科技史第十一講：近代經(jīng)典物理學的全面發(fā)展◎歷史文化與旅游學院◎1一、光學的進展二、熱學的成就三、電磁學的建立2內(nèi)容簡介1.了解近代資本主義大工業(yè)的建立對近代物理學的推動作用；2.把握近代以來關于光的本質的認識的發(fā)展線索，弄清光的微粒說與光的波動說之爭的來龍去脈；3.理解熱力學第一定律、第二定律的涵義，重點掌握熱力學第二定律的自然觀意義；4.認識電磁學的建立在物理學史和技術史上的重要地位和作用。3光學的進展幾何光學：1621年荷蘭斯涅爾發(fā)現(xiàn)光的折射定律2.波動光學的興起：牛頓的光的顏色的理論3.光的本質的探討：光究意是什么，是某種物質的運動形式—波動？還是某種實物微粒？胡克、惠更斯等人主張波動說，牛頓則更傾向于微粒說。微粒說在18世紀占據(jù)統(tǒng)治地位。4.波動說的勝利：19世紀初英國托馬斯·楊的雙縫實驗與微粒說相矛盾，楊用光的波動說解釋了“干涉現(xiàn)象”和“衍射現(xiàn)象”。法國的菲涅爾以數(shù)學形式證明了波動說。4菲涅爾托馬斯·楊菲涅爾的波帶法衍射現(xiàn)象折射定律干涉現(xiàn)象5波動說與微粒說的交鋒惠更斯與光的波動說波動說6二、熱學的成就1.熱的本質在十八世紀，隨著人們對燃燒現(xiàn)象認識的深入，對熱現(xiàn)象也開始試圖給予解釋。當時對熱的本性存在兩種見解：一種認為熱是一種物質；另一種認為熱是物質分子的微小運動。拉瓦錫在1789年的《初等化學概論》中把熱物質當做一種元素引入，稱之為熱素或熱質（calorique）。7熱質說拉瓦錫認為：存在著一種極易流動的物質實體充滿分子之間的空間，這種實體具有擴大分子之間距離的作用。這種物質實體－－熱質，根據(jù)其狀態(tài)分為兩類：自由的熱質和結合的熱質。結合的熱質被物體中的分子所束縛，形成其實質的一部分；自由熱質沒有處于任何結合狀態(tài)，能夠從一個物體轉移到另一個物體，成為各種熱現(xiàn)象的載體。8熱機：從技術到理論蒸汽機的廣泛使用促進了工業(yè)革命、縮短了旅行時間、加快了商品流通。但是蒸汽機的改進只是靠技術上的摸索取得，到十九世紀初還沒有一個關于蒸汽機的一般理論。這一局面因卡諾于1824年出版《關于火的動力及其適于產(chǎn)生這種動力的發(fā)動機之考察》一書而改變。9SadiNicolasLéonardCarnot卡諾(1796-1832)出身于法國望族。1814年卡諾畢業(yè)于法國綜合工科學校后到工兵部隊服役，1820年退役后專心從事物理學理論研究。他的父親是拿破侖一世政府要人；弟弟是一位持自由觀點的政治家；一位侄子是法蘭西第三共和國總統(tǒng)。10熱機的效率瓦特致力于提高蒸汽機的效率。但是經(jīng)過改進的蒸汽機效率仍然很低。燃料所產(chǎn)生的熱能的93%-95%都被浪費掉?？ㄖZ對熱機的做功效率也非常感興趣。他想了解這種效率究竟可以提高到多少。卡諾從他的應用力學家父親那里學會了對一個循環(huán)過程進行考察的必要性。他把熱機對外做功和做完功返回原狀的過程結合起來考慮。11熱質守恒卡諾在《關于火的動力》一書中是立足于熱質說來考察熱機效率的。他的工作基礎就是熱質守恒?？ㄖZ認為：熱從高溫物體向低溫物體移動時，必然能夠產(chǎn)生動力。因此不伴隨動力產(chǎn)生的熱流動是一種損失。溫度不同的物體接觸時就會產(chǎn)生這種損失。想要獲得熱機的最高效率，就要盡量避免這種損失。12卡諾循環(huán)：理想熱機卡諾進一步設想了沒有任何損失的理想熱機。他考察了由帶活塞的汽缸中氣體所產(chǎn)生的等溫膨脹（系統(tǒng)從環(huán)境中吸收熱量）、絕熱膨脹（系統(tǒng)對環(huán)境中作功）、等溫壓縮（系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量）、絕熱壓縮（系統(tǒng)恢復原來狀態(tài)，對環(huán)境作負功）四個過程組成的循環(huán)，后來命名為卡諾循環(huán)。13熱力學的奠基人卡諾最先定量地研究了熱和功相互轉化的方式，因此他被稱作熱力學的奠基人。他的方程表明最大效率只與最高溫度和最低溫度有關，與中間過程、工作介質無關?？ㄖZ如果能繼續(xù)研究下去，很可能由此得出熱力學第二定律（熵增加定理）。而且卡諾后來還放棄了熱質說，轉而認為熱是一種運動。但是不幸的是他在36歲就死于霍亂。14熱動說倫福德(1753-1814)糾正了熱是一種無質流體的說法。倫福德出身于美國，后到歐洲慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現(xiàn)當鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。當時傳統(tǒng)的解釋是，當金屬被切削成刨花時，熱質就從金屬中逸出。但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。15熱質倫福德在慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現(xiàn)當鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。當時傳統(tǒng)的解釋是，當金屬被切削成刨花時，熱質就從金屬中逸出。但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。16機械運動轉化為熱倫福德得出結論，是鏜具的機械運動轉化為熱。1798年倫福德向皇家學會報告了他在慕尼黑的實驗。他還試圖給出一定量的機械運動所能產(chǎn)生的熱量，這是首次給出了熱功當量的數(shù)值。不過他的數(shù)值偏高。1799年倫福德回到英國，當選為皇家學會會員。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦錫的遺孀并就熱質說與已故的拉瓦錫作對。17熱運動說的處境倫福德的報告引起巨大反響，對熱運動說有人支持也有人反對。熱質說的統(tǒng)治地位一時還難以動搖。當時以熱質守恒這一基本原理為基礎，熱學正穩(wěn)步地積累著實驗資料，并不斷帶來新的理論。相反，熱運動論缺乏定量的實驗基礎，沒有提出數(shù)學化的理論。必須等到能量守恒定律的確立，才能從更為廣闊的觀點來理解熱和運動的相互轉化。182.能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)

