷直接給予的，不需要中間物質(zhì)傳遞，也不需要時(shí)間，完全可以從一個(gè)電荷即時(shí)地達(dá)到另一個(gè)電荷。直到19世紀(jì)初，人們才提出了新的觀點(diǎn)，認(rèn)為靜電力同樣是一種物質(zhì)之間的相互作用，即認(rèn)為在電荷周?chē)嬖谥环N特殊物質(zhì)，這種特殊物質(zhì)叫做由該電荷激發(fā)的電場(chǎng)，處于該電荷周?chē)魏蔚胤降钠渌姾伤艿撵o電力是由這電場(chǎng)給予的。也就是說(shuō)，電荷和電荷之間是通過(guò)電場(chǎng)這種特殊物質(zhì)而相互作用的。這種作用可表示如下第12頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、磁現(xiàn)象天然磁鐵(磁石)能吸引鐵、鈷、鎳物質(zhì)的性質(zhì)稱(chēng)為磁性。條形磁鐵的兩端磁性最強(qiáng)的區(qū)域稱(chēng)為磁極。把一塊條形磁鐵懸掛起來(lái)，磁鐵將自動(dòng)地轉(zhuǎn)向南北方向，指北的一極稱(chēng)為北極，指南的一極稱(chēng)為南極。購(gòu)塊磁鐵的磁極之間有相互作用力存在，稱(chēng)為磁力。同性磁極之間有排斥力，異性磁極之間有吸引力。磁鐵在空中自動(dòng)指向南北的事實(shí)，說(shuō)明地球本身世是一個(gè)巨大的磁鐵。第13頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1819年奧斯特(Oersted)發(fā)現(xiàn)，放在載流導(dǎo)線(即有電流通過(guò)的導(dǎo)線)周?chē)拇裴槙?huì)受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1820年安培(Ampere)又發(fā)現(xiàn)，放在磁鐵時(shí)近的載流導(dǎo)線或然流線圈，巴會(huì)受到力的作用麗發(fā)生運(yùn)動(dòng)。其后又發(fā)現(xiàn)裁流導(dǎo)線之間或載流線圈之間也有相互作用。例如，把兩個(gè)裁流線圈面對(duì)面掛喬一起，當(dāng)兩電流的流向相同時(shí)，就可以看到兩線圈相萬(wàn)吸引，流向相反時(shí)，相互排斥。從上述這些實(shí)驗(yàn)，人們知道了磁現(xiàn)象與電荷的運(yùn)動(dòng)是密切聯(lián)系的。電荷運(yùn)動(dòng)可以嚴(yán)生蹈現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)電荷本身也可以受到磁力的作用?，F(xiàn)已明確，磁現(xiàn)象起源子電荷的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)電荷之間，除了電荷之間的庫(kù)侖力以外，還有磁力作用。磁力是通過(guò)磁場(chǎng)作用的。就是說(shuō)，任何運(yùn)動(dòng)電荷周?chē)臻g里都存在著磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)對(duì)位于其中的任一運(yùn)動(dòng)電荷有磁力作用。這種相互作用可以表示如下因此，磁力也就稱(chēng)為磁場(chǎng)力。第14頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一自從奧斯特發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象以后，不少科學(xué)家研究電流磁效應(yīng)的逆現(xiàn)象，也就是如何利用磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生電流。1831年，池拉第從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)一閉合回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中就產(chǎn)生電流，這種電流稱(chēng)為感應(yīng)電流。由于磁通量的變比而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。法拉第認(rèn)為，從本質(zhì)上講，電路中出現(xiàn)電流，表明電路中有電動(dòng)勢(shì)(單位正電荷繞回路一周時(shí)非靜電力所作的功)。電磁感應(yīng)所直接產(chǎn)受的應(yīng)該是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只有當(dāng)電路閉合時(shí)感應(yīng)咆功勢(shì)才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。法拉第從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)包磁通量變比之間的關(guān)系，彌為法拉第電磁感應(yīng)定律，其表述是：不論任何原因使通過(guò)回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量對(duì)時(shí)間的變化率成正比例。第15頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月麥克斯韋注意到電磁感應(yīng)現(xiàn)象的特殊性，提出了新的論點(diǎn)。他認(rèn)為這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由另一種電場(chǎng)力對(duì)導(dǎo)體中自由電子作用的結(jié)果，這種電場(chǎng)是由變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生的，導(dǎo)線回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只是這種電場(chǎng)溝一種表現(xiàn)。他認(rèn)為，即使沒(méi)有任何導(dǎo)體存在，只要磁場(chǎng)隨時(shí)間杏變化，這種電場(chǎng)總是存在。他把隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電場(chǎng)，叫做感應(yīng)電場(chǎng)或渦旋電場(chǎng)。