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1、第十六章,經(jīng)典物理學(xué)大廈的完成 主講：XXX,課前導(dǎo)入,知道高中物理課本雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的鼻祖是誰(shuí)嗎？ 托馬斯楊 知道是誰(shuí)最早試圖測(cè)量光速的嗎？ 伽利略 熱力學(xué)經(jīng)典兩大定律又是怎么來(lái)的呢？ 靜電到動(dòng)電究竟經(jīng)過(guò)了怎樣的推進(jìn)？ 生活中每天打交道的力、熱、電、磁、光這些物理現(xiàn)象早在19世紀(jì)就得出了相應(yīng)的規(guī)律和理論闡釋?zhuān)F(xiàn)在我們一起來(lái)學(xué)習(xí)本章經(jīng)典物理學(xué)大廈的完成。,波動(dòng)說(shuō)的復(fù)興 第一節(jié) 經(jīng)典光學(xué)的建立 光速測(cè)定 光譜研究 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立 第二節(jié) 熱力學(xué)的建立 熱力學(xué)第二定律的建立

2、電磁聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)和研究 第三節(jié) 經(jīng)典電磁理論的建立 法拉第的電磁學(xué)研究 電磁場(chǎng)理論的建立,,,,第一節(jié)、經(jīng)典光學(xué)的建立,17世紀(jì)：幾何光學(xué)確立，牛頓的色散實(shí)驗(yàn)以及牛頓環(huán)的發(fā)現(xiàn)是波動(dòng)光學(xué)的開(kāi)始。 18世紀(jì)：細(xì)微流質(zhì)觀點(diǎn)的模型直觀形象，但光的波動(dòng)理論此時(shí)并不完善。 19世紀(jì)下半葉：隨著麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立，最終實(shí)現(xiàn)了電、磁和光的統(tǒng)一，使人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)達(dá)到了一個(gè)新的水平。,一、波動(dòng)說(shuō)的復(fù)興 十九世紀(jì)最初幾年，托馬斯楊在光的波動(dòng)說(shuō)方面做出了一系列實(shí)驗(yàn)和理論研究。 提出光與聲都是波，研究聲波疊加現(xiàn)象 明確光波的頻率和波長(zhǎng)，在自然哲學(xué)和機(jī)械工藝講義中描述多種光的干涉 提出

3、“干涉”概念，雙縫干涉實(shí)驗(yàn)， 明確揭示了光的波動(dòng)性質(zhì) 首次實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光波長(zhǎng)的測(cè)量,,,,,,,,,托馬斯楊 英國(guó)醫(yī)生、物理學(xué)家。 他博學(xué)多才，著述涉及醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、天體力學(xué)和機(jī)械學(xué)等廣泛領(lǐng)域。 他具有杰出的語(yǔ)言才能，通曉多種外語(yǔ)，是埃及象形文字最早的翻譯者之一。 他會(huì)演奏多種樂(lè)器。 楊的研究從生理光學(xué)現(xiàn)象開(kāi)始，楊研究過(guò)眼睛的構(gòu)造及其光學(xué)性質(zhì)，他第一個(gè)發(fā)現(xiàn)眼球在注視距離不同的物體時(shí)改變形狀，他最早研究了人眼色覺(jué)問(wèn)題。,, 馬呂思（工程師、物理學(xué)家），發(fā)現(xiàn)反射光的偏振現(xiàn)象和平面偏振光通過(guò)晶體后的光強(qiáng)變化。 阿拉果（物理學(xué)家），發(fā)現(xiàn)色偏振現(xiàn)象。 菲涅耳（物理學(xué)家），完善惠更斯子波概念

4、，提出惠更斯菲涅爾原理。設(shè)計(jì)了雙光干涉實(shí)驗(yàn)，使用半波帶法計(jì)算計(jì)算出圓孔、直邊等形狀的衍射。成功證明光是沿直線傳播。解釋了雙折射現(xiàn)象。 菲涅耳與阿拉果合作進(jìn)行了驗(yàn)證光是橫波觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。,,,二、光速測(cè)定 伽利略最早試圖測(cè)量光速，但沒(méi)解決這個(gè)問(wèn)題。 法國(guó)物理學(xué)家菲索首先在地面測(cè)得光速值，315300Km/s 邁克爾遜測(cè)得光速300140Km/s，非常精確，作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)沿用40年之久。,,,“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要” 愛(ài)因斯坦對(duì)伽利略的評(píng)價(jià),,伽利略名言,“追求科學(xué)，需要有特殊的勇氣，思考是人類(lèi)最大的快樂(lè)?！?“生命猶如鐵砧，愈被敲打，愈能發(fā)出火花?！?“你無(wú)法教別人任何東西，你只能幫