能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世紀以來物理學前沿的擴大，形形色色的物理現(xiàn)象之間的轉化過程被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，引起人們注意。(2)十八世紀下半葉在德國產(chǎn)生一種對機械論自然觀的不滿，萌發(fā)一種活力論。這種活力論在十九世紀初發(fā)展成為自然哲學：把整個宇宙看做是由某種根源性的力所引起的歷史發(fā)展的產(chǎn)物。自然界的各種力，電、磁、光、熱、化學親和力等等東西歸根結底是同一種東西。19德國人邁爾（1814-1878）作為隨船醫(yī)生在1840年去爪哇的航行中，由于考慮動物熱的問題，邁爾對物理學產(chǎn)生興趣，多次著文闡述能量守恒的信念。1841年他完成《關于無機界各種力的意見》一文，被一家物理學雜志退稿后，第二年發(fā)表在了李比希主編的《化學和藥學年鑒》上。但是他的工作幾乎沒有引起人們注意。20

英國的焦耳擅長實驗。他對所有他想得到的有熱量產(chǎn)生過程進行熱測量。

1840年他得出：電流產(chǎn)生的熱量與電流強度的平方和電阻的乘積成正比－－焦耳最后測量出做的功和產(chǎn)生的熱的關系為：41,450,000爾格的功產(chǎn)生1卡的熱量。為了紀念焦耳的工作，后來規(guī)定一千萬爾格的功定義為一焦耳?，F(xiàn)在的熱功當量數(shù)值為4.18焦耳/卡。21成果無處發(fā)表當時人們沒有認識到焦耳工作的意義。各種學術刊物和皇家學會都拒絕發(fā)表他的文章。1847年焦耳獲得在英國科學促進會年會上宣讀他的論文的機會，當時幾乎沒有聽眾，只有一位23歲的年青人威廉·湯姆森，即后來的開爾文勛爵對他的報告感興趣。湯姆森對焦耳的成果作了十分精辟的評價，終于引起人們的注意。1849年在法拉第親自主持下，焦耳在皇家學會宣讀了他的論文，他的成果終于獲得完全承認。焦耳的工作為熱力學第一、第二定律的得出奠定了實驗基礎。22

