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，課件共22頁，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，課件共22頁，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)象的研究到電磁場理論的建立第3頁，課件共22頁，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，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月2、波動光學(xué)的興起衍射現(xiàn)象3、光是什么4、波動說的勝利第5頁，課件共22頁，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。例如弗·培根(FrancisBacon)就在歸納大量熱觀象經(jīng)驗事實的基礎(chǔ)上斷言：“熱的本質(zhì)就是運(yùn)動”。當(dāng)時這種熱的運(yùn)動說，由于缺乏精確的實驗根據(jù)，沒有形成為科學(xué)理論。在18世紀(jì)，普遍流行“熱質(zhì)說”，這種學(xué)說認(rèn)為熱是一種沒有重量的流質(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，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月1798牛，倫福德(Rumford)在觀察槍炮制造時，發(fā)現(xiàn)鉆孔切下來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)生的熱量競能在2小時45分鐘的時間內(nèi)使大約18磅(1磅＝0．453公斤)的水沸滕。根據(jù)這一系列實險結(jié)果，他否定了熱質(zhì)說，認(rèn)為熱是運(yùn)動的一種形式。第7頁，課件共22頁，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驗，系統(tǒng)地測量了可以轉(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，有力地說明了熱在本質(zhì)上是一種運(yùn)動。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。熱縣運(yùn)動的觀點(diǎn)終于被建立起來了。人們終于認(rèn)識到：宏觀熱現(xiàn)象是物體內(nèi)部大量分子的無規(guī)則運(yùn)動的表現(xiàn)。第8頁，課件共22頁，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)涉及到多個國家在多種領(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。焦耳在研究過程中的許多實驗是和著名物理學(xué)家威廉·湯姆生（后來受封為開爾文勛爵）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，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)象后來被子稱為焦耳—湯姆生效應(yīng)。第9頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月3、熱力學(xué)定律第零定律：若兩個系統(tǒng)都與第三個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，這兩個系統(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)對外所作的功的總和。第二定律：熱量不能自動地從低溫物體傳向高溫物體。第三定律：沒有辦法借有限的步驟來達(dá)到絕對零度。第10頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月三、從電磁現(xiàn)象的研究到電磁場理論的建立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)，用來量度物體帶電程度的量稱為電量。實驗證明，物體所帶的電荷有兩種：一種是與絲綢摩擦過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的絲綢所帶電荷相同的叫做負(fù)電荷。實驗發(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。庫侖(Coulumb)在1785年通過扭秤實驗，測定了兩個靜止點(diǎn)電荷間相互作用力，建立了庫侖定律。其內(nèi)容是：兩個靜止點(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，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月在很長時間內(nèi)，人們認(rèn)為電荷之間的作用是“超距作用”。也就是說，認(rèn)為一個電荷所受到的作用力是由另一個電荷直接給予的，不需要中間物質(zhì)傳遞，也不需要時間，完全可以從一個電荷即時地達(dá)到另一個電荷。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)為在電荷周圍存在著一種特殊物質(zhì)，這種特殊物質(zhì)叫做由該電荷激發(fā)的電場，處于該電荷周圍任何地方的其他電荷所受的靜電力是由這電場給予的。也就是說，電荷和電荷之間是通過電場這種特殊物質(zhì)而相互作用的。這種作用可表示如下第12頁，課件共22頁，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)稱為磁性。條形磁鐵的兩端磁性最強(qiáng)的區(qū)域稱為磁極。把一塊條形磁鐵懸掛起來，磁鐵將自動地轉(zhuǎn)向南北方向，指北的一極稱為北極，指南的一極稱為南極。購塊磁鐵的磁極之間有相互作用力存在，稱為磁力。同性磁極之間有排斥力，異性磁極之間有吸引力。磁鐵在空中自動指向南北的事實，說明地球本身世是一個巨大的磁鐵。第13頁，課件共22頁，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(即有電流通過的導(dǎo)線)周圍的磁針會受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。1820年安培(Ampere)又發(fā)現(xiàn)，放在磁鐵時近的載流導(dǎo)線或然流線圈，巴會受到力的作用麗發(fā)生運(yùn)動。