十九世紀(jì)物理學(xué)剖析

科學(xué)技術(shù)史十九世紀(jì)物理學(xué)多普勒在十九世紀(jì)熱力學(xué)領(lǐng)域，有哪些出色的奉獻(xiàn)者？他們的重要奉獻(xiàn)是什么？他們分別承受什么科學(xué)爭(zhēng)論方法？能量守恒定律與熱力學(xué)建立熱的本質(zhì)是什么？熱的實(shí)物粒子說(shuō)熱是“一種特殊形態(tài)的沒(méi)有重量的物質(zhì)”。它可以在物體之間流淌。熱質(zhì)說(shuō)可以追溯到古希望德謨克利特的原子論學(xué)派，有典籍支撐。熱質(zhì)說(shuō)得到了當(dāng)時(shí)知名科學(xué)家伽桑狄的支持。熱質(zhì)說(shuō)能很好地解釋與熱相關(guān)的物理現(xiàn)象。在熱質(zhì)說(shuō)的根底上，熱學(xué)建立了肯定的理論體系。如布萊克“潛熱”和“比熱”的概念；傅立葉的熱傳導(dǎo)理論；卡諾的熱功轉(zhuǎn)化理論。倫福德和戴維試驗(yàn)熱質(zhì)說(shuō)在與運(yùn)動(dòng)說(shuō)比賽是最得了成功，占據(jù)了主導(dǎo)地位。直到湯姆森和戴維的判定試驗(yàn)。湯姆森覺(jué)察在炮身上鉆孔時(shí)產(chǎn)生大量的熱，而且鉆頭越鈍，發(fā)熱越多。這種現(xiàn)象不能用熱質(zhì)說(shuō)加以解釋。1799年，21歲的英國(guó)人戴維發(fā)表論文，公布了他設(shè)計(jì)的一個(gè)試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)結(jié)果。倫福德和戴維試驗(yàn)判定了“熱質(zhì)是不存在的”，給熱的運(yùn)動(dòng)說(shuō)供給了支持。而且，再一次強(qiáng)化了判定性試驗(yàn)在科學(xué)爭(zhēng)論中的重要作用。判定試驗(yàn)方法判定試驗(yàn)成為物理學(xué)重要的試驗(yàn)方法之一，在其它學(xué)科中也占有特別重要的地位。“證偽”是科學(xué)爭(zhēng)論中的一種重要思維模式。有關(guān)科學(xué)與“證偽”之間的關(guān)系，請(qǐng)大家閱讀卡爾.波普爾所著《猜測(cè)與反對(duì)》。特殊是爭(zhēng)論型人才，更要讀一讀這本書(shū)。體熱的來(lái)源德國(guó)醫(yī)生邁爾〔1814—1878〕，在給病人放血時(shí)覺(jué)察熱帶人的靜脈血比溫帶人的靜脈血更為鮮紅。而且聽(tīng)船員說(shuō)下大暴雨時(shí)海水比較熱。邁爾在拉瓦錫燃燒理論的啟發(fā)下，經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考，撰寫(xiě)了《論無(wú)機(jī)界的力》的論文，指出了“力是不滅的、能夠轉(zhuǎn)化的實(shí)體”。他所說(shuō)的力實(shí)際上是指的能量。邁爾成為第一個(gè)提出能量守恒定律的人。雖然他只是一個(gè)隨船的一般醫(yī)生。赫姆霍茲赫姆霍茲是德國(guó)的物理學(xué)家，生理學(xué)家，生物物理學(xué)家。早年在數(shù)學(xué)上有過(guò)良好的訓(xùn)練，生疏力學(xué)的成就，讀過(guò)牛頓、達(dá)朗貝爾、拉格朗日等人的著作，康德哲學(xué)的信徒，深信自然界大統(tǒng)一，信任自然界的生命現(xiàn)象必需聽(tīng)從物理和化學(xué)規(guī)律。赫姆霍茲與能量守恒定律世界是物質(zhì)的，而物質(zhì)必定守恒。世界的一切變化都是由于力的作用。赫姆霍茲將數(shù)學(xué)引入熱力學(xué)爭(zhēng)論，第一個(gè)用數(shù)學(xué)的方式提出能量轉(zhuǎn)換與守恒定律。1847年，26歲的他寫(xiě)成了著名論文《力的守恒》，將能量的概念從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到全部的變化過(guò)程，并證明白普遍的能量守恒原理。焦?fàn)柦苟杂赘S父親參與釀酒勞動(dòng)，沒(méi)有受過(guò)正規(guī)的教育。青年時(shí)期，焦耳生疏了著名的化學(xué)家道爾頓。道爾頓教給了他數(shù)學(xué)、哲學(xué)和化學(xué)方面的學(xué)問(wèn)。道爾頓教會(huì)了焦耳理論與實(shí)踐相結(jié)合的科研方法，激發(fā)了焦耳對(duì)化學(xué)和物理的興趣，并在他的鼓舞下決心從事科學(xué)爭(zhēng)論工作。