物1-201072010236-劉永祥

1、 畢 業(yè) 論 文題 目： 對經(jīng)典物理學的認識淺談 學 院： 物理與電子工程學院 專 業(yè)： 物理學 畢業(yè)年限： 2014年6月 學生姓名： 劉永祥 學 號： 201072010236 指導教師： 段文山 對經(jīng)典物理學的認識淺談 學生：劉永祥 指導老師：段文山 2014屆 物理學 10級物理(1)班 201072010236摘要:縱觀物理學的發(fā)展歷史，波瀾壯闊。最初的物理學，跟神學、哲學是分不開的，或者我們直接可以這樣說：物理學本身誕生于神學與哲學之中，其發(fā)展之趨勢，也將會朝著更加“神秘”的方向，這在近代量子力學跟相對論理論里頗有體現(xiàn)。而作為整個物理學科的基礎，經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學以及經(jīng)典的統(tǒng)計

2、力學理論無疑又在整個物理學的發(fā)展之中起著基礎性與支撐性的作用。因此，作為一個從事中學物理基礎性學科教學的人，對經(jīng)典物理學的發(fā)展歷史做一個全面透徹的了解與認識，對其自身專業(yè)素養(yǎng)的提高與基本物理思想的傳播都有著最為基本的意義，也會對物理文化的傳播與發(fā)展，有一定的積極意義。本文以經(jīng)典物理學的發(fā)展歷史為切入點，在介紹其發(fā)展的同時又對各位先哲的經(jīng)典理論作一再呈現(xiàn)，讓我們再一次沉浸在深厚的物理文化氛圍之中。關(guān)鍵詞： 經(jīng)典物理學 經(jīng)典力學 經(jīng)典電動力學 經(jīng)典統(tǒng)計物理學 The Introduction to Understanding of the Classical Physics Student:Liu

3、 Yongxiang Teacher:Duan Wenshan The Class of 2014 Physics Physical (1) Class Level 10 201072010236Abstract:The physics has gone through a specacular history.Initial physics is inseparable with theology,philosophy,or we can say directly:physics itself was born in philosophy and theology,its developme

4、nt trend also will be more mysterious,in the modern is embodied in the theory of quantum mechanics and relativity.And as the basis of the whole physics,classical mechanics,classical electrodynamics and classical statistical mechanics theory in the development of the whole physics undoubtedly plays a

5、 fundamental and supportive role.Therefore,for a man engaged in basic course teaching of high school physics,making a comprehensive assessment and understanding is good for the improvement of their own professional cultivated manners and, the spread of the dissemination,the development of physics cu

6、lture.Which has certain positive meaning.In this paper the development history of classical physics as the breakthrough point,in its development at the same time,the classical theory of fellow thinkers of the past again and again,let us once again immersed in the deep physical culture.Key words: cla

7、ssical physics; classical mechanics ;classical electrodynamics;classical statistical physics II 目 錄摘要IAbstract.II引言11.經(jīng)典力學的發(fā)展由決定論主宰的物質(zhì)世界21.1.亞里士多德的運動觀21.2.伽利略經(jīng)典力學發(fā)展的助推劑31.3.牛頓的經(jīng)典力學體系決定論41.3.1.牛頓運動定律經(jīng)典力學的基本骨架41.3.2.決定論經(jīng)典物理對物質(zhì)世界的完美描述51.3.3.分析力學決定論思想的最完美體現(xiàn)62.經(jīng)典電動力學的發(fā)展與主要理論62.1.早期的靜電學與靜磁學理論62.2.法拉第電磁感應定

8、律揭示了磁能生電的自然規(guī)律82.3.麥克斯韋方程組的建立標志著經(jīng)典電動力學理論的形成82.3.1.位移電流假說揭示了電亦能生磁的自然規(guī)律92.3.2.麥克斯韋方程組102.3.3.一點說明:經(jīng)典電磁理論中仍然體現(xiàn)著決定論思想103.經(jīng)典熱力學與統(tǒng)計物理的發(fā)展與主要理論103.1.“熱質(zhì)說”與“熱的運動說”人類對熱本源的爭論113.2.熱力學第一定律的建立與內(nèi)容133.3.熱力學第二定律的建立與內(nèi)容兩種經(jīng)典描述133.4.統(tǒng)計物理學的相關(guān)理論143.4.1.經(jīng)典玻爾茲曼統(tǒng)計143.4.2.玻色愛因斯坦統(tǒng)計153.4.3.費米狄拉克統(tǒng)計153.5.熵增加原理決定論思想在統(tǒng)計物理學中的體現(xiàn)15結(jié)束語

9、16參考文獻：16致謝18引言：經(jīng)典物理學的產(chǎn)生與發(fā)展，對整個科學與技術(shù)領(lǐng)域都起到了一定的推動作用。以前人們普遍認為，經(jīng)典力學是整個物理學的基礎，因為一切宏觀的、低速運動的物體，幾乎都可以用牛頓的力學規(guī)律來完全決定性地解釋與描述，不僅是這樣，就當時的某些微觀領(lǐng)域，牛頓的經(jīng)典力學規(guī)律也同樣適用。而經(jīng)典電磁理論的建立，無疑徹底改變了人們的生活，電磁波的發(fā)現(xiàn)與利用，把我們的世界一下子帶進了信息化時代。至于經(jīng)典統(tǒng)計力學，作為既古老而又經(jīng)典的理論，其相關(guān)理論仍然支撐著物理學的相關(guān)領(lǐng)域，熱力學理論，開創(chuàng)了人類對熱機及能源的利用，統(tǒng)計物理的相關(guān)理論，一直是處理微觀粒子必不可少的。因此，對經(jīng)典物理學的再認識，

