物理學史

本書內容包括：力學、熱學、電磁學和經典光學的發展； 19/20世紀之交實驗新發現和現代物理學革命；相對論的建立和發展；早期量子論和量子力學的準備；量子力學的建立與發展；原子核物理學和粒子物理學的發展；凝聚態物理學簡史；現代光學的興起；天體物理學的發展；諾貝爾物理學獎；實驗和實驗室在物理學發展中的地位和作用；單位、單位制與基本常數簡史等。書中配有500多張歷史圖片，書末還附有物理學大事年表。

本書保持了第一版的特點，並作了大量的增補和訂正。

本書適於廣大高校師生教學選用，也可供中學物理教師和有關科技人員參考。

物理學史研究人類對自然界各種物理現象的認識史，研究物理學發生和發展的基本規律，研究物理學概念和思想發展和變革的過程，研究物理學是怎樣成為一門獨立學科，怎樣不斷開拓新領域，怎樣產生新的飛躍，它的各個分支怎樣互相滲透，怎樣綜合又怎樣分化。物理學是一門基礎科學，它向著物質世界的深度和廣度進軍，探索物質世界及其運動的規律。它像一座知識的寶塔，基礎雄厚，力學、熱學、電學、光學以至於相對論、量子力學、核物理和粒子物理學、凝聚態物理學和天體物理學，形成了一座宏偉的大廈。它又像一棵大樹，根深葉茂，從基根長出樹榦，從樹榦長出茂密的枝杈，又結出累累果實。它還像滾滾大江，洶湧澎湃，一浪高過一浪。然而，通過這些比喻，仍不足以說明物理學是怎樣的一門不斷發展的科學，只有了解了物理學發展的歷史，才能更深刻地認識物理學的宏偉壯觀。

通過 物理學史的學習，不但能增長見識，加深對物理學的理解，更重要的是可以從中得到教益，開闊眼界，從前人的經驗中得到啟示。

簡介

物理學是研究物質及其行為和運動的科學。它是最早形成的自然科學之一，如果把天文學包括在內則有可能是名副其實歷史最悠久的自然科學。戰國時期的《墨經》是世界上最早的有關物理學基本理論的著作。形成物理學的元素主要來自對天文學、光學和力學的研究，而這些研究通過幾何學的方法統合在一起形成了物理學。這些方法形成於古巴比和古希臘時期，當時的代表人物如數學家阿基米德和天文學家托勒密；隨後這些學說被傳入阿拉伯世界，並被當時的阿拉伯科學家海什木等人發展為更具有物理性和實驗性的傳統學說；最終這些學說傳入了西歐，首先研究這些內容的學者代表人物是羅吉爾·培根。然而在當時的西方世界，哲學家們普遍認為這些學說在本質上是技術性的，從而一般沒有察覺到它們所描述的內容反映著自然界中重要的哲學意義。而在古代中國和印度的科學史上，類似的研究數學的方法也在發展中。

在這一時代，包含著所謂“自然哲學”（即物理學）的哲學所集中研究的問題是，在基於亞里士多德學說的前提下試圖對自然界中的現象發展出解釋的手段（而不僅僅是描述性的）。根據亞里士多德以及其後蘇格拉底的哲學，物體運動是因為運動是物體的基本自然屬性之一。天體的運動軌跡是正圓的，這是因為完美的圓軌道運動被認為是神聖的天球領域中的物體運動的內在屬性。衝力理論作為慣性與動量概念的原始祖先，同樣來自於這些哲學傳統，並在中世紀時由當時的哲學家菲洛彭洛斯、伊本·西那、布里丹等人發展。而古代中國和印度的物理傳統也是具有高度的哲學性的。

力學的歷史背景

力學是最原始的物理學分支之一，而最原始的力學則是靜力學。靜力學源於人類文明初期生產勞動中所使用的簡單機械，如槓桿、滑輪、斜面等。古希臘人從大量的經驗中了解到一些與靜力學相關的基本概念和原理，如槓桿原理和阿基米德定律。但直至十六世紀后，資本主義的工業進步才真正開始為西方世界的自然科學研究創造物質條件，尤其於地理大發現時代航海業興起，人類鑽研觀測天文學所花費的心力前所未有，其中以丹麥天文學家第谷·布拉赫和德國天文學家、數學家約翰內斯·開普勒為代表。對宇宙中天體的觀測也成為了人類進一步研究力學運動的絕佳領域。1609和1619年，開普勒先後發現開普勒行星運動三大定律，總結了老師第谷畢生的觀測數據。