能量守恒定律試驗(yàn)證明焦?fàn)枌⒏旧先繝?zhēng)論都建立在試驗(yàn)根底之上。并測(cè)定了熱功當(dāng)量比為423.85千克米/千卡。在四十年里，他做過(guò)四百屢次試驗(yàn)。焦?fàn)柕脑囼?yàn)證明白能量守恒定律，使它成為19世紀(jì)的重要覺(jué)察。把它用于熱現(xiàn)象，就是熱力學(xué)第肯定律。由焦?fàn)栂氲降淖詈玫慕處熓桥d趣最正確的學(xué)習(xí)途徑時(shí)向人學(xué)堅(jiān)持是成功的根底在近代，一個(gè)理論要成為“科學(xué)理論”，它必需具備什么樣的條件？能量守恒定律與熱力學(xué)建立永動(dòng)機(jī)能存在嗎？卡諾薩迪·卡諾(SadiCarnot)〔1796—1832〕，法國(guó)青年工程師、熱力學(xué)的創(chuàng)始人之一。兼有理論科學(xué)才能與試驗(yàn)科學(xué)才能，是第一個(gè)把熱和動(dòng)力聯(lián)系起來(lái)的人，是熱力學(xué)理論根底建立者之一。1812年，薩迪·卡諾考入巴黎理工學(xué)院，在那里受教于泊松、蓋－呂薩克、安培和阿拉果〔D．F．Arago〕這樣一批卓有成就的教師。他主要攻讀了分析數(shù)學(xué)、分析力學(xué)、畫(huà)法幾何和化學(xué)?？ㄖZ熱機(jī)薩迪·卡諾經(jīng)過(guò)對(duì)蒸汽機(jī)的工作原理分析，得出了消耗熱而得到機(jī)械功的普遍性結(jié)論。但凡有凹凸溫?zé)嵩矗灿袦囟炔畹牡胤骄湍軌虍a(chǎn)生動(dòng)力；反之，但凡消耗這個(gè)力的地方就能夠形成溫度差。卡諾依據(jù)他的“熱質(zhì)”可逆循環(huán)設(shè)想，設(shè)計(jì)了一個(gè)抱負(fù)的循環(huán)過(guò)程—“卡諾循環(huán)”和工作在循環(huán)上的熱機(jī)—”卡諾熱機(jī)”。熵與清寂的世界世界會(huì)變得寂靜嗎？開(kāi)爾文威廉·湯姆森(WilliamThomson)，受勛后名為凱爾文男爵(LordKelvin)。愛(ài)爾蘭的數(shù)學(xué)物理學(xué)家、工程師。也是熱力學(xué)溫標(biāo)〔確定溫標(biāo)〕的制造人，被稱(chēng)為熱力學(xué)之父。10歲時(shí)就進(jìn)格拉斯哥大學(xué)預(yù)科學(xué)習(xí)。17歲時(shí)，曾立志：“科學(xué)之路到哪里，就在哪里攀登不息”。他爭(zhēng)論范圍廣泛，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用等方面都做出了奉獻(xiàn)。開(kāi)爾文版熱力學(xué)其次定律開(kāi)爾文將熱力學(xué)其次定律描述為：“借助于非生物的物質(zhì)機(jī)構(gòu)，通過(guò)使物質(zhì)的任何局部冷卻到比四周物體的最低溫度還要低的方法而得到機(jī)械效應(yīng)是不行能的”或者“從單一熱源吸取熱量使之變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響是不行能的”?？藙谛匏刽?shù)婪颉ぶ炖~斯·埃曼努埃爾·克勞修斯〔RudolfJuliusEmanuelClausius)(1822－1888〕，德國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家，熱力學(xué)的主要奠基人之一。克勞修斯出身于學(xué)問(wèn)分子家庭，就學(xué)于柏林大學(xué)。1847年在哈雷大學(xué)主修數(shù)學(xué)和物理學(xué)的哲學(xué)博士學(xué)位。主要從事分子物理、熱力學(xué)、蒸汽機(jī)理論、理論力學(xué)、數(shù)學(xué)等方面的爭(zhēng)論，特殊是在熱力學(xué)理論、氣體動(dòng)理論方面建樹(shù)卓著?？藙谛匏拱鏌崃W(xué)其次定律克勞修斯重要奉獻(xiàn)有：〔1〕熱力學(xué)其次定律克勞修斯表述：“一個(gè)自行動(dòng)作的機(jī)器，不行能將熱從低溫物體傳送到高溫物體中去”；〔2〕將“熵”引入到勢(shì)力學(xué)，提出“熵增加原理”的熱力學(xué)其次定律“熵概念”表述；〔3〕將熱力學(xué)爭(zhēng)論成果引入到氣體模型。