10、對于從事基礎物理教學工作的人來說具有最基本的意義，也是對自己大學學習的一個簡要總結(jié)。作為一名中學物理教師，其不光要掌握扎實的專業(yè)知識與技能，更要對所教授學科的發(fā)展與文化有一個全面透徹的了解，因為教師的責任，與其說是“傳道，授業(yè)，解惑”，還不如說是在傳播著科學與文化。中學階段是一個人的黃金時期，我們對中學生的施教不應當只是“填鴨式”地灌輸知識，而應讓他們對一門學科的文化有所了解，因為通過對物理學科的的發(fā)展歷史的了解，可以培養(yǎng)其對物理的熱愛與崇尚，也會對所學科目有發(fā)自內(nèi)心的真切感受，這將會對其后續(xù)大學階段的學習與深造有一個很好的鋪墊。本文從一名中學物理教師的角度出發(fā)，一方面，介紹對整個物理學的發(fā)展

11、都起著基礎性作用的經(jīng)典物理學的發(fā)展與相關(guān)問題，首先，在這部分我將介紹經(jīng)典力學的發(fā)展及我對相關(guān)問題認識與看法，從亞里士多德(Aristotle)到伽利略(Gailileo Galilei)，再從伽利略到牛頓(Newton)，通過對這三位科學先哲的生平與貢獻的了解，發(fā)掘出經(jīng)典力學的發(fā)展脈絡，給讀者一個清晰的印象；其次，我將對經(jīng)典電動力學的發(fā)展概況進行探索，對經(jīng)典電磁理論做一再呈現(xiàn)，讓讀者了解電磁學理論的對稱美與嚴密性，而所有理論歸結(jié)起來，就是完美的麥克斯韋(Maxwell)方程組；再有，我將對經(jīng)典統(tǒng)計物理學做一簡要介紹，讓讀者了解到統(tǒng)計物理學在整個科學發(fā)展史上(包括工業(yè)技術(shù)發(fā)展)的重要作用。另一方

12、面，我將聯(lián)系中學物理教師這一具體職位，討論一名物理教師應當怎樣教授物理這一學科才能更好地起到傳播文化的作用。即作為一個從事物理教學的人來說，不光要掌握相關(guān)的專業(yè)知識，有一個扎實的專業(yè)素養(yǎng)，更重要的是，要對他所教授學科的文化發(fā)展有一個深層次的理解與把握，把學生領(lǐng)進科學的大門。所謂一門學科的文化內(nèi)涵，就是其發(fā)展歷史與相關(guān)人物的主要觀點，因此在這部分，我將聯(lián)系具體教學實例，來進行一定的闡述。1.經(jīng)典力學的發(fā)展由決定論主宰的物質(zhì)世界1.1.亞里士多德的運動觀亞里士多德(Aristotle)被譽為古希臘百科全書式的哲學家，其基本的哲學思想幾乎涵蓋了自然科學的各個領(lǐng)域。他把萬物看成是由四種元素土、水、空氣

13、及火組成，四種元素各有其自然位置，任何物體都有返回其自然位置而運動的性質(zhì)：火向上運動，地向下運動，它們在到達其自然位置后歸于靜止。它們的本性要求它們這樣運動。因此他把運動分成自然運動和強迫運動：重物下落是自然運動，天上星辰圍繞地心作圓周運動，也是自然運動；而要讓物體作強迫運動，必需有推動者，即有施力者。力一旦去除，運動即停止，即“力是維持物體運動的原因”。既然重物下落是物體的自然屬性，物體越重，趨向自然位置的傾向性也就越大，所以下落速度也越大。于是，從亞里士多德的教義出發(fā)，就必然得到物體下落速度與物體重量成正比的結(jié)論。下面就讓我們對其思想做一全方位的回顧。對于運動和力，因為“馬拉車，馬行則車動

14、，馬停則車止”。 亞里士多德說：“力是維持物體運動的原因”。另外，亞里士多德認為較重物體的下落速度會比較輕物體的快，因為“將一塊石頭跟一根羽毛同時從高處拋下，石頭總是比羽毛先落地”?？v觀亞里士多德的運動觀，我們發(fā)現(xiàn)其大多都是錯誤的，但科學就是這樣，科學的發(fā)展就是一個不斷糾錯的過程，且當時的技術(shù)與思想的落后，根據(jù)生活經(jīng)驗提出觀點也應當是無可厚非的。亞里士多德是偉大的，他的許多成就都為世人所傳唱，同時大家也牢牢的記住了他所犯的錯誤。對他在物理學和自然科學發(fā)展中的作用和影響以及其局限性，應進行歷史的分析。對物理學的發(fā)展來說，亞里士多德初步提出以物質(zhì)獨立的自然學科，重視對近身事物的具體觀察，強調(diào)思維邏