5、助別人發(fā)現(xiàn)一些東西。” “科學(xué)不是一個(gè)人的事業(yè)” “真理不在蒙滿灰塵的權(quán)威著作中，而是在宇宙、自然界這部偉大的無(wú)字書(shū)中?！?“世界是一本以數(shù)學(xué)語(yǔ)言寫(xiě)成的書(shū)?！?“一切推理都必須從觀察與實(shí)驗(yàn)中得來(lái)?！?“與其夸大胡說(shuō)，不如宣布那個(gè)聰明的、智巧的、謙遜的警句?！?返回,三、光譜研究 光譜學(xué)的歷史： 牛頓色散實(shí)驗(yàn) 梅耳維爾發(fā)現(xiàn)了納譜線在內(nèi)的一些譜線 赫歇爾用譜線檢驗(yàn)金屬的存在 赫歇爾和李特發(fā)現(xiàn)紅外線和紫外線 沃拉斯頓觀察到太陽(yáng)光譜的不連續(xù)性 夫瑯和費(fèi)發(fā)明了衍射光柵 基爾霍夫和本生發(fā)明了棱鏡光譜儀，建立了光譜分析方法 埃格斯特朗發(fā)表了標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜圖表 巴耳末找到了一個(gè)簡(jiǎn)單的氫光譜經(jīng)驗(yàn)公式 里德堡用

6、波數(shù)表示巴耳末公式 里茲提出組合原理，把每條譜線表示成兩個(gè)譜線的波數(shù)差。,,第二節(jié)、熱力學(xué)的建立,18世紀(jì)初：開(kāi)始建立了系統(tǒng)的計(jì)溫學(xué)和量熱學(xué)，人們對(duì)熱現(xiàn)象的研究進(jìn)一步從經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)轉(zhuǎn)化。 18世紀(jì)和19世紀(jì)中期：由于蒸汽機(jī)的發(fā)明、改進(jìn)及其在工業(yè)上的廣泛使用，熱學(xué)顯示出非常重要的實(shí)際意義。 19世紀(jì)：發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律揭示了物質(zhì)世界的普遍聯(lián)系，熱力學(xué)第二定律進(jìn)一步顯示了自然界過(guò)程的方向性。,一、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的確立 自然科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)廣泛揭示出自然現(xiàn)象間普遍聯(lián)系和轉(zhuǎn)化。 例如，伏打制成的“伏打電堆”：化學(xué)運(yùn)動(dòng)向電的轉(zhuǎn)化； 伏打電流的電

7、解：電運(yùn)動(dòng)向化學(xué)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化； 塞貝克：實(shí)現(xiàn)了熱和電的轉(zhuǎn)化； 焦耳和楞次：發(fā)現(xiàn)了電流轉(zhuǎn)化為熱的著名定律； 奧斯特：電流磁效應(yīng)； 法拉第：電磁感應(yīng)現(xiàn)象； ,,三位聲譽(yù)卓著的佼佼者： 邁爾、焦耳、亥姆霍茲 他們分別從哲學(xué)性的理性思維、與機(jī)械效率的探討相聯(lián)系的物理實(shí)驗(yàn)以及在力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行的理論論證的途徑開(kāi)始思考，為能量守恒定律的建立作出了奠基性的貢獻(xiàn),,邁爾（首先公開(kāi)表述了能量轉(zhuǎn)化 和守恒的普遍原理） 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并思考：患病船員的靜脈血比在歐洲時(shí)紅一 些，這是怎么回事？ 邁爾（他對(duì)萬(wàn)事總要問(wèn)個(gè)為什么，而且必親自觀察，研究，實(shí)驗(yàn)。）在拉瓦錫的燃燒

8、理論啟示下，邁爾發(fā)表論文“論無(wú)機(jī)界的力”，他得出“力就是不滅的、能轉(zhuǎn)化的、無(wú)重量的客體”的結(jié)論。 邁爾以“下落力”（重力勢(shì)能）、“運(yùn)動(dòng)力”（動(dòng)能）和熱的轉(zhuǎn)化具體論證了力的轉(zhuǎn)化和守恒。,,焦耳（關(guān)于熱功當(dāng)量的測(cè)量， 為能量守恒原理的確立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)） 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并思考：酒廠中使用的用電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī) 和電路中的發(fā)熱現(xiàn)象，是為什么？ 首先對(duì)電流熱效應(yīng)進(jìn)行了定量研究，提出焦耳定律，此后，從實(shí)驗(yàn)上研究熱和機(jī)械功互相轉(zhuǎn)化的當(dāng)量關(guān)系。 1847年，焦耳報(bào)告了他用砝碼下落帶動(dòng)銅質(zhì)的翼輪分別攪動(dòng)水、鯨腦油和汞的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得熱的機(jī)械當(dāng)量數(shù)值。,,,亥姆霍茲（給出了能量守恒定律

