近代物理學的奠基人和革命者

近代物理學的奠基人和革命者科學革命技術革命物理學領域生物學領域經(jīng)典力學體系的創(chuàng)立和發(fā)展（從伽利略到牛頓）量子理論的誕生（從普朗克到愛因斯坦）相對論的建立（愛因斯坦）進化論理論（達爾文與赫胥黎）萬能原動機與“蒸汽機時代”（瓦特）電力的廣泛應用與“電氣時代”（法拉第、西門子等）現(xiàn)代信息技術與信息時代現(xiàn)代物理學理論的發(fā)展本專題總體知識結構第2頁,共35頁，2024年2月25日，星期天近代物理學的奠基人和革命者第3頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■認識史上的飛躍■1、經(jīng)典力學體系創(chuàng)立的背景

在中世紀的歐洲，亞里士多德的學說長期被教會奉為教條。近代科學誕生后，亞里士多德的力學不斷受到質疑。第4頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

伽利略（1564—1642），偉大的意大利物理學家和天文學家，他開創(chuàng)了以實驗事實為根據(jù)并具有嚴密邏輯體系和數(shù)學表述形式的近代科學，被譽為“近代科學之父”。他第一個把望遠鏡對準天空進行觀測，出版了《星空使者》一書。1632年，他出版了《關于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》，把哥白尼學說推到最終勝利的階段。2、伽利略的貢獻第5頁,共35頁，2024年2月25日，星期天（1）勻速運動、勻加速運動（2）自由落體定律（3）用自己制造的望遠鏡證明了哥白尼的“日心說”

1590年，伽利略在比薩斜塔上做了“自由落體”的著名實驗，從此推翻了亞里士多德“物體落地下的速度和重量成比例”的學說，糾正了這個持續(xù)了1900年之久的錯誤結論。第6頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

你知道牛頓撿到了哪些“光滑的卵石”和“美麗的貝殼”？

“我好像是一個在海邊玩耍的孩子，為不時發(fā)現(xiàn)比通常更光滑的卵石或更美麗的貝殼而歡欣鼓舞，面對展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發(fā)現(xiàn)?！?/p>

——牛頓臨終遺言第7頁,共35頁，2024年2月25日，星期天3、牛頓的貢獻第8頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

1666年秋天的一個傍晚，牛頓坐在花園的蘋果樹下，正在考慮一個運動的問題。忽然一只熟透的蘋果掉了下來，正好落在牛頓的前面。這只蘋果引起了牛頓的注意。他想，蘋果為什么不向天上飛，也不向前后左右落，而偏偏垂直地落到地面上呢？肯定是地球在吸引它。既然地球能吸引離地面這么高的蘋果樹上的蘋果，那它也肯定在吸引著月亮。經(jīng)過研究、演算和論證，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律?！浴犊茖W簡史》第9頁,共35頁，2024年2月25日，星期天（1）牛頓的運動三大定律構成了近代力學體系的基礎，成為整個近代物理學的重要支柱。（2）牛頓的萬有引力定律（3）科學巨著《自然哲學的數(shù)學原理》總結了他的力學體系及數(shù)學、天文學方面的研究成果。慣性定律加速度定律作用力和反作用力定律牛頓的運動三大定律萬有引力定律經(jīng)典力學體系第10頁,共35頁，2024年2月25日，星期天英國著名詩人波普曾寫過一首贊美牛頓的詩：自然和自然界的規(guī)律，隱藏在黑暗里。上帝說：“讓牛頓去吧!”于是，一切成為光明。

我之所以能比別人看得遠些，是因為我站在巨人們的肩上。

——牛頓第11頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■認識史上的飛躍■

英國著名的哲學家休謨曾說：“我們被放在這有如戲院的世界上，每個事件的起源和緣由卻完全隱瞞不讓我們知道，我們既沒有足夠的智慧預見未來，也沒有能力防止那些使我們不斷受傷害的不幸事件發(fā)生。我們被懸掛在永恒的疑懼之中……”

——《大國崛起》解說詞

三百年前，人類的思想還充斥著迷信和恐懼，水為什么往低處流？太陽為什么升起落下？這些今天看來簡單之極的問題，在當時卻是根本無法認識和把握的。直到牛頓出現(xiàn)，人類才終于結束了這種狀態(tài)。