15、輯的作用，首先引用運動及其與時間、空間、與周圍物體的關(guān)系及物質(zhì)本原為研究對象以形成一門用數(shù)學方法考察具體物理定律，從而引起眾多的討論與研究等等；這些都在一定程度上為歐洲文藝復興以后物理科學在實驗基礎上的奠定起了某些先導的作用。這一成就不應被抹殺。1.2.伽利略經(jīng)典力學發(fā)展的助推劑伽利略(Gailileo Galilei)對經(jīng)典力學的貢獻的精髓，幾乎都是建立在對亞里士多德錯誤觀點批判的基礎之上的。他把物理學牢固地建立在觀察與實驗的基礎上，恢復與發(fā)展了亞里士多德重視邏輯推理和運用數(shù)學工具的傳統(tǒng)以后，物理學在西歐的社會生產(chǎn)力蓬勃發(fā)展的條件下得到了迅速的發(fā)展。伽利略拋棄了亞里士多把運動分為自然運動和強

16、迫運動的觀點，采用數(shù)學方法來定量地分析運動，對位移、距離和時間的概念給予確切的數(shù)學表達形式，運用笛卡兒創(chuàng)立的坐標系來定量的描述運動，認為應該依據(jù)運動的基本特征量速度對運動進行分類，由此，把運動分為勻速運動和變速運動兩種，并引入加速度的概念。 伽利略首先運用從一個理想實驗得出的佯繆入手，對亞里士多德落體學說提出了反駁。根據(jù)亞里士多德的論斷，一塊大石頭的下落速度要比一塊小石頭的下落速度大。假定大石頭的下落速度為8，小石頭的下落速度為4，當我們把兩塊石頭拴在一起時，下落快的會被下落慢的拖著而減慢，下落慢的會被下落快的拖著而加快，結(jié)果整個系統(tǒng)的下落速度應該小于8。但是兩塊石頭拴在一起，加起來比大石頭還

17、要重，因此重物體的下落速度比輕物體都小。這樣，就從重物體比輕物體下落得快的假設，推出了重物體比輕物體下落得慢的結(jié)論，從而在邏輯上證明了亞里士多德的學說是錯誤的。伽利略著名的斜面實驗檢驗自由落體運動符合他所提出的勻加速運動的定義。自由落體下落的時間太短，當時用實驗直接驗證自由落體是勻加速運動仍有困難，伽利略采用了間接驗證的方法，他讓一個銅球從阻力很小的斜面上滾下，做了上百次的實驗，小球在斜面上運動的加速度要比它豎直下落時的加速度小得多，所以時間容易測量些。實驗結(jié)果表明，光滑斜面的傾角保持不變，從不同位置讓小球滾下，小球通過的位移跟所用時間的平方之比是不變的即位移與時間的平方呈正比。由此證明了小球

18、沿光滑斜面向下的運動是勻變速直線運動，換用不同質(zhì)量的小球重復上述實驗，位移跟所用時間的平方的比值仍不變，這說明不同質(zhì)量的小球沿同一傾角的斜面所做的勻變速直線運動的情況是相同的，即加速度與物體的重量無關(guān)。 伽利略把觀察和實驗作為科學研究的堅實基礎。他在研究工作中，采取了下面一個對近代科學發(fā)展很有效的研究方法：對現(xiàn)象的一般觀察提出工作假想運用數(shù)學和邏輯的手段得出特殊結(jié)論通過物理的或理想的實驗對推論進行驗證對假設進行修正和推廣。伽利略所創(chuàng)設的實驗方法、嚴格的邏輯與數(shù)學推理方法，對后世新科學思想的發(fā)展有著深刻的影響。1.3.牛頓的經(jīng)典力學體系決定論1.3.1.牛頓運動定律經(jīng)典力學的基本骨架牛頓作為經(jīng)典

19、力學的創(chuàng)設者，他自稱“自己是站在了巨人的肩上”，牛頓三大力學定律以及萬有引力定律的問世，標志著經(jīng)典力學的大廈已經(jīng)完全構(gòu)成。牛頓第一定律（慣性定律），“物體在不受外力或所受外力之和為零時總保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)”，看似簡單的一段話，其產(chǎn)生卻經(jīng)歷了一個曲折的過程。亞里士多德“力是維持物體運動的原因”是最早關(guān)于力和運動的描述，之后伽利略通過磨擦力的提出糾正了這一錯誤觀點，指出“力不是維持物體運動之原因，而是改變物體運動狀態(tài)之原因”，牛頓在此基礎之上，進一步地總結(jié)概括，得出了牛頓第一定律，不能否認是科學史上的一大進步和成就。從牛頓第一定律我們可以看到，力是改變物體運動狀態(tài)的根源，物體本來的運動狀態(tài)