伽利略的動力學

在十七世紀的歐洲，自然哲學家逐漸展開了一場針對中世紀經院哲學的進攻，他們持有的觀點是，從力學和天文學研究抽象出的數學模型將適用於描述整個宇宙中的運動。被譽為“現代自然科學之父”的義大利（或按當時地理為托斯卡納大公國）物理學家、數學家、天文學家伽利略·伽利萊就是這場轉變中的領軍人物。伽利略所處的時代正值思想活躍的文藝復興之後，在此之前列奧納多·達芬奇所進行的物理實驗、尼古拉斯·哥白尼的日心說以及弗朗西斯·培根提出的注重實驗經驗的科學方法論都是促使伽利略深入研究自然科學的重要因素，哥白尼的日心說更是直接推動了伽利略試圖用數學對宇宙中天體的運動進行描述。伽利略意識到這種數學性描述的哲學價值，他注意到哥白尼對太陽、地球、月球和其他行星的運動所作的研究工作，並認為這些在當時看來相當激進的分析將有可能被用來證明經院哲學家們對自然界的描述與實際情形不符。伽利略進行了一系列力學實驗闡述了他關於運動的一系列觀點，包括藉助斜面實驗和自由落體實驗批駁了亞里士多德認為落體速度和重量成正比的觀點，還總結出了自由落體的距離與時間平方成正比的關係，以及著名的斜面理想實驗來思考運動的問題。他在1632年出版的著作《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》中提到：“只要斜面延伸下去，球將無限地繼續運動，而且不斷加速，因為此乃運動著的重物的本質。”，這種思想被認為是慣性定律的前身。但真正的慣性概念則是由笛卡爾於1644年所完成，他明確地指出了“除非物體受到外因作用，否則將永遠保持靜止或運動狀態”，而“所有的運動本質都是直線的”。

伽利略在天文學上最著名的貢獻是於1609年改良了折射式望遠鏡，並藉此發現了木星的四顆衛星、太陽黑子以及金星類似於月球的相。伽利略對自然科學的傑出貢獻體現在他對力學實驗的興趣以及他用數學語言描述物體運動的方法，這為後世建立了一個基於實驗研究的自然哲學傳統。這個傳統與培根的實驗歸納的方法論一起，深刻影響了一批後世的自然科學家，包括義大利的埃萬傑利斯塔·托里拆利、法國的馬林·梅森和布萊茲·帕斯卡、荷蘭的克里斯蒂安·惠更斯、英格蘭的羅伯特·胡克和羅伯特·波義耳。

三大定律

三大定律和萬有引力定律

1687年，英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家艾薩克·牛頓出版了《自然哲學的數學原理》一書，這部里程碑式的著作標誌著經典力學體系的正式建立。牛頓在人類歷史上首次用一組普適性的基礎數學原理——牛頓三大運動定律和萬有引力定律——來描述宇宙間所有物體的運動。牛頓放棄了物體的運動軌跡是自然本性的觀點（例如開普勒認為行星運動軌道本性就是橢圓的），相反，他指出，任何現在可觀測到的運動、以及任何未來將發生的運動，都能夠通過它們已知的運動狀態、物體質量和外加作用力並使用相應原理進行數學推導計算得出。