麥克斯韋不僅認(rèn)為變化磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)，而且他還進(jìn)一步認(rèn)為，變化電場(chǎng)應(yīng)該與電流一樣，也能夠在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)。這就是所謂的泣移電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的假說(shuō)。麥克斯韋在引入渦旋電場(chǎng)和位移電流兩個(gè)重要概念的基礎(chǔ)上，對(duì)靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)所遵從的規(guī)律加以推廣，便得出了適用于普遍情況的電磁場(chǎng)理論。這個(gè)理論的基本概念，就是電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互聯(lián)系和相互影響。即任何隨時(shí)間變化的電場(chǎng)必然激發(fā)起磁場(chǎng)；任何隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，也必然激發(fā)起電場(chǎng)。這兩種變化著的、具有渦旋性質(zhì)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，永遠(yuǎn)是相互聯(lián)系、互為因果的，它們形成不可分割的、統(tǒng)一的整體——電磁場(chǎng)。靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)只是電磁場(chǎng)的兩種特殊情況。第16頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)近代化學(xué)的展開(kāi)一、科學(xué)化學(xué)的形成二、化學(xué)基本定律與原子—分子學(xué)說(shuō)的誕生三、有機(jī)化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的起步四、化學(xué)元素周期律的發(fā)現(xiàn)第17頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、科學(xué)化學(xué)的形成１、近代化學(xué)的奠基者玻意耳17世紀(jì)后半葉至18世紀(jì)未，是近代化學(xué)的孕育時(shí)期，其主要標(biāo)志是化學(xué)元素概念的提出和科學(xué)燃燒學(xué)說(shuō)的建立。英國(guó)化學(xué)和物理學(xué)家波義耳(R．Boyle,l627一l691)關(guān)于物質(zhì)組成的問(wèn)題上，根據(jù)許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)于1661年指出：“我指的元素應(yīng)當(dāng)是某些不由任何其他物質(zhì)所構(gòu)成的原始的和簡(jiǎn)單的物質(zhì)或完全純凈的物質(zhì)”。當(dāng)然，從現(xiàn)代化學(xué)觀點(diǎn)看，波義耳定義的元素實(shí)際上是單質(zhì)。第18頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、燃素說(shuō)17世紀(jì)末，人們對(duì)燃燒現(xiàn)象曾有如下解釋?zhuān)阂磺信c燃燒有關(guān)的化學(xué)變化都可歸結(jié)為物質(zhì)吸收或釋放燃素的過(guò)程。例如，金屬—燃素＝燃灰。當(dāng)時(shí)也有一些科學(xué)家懷疑這種“燃素說(shuō)”。到18世紀(jì)后半葉，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫(A．L．Lavoisier,l743一1794)用了五年時(shí)間，做了許多煅燒和燃燒實(shí)驗(yàn)的定量研究，并在英國(guó)化學(xué)家普利斯特里(J．Priestley，1733—1804)所作的分解氧化汞實(shí)驗(yàn)的啟示下，終于在1777年提出了燃燒的氧化學(xué)說(shuō)。例如，金屬+氧＝煅灰?？茖W(xué)燃燒學(xué)說(shuō)的建立，使過(guò)去在燃素說(shuō)形式上倒立著的全部化學(xué)正立過(guò)來(lái)，徹底割斷了與煉金術(shù)的某些聯(lián)系。第19頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)基本定律與原子—分子學(xué)說(shuō)的誕生1803年，化學(xué)家道爾頓提出：化學(xué)元素是由非常微小的，不可再分的微粒－原子所組成。他的原子論為許多經(jīng)驗(yàn)性的化學(xué)定律提供了清晰的理論解釋?zhuān)谷藗冋J(rèn)識(shí)到隱藏在紛紜復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象背后的統(tǒng)一本質(zhì)。1858年意大利化學(xué)家康尼查羅發(fā)表論文令人信服地指出，只要接受50年前阿伏伽德羅提出的分子假說(shuō)，測(cè)定原子量、確定化學(xué)式的困難就可迎刃而解。這一思想迅速得到了各國(guó)化學(xué)家的贊同，現(xiàn)代原子－分子論終于瓜熟蒂落。第20頁(yè)，課件共22頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、有機(jī)化學(xué)與結(jié)構(gòu)化學(xué)的起步1824年，年僅24歲的維勒用無(wú)機(jī)物氰和氨水合成了有機(jī)物尿素。給予有機(jī)物只能來(lái)源于有生命的動(dòng)植物的神秘活力論以致命打擊。1829年至1839年，李比希為奠定有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)作出了卓越貢獻(xiàn)，主要有：研究成功簡(jiǎn)單而又精確的有機(jī)化合物分析法；通過(guò)雷酸銀和苯甲酰基的研究，跟維勒一起證實(shí)了同分