20、是和諧的，要么靜止，要么保持勻速運動狀態(tài)，是力改變了物體本來的運動狀態(tài)，致使我們現(xiàn)在物質(zhì)世界的運動形式復雜多變。不得不說，牛頓第一定律是對力和運動關(guān)系最為科學的揭示。牛頓第二定律進一步將動力學理論做了推進，“物體的加速度跟所受合力成正比，跟其質(zhì)量成反比，即： (1)在揭示動力學規(guī)律這一方面，或許我們可以將牛頓第二定律表述為“物體所受合外力等于其動量對時間的變化率，即： (2)(2)式在表現(xiàn)動力學規(guī)律方面或許更為直觀，因為動量(P)是描述運動學的物理量，而合外力(F)是力學的一個基本量，將力學與運動學聯(lián)系起來，此公式達到了近乎完美的境地。牛頓第三定律所揭示的，是自然界最為平常的“相互作用力”，力

21、既是物體間的一種相互作用，那么勢必就有“作用力”與“反作用力”，在揭示力“是物體間的一種相互作用”這一規(guī)律上，其既簡單又具體。在中學階段，我們簡單地說“力是物體間的一種相互作用”或許對于剛要入門的中學生來說要理解其要義并非易事，但只要說出作用力與反作用力，學生的腦子里一下子就有了具體而實在的東西，因此，牛頓第三定律無疑是整個力學的基礎。說起牛頓，我們自然不能忘了其“萬有引力定律”，從蘋果落地到萬有引力定律的提出，牛頓的一生不可謂不是傳奇。萬有引力定律揭示了自然界一種最為基本的相互作用，即其指出：自然界的一切物體之間都存在著相互吸引之作用，引力大小遵從平方反比律。即: (3)我們說萬有引力定律的

22、提出本身是一種偉大，是因為它讓我們認識到，我們生活在這個宇宙之中，并不是獨立的，而是互相發(fā)生著作用，而我們之所以意識不到這種作用，是因為引力之大小本身是由質(zhì)量之大小決定的，這就是：地月系之中，月球雖大但其仍圍繞著地球運動，太陽系之中，諸行星圍繞太陽運動而不會逃逸，而我們卻怎么也無法將一個輕小物體吸引住的根源。經(jīng)典力學的產(chǎn)生與發(fā)展，無疑推動了人類文明的進程。從亞里士多德到伽利略，從伽利略到牛頓，每一位科學家的誕生與隕落，都是自然科學史上的一次“風暴”，其對科學的貢獻，我們應銘記之。1.3.2.決定論經(jīng)典物理對物質(zhì)世界的完美描述 牛頓的經(jīng)典力學體系，透露出來的便是決定論的思想。經(jīng)典物理學認為，物質(zhì)

23、世界是可以由牛頓的運動規(guī)律完全描述的，物質(zhì)世界是完美、和諧的，只要給定了初始條件(邊界條件和歷史條件)以及確定了物體所滿足的動力學方程，物體在以后任何時刻的狀態(tài)都是確定的。這并不像量子論中的不確定性，當給定了粒子的波函數(shù)后與初始條件之后，起后來的運動狀態(tài)并不確定，而是有多種可能的解，這些解由力學量的特征值與特征方程所確定。牛頓第一定律所體現(xiàn)的，正是“決定論”的思想。即當物體在“不受外力或所受合外力為零”時，物體要么靜止，要么做勻速直線運動。即若物體本來是靜止的，則在以后任何時刻都靜止，若其是運動的，則一直運動，它所勾勒出的，是一種完美的景象。牛頓第二定律是經(jīng)典物理學中物質(zhì)運動所滿足的基本動力學

24、方程， (4)上式中若給定初始條件(邊界條件和歷史條件)的值，則質(zhì)點的運動狀態(tài)在以后的任何時刻完全確定。1.3.3.分析力學決定論思想的最完美體現(xiàn)決定論的思想在哈密頓的分析力學中有著更為突出的體現(xiàn)。分析力學注重用完全的數(shù)學方程來描述物質(zhì)的運動。為了尋求力學體系的的運動規(guī)律，哈密頓提出可以從具有相同、并為約束所許可的許多條可能的運動軌道即S(S為體系的自由度數(shù))維空間曲線中，挑出一條真實軌道，為此，可以采用變分法的方法來挑選這一真實軌道。 (5)既然可以從許多約束所許可的軌道中，選出真實軌道，當然也就確定了力學體系沿著這條真實軌道運動式的運動規(guī)律了。上式即為保守力系作用下的體系哈密頓原理的數(shù)學表

25、達式，保守力系作用下 的體系哈密頓原理表述為： 保守的、完整的力學體系在相同時間內(nèi)，由某一初位形到另一已知位形的一切可能運動中，真實運動的主函數(shù)具有確定值，即對于真實運動來講，主函數(shù)的變分等于零。決定論。2.經(jīng)典電動力學的發(fā)展與主要理論2.1.早期的靜電學與靜磁學理論由于電磁現(xiàn)象本身比較抽象，早期人類對電磁現(xiàn)象的認識，總是將其區(qū)別開來，即最初人類認為電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象是互無關(guān)系的。人類最先對電現(xiàn)象的認識，莫過于發(fā)現(xiàn)了靜電荷的“同性相斥，異性相吸”的基本規(guī)律。從摩擦起電到此規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，全然是對實踐的總結(jié)。直到庫侖定律的提出，對電現(xiàn)象的認識才介入到了理論的階段。庫侖定律本身具有與牛頓的萬有引力定律相同