——《大國崛起》解說詞第12頁,共35頁，2024年2月25日，星期天“牛頓的發(fā)現(xiàn)，給人類帶來從未有過的自信。曾經(jīng)匍匐在上帝腳下的人類，終于大膽地抬起頭來，開始用自己的理性的眼光大量世界?！钡?3頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1、在光學方面，牛頓發(fā)現(xiàn)了日光是由不同的顏色即不同波長的光構成的，奠定了光譜分析的基礎，制作了牛頓色盤。他在1704年出版了《光學》一書，創(chuàng)立了光的“微粒說”。2、在熱學方面也有研究成果，確定了冷卻定律。3、在數(shù)學方面，他與萊布尼茲幾乎同時創(chuàng)立了微積分學，同時，他還在前人研究基礎上，建立了二項式定理。4、在天文學領域，1671年創(chuàng)制了反射望遠鏡，初步考察了行星的運動規(guī)律；他還解釋了潮汐現(xiàn)象，并預言地球不是正球體，并由此說明了歲差現(xiàn)象。第14頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1、重大意義（1）牛頓力學體系對自然界的力學現(xiàn)象做了系統(tǒng)合理的說明，從而完成了人類對自然界認識史上的第一次理論大綜合。（2）使力學和天文學在理論上達到相當完備的程度，并且在科學實驗中得到廣泛的應用和驗證，成為近代科學形成的標志。（3）從此，科學擺脫了神學的束縛向前發(fā)展，19世紀進入全面繁榮時期，各門自然科學的理論體系紛紛建立。第15頁,共35頁，2024年2月25日，星期天2、表現(xiàn)（1）萬有引力定律適用于一切天體運動和宇宙中的所有物體。（2）根據(jù)萬有引力定律，人們準確地算出了地球的平均密度和扁平度，正確地解釋了潮汐的成因。還在理論上首先預測了海王星的存在。第16頁,共35頁，2024年2月25日，星期天對地球認識的變化第17頁,共35頁，2024年2月25日，星期天海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)第18頁,共35頁，2024年2月25日，星期天哈雷慧星軌道的推算第19頁,共35頁，2024年2月25日，星期天“走進威斯敏斯特教堂，人們所瞻仰的不是君王們的陵寢，而是國家為感謝那些為國增光的最偉大人物建立的紀念碑。這便是英國人民對于才能的尊敬?！?/p>

－－伏爾泰位于英國倫敦威斯敏斯特教堂的艾撒克·牛頓勛爵墓地第20頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■驅走烏云的太陽■質疑與思考：經(jīng)典力學體系是最完美的物理學理論嗎？

19世紀末，面對經(jīng)典物理學近乎完美的發(fā)展，有的物理學家表示：“19世紀已經(jīng)將物理大廈全部建成，今后物理學家只是修飾和完美這座大廈?！?/p>

經(jīng)典物理學是以日常生活中常見的低速運動的物體為研究對象的，一旦進入光速運動時，經(jīng)典物理學的某些結論就變得不準確。第21頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

19世紀末，物理學界連續(xù)發(fā)生了三個重大事件，這就是X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。這三大發(fā)現(xiàn)以實驗事實使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動搖。物理學家們曾認為的似乎已經(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學體系，從根本上出現(xiàn)了動搖，這就是所謂的“物理學危機”。過去的物理學都以牛頓的理論為基礎，認為時間和空間是絕對的，兩者是沒有任何直接聯(lián)系的。似乎宇宙間存在著一個永遠走動著的大鐘，在任何情況下，它的速率永遠都是相同的，世界上的一切運動在時間上都以它為度量標準。第22頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1、背景（1）19世紀的物理學領域，以牛頓力學為基礎，形成了完整的理論體系；（2）19世紀末，物理學界的重大研究課題士黑體輻射，量子理論就是在此過程中發(fā)現(xiàn)的。2、誕生（1）奧地利斯蒂芬：1879年發(fā)現(xiàn)黑體輻射的總能量與其溫度之間的定量關系；（2）德國普朗克：1900年在《關于正常光譜能量分布定律的理論》中提出量子概念。標志著量子理論的誕生。第23頁,共35頁，2024年2月25日，星期天黑體輻射