伽利略、笛卡爾的動力學研究（“地上的”力學），以及開普勒和法國天文學家布里阿德在天文學領域的研究（“天上的”力學）都影響著牛頓對自然科學的研究。（布里阿德曾特別指出從太陽發出到行星的作用力應當與距離成平方反比關係，雖然他本人並不認為這種力真的存在）。1673年惠更斯獨立提出了圓周運動的離心力公式（牛頓在1665年曾用數學手段得到類似公式），這使得在當時科學家能夠普遍從開普勒第三定律推導出平方反比律。羅伯特·胡克、愛德蒙·哈雷等人由此考慮了在平方反比力場中物體運動軌道的形狀，1684年哈雷向牛頓請教了這個問題，牛頓隨後在一篇9頁的論文（後世普遍稱作《論運動》）中做了解答。在這篇論文中牛頓討論了在有心平方反比力場中物體的運動，並推導出了開普勒行星運動三定律。其後牛頓發表了他的第二篇論文《論物體的運動》，在這篇論文中他闡述了慣性定律，並詳細討論了引力與質量成正比、與距離平方成反比的性質以及引力在全宇宙中的普遍性。這些理論最終都匯總到牛頓在1687年出版的《原理》一書中，牛頓在書中列出了公理形式的三大運動定律和導出的六個推論（推論1、2描述了力的合成和分解、運動疊加原理；推論3、4描述了動量守恆定律；推論5、6描述了伽利略相對性原理）。由此，牛頓統一了“天上的”和“地上的”力學，建立了基於三大運動定律的力學體系。

牛頓的原理（不包括他的數學處理方法）引起了歐洲大陸哲學家們的爭議，他們認為牛頓的理論對物體運動和引力缺乏一個形而上學的解釋從而是不可接受的。從1700年左右開始，大陸哲學和英國傳統哲學之間產生的矛盾開始升級，裂痕開始增大，這主要是根源於牛頓與萊布尼茲各自的追隨者就誰最先發展了微積分所展開的唇槍舌戰。起初萊布尼茲的學說在歐洲大陸更佔上風（在當時的歐洲，除了英國以外，其他地方都主要使用萊布尼茲的微積分符號），而牛頓個人則一直為引力缺乏一個哲學意義的解釋而困擾，但他在筆記中堅持認為不再需要附加任何東西就可以推論出引力的實在性。十八世紀之後，大陸的自然哲學家逐漸接受了牛頓的這種觀點，對於用數學描述的運動，開始放棄作出本體論的形而上學解釋。

牛頓的絕對時空觀

牛頓的理論體系是建立在他的絕對時間和絕對空間的假設之上的，牛頓對時間和空間有著如下的理解：

牛頓從絕對時空的假設進一步定義了“絕對運動”和“絕對靜止”的概念，為了證明絕對運動的存在性，牛頓還在1689年構思了一個理想實驗，即著名的水桶實驗。在水桶實驗中，一個注水的水桶起初保持靜止。當它開始發生轉動時，水桶中的水最初仍保持靜止，但隨後也會隨著水桶一起轉動，於是可以看到水漸漸地脫離其中心而沿桶壁上升形成凹狀，直到最後和水桶的轉速一致，水面相對靜止。牛頓認為水面的升高顯示了水脫離轉軸的傾向，這種傾向不依賴於水相對周圍物體的任何移動。牛頓的絕對時空觀作為他理論體系的基礎假設，卻在其後的兩百年間倍受質疑。特別是到了十九世紀末，奧地利物理學家恩斯特·馬赫在他的《力學史評》中對牛頓的絕對時空觀做出了尖銳的批判。

新課標高考：高中物理學史匯總，本專題肯定會在2013年高考理綜物理試題中出現，一般小題形式出現。大家一定要注意了解這方面的內容。這個比較簡單，背熟就可以了！

I.必考部分：（必修1、必修2、選修3-1、3-2）

一、力學：

1．1638年，義大利物理學家伽利略在《兩種新科學的對話》中用科學推理論證重物體和輕物體下落一樣快。並在比薩斜塔做了兩個不同質量的小球下落的實驗，證明了他的觀點是正確的，推翻了古希臘學者亞里士多德的觀點（即：質量大的小球下落快是錯誤的）。

2．1654年，德國的馬德堡市做了一個轟動一時的實驗——馬德堡半球實驗。

3．1687年，英國科學家牛頓在《自然哲學的數學原理》著作中提出了三條運動定律（即

牛頓三大運動定律）。

4．17世紀，伽利略通過構思的理想實驗指出：在水平面上運動的物體若沒有摩擦，將保持這個速度一直運動下去。得出結論：力是改變物體運動的原因，推翻了亞里士多德的觀點：力是維持物體運動的原因。同時代的法國物理學家笛卡兒進一步指出：如果沒有其它原因，運動物體將繼續以同速度沿著一條直線運動，既不會停下來，也不會偏離原來的方向。