26、的數(shù)學形式，兩定律所不同的，是萬有引力定律中的“力”是引力，而庫侖定律中的“力”既有引力又有斥力。兩定律均具有平方反比的形式，正說明了物理規(guī)律的數(shù)學美。 (6)對靜電學具有全面認識的，或者說打開靜電學理論大門的，是靜電場的高斯(Gauss)定理。下面我們就來具體認識一下高斯定理。 (7)或 (8)上式便是高斯定理的數(shù)學形式。用物理語言來描述，便是“空間閉合區(qū)域里的電通量是該區(qū)域內(nèi)包含電荷的代數(shù)和”，高斯定理揭示了“電荷是電場的源，即電場由電荷激發(fā)產(chǎn)生”。高斯定理在揭示電場的有源性這一方面，無疑是一個偉大的成就。在靜電學理論中，其重要性不亞于高斯定理的一個理論，應是靜電勢的拉普拉斯(Laplac

27、e)方程： (9)式中為靜電勢，它是一個標量函數(shù)，拉普拉斯方程揭示了靜電場的無旋性，至此，靜電場的基本規(guī)律已全部把握，即人們得出：靜電場是一個有源無旋場。由于靜磁場與靜電場規(guī)律的相似性，人們同樣得出了靜磁場的相關(guān)方程，這里不再贅述。值得注意的是，靜磁場是一個“有旋無源場”。2.2.法拉第電磁感應定律揭示了磁能生電的自然規(guī)律最初的人們，認為電磁現(xiàn)象是毫無關(guān)系的，是彼此孤立的的兩類現(xiàn)象。直到奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，人們才初步認識到電、磁原來是可以相互感生的。 奧斯特為證實自己的發(fā)現(xiàn)，做了大量的實驗。他將一個小磁針置于通電導線附近，發(fā)現(xiàn)了小磁針的偏轉(zhuǎn)，由此他斷定，電磁現(xiàn)象之間是有聯(lián)系的。后來人們進

28、一步證實了他的觀點。進一步揭示電磁現(xiàn)象之間聯(lián)系規(guī)律的，是法拉第(Maxwell)，法拉第是一位偉大的科學家，他發(fā)現(xiàn)的電磁感應定律是電動力學史上料不起的成就 。下面我們來共同看看其發(fā)現(xiàn)過程。在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象之前，他也有著許多的錯誤的指導思想。法拉第就曾經(jīng)這樣認為：既然磁鐵可以使鄰居的鐵礦感應上磁，靜電荷也可以使臨近的導體中感應出電荷，那么電流也可以使臨近的線圈中感應出電流。雖然這種指導思想的錯誤，但是他本著磁能生電的信念，在他發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的六年前的日記中就寫下了他偉大光輝的思想：“磁能轉(zhuǎn)化電”。并且開始使用了“感應”這個詞。 科學實驗總是這樣，只有經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗才能換來最后的成功

29、。法拉第在經(jīng)歷了多次失敗之后，不斷改進實驗思想跟實驗設施，終于得出了驚世駭俗的電磁感應定律，用數(shù)學公式可表示為： (10)或 (11) 即：“感應電動勢的大小等于磁通量對時間的變化率?！彪姶鸥袘傻陌l(fā)現(xiàn)，徹底開啟了將電磁現(xiàn)象聯(lián)系起來的的大門。也為后來經(jīng)典麥克斯韋(Maxwell)理論的創(chuàng)設奠定了基礎。2.3.麥克斯韋方程組的建立標志著經(jīng)典電動力學理論的形成麥克斯韋(Maxwell)經(jīng)典的電磁理論，基本涵蓋了整個電動力學的全部內(nèi)容，他將所有的電磁學規(guī)律用簡單的幾個數(shù)學方程來表示，既對稱又美觀，那么，我們就來具體了解一下麥克斯韋方程建立的過程。2.3.1.位移電流假說揭示了電亦能生磁的自然規(guī)律由

30、法拉第電磁感應定律我們知道，變化的磁場可以激發(fā)電場，那么變化的電場能否激發(fā)磁場呢？答案是肯定的，這便是麥克斯韋的位移電流假說。 在恒定電流中我們知道，電位移矢量的散度是等于零的，即電流恒定分布于閉合回路之中，只要電路一斷開，電流分布馬上消失，這是我們熟知的事實。 (12) 但對于交變電流，我們據(jù)電荷守恒定律，很容易得到： (13) 上式試電荷守恒定律的微分形式，是一般普遍的規(guī)律，對于恒定電流情況，也同樣適用。 根據(jù)磁場相關(guān)理論，我們又知道： (14) 兩邊取散度，得到： (16) 上式與電荷守恒定律發(fā)生矛盾，即其只有在恒定電流之情況下才成立，那么，誰對誰錯？當然是電荷守恒定律正確了，那么，我們