對能量守恒，邁爾展開了大膽思辨，焦耳進行了扎實的實驗，而德國生理學家和物理學家赫姆霍茲（1821-1894）則立足于力學基礎之上，追求各種能量轉換過程的數(shù)學表述。最終被確認為能量守恒定律的確立者。23《論“力”的守恒》1847年赫姆霍茲獨立完成《論“力”的守恒》一文，并于7月23日在柏林物理學會的年會上宣讀1854年赫姆霍茲在《自然力的相互作用》一文中指出，“自然作為一個整體，是力的儲存庫，它不能以任何方法增加或減少。所以自然界中力的數(shù)量正象物質的數(shù)量一樣永存和不變。我曾將這個普遍的定律命名為‘力的守恒原理’”。這里明確表達了能量轉化和守恒的思想。以1850-1851年間克勞修斯和湯姆森奠定熱力學基礎的工作為轉機，能量守恒定律才獲得普遍承認。

24意義

能量守恒與轉化定律

被認為是物理學的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克勞修斯），恩格斯則稱之為19世紀三大發(fā)現(xiàn)之一。該定律的發(fā)現(xiàn)標志著近代物理學第二次理論大綜合。253.熱力學第一、第二定律的建立

熱力學第一定律的建立熱功當量的發(fā)現(xiàn)揭示了熱和機械功之間存在著內(nèi)在的定量關系。焦耳的實驗一方面證明了熱和機械功的作用效果是等價的，另一方面也證明了絕熱過程的功與過程進行的方式無關。在焦耳工作的基礎上，克勞修斯和開爾文各自深入研究了熱功轉化的機制和規(guī)律性問題，分別獲得了熱力學第一定律的各自表述。

26第一定律的克勞修斯表述

1850年4月克勞修斯在《物理和化學年鑒》上發(fā)表了《論熱的動力和可由此推導熱學本身的定律》提出熱力學第一定律表述：

“在一切熱做功的情況中，產(chǎn)生的功與消耗的熱量成比例。反之，通過消耗同樣大小的功，將能產(chǎn)生同樣數(shù)量的熱量?！?/p>

27第一定律的開爾文表述

1851年開爾文發(fā)表《以焦耳先生的單位熱當量導出的大量結果和雷諾對蒸氣的觀察論熱的動力學理論》一文，提出了熱力學第一定律的開爾文說法：“物質系必須以熱的形式或以機械功的形式，給出同它得到的同樣多的能量”。這里開爾文首次把能量一詞引入到了熱力學中，該表述也被稱為熱力學第一定律的能量表述。28熱力學第二定律的建立

熱力學第一定律是關于孤立熱力學系統(tǒng)從熱源是否吸收熱量和內(nèi)能與外功之間轉化守恒關系的規(guī)律，它并不涉及不同溫度的兩個熱源之間的熱量傳遞。然而卡諾熱機理論表明，為了從熱產(chǎn)生動力，需要有高溫物體和低溫物體。熱機的實踐也證明，熱機存在著普遍的熱耗散現(xiàn)象，總有一些熱譬如磨擦熱不能復返做功。事實上卡諾的理想熱機循環(huán)在實際中是不能實現(xiàn)的。對此，需要有一個新的普遍規(guī)律對這種普遍現(xiàn)象加以說明。

29第二定律的克氏表述

在1854年《物理和化學年鑒》上發(fā)表的《論機械熱理論第二基本定律的一個改變形式》一文中，克勞修斯給出了通常所說的熱力學第二定律的“克氏表述”：“熱不可能由冷體傳到熱體，如果不因而同時引起其他關系的變化?！?/p>

30熵1865年4月克勞修斯在《關于熱的動力理論的主要方程的各種應用的方便形式》中提出了一個與變化途徑無關的狀態(tài)函數(shù)S。定義dS=dQ/T，S表示物體的熱轉變含量，并用了一個與能量的德文字（Energie）相近的從希臘文轉寫過來的詞Entropie來命名S。1923年普朗克到南京東南大學作熱力學第二定律方面的講學，胡復剛為之翻譯，首次把Entropie譯作熵。31“克氏表述”的精練形式在1865年的論文中，克勞修斯把熱力學第二定律表述為：對于可逆過程而言，熵等于0；對于不可逆過程而言，熵總是大于0。1875年在《熱的動力理論》中又提出了熱力學第二定律“克氏表述”的更為精煉的形式：“熱不可能自發(fā)地從一冷體傳到一熱體”。

32“宇宙熱寂說”

1867年在法蘭克福舉行的第41屆德國自然科學家和醫(yī)生聯(lián)合會議上，克勞修斯他把整個宇宙看做一個孤立的絕熱系統(tǒng)，然后把熱力學第一定律和第二定律應用于整個宇宙，得出：