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，把兩個裁流線圈面對面掛喬一起，當(dāng)兩電流的流向相同時，就可以看到兩線圈相萬吸引，流向相反時，相互排斥。從上述這些實驗，人們知道了磁現(xiàn)象與電荷的運(yùn)動是密切聯(lián)系的。電荷運(yùn)動可以嚴(yán)生蹈現(xiàn)象，運(yùn)動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。運(yùn)動電荷之間，除了電荷之間的庫侖力以外，還有磁力作用。磁力是通過磁場作用的。就是說，任何運(yùn)動電荷周圍空間里都存在著磁場，而磁場對位于其中的任一運(yùn)動電荷有磁力作用。這種相互作用可以表示如下因此，磁力也就稱為磁場力。第14頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電場和磁場的統(tǒng)一自從奧斯特發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場的現(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來產(chǎn)生電流。1831年，池拉第從實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過一閉合回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中就產(chǎn)生電流，這種電流稱為感應(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，表明電路中有電動勢(單位正電荷繞回路一周時非靜電力所作的功)。電磁感應(yīng)所直接產(chǎn)受的應(yīng)該是感應(yīng)電動勢，只有當(dāng)電路閉合時感應(yīng)咆功勢才會產(chǎn)生感應(yīng)電流。法拉第從實驗中總結(jié)了感應(yīng)電動勢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回路所包圍面積的磁通量發(fā)生變化時，回路中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與磁通量對時間的變化率成正比例。第15頁，課件共22頁，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)電動勢是由另一種電場力對導(dǎo)體中自由電子作用的結(jié)果，這種電場是由變化著的磁場產(chǎn)生的，導(dǎo)線回路中的感應(yīng)電動勢，只是這種電場溝一種表現(xiàn)。他認(rèn)為，即使沒有任何導(dǎo)體存在，只要磁場隨時間杏變化，這種電場總是存在。他把隨時間變化的磁場所產(chǎn)生的電場，叫做感應(yīng)電場或渦旋電場。麥克斯韋不僅認(rèn)為變化磁場能夠產(chǎn)生電場，而且他還進(jìn)一步認(rèn)為，變化電場應(yīng)該與電流一樣，也能夠在空間產(chǎn)生磁場。這就是所謂的泣移電流產(chǎn)生磁場的假說。麥克斯韋在引入渦旋電場和位移電流兩個重要概念的基礎(chǔ)上，對靜電場和穩(wěn)恒電流的磁場所遵從的規(guī)律加以推廣，便得出了適用于普遍情況的電磁場理論。這個理論的基本概念，就是電場和磁場之間的相互聯(lián)系和相互影響。即任何隨時間變化的電場必然激發(fā)起磁場；任何隨時間變化的磁場，也必然激發(fā)起電場。這兩種變化著的、具有渦旋性質(zhì)的電場和磁場，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。靜電場和穩(wěn)恒電流產(chǎn)生的磁場只是電磁場的兩種特殊情況。第16頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)近代化學(xué)的展開一、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，課件共22頁，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)說的建立。英國化學(xué)和物理學(xué)家波義耳(R．Boyle,l627一l691)關(guān)于物質(zhì)組成的問題上，根據(jù)許多實驗事實于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際上是單質(zhì)。第18頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月2、燃素說17世紀(jì)末，人們對燃燒現(xiàn)象曾有如下解釋：一切與燃燒有關(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程。例如，金屬—燃素＝燃灰。當(dāng)時也有一些科學(xué)家懷疑這種“燃素說”。到18世紀(jì)后半葉，法國化學(xué)家拉瓦錫(A．L．Lavoisier,l743一1794)用了五年時間，做了許多煅燒和燃燒實驗的定量研究，并在英國化學(xué)家普利斯特里(J．Priestley，1733—1804)所作的分解氧化汞實驗的啟示下，終于在1777年提出了燃燒的氧化學(xué)說。例如，金屬+氧＝煅灰?？茖W(xué)燃燒學(xué)說的建立，使過去在燃素說形式上倒立著的全部化學(xué)正立過來，徹底割斷了與煉金術(shù)的某些聯(lián)系。第19頁，課件共22頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)基本定律與原子—分子學(xué)說的誕生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)驗性的化學(xué)定律提供了清晰的理論解釋，使人們認(rèn)識到隱藏在紛紜復(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，測定原子量、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化學(xué)家的贊同，現(xiàn)代原子－分子論終于瓜熟蒂落。第20頁，課件共22頁，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)物只能來源于有生命的動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：研究成功簡單而又精確的有機(jī)化合物分析法；通過雷酸銀和苯甲?；难芯浚S勒一起證實了同分