31、就需要對(12)式進行改進。 麥克斯韋假定，兩帶電機極板間存在著“位移電流”,它和電流一起構(gòu)成閉合回路，既滿足： (17) 并假設和一樣產(chǎn)生磁效應，則（12）式可修正為： (18) 此式兩邊再取散度，都等于零，理論上不再有矛盾。再根據(jù)相關(guān)理論，我們就可以得到位移電流的表達式為： (19) 上式的正確性已由無數(shù)的實驗事實所證實，已成為經(jīng)典電磁場的基本理論。2.3.2.麥克斯韋方程組至此，我們已基本構(gòu)建了經(jīng)典電磁理論的基本框架，麥克斯韋總結(jié)概括了相關(guān)理論，得出了麥克斯韋方程組。 微分形式： (20) 積分形式： (21)上式便是麥克斯韋(Maxwell)方程組的微分與積分形式，乃經(jīng)典電動力學理論的

32、核心部分。麥克斯韋方程組的建立，也就標志著經(jīng)典電動力學理論的完成。2.3.3.一點說明:經(jīng)典電磁理論中仍然體現(xiàn)著決定論思想 決定論的思想貫穿著整個經(jīng)典物理學的始末，在經(jīng)典的電磁理論之中亦有體現(xiàn)。在電磁場理論中，牛頓的經(jīng)典力學規(guī)律任然是用，或者說，經(jīng)典電動力學理論本身是建立在牛頓的經(jīng)典力學基礎之上的。對于帶電粒子來說，牛頓運動定律任然適用。自然，經(jīng)典電動力學任然是決定論的。3.經(jīng)典熱力學與統(tǒng)計物理的發(fā)展與主要理論經(jīng)典熱力學的發(fā)展歷是人類對熱的本質(zhì)及能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的認識、掌握和運用的歷史。經(jīng)典熱力學是以實驗為基礎的唯象的宏觀理論，具有高度的可靠性和普遍性。它研究的內(nèi)容決定物理、化學反應進行的方向和限

33、度，對于化工生產(chǎn)的發(fā)展意義重大。經(jīng)典統(tǒng)計物理理論則是人類研究微觀粒子的一般理論，從玻爾茲曼(Boltsman)統(tǒng)計到玻色(Bose)費米(Fermi)統(tǒng)計，是人類對微觀世界認識不斷深入的體現(xiàn)。自從學習了統(tǒng)計物理的相關(guān)理論后，我們知道：定域系統(tǒng)和滿足經(jīng)典極限條件的玻色費米系統(tǒng)，均服從玻爾茲曼的統(tǒng)計規(guī)律，因此說，玻爾茲曼統(tǒng)計是整個統(tǒng)計物理學的基礎。在這部分，我將分別就熱力學與統(tǒng)計物理學的相關(guān)知識加以簡要介紹。熱現(xiàn)象是人類最早接觸到的自然現(xiàn)象之一。人類在遠古時代就有冷熱差別的概念，并且知道如何利用摩擦、燃燒、爆炸等熱現(xiàn)象，來達到生產(chǎn)和生活的目的。例如，中國古代燧人氏的鉆，煉金術(shù)和煉丹術(shù)，火藥的發(fā)明，

34、以及早期的爆竹、火銃等。大約在公元前300年，戰(zhàn)國時代的騶衍提出五行說，認為天地之間都是由水、火、土、金和木組成。其中火與熱有緊密的聯(lián)系。這個學說與古希臘的四元素說很相似。四元素說是紀元前500年赫喇利突（Heraclitus）提出的。他認為火是一種元素，它和水、土、氣一起是自然界的4種獨立的元素。整個自然界由這四種元素組成。18世紀以前，這類“熱質(zhì)說”，即認為熱也是一種物質(zhì)組成元素的說法，是占據(jù)主導地位的。當時古希臘的另一種學說熱的運動說或能量說，是根據(jù)摩擦生熱的現(xiàn)象提出來的，它與“熱質(zhì)說”相對立。它認為火是一種運動的表現(xiàn)形式，見于柏拉圖的“對話”。這個學說埋沒了約二千年之久，到十七世紀，當

35、實驗科學開始發(fā)展時期，得到了一些哲學家和科學家的支持，其中表達的特別明確的是培根，他根據(jù)摩擦生熱現(xiàn)象認為熱是物體微小粒子的運動。因當時科學發(fā)展落后，這兩個學說到底哪一個是正確的，暫時還不能作出論斷。這一時期人們對熱現(xiàn)象還沒有任何實質(zhì)性的解釋。人們對熱現(xiàn)象及熱的本質(zhì)認識，經(jīng)歷了一個漫長而曲折的探索過程。3.1.“熱質(zhì)說”與“熱的運動說”人類對熱本源的爭論 溫度的定量測定，對于熱現(xiàn)象的研究是至關(guān)重要的。在17世紀，雖然有些科學家對溫度的測定及溫標的建立，做出了不同程度的貢獻，提供了有益的經(jīng)驗和教訓。但是，由于沒有共同的測溫基準，沒有一致的分度規(guī)則，缺乏測溫物質(zhì)的測溫特性資料，以及沒有正確的理論指導