5．英國物理學家胡克對物理學的貢獻：胡克定律。經典題目：胡克認為只有在一定的條件下，彈簧的彈力才與彈簧的形變數成正比（對）

6．1638年，伽利略在《兩種新科學的對話》一書中，運用觀察 ——假設——數學推理的方法，詳細研究了拋體運動。

7．人們根據日常的觀察和經驗，提出“地心說”，古希臘科學家托勒密是代表。而波蘭天文學家哥白尼提出了“日心說”，大膽反駁地心說。

8．17世紀，德國天文學家開普勒提出開普勒三大定律。

9．牛頓於 1687年正式發表萬有引力定律。1798年英國物理學家卡文迪許利用扭秤實驗裝置比較準確地測出了引力常量。

10．1846年，英國劍橋大學學生亞當斯和法國天文學家勒維烈（勒維耶）應用萬有引力定律，計算並觀測到海王星。1930年，美國天文學家湯苞用同樣的計算方法發現冥王星。

11．我國宋朝發明的火箭是現代火箭的鼻祖，與現代火箭原理相同。但現代火箭結構複雜，其所能達到的最大速度主要取決於噴氣速度和質量比（火箭開始飛行的質量與燃料燃盡時的質量比）。俄國科學家齊奧爾科夫斯基被稱為近代火箭之父，他首先提出了多級火箭和慣性導航的概念。多級火箭一般都是三級火箭，我國已成為掌握載人航天技術的第三個國家。

12．1957年10月，蘇聯發射第一顆人造地球衛星。1961年4月，世界第一艘載人宇宙飛船“東方1號”帶著尤里加加林第一次踏入太空。

13．20世紀初建立的量子力學和愛因斯坦提出的狹義相對論表明經典力學不適用於微觀粒子和高速運動物體。

二、電磁學：

13．1785年法國物理學家庫侖利用扭秤實驗發現了電荷之間的相互作用規律 －－庫侖定律，並測出了靜電力常量k的值。

14．1752年，富蘭克林在費城通過風箏實驗驗證閃電是放電的一種形式，把天電與地電統一起來，併發明避雷針。

15．1837年，英國物理學家法拉第最早引入了電場概念，並提出用電場線表示電場。

16．1913年，美國物理學家密立根通過油滴實驗精確測定了元電荷e電荷量，獲得諾貝爾獎。

17．1826年德國物理學家歐姆（1787～1854）通過實驗得出歐姆定律。

18．1911年，荷蘭科學家昂尼斯（或昂納斯）發現大多數金屬在溫度降到某一值時，都會出現電阻突然降為零的現象－－超導現象。

19．19世紀，焦耳和楞次先後各自獨立發現電流通過導體時產生熱效應的規律，即焦耳－－楞次定律。

20．1820年，丹麥物理學家奧斯特發現電流可以使周圍的小磁針發生偏轉，稱為電流磁效應。

21．法國物理學家安培發現兩根通有同向電流的平行導線相吸，反向電流的平行導線則相斥，同時提出了安培分子電流假說。並總結出安培定則（右手螺旋定則）判斷電流與磁場的相互關係和左手定則判斷通電導線在磁場中受到磁場力的方向。

22．荷蘭物理學家洛侖茲提出運動電荷產生了磁場和磁場對運動電荷有作用力（洛倫茲

力）的觀點。

23．英國物理學家湯姆孫發現電子，並指出：陰極射線是高速運動的電子流。

24．湯姆孫的學生阿斯頓設計的質譜儀可用來測量帶電粒子的質量和分析同位素。

25．1932年，美國物理學家勞倫茲發明了回旋加速器能在實驗室中產生大量的高能粒

子。最大動能僅取決於磁場和D形盒直徑。帶電粒子圓周運動周期與高頻電源的周期相同。

但當粒子動能很大，速率接近光速時，根據狹義相對論，粒子質量隨速率顯著增大，粒子在磁場中的迴旋周期發生變化，進一步提高粒子的速率很困難。

26．1831年，英國物理學家法拉第發現了由磁場產生電流的條件和規律 ——電磁感應定律。

27．1834年，俄國物理學家楞次發表確定感應電流方向的定律－－楞次定律。

28．1835年，美國科學家亨利發現自感現象（因電流變化而在電路本身引起感應電動勢的現象），日光燈的工作原理即為其應用之一，雙繞線法制精密電阻為消除其影響應用之一。