任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領。輻射出去的電磁波在各個波段是不同的，也就是具有一定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關，因而被稱之為熱輻射。為了研究，物理學家們定義了一種理想物體——黑體(blackbody)，以此作為熱輻射研究的標準物體。所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當然黑體仍然要向外輻射)。第24頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

普朗克，生于基爾。1879年普朗克在慕尼黑大學獲得博士學位后，先后在慕尼黑大學和基爾大學任教。由于量子論創(chuàng)立，普朗克獲得1918年諾貝爾物理學獎。普朗克是德國人所具有的最好品質的范例：誠懇、忠于職守，他的業(yè)余愛好是音樂，在這方面表現(xiàn)了專業(yè)藝術才干；另一項業(yè)余愛好是他一直堅持到晚年的登山運動。第25頁,共35頁，2024年2月25日，星期天3、發(fā)展（1）德國愛因斯坦：1905年解釋光電效應，得出了光具有波粒二象性的結論；（2）法國德布羅意：1923年提出物質波理論；（3）奧、德物理學家：建立量子力學。4、意義（1）量子力學成為反映自然界基本規(guī)律的理論體系，指導人們向無知運動的各個層面進行深入探討；（2）理論從根本上改變了近代物理學中的傳統(tǒng)觀念，使物理學乃至整個自然科學的觀念都發(fā)生重大變革。第26頁,共35頁，2024年2月25日，星期天量子論確實深奧難懂，甚至連量子論奠基人之一的玻爾都說：“如果誰不為量子論而感到困惑，那他就是沒有理解量子論?！钡?7頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1999年12月，在20世紀最后一期的《時代》周刊中，評出了一位“世紀人物”。該刊稱贊他為“天才、政治難民、人道主義者、原子彈和宇宙迷的開啟者”，“以其偉大的思想和無與倫比的形象獨占鰲頭”。第28頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■愛因斯坦的“時空”■狹義相對論發(fā)表100周年，也許全世界只有幾十個人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對論對人類生活的巨大改變。

第29頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1、狹義相對論2、廣義相對論創(chuàng)立內容意義1905年《論動體的電動力學》1916年（1）時間和空間都與物質運動有關；（2）時間和空間隨著物質運動的速度的變化而變化（1）物質存在的現(xiàn)實空間是彎曲的（2）空間結構取決于物質的質量和分布情況（3）空間彎曲的程度體現(xiàn)為引力場強度打破絕對時間和絕對空間，但不是對牛頓力學的全盤否定，而是繼承和發(fā)展第一次闡述了思維時空和物質的分布相聯(lián)系的重要思想第30頁,共35頁，2024年2月25日，星期天這個故事形象地說明了時間和空間的相對性愛因斯坦關于相對論的比喻：

為了對這一深奧的理論做通俗的說明，愛因斯坦曾經(jīng)風趣地對一名男青年說：“我打個比方，比如你屁股坐在火爐上烤和坐在公園柳蔭下與女士談情說愛，那么，同樣的時間你覺得哪一個更長？”男青年說：“當然坐在火爐上烤的時間覺得長久?！睈垡蛩固拐f：“這就是我的相對論內容?！钡?1頁,共35頁，2024年2月25日，星期天愛因斯坦的“時空彎曲”概念第32頁,共35頁，2024年2月25日，星期天3、意義（1）相對論的建立是對近代物理學理論框架的重大突破，深刻揭示了空間和時間的本質屬性。（2）這種全新的時空觀，運動觀和物質觀的形成，是人類思想發(fā)展史中的一次根本性變革，對整個自然科學和哲學都產生了極其深遠的影響。量子論和相對論是現(xiàn)代物理學的兩大支柱第33頁,共35頁，2024年2月25日，星期天愛因斯坦與奧本海默（美國原子彈之父）第34頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

1955年4月18日因主動脈瘤破裂逝世于普林斯頓。遵照他的遺囑，不發(fā)訃告，不舉行公開葬禮，不建墳墓，不立紀念碑?；鸹瘯r按照他的書面遺囑