36、，因此，在整個17世紀中，并沒有制作出復現(xiàn)性好、可供正確測量的溫度計及溫標。在18世紀，“測溫學”有較大的突破。其中最有價值的是，1714年法倫海脫所建立的華氏溫標，以及1742年攝爾修斯所建立的攝氏溫標（即百分溫標）。18世紀，勃拉克借助于溫度計的使用，把熱量和溫度這兩個基本概念做出明確的區(qū)分。但是上述工作并沒有解決熱的本質(zhì)是什么的疑問。隨著熱學的發(fā)展，人們開始提出熱的本質(zhì)是什么。關(guān)于這個問題，歷來有兩種不同的觀點。一種是熱的物質(zhì)說，另一種是熱的運動說。主張熱的運動說的人認為，熱是物質(zhì)粒子的運動; 主張熱質(zhì)說的人認為，熱是一種特殊形態(tài)的沒有重量的“物質(zhì)”，當熱質(zhì)進入物質(zhì)后物體會變熱。當時人們

37、對自然的認識還是“實物粒子”的圖景，因此熱質(zhì)說很容易被人們接受。18世紀，熱質(zhì)說在法國很流行，得到了當時眾多名人的支持。例如，拉瓦錫 、傅里葉、拉普拉斯等。但是在同時代的歐洲，英國的波義耳、牛頓及洛克等著名學者則支持熱的運動說。俄國的羅蒙諾索夫討論冷熱原因的論文中，比較詳細地闡述了熱的運動學說，認為熱是分子運動的表現(xiàn)。1798年，倫福特的著名的炮筒鏜孔摩擦生熱的實驗用實驗結(jié)果直接駁斥了“熱質(zhì)說”，同年他發(fā)表了一篇論文，說明制造槍炮時能不斷地產(chǎn)生溫度很高的切削碎片，表明熱能夠不斷地產(chǎn)生出來，或者說熱可以從機械能轉(zhuǎn)化得到。他還把金屬浸在水中鉆孔，機械摩擦產(chǎn)生的熱可以使水沸騰。倫福特甚至估計出產(chǎn)生1

38、cal熱時需要5.5J的機械能。因此他認為熱不可能是一種物質(zhì)而只能是一種運動。1799年，戴維進一步用實驗支持熱的運動說。他的冰塊摩擦融化實驗無法用熱質(zhì)說解釋，從而有力地批駁了“熱質(zhì)說”。熱運動說和熱質(zhì)說這兩種觀點經(jīng)歷了相互更替的曲折的歷史演變，熱究竟是在各個物體之間流動的一種不可摧毀的物質(zhì)，還是微觀運動的一種表現(xiàn)形式。直到19世紀中葉，焦耳計算出熱功當量的數(shù)值并公布了他的研究結(jié)果，此時能量守恒定律才得以真正確立。相應地，熱質(zhì)說也就完全退出了科學的歷史舞臺。這時關(guān)于熱的本質(zhì)才得出了明確的具體的結(jié)論: 熱是微觀運動和能量的一種表現(xiàn)形式，并且和能量的其他形式之間可以相互轉(zhuǎn)化。3.2.熱力學第一定律

39、的建立與內(nèi)容早在1842年初格羅夫就已經(jīng)從基本的自然現(xiàn)象及其相互作用中，清楚地認識到他們之間轉(zhuǎn)化和守恒的關(guān)系，并獨立提出存在“當量”關(guān)系。只是他預見到建立當量關(guān)系在實驗上存在的巨大困難，因此他并未找出其定量的數(shù)值。丹麥工程師科爾丁受到莫斯特的電轉(zhuǎn)化為磁實驗的啟發(fā)，對機械功與熱的相互轉(zhuǎn)化問題進行測量與計算。1843年他向哥本哈根科學院提交了一份實驗報告，闡述了他的能量轉(zhuǎn)化守恒思想，并演示他的測定熱功當量的實驗。他的能量守恒思想比起同時代的其他研究者來說，帶有幻想色彩。上面提到的這些能量守恒定律的早期探索者大多是由于主客觀條件的限制，從各種基本自然現(xiàn)象及其相互關(guān)系的定性觀察和思考中，發(fā)展了能量守恒

40、思想。他們之中，也曾有人做過個別的單項實驗，有的則是運用已有的發(fā)現(xiàn)進行推理和計算，但都沒有得出比較明確的具體的結(jié)果，只能說是各自孤立地做過一些有益的嘗試與探索。因此，他們的工作可以說是對于能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)鋪墊道路。對與能量守恒定律做出關(guān)鍵性貢獻的人是邁爾與焦耳。邁爾首次發(fā)表論文闡述了能量守恒定律的內(nèi)容，他的論文的主導思想是: 果必有因，因必有果，因與果是等當?shù)?。但是他的論文當時并沒有引起物理學界的重視。能量守恒定律得到物理學界公認是在焦耳的實驗工作發(fā)表以后。焦耳在證明熱功當量的工作過程中，做過多種實驗。他的各種精確實驗結(jié)果的一致性，給予能量轉(zhuǎn)化和守恒定律以無可辯駁的堅實基礎，這個時候可以認為