Ⅱ．選考部分：（選修3-3、3-4、3-5）

三、熱學（3-3選考）：

29．1827年，英國植物學家布朗發現懸浮在水中的花粉微粒不停地做無規則運動的現象－－布朗運動。

30．19世紀中葉，由德國醫生邁爾。英國物理學家焦爾。德國學者亥姆霍茲最後確定能量守恆定律。

31．1850年，克勞修斯提出熱力學第二定律的定性表述：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，稱為克勞修斯表述。次年開爾文提出另一種表述：不可能從單一熱源取熱，使之完全變為有用的功而不產生其他影響，稱為開爾文表述。

32．1848年，開爾文提出熱力學溫標，指出絕對零度（ -273.15℃）是溫度的下限。熱力學溫標與攝氏溫度轉換關係為T=t+273.15 K。

熱力學第三定律：熱力學零度不可達到。

四、波動學、光學、相對論（3-4選考）：

33．17世紀，荷蘭物理學家惠更斯確定了單擺周期公式。周期是2s的單擺叫秒擺。

34．1690年，荷蘭物理學家惠更斯提出了機械波的波動現象規律--惠更斯原理。

35．奧地利物理學家多普勒（1803～1853）首先發現由於波源和觀察者之間有相對運動，使觀察者感到頻率發生變化的現象－－多普勒效應(相互接近，f增大。相互遠離，f減少)。

36．1864年，英國物理學家麥克斯韋發表《電磁場的動力學理論》的論文，提出了電磁場理論，預言了電磁波的存在，指出光是一種電磁波，為光的電磁理論奠定了基礎。電磁波是一種橫波。

37．1887年，德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在，並測定了電磁波的傳播速度等於光速。

38．1894年，義大利馬可尼和俄國波波夫分別發明了無線電報，揭開無線電通信的新篇章。

39．1800年，英國物理學家赫歇耳發現紅外線。

1801年，德國物理學家裡特發現紫外線。

1895年，德國物理學家倫琴發現x射線（倫琴射線），並為他夫人的手拍下世界上第一張x射線的人體照片。

40．1621年，荷蘭數學家斯涅耳找到了入射角與折射角之間的規律－－折射定律。

41．1801年，英國物理學家托馬斯·楊成功地觀察到了光的干涉現象。

42．1818年，法國科學家菲涅爾和泊松計算並實驗觀察到光的圓板衍射－－泊松亮斑。

43．1864年，英國物理學家麥克斯韋預言了電磁波的存在，並指出光是一種電磁波。

1887年，赫茲用實驗證實了電磁波的存在，光是一種電磁波。

44．1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，有兩條基本原理：

其中一條為相對性原理，不同的慣性參考系中，一切物理規律都是相同的。

45．愛因斯坦還提出了相對論中的一個重要結論——質能方程式E=mc2。

46．公元前 468～前376，我國的墨翟及其弟子在《墨經》中記載了光的直線傳播。影的形成。光的反射。平面鏡和球面鏡成像等現象，為世界上最早的光學著作。

47．1849年法國物理學家斐索首先在地面上測出了光速，以後又有許多科學家採用了更精密的方法測定光速，如美國物理學家邁克爾遜的旋轉稜鏡法。（注意其測量方法）

48．關於光的本質：17世紀明確地形成了兩種學說：一種是牛頓主張的微粒說，認為光是光源發出的一種物質微粒。另一種是荷蘭物理學家惠更斯提出的波動說，認為光是在空間傳播的某種波。這兩種學說都不能解釋當時觀察到的全部光現象。

49．物理學晴朗天空上的兩朵烏云：

①邁克遜－莫雷實驗一相對論（高速運動世界）；

②熱輻射實驗一一量子論（微觀世界）。

50．19世紀和20世紀之交，物理學的三大發現：x射線的發現，電子的發現，放射性同

位素的發現。

51．1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，有兩條基本原理：

其中一條為光速不變原理，不同的慣性參考系中，光在真空中的速度一定是c不變。

52．1900年，德國物理學家普朗克解釋物體熱輻射規律提出能量子假說：物質發射或吸收能量時，能量不是連續的，而是一份一份的，每一份就是一個最小的能量單位，即能量子。