熵與統(tǒng)計(jì)力學(xué)1857年克勞修斯用抱負(fù)氣體的模型說(shuō)明白氣體的壓強(qiáng)、溫度、集中等宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)是大量氣體分子無(wú)規(guī)章運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。1860麥克斯韋和1868年玻爾茲曼分別將統(tǒng)計(jì)方法和概率論引入熱力學(xué)，建立了氣體分子運(yùn)動(dòng)論。氣體分子運(yùn)動(dòng)論認(rèn)為：一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的溫差越大〔遠(yuǎn)離平衡態(tài)系統(tǒng)〕，分子間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的概率越大，該系統(tǒng)做功的力量越大。熵與統(tǒng)計(jì)力學(xué)分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)果總是使該系統(tǒng)分子之間的狀態(tài)差異越來(lái)越小，趨向于平衡，以致當(dāng)系統(tǒng)溫差消逝時(shí)，系統(tǒng)就失去做功的力量。大量分子運(yùn)動(dòng)不聽(tīng)從牛頓的直接因果率，只聽(tīng)從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這開(kāi)啟了人類(lèi)查找自然界和人類(lèi)社會(huì)規(guī)律的新視野，也產(chǎn)生了一門(mén)新學(xué)科—“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”。一個(gè)封閉系統(tǒng)的熵總是向增大的方向進(jìn)展而不是相反?！办亍薄ⅰ敖y(tǒng)計(jì)力學(xué)”、“遠(yuǎn)離平衡態(tài)系統(tǒng)”對(duì)你所學(xué)的學(xué)科有什么樣的影響？經(jīng)典電磁理論建立在十九世紀(jì)電磁學(xué)建立的過(guò)程中，有哪些出色的奉獻(xiàn)者？他們的重要奉獻(xiàn)是什么？他們分別承受什么科學(xué)爭(zhēng)論方法？十九世紀(jì)的科學(xué)信念自然界的現(xiàn)象都是統(tǒng)一的，自然界的力〔能量〕是相互轉(zhuǎn)換的。天體的引力與距離平方成反比，帶電球的引力與其距離的平方成反比。似乎自然界的物理現(xiàn)象都可以找到一個(gè)數(shù)學(xué)公式來(lái)描素。直到分子論和溶液理論對(duì)它提出挑戰(zhàn)。奇妙的電現(xiàn)象磨擦起電和放電現(xiàn)象早被人們覺(jué)察。18世紀(jì)，本杰明.富蘭克林提出過(guò)著名的風(fēng)箏試驗(yàn)，爭(zhēng)論雷電現(xiàn)象。18世紀(jì)時(shí)，人們進(jìn)展了加熱電氣石和晶體而生電的試驗(yàn)，電鰻一類(lèi)的電魚(yú)也引起了人們的留意。18世紀(jì)末，米歇爾和庫(kù)侖先后制造了扭秤，使用這個(gè)工具覺(jué)察電力和磁力都隨著距離的平方增加而削減，證明電力與磁力與牛頓的萬(wàn)有引力有同樣的關(guān)系。伏特電池1780年的一天，意大利解剖學(xué)家伽伐尼(LuigiGalvani)在做青蛙解剖時(shí)，偶然覺(jué)察了所謂“生物電”。1800年，在伽伐尼覺(jué)察的啟發(fā)下，意大利科學(xué)家亞歷山德羅·朱塞佩·安東尼奧·安納塔西歐·伏特伯爵〔CountAlessandroGiuseppeAntonioAnastasioVolta〕制造了伏特電堆。伏特電堆不僅給他個(gè)人贏得了榮譽(yù)，而且開(kāi)啟了電磁科學(xué)爭(zhēng)論殿堂的大門(mén)。奧斯特漢斯·奧斯特〔HansØrsted，1777－1851〕，丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家。12歲開(kāi)頭幫助父親在藥房里干活，同時(shí)堅(jiān)持學(xué)習(xí)化學(xué)。由于刻苦攻讀，17歲以?xún)?yōu)異的成績(jī)考取了哥本哈根大學(xué)的免費(fèi)生，學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)和自然科學(xué)。他說(shuō)：“我不寵愛(ài)那種沒(méi)有試驗(yàn)的枯燥的講課，全部的科學(xué)爭(zhēng)論都是從試驗(yàn)開(kāi)頭的”。