近代物理學(xué)的奠基人和革命者

近代物理學(xué)的奠基人和革命者科學(xué)革命技術(shù)革命物理學(xué)領(lǐng)域生物學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典力學(xué)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(duì)論的建立（愛因斯坦）進(jìn)化論理論（達(dá)爾文與赫胥黎）萬能原動(dòng)機(jī)與“蒸汽機(jī)時(shí)代”（瓦特）電力的廣泛應(yīng)用與“電氣時(shí)代”（法拉第、西門子等）現(xiàn)代信息技術(shù)與信息時(shí)代現(xiàn)代物理學(xué)理論的發(fā)展本專題總體知識(shí)結(jié)構(gòu)第2頁,共35頁，2024年2月25日，星期天近代物理學(xué)的奠基人和革命者第3頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■認(rèn)識(shí)史上的飛躍■1、經(jīng)典力學(xué)體系創(chuàng)立的背景

在中世紀(jì)的歐洲，亞里士多德的學(xué)說長期被教會(huì)奉為教條。近代科學(xué)誕生后，亞里士多德的力學(xué)不斷受到質(zhì)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(xué)家和天文學(xué)家，他開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為根據(jù)并具有嚴(yán)密邏輯體系和數(shù)學(xué)表述形式的近代科學(xué)，被譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。他第一個(gè)把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空進(jìn)行觀測(cè)，出版了《星空使者》一書。1632年，他出版了《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》，把哥白尼學(xué)說推到最終勝利的階段。2、伽利略的貢獻(xiàn)第5頁,共35頁，2024年2月25日，星期天（1）勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)（2）自由落體定律（3）用自己制造的望遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)，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(xué)說，糾正了這個(gè)持續(xù)了1900年之久的錯(cuò)誤結(jié)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(gè)在海邊玩耍的孩子，為不時(shí)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(duì)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)。”

——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(xiàn)第8頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

1666年秋天的一個(gè)傍晚，牛頓坐在花園的蘋果樹下，正在考慮一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(xué)簡(jiǎn)史》第9頁,共35頁，2024年2月25日，星期天（1）牛頓的運(yùn)動(dòng)三大定律構(gòu)成了近代力學(xué)體系的基礎(chǔ)，成為整個(gè)近代物理學(xué)的重要支柱。（2）牛頓的萬有引力定律（3）科學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》總結(jié)了他的力學(xué)體系及數(shù)學(xué)、天文學(xué)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(yùn)動(dòng)三大定律萬有引力定律經(jīng)典力學(xué)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(yuǎn)些，是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀?/p>

——牛頓第11頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■認(rèn)識(shí)史上的飛躍■

英國著名的哲學(xué)家休謨?cè)f：“我們被放在這有如戲院的世界上，每個(gè)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(yù)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(jiǎn)單之極的問題，在當(dāng)時(shí)卻是根本無法認(rèn)識(shí)和把握的。直到牛頓出現(xiàn)，人類才終于結(jié)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。”第13頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1、在光學(xué)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(gòu)成的，奠定了光譜分析的基礎(chǔ)，制作了牛頓色盤。他在1704年出版了《光學(xué)》一書，創(chuàng)立了光的“微粒說”。2、在熱學(xué)方面也有研究成果，確定了冷卻定律。3、在數(shù)學(xué)方面，他與萊布尼茲幾乎同時(shí)創(chuàng)立了微積分學(xué)，同時(shí)，他還在前人研究基礎(chǔ)上，建立了二項(xiàng)式定理。4、在天文學(xué)領(lǐng)域，1671年創(chuàng)制了反射望遠(yuǎn)鏡，初步考察了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；他還解釋了潮汐現(xiàn)象，并預(yù)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(xué)體系對(duì)自然界的力學(xué)現(xiàn)象做了系統(tǒng)合理的說明，從而完成了人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)史上的第一次理論大綜合。（2）使力學(xué)和天文學(xué)在理論上達(dá)到相當(dāng)完備的程度，并且在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到廣泛的應(yīng)用和驗(yàn)證，成為近代科學(xué)形成的標(biāo)志。（3）從此，科學(xué)擺脫了神學(xué)的束縛向前發(fā)展，19世紀(jì)進(jìn)入全面繁榮時(shí)期，各門自然科學(xué)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(yùn)動(dòng)和宇宙中的所有物體。（2）根據(jù)萬有引力定律，人們準(zhǔn)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(yù)測(cè)了海王星的存在。第16頁,共35頁，2024年2月25日，星期天對(duì)地球認(rèn)識(shí)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(jìn)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(jì)念碑。這便是英國人民對(duì)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(qū)走烏云的太陽■質(zhì)疑與思考：經(jīng)典力學(xué)體系是最完美的物理學(xué)理論嗎？