53．激光--被譽為20世紀的“世紀之光”。

五、動量、波粒二象性、原子物理（3-5選考）：

54．1900年，德國物理學家普朗克為解釋物體熱輻射規律提出：電磁波的發射和吸收不是連續的，而是一份一份的，把物理學帶進了量子世界。受其啟發1905年愛因斯坦提出光子說，成功地解釋了光電效應規律，因此獲得諾貝爾物理獎。

55．1922年，美國物理學家康普頓在研究石墨中的電子對x射線的散射時－－康普頓效應，證實了光的粒子性（說明動量守恆定律和能量守恆定律同時適用於微觀粒子）。

56．1913年，丹麥物理學家玻爾提出了自己的原子結構假說，成功地解釋和預言了氫原子的輻射電磁波譜，為量子力學的發展奠定了基礎。

57．1924年，法國物理學家德布羅意大膽預言了實物粒子在一定條件下會表現出波動性。

58．1927年美。英兩國物理學家得到了電子束在金屬晶體上的衍射圖案。電子顯微鏡與光學顯微鏡相比，衍射現象影響小很多，大大地提高了分辨能力，質子顯微鏡的分辨本能更高。

59．1858年，德國科學家普里克發現了一種奇妙的射線--陰極射線（高速運動的電子流）。

60．1906年，英國物理學家湯姆生髮現電子，獲得諾貝爾物理學獎。

61．1913年，美國物理學家密立根通過油滴實驗精確測定了元電荷e電荷量，獲得諾貝爾獎。

62．1897年，湯姆生利用陰極射線管發現了電子，說明原子可分，有複雜內部結構，並提出原子的棗糕模型。

63．1909～1911年，英國物理學家盧瑟福和助手們進行了α粒子散射實驗，並提出了原子的核式結構模型。由實驗結果估計原子核直徑數量級為10m～15m。1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮核，第一次實現了原子核的人工轉變，並發現了質子。預言原子核內還有另一種粒子，被其學生查德威克於1932年在α粒子轟擊鈹核時發現，由此人們認識到原子核由質子和中子組成。

64．1885年，瑞士的中學數學教師巴耳末總結了氫原子光譜的波長規律——巴耳末系。

65．1913年，丹麥物理學家波爾最先得出氫原子能級表達式。

66．1896年，法國物理學家貝克勒爾發現天然放射現象，說明原子核有複雜的內部結

構。天然放射現象：有兩種衰變（α、β），三種射線（α、β、γ），其中γ 射線是衰變后新核處於激發態，向低能級躍遷時輻射出的。衰變快慢與原子所處的物理和化學狀態無關。

67．1896年，在貝克勒爾的建議下，瑪麗-居里夫婦發現了兩种放射性更強的新元素--釙（Po）鐳（Ra）。

68．1919年，盧瑟福用α粒子轟擊氮核，第一次實現了原子核的人工轉變，發現了質子，並預言原子核內還有另一種粒子——中子。

69．1932年，盧瑟福學生查德威克於在α粒子轟擊鈹核時發現中子，獲得諾貝爾物理獎。

70．1934年，約里奧－居里夫婦用α粒子轟擊鋁箔時，發現了正電子和人工放射性同位素。

71．1939年12月，德國物理學家哈恩和助手斯特拉斯曼用中子轟擊鈾核時，鈾核發生裂變。

72．1942年，在費米。西拉德等人領導下，美國建成第一個裂變反應堆（由濃縮鈾棒、控制棒、中子減速劑、水泥防護層、熱交換器等組成）。

73．1952年，美國爆炸了世界上第一顆氫彈（聚變反應、熱核反應）。人工控制核聚變的一個可能途徑是：利用強激光產生的高壓照射小顆粒核燃料。

74．1932年發現了正電子，1964年提出夸克模型。

粒子分三大類：

媒介子——傳遞各種相互作用的粒子，如：光子。

輕子——不參與強相互作用的粒子，如：電子。中微子。

強子——參與強相互作用的粒子，如：重子（質子、中子、超子）和介子，強子由更基本的粒子夸克組成，夸克帶電量可能為元電荷。