9、的數(shù)字表示， 從多個(gè)方面論證了這個(gè)定律在自然界的普遍適用性， 為能量守恒定律奠定了重要的理論基礎(chǔ)） 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并思考：如果永動(dòng)機(jī)是不可能的話，那么在 自然界的不同的力之間應(yīng)該存在著 什么樣的關(guān)系呢？ 亥姆霍茲論力的守恒提出了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的哲學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)公式和實(shí)驗(yàn)根據(jù)，并把它演繹到物理學(xué)的各個(gè)分支。系統(tǒng)的證明了力的守恒定律“與自然科學(xué)中任何一個(gè)已知現(xiàn)象都不矛盾”。,以上三個(gè)大人物的研究方法啟發(fā)我們： 遇到現(xiàn)象多多提問(wèn) 遇到問(wèn)題多多思考 為人師表，最好說(shuō)得少、做得多，行動(dòng)勝于一切言語(yǔ)！,,1850年，克勞修斯提出了熱力學(xué)第一定律： dQ=dU+dW, d

10、Q表示工作物質(zhì)吸收的熱量, dW是熱力學(xué)系統(tǒng)對(duì)外所做的功, dU是內(nèi)能的變化, 它實(shí)際上是其他能量與內(nèi)能發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的能量守恒定律。,,二、熱力學(xué)第二定律的建立 熱力學(xué)第二定律的建立與提高蒸汽機(jī)效率的研究有密切關(guān)系。 熱力學(xué)第二定律的三個(gè)偉大人物： 卡諾 W.湯姆孫 克勞修斯,,卡諾把蒸汽機(jī)和水車(chē)相比，他認(rèn)為蒸汽機(jī)的工作過(guò)程總是要伴隨著熱質(zhì)的流動(dòng)和重新分布，蒸汽機(jī)是靠熱質(zhì)從高溫加熱器流向低溫冷凝器而做功的。 卡諾熱機(jī)：全無(wú)摩擦，熱無(wú)散失，至少有一個(gè)高溫?zé)嵩春鸵粋€(gè)低溫?zé)嵩础? 卡諾的結(jié)論熱機(jī)必須工作于至少兩個(gè)熱源之間，熱機(jī)的效率僅僅取決于熱源的溫度差，而與采用什么工作物質(zhì)無(wú)關(guān)；在

11、相同溫度的高溫?zé)嵩春拖嗤瑴囟鹊牡蜏責(zé)嵩粗g工作的一切實(shí)際熱機(jī)，其效率都不會(huì)大于卡諾熱機(jī)的效率。 卡諾工作的意義實(shí)踐上，卡諾的工作為提高熱機(jī)效率指明了方向；理論上，熱力學(xué)第二定律的思想都包括在其中。,,W.湯姆孫認(rèn)為，卡諾關(guān)于熱只在機(jī)器中重新分配而并不消耗的觀點(diǎn)是不正確的。 克勞修斯指出，為解決這個(gè)問(wèn)題，需依據(jù)熱的一個(gè)一般特性：熱從冷的物體傳向熱的物體不可能無(wú)補(bǔ)償?shù)陌l(fā)生。 W.湯姆孫指出：從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響是不可能的。 （以上紅體字即為熱力學(xué)第二定律的兩種經(jīng)典表述）,,第三節(jié)、經(jīng)典電磁理論的建立,17-18世紀(jì)，好奇驅(qū)使人們對(duì)摩擦起電、靜電放電、大氣電等靜電

12、學(xué)現(xiàn)象的關(guān)注。 18世紀(jì)末，建立了靜電相互作用的庫(kù)侖定律。 19世紀(jì)，直流電源的發(fā)明把電學(xué)引向了對(duì)電流的研究，導(dǎo)致電磁相互聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)。 19世紀(jì)末，電磁學(xué)理論體系完成。,一、電磁聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)和研究 伽伐尼，把電學(xué)的研究工作從靜電領(lǐng)域推動(dòng)到了動(dòng)電領(lǐng)域。 奧斯特，電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)的研究進(jìn)入到一個(gè)迅速發(fā)展的時(shí)期。 歐姆，建立了全電路和部分電路的歐姆定律。 安培（“電學(xué)中的牛頓”），提出磁性的本質(zhì)是電的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而他轉(zhuǎn)而研究電流之間的相互作用，“電動(dòng)力學(xué)”安培定律。,,二、法拉第的電磁學(xué)研究 大家都在思考：能不能用磁體使導(dǎo)線中產(chǎn)生出電流 來(lái)？ 法拉第做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了“伏打電感應(yīng)”現(xiàn)象，隨后他探索電流產(chǎn)生的條件，把這種現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)”。后來(lái)提出“場(chǎng)”的概念。 可以產(chǎn)生感應(yīng)電流：變化著的電流，變化著的磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)恒電流，運(yùn)動(dòng)的磁鐵，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。 亨利發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象。,,三、電磁場(chǎng)理論的建立 麥克斯韋“電磁以太模型” 論文“電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論”,,,本次課程以結(jié)束， 歡迎同學(xué)們的指正， 讓我們共同學(xué)習(xí)，共同努 力！謝謝！,