在讀大學(xué)時(shí)就深受康德哲學(xué)思想的影響，認(rèn)為各種自然力都來(lái)自同一根源，可以相互轉(zhuǎn)化。他始終堅(jiān)信電和磁之間肯定有某種關(guān)系，電肯定可以轉(zhuǎn)化為磁。電流磁效應(yīng)—奧斯特試驗(yàn)在給學(xué)生講課時(shí)，用自己設(shè)計(jì)的一個(gè)裝置覺(jué)察了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。奧斯特覺(jué)察為電動(dòng)機(jī)覺(jué)察供給了根底。電磁力是一種“奇怪的力”安培安德烈·瑪麗·安培〔Andre－MarieAmpere，1775～1836〕,出身于富人之家，他父親深受盧梭的教育思想的影響，特殊為他設(shè)立一個(gè)私人圖書(shū)館，所以他從小就博覽群書(shū)。特殊是自學(xué)了《科學(xué)史》和《百科全書(shū)》等，這些書(shū)不但讓他體會(huì)到生命崇高的一面，更激發(fā)起他對(duì)自然科學(xué)、數(shù)學(xué)和哲學(xué)的興趣。安培與電動(dòng)力學(xué)安培在電磁學(xué)重大奉獻(xiàn)有：〔1〕重做了奧斯特試驗(yàn)，覺(jué)察了“安培定則”；〔2〕覺(jué)察了電流相互作用規(guī)律，同向電流平行線(xiàn)相吸，反向電流平行線(xiàn)相斥；〔3〕制造了電流計(jì)；〔4〕提出了分子電流假說(shuō)；〔5〕總結(jié)了電流元之間的作用規(guī)律——安培定律；〔6〕第一個(gè)提出“電動(dòng)力學(xué)”，并出版《電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》。使電學(xué)成為一門(mén)獨(dú)立的科學(xué)。歐姆喬治·西蒙·歐姆(GeorgSimonOhm，1789—1854),德國(guó)物理學(xué)家，歐姆的父親是鎖匠，父親自學(xué)了數(shù)學(xué)和物理方面的學(xué)問(wèn)，并教給少年時(shí)期的歐姆，喚起了歐姆對(duì)科學(xué)的興趣。歐姆的爭(zhēng)論工作是在特別困難的條件下進(jìn)展的，圖書(shū)資料和儀器都很缺乏，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和制造儀器來(lái)進(jìn)展有關(guān)的試驗(yàn)。歐姆與歐姆定律歐姆提出了經(jīng)典電磁理論中著名的歐姆定律。他從傅立葉覺(jué)察的熱傳導(dǎo)規(guī)律受到啟發(fā)，于1826年發(fā)表了電磁感應(yīng)強(qiáng)度公式--X=a/(b+x)。1827年歐姆又在《動(dòng)電電路的數(shù)學(xué)爭(zhēng)論》一書(shū)中，把他的試驗(yàn)規(guī)律總結(jié)成如下公式：S=γE。式中S表示電流；E表示電動(dòng)力，γ為導(dǎo)線(xiàn)對(duì)電流的傳導(dǎo)率，其倒數(shù)即為電阻。法拉第與“電磁學(xué)”邁克爾·法拉第〔MichaelFaraday，1791～1867〕英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家。生于一個(gè)貧苦鐵匠家庭,僅上過(guò)小學(xué)。通過(guò)屢次、多種試驗(yàn)，法拉第覺(jué)察并總結(jié)出：“任何閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，等于穿過(guò)這一電路磁通量的變化率”這一電磁感應(yīng)定律。為了解釋電磁現(xiàn)象，法拉第提出了“場(chǎng)”這一概念。法拉第與“場(chǎng)”1831年，他作出了關(guān)于“場(chǎng)”的關(guān)鍵性突破，永久轉(zhuǎn)變了人類(lèi)文明?！皥?chǎng)”這一物理概念，突破了牛頓力學(xué)的思維模式，成為物理學(xué)上一個(gè)劃時(shí)代的飛躍。法拉第還用試驗(yàn)驗(yàn)證“場(chǎng)”的存在。使“場(chǎng)”這個(gè)概念可視化。電磁理論集成者--麥克斯韋詹姆斯·克拉克·麥克斯韋〔JamesClerkMaxwell1831～1879〕，英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一。