41、熱力學第一定律已經(jīng)完全建立了。熱力學第一定律也稱為能量守恒定律，即：能量既不能創(chuàng)生，也不能消滅，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在這些過程中，其總量保持不變。用數(shù)學公式可表示為： (22)即物體內(nèi)能的增量等于從外界吸收的熱量與對外做功的代數(shù)和。3.3.熱力學第二定律的建立與內(nèi)容兩種經(jīng)典描述18世紀下半葉，瓦特發(fā)明了蒸汽機。蒸汽機在工業(yè)上的廣泛使用，促進了工業(yè)的發(fā)展，同時推動了整個歐洲的工業(yè)革命。工業(yè)界對熱機效率改進的追求也浮出水面。在這種大背景下，研究熱機最大效率的工作已經(jīng)顯得十分必要了。1824年，卡諾發(fā)表了他一生中唯一的一篇不朽的著作關(guān)于熱動力以及熱動力機

42、的考察，系統(tǒng)地探討了熱機工作的本質(zhì)，在理論上闡明了提高熱機效率的根本途徑。他用錯誤的“熱質(zhì)說”論據(jù)得出了正確的卡諾定理。指出了熱功轉(zhuǎn)換的條件及熱效率的最高理論限度，為熱力學第二定律的建立奠定了基礎?？ㄖZ去世后第二年，克拉珀瓏發(fā)現(xiàn)并閱讀了卡諾的著作，認識到這一工作的重要性。1834年克拉珀瓏發(fā)表了關(guān)于熱動力備忘錄，轉(zhuǎn)述并總結(jié)了卡諾的主要工作，并對卡諾循環(huán)進行了描述?？死戥嚨恼撐暮髞肀婚_爾文看到。1850年克勞修斯在克拉珀瓏和開爾文的基礎上把卡諾循環(huán)推廣到任意循環(huán)過程?？藙谛匏购烷_爾文分別在1850年和1851年發(fā)表了各自對熱力學第二定律的表述，至此，熱力學第二定律已經(jīng)基本建立了。熱力學第二定律

43、指出了自然界一切自發(fā)熱運動過程的方向性，即，一切自發(fā)的熱運動過程，總是朝著熵增加的方向進行的，若將宇宙視為一個孤立系統(tǒng)，則其熵總是在不斷增加，宇宙最終的狀態(tài)，應是一個平衡態(tài)，屆時，其熵達到了極大值。熱力學第二定律有兩種經(jīng)典的表述，一種是開爾文表述：不可能從單一熱源吸熱使之全部變成有用的功而不引起其他變化。另一種是克勞修斯表述：不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。兩種表述完全等價，統(tǒng)一于熵增加原理。3.4.統(tǒng)計物理學的相關(guān)理論自然界中存在的微觀粒子可以分為三類，即經(jīng)典粒子、玻色子、費米子。經(jīng)典粒子就是實物粒子，人們根據(jù)粒子自旋量子數(shù)的不同又將不同于經(jīng)典粒子的粒子分為玻色子與費米子

44、，玻色子的自旋量子數(shù)為整數(shù)倍，費米子的自旋量子數(shù)為半整數(shù)倍，它們分別服從三種不同的統(tǒng)計規(guī)律，即玻爾茲曼統(tǒng)計、玻色愛因斯坦(Bose-Einstern)統(tǒng)計與費米狄拉克(Fermi-Dirac)統(tǒng)計。3.4.1.經(jīng)典玻爾茲曼統(tǒng)計定域系統(tǒng)和滿足經(jīng)典極限條件的玻色費米系統(tǒng)均服從玻爾茲曼分布，該統(tǒng)計理論認為：粒子是可以分辨的，每一體量子態(tài)上最多只能容納一個粒子，用公式表示為： (23)式中，為處于能級上的粒子數(shù)，為能級 的簡并度。3.4.2.玻色愛因斯坦統(tǒng)計 玻色愛因斯坦統(tǒng)計理論認為，玻色子不像經(jīng)典粒子那樣可以區(qū)分，而是全同的、不能分辨的，即每個個體量子態(tài)上容納的粒子數(shù)目不受限制，用公式表示該理論，即

45、為; (24) 同樣的，上式中為處于能級上的粒子數(shù)，為能級的簡并度。3.4.3.費米狄拉克統(tǒng)計費米子為自旋量子數(shù)為半整數(shù)的粒子，其與玻色子一樣，也是不可分辨的，但每一個個體量子態(tài)上所能容納的粒子數(shù)滿足泡利不相容原理，用公式表示該理論即為： (25)同樣的，為處于能及上的粒子數(shù)，為能級的簡并度。值得指出的是：定域系統(tǒng)和滿足經(jīng)典極限條件的玻色費米系統(tǒng)，均滿足玻爾茲曼分布，或者說，三種分布規(guī)律在一定條件下，就變成一樣的了，而這個條件，便是經(jīng)典極限條件（亦稱為非簡并條件）： (26)上式的物理意義是，能級的每一個個體量子態(tài)上最多只有一個粒子，處于這種狀態(tài)的玻色費米系統(tǒng)跟定域系統(tǒng)所滿足的分布規(guī)律一樣。這就是上式直觀的物理意義。3.5.熵增加原理決定論思想在統(tǒng)計物理學中的體現(xiàn)熱力學第一定律中說：能量既不能