(1)宇宙的總能量是一個常數(shù)；

(2)宇宙的熵趨向某一個極大值。這就是后來引起很多爭議的“宇宙熱寂說”的正式提出。33第二類永動機不存在在1856年的《論動力的起源和轉變》中，開爾文把熱力學第二定律和制造一種自動機聯(lián)系起來，提出：不借助外部動因將熱從一物體傳遞到另一高溫物體來制成一個自動機，是不可能的。這種自動機也稱為永動機，后來人們把違反熱力學第一定律的永動機稱作第一類永動機，違反熱力學第二定律的永動機稱作第二類永動機。熱力學第二定律也等價地被表述為：第二類永動機是不存在的。

34熱力學第三定律

熱力學第三定律的建立與低溫現(xiàn)象的研究直接相關，1848年湯姆遜提出絕對零度可能是溫度下限的觀點，1906年德國人斯特提出任何物體都不可能冷卻到絕對零度。35電磁學的建立1.從靜電到動電的研究：

18世紀靜電學研究最重要的成就是美國富蘭克林提出的關于單電流體的一元論，并用著名風箏實驗加以證明；

18世紀末電學從靜電研究向流電研究發(fā)展，意大利伽伐尼發(fā)現(xiàn)動物電流、伏打在電堆實驗和發(fā)現(xiàn)原電池的基礎上提出了接觸理論。362.奧斯特的發(fā)現(xiàn)

1819年丹麥物理學家奧斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次課堂實驗中發(fā)現(xiàn)：讓一個羅盤靠近通電導線，羅盤指針發(fā)生轉動，指向與電流方向成直角的方向。這次實驗是電與磁之間的聯(lián)系的第一次實驗演示。1820年奧斯特發(fā)表這個實驗之后，引起了爆炸性的反響。373.法拉第的電磁學研究

法拉第（MichaelFaraday1791-1867）是一名鐵匠的兒子。早年做裝訂工學徒（1805年），使他有機會接觸許多書，常翻大英百科全書中的電學文章和拉瓦錫的化學教程等。38戴維的助手、實驗天才1813年22歲的法拉第成為戴維的助手，任務是刷洗瓶子。實驗室里的法拉第漸漸表現(xiàn)出他的天分，甚至遠遠超出了值得戴維提攜的程度。比如法拉第能熟練制備三氯化氮氣體，而戴維則不那么熟練，一次還讓它爆炸了，幾乎因此而失明。39讓磁力產(chǎn)生電流？法拉第在1821年就設計了一個實驗裝置，把電力和磁力間的作用轉化成了連續(xù)的機械運動。但這個裝置充其量只不過是一個科學玩具。

奧斯特讓電流產(chǎn)生了磁力，法拉第所想的是怎樣倒過來讓磁力產(chǎn)生電流。40讀不到電流實驗經(jīng)過了許多曲折和戲劇性的過程。他用安培(Ampère,André1775-1836)發(fā)明的線圈來產(chǎn)生磁場，希望這個磁場能對第二個線圈產(chǎn)生影響。第一個線圈固然產(chǎn)生了穩(wěn)定的磁場，但是在第二個線圈中讀不到電流。41沒有輕易放過的現(xiàn)象在多次無效的嘗試之后，一次在關閉第一線圈的電流的一剎那，第二線圈的電流計指針顫動了一下。據(jù)說十年前安培就發(fā)現(xiàn)過這個現(xiàn)象，但是這個現(xiàn)象不合于他的理論，就對之未加考慮。但法拉第沒有輕易放過這一現(xiàn)象。42電磁感應經(jīng)過反復實驗，法拉第發(fā)現(xiàn)只有在打開和關閉第一線圈的電流時，第二線圈內(nèi)才產(chǎn)生一股瞬時的電流。這就是感應電流的發(fā)現(xiàn)。這種現(xiàn)象被稱作電磁感應，是后來一切電動能源的基礎。43磁力線法拉第直觀地用磁力線來描述磁體周圍的磁場，并用鐵屑來演示磁力線的排列。他認為這種力線是很實在的東西，比原子更為實在。感應電流只有當磁力線切割導線時才產(chǎn)生。44磁感應發(fā)電機一旦證明磁能產(chǎn)生電，法拉第接下來的工作是要用磁場來產(chǎn)生連續(xù)的電流。不久他就造出了世界上第一臺磁感應發(fā)電機。要生產(chǎn)出完全實用的發(fā)電機還需要許多輔助設備。而發(fā)明這些輔助設備花了人類半個多世紀。最終的發(fā)電機與法拉第的最初模型看起來毫不相同，但基本工作原理是一樣的。454.麥克斯韋的數(shù)學升華法拉第借助于巧妙的實驗和直觀的圖像，成功地用力線模型解釋了電磁現(xiàn)象。但是由于他是自學成才，不熟悉數(shù)學，因此不可能給他的理論給以數(shù)學表示。是數(shù)學天才麥克斯韋完成了這項工作，并且補充了更多的內(nèi)容，從而奠定了電磁場理論的基礎。46麥克斯韋麥克斯韋（JamesClerkMaxwell1831-1879）出生于蘇格蘭望族，是家中的獨子。他從小就有數(shù)學方面的天分，但是被同學們稱為傻瓜。十五歲時他把如何繪制卵形線的方法寫成論文送到皇家學會宣讀。1850年進劍橋大學。47《論法拉第的力線》麥克斯韋接受開爾文的忠告，通讀了法拉第的論文集《電學實驗研究》，他認識到關鍵在于在少數(shù)簡單的觀念的基礎上把其中交錯混亂的電磁學解釋明白。1856年2月他發(fā)表了電磁學的第一篇論文《論法拉第的力線》，文章的目標首先放在用數(shù)學表示法拉第的見解上。48《論物理的力線》