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

經(jīng)典物理學(xué)是以日常生活中常見的低速運(yùn)動(dòng)的物體為研究對(duì)象的，一旦進(jìn)入光速運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)典物理學(xué)的某些結(jié)論就變得不準(zhǔn)確。第21頁,共35頁，2024年2月25日，星期天

19世紀(jì)末，物理學(xué)界連續(xù)發(fā)生了三個(gè)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(shí)驗(yàn)事實(shí)使得原子不可分、不變化的傳統(tǒng)觀念發(fā)生了動(dòng)搖。物理學(xué)家們?cè)J(rèn)為的似乎已經(jīng)基本上完成了的經(jīng)典物理學(xué)體系，從根本上出現(xiàn)了動(dòng)搖，這就是所謂的“物理學(xué)危機(jī)”。過去的物理學(xué)都以牛頓的理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的，兩者是沒有任何直接聯(lián)系的。似乎宇宙間存在著一個(gè)永遠(yuǎn)走動(dòng)著的大鐘，在任何情況下，它的速率永遠(yuǎn)都是相同的，世界上的一切運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上都以它為度量標(biāo)準(zhǔn)。第22頁,共35頁，2024年2月25日，星期天1、背景（1）19世紀(jì)的物理學(xué)領(lǐng)域，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，形成了完整的理論體系；（2）19世紀(jì)末，物理學(xué)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(guān)系；（2）德國普朗克：1900年在《關(guān)于正常光譜能量分布定律的理論》中提出量子概念。標(biāo)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(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個(gè)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(guān)，因而被稱之為熱輻射。為了研究，物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(xué)獲得博士學(xué)位后，先后在慕尼黑大學(xué)和基爾大學(xué)任教。由于量子論創(chuàng)立，普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。普朗克是德國人所具有的最好品質(zhì)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(shù)才干；另一項(xiàng)業(yè)余愛好是他一直堅(jiān)持到晚年的登山運(yùn)動(dòng)。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(yīng)，得出了光具有波粒二象性的結(jié)論；（2）法國德布羅意：1923年提出物質(zhì)波理論；（3）奧、德物理學(xué)家：建立量子力學(xué)。4、意義（1）量子力學(xué)成為反映自然界基本規(guī)律的理論體系，指導(dǎo)人們向無知運(yùn)動(dòng)的各個(gè)層面進(jìn)行深入探討；（2）理論從根本上改變了近代物理學(xué)中的傳統(tǒng)觀念，使物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)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(shí)深?yuàn)W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(jì)最后一期的《時(shí)代》周刊中，評(píng)出了一位“世紀(jì)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(dú)占鰲頭”。第28頁,共35頁，2024年2月25日，星期天■愛因斯坦的“時(shí)空”■狹義相對(duì)論發(fā)表100周年，也許全世界只有幾十個(gè)人能完全理解他的真諦，但這并不能掩蓋相對(duì)論對(duì)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(duì)論2、廣義相對(duì)論創(chuàng)立內(nèi)容意義1905年《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》1916年（1）時(shí)間和空間都與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)；（2）時(shí)間和空間隨著物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的速度的變化而變化（1）物質(zhì)存在的現(xiàn)實(shí)空間是彎曲的（2）空間結(jié)構(gòu)取決于物質(zhì)的質(zhì)量和分布情況（3）空間彎曲的程度體現(xiàn)為引力場(chǎng)強(qiáng)度打破絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間，但不是對(duì)牛頓力學(xué)的全盤否定，而是繼承和發(fā)展第一次闡述了思維時(shí)空和物質(zhì)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(gè)故事形象地說明了時(shí)間和空間的相對(duì)性愛因斯坦關(guān)于相對(duì)論的比喻：

為了對(duì)這一深?yuàn)W的理論做通俗的說明，愛因斯坦曾經(jīng)風(fēng)趣地對(duì)一名男青年說：“我打個(gè)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(shí)間你覺得哪一個(gè)更長？”男青年說：“當(dāng)然坐在火爐上烤的時(shí)間覺得長久。”愛因斯坦說：“這就是我的相對(duì)論內(nèi)容?！钡?1頁,共35頁，2024年2月25日，星期天愛因斯坦的“時(shí)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(duì)論的建立是對(duì)近代物理學(xué)理論框架的重大突破，深刻揭示了空間和時(shí)間的本質(zhì)屬性。（2）這種全新的時(shí)空觀，運(yùn)動(dòng)觀和物質(zhì)觀的形成，是人類思想發(fā)展史中的一次根本性變革，對(duì)整個(gè)自然科學(xué)和哲學(xué)都產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。量子論和相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)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(dòng)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?zāi)?，不立紀(jì)念碑?；鸹瘯r(shí)按照他的書面遺囑