1862年麥克斯韋發(fā)表了電磁學的第二篇論文《論物理的力線》。這篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，從而鞏固了電磁理論的基礎。在該文中麥克斯韋論述了傳遞電作用的媒質具有什么樣的結構，在媒質中產(chǎn)生什么樣的張力和運動，怎樣表示觀測到的電磁現(xiàn)象等問題。49磁力管按照法拉第的思想，整個空間都充滿了由磁力線構成的磁力管，各磁力管都具有橫向擴展和縱向收縮的性質。好比旋轉著的液體，由于收到離心力的作用，相對轉軸橫向擴展，在縱向收縮。麥克斯韋設想，磁力管內(nèi)充滿以太，而且都在作旋轉運動，整個空間就被這樣的以太漩渦充滿。50麥克斯韋的“機械”電磁場模型但是這樣擠得滿滿的以太漩渦自身不能很好地同時在同一方向旋轉，因此麥克斯韋設想各漩渦之間夾有像滾珠軸承那樣的粒子。在這樣的模型中，磁場強度相當于漩渦的角速度；電場強度相當于漩渦發(fā)生形變時所產(chǎn)生的彈性力；電流強度相當于滾珠軸承粒子的流動。51位移電流在第二篇論文中麥克斯韋引進了位移電流的概念：即由軸承粒子的位移產(chǎn)生的電流。從位移電流概念出發(fā)能導出重要的結論。麥克斯韋計算了媒質中電粒子振動的傳播速度幾乎等于當時測得的真空中的光速。于是麥克斯韋大膽作出結論：光和引起電磁現(xiàn)象的情形一樣，是以太的橫向振動。52《電磁場的動力學理論》麥克斯韋在1864年發(fā)表了第三篇電磁學論文，對他的理論進行了重新構造。給出了現(xiàn)在叫做麥克斯韋方程組的電磁場偏微分方程組。在這篇論文里麥克斯韋首次把自己的理論稱為電磁場理論。麥克斯韋的電磁場理論是想通過具有力學特征的媒質狀態(tài)的變化來理解電磁作用。53《電磁通論》1873年麥克斯韋發(fā)表了他的電磁理論集大成之作《電磁通論》。他在該書的第一章中寫道：這本書的立場是把帶電體之間所觀測到的力學作用作為由媒質的力學狀態(tài)引起的來研究。在麥克斯韋看來，所謂電磁場就是以太的某種力學狀態(tài)。54麥克斯韋的理論表明：電與磁不能孤立地存在，哪里有電，哪里就有磁；哪里有磁，哪里就有電。電粒子的振蕩產(chǎn)生電磁場，電磁場由振源以固定的速度c向外輻射電磁波。麥克斯韋進一步預言光由電粒子振蕩產(chǎn)生，所以也是一種電磁輻射。電粒子可以以任何速度振蕩，所以應該有一整套的電磁輻射，可見光只不過是其中的一部分。55意義

麥克斯韋電磁理論作為宏觀電磁學的完整理論，第一次揭示了光、電、磁的統(tǒng)一性，是近代以來物理學第三次理論大綜合，標志著經(jīng)典物理學已發(fā)展到巔峰。麥克斯韋速率分布函數(shù)