1經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)CONTENTS第7章近代物理學(xué)經(jīng)典電磁學(xué)和光學(xué)27.1課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識(shí)目標(biāo)了解牛頓、焦耳、赫姆霍茲、克勞修斯、湯姆孫等的創(chuàng)新成果。理解牛頓第一定律、牛頓第二定律；牛頓第三定律、萬有引力定律、熱力學(xué)第一定律。理解熱力學(xué)第二定律及熵的內(nèi)涵。2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

第一節(jié)經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)

一、經(jīng)典力學(xué)構(gòu)建經(jīng)典力學(xué)理論體系大廈的是英國科學(xué)巨匠牛頓。牛頓(1643—1727)在數(shù)學(xué)上發(fā)明了微積分；在天文學(xué)上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，開辟了天文學(xué)的新紀(jì)元；在力學(xué)中，他系統(tǒng)總結(jié)了三大運(yùn)動(dòng)定律，創(chuàng)造了完整的經(jīng)典力學(xué)體系；在光學(xué)中發(fā)現(xiàn)了太陽光的光譜，發(fā)明了反射式望遠(yuǎn)鏡。

一個(gè)人只要享有這里的任何一項(xiàng)成就，就足以名垂千古，而牛頓一個(gè)人做出了所有這些工作。

44歲牛頓的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版，給他帶來了巨大的聲望。牛頓(1643—1727)

1.牛頓第一定律

“一個(gè)不受任何外力(或者合外力為零)的物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)?！?/p>

這個(gè)結(jié)論稱為牛頓第一定律。牛頓第一定律表明，任何物體都具有保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)，這個(gè)性質(zhì)稱為慣性，所以這個(gè)定律也稱為慣性定律。正是由于物體具有慣性，所以物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，只有在外力作用的條件下才會(huì)發(fā)生。因此，慣性是物體的屬性。慣性圖片

2.牛頓第二定律

力是產(chǎn)生加速度的原因

3.牛頓第三定律

作用力和反作用力圖片

4.萬有引力

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力的實(shí)際歷史過程和思路非常復(fù)雜，我們這里分析一下其推導(dǎo)過程。萬有引力圖片

（1）根據(jù)牛頓第一定律:太陽和行星的運(yùn)動(dòng)表明，它們處于平衡狀態(tài)，因而一定有一個(gè)凈力作用于行星，否則，行星就不會(huì)繞太陽運(yùn)動(dòng)，將會(huì)沿著直線運(yùn)動(dòng)。

由于橢圓運(yùn)動(dòng)近似于圓周運(yùn)動(dòng)，因而行星在任何時(shí)刻都受到一個(gè)指向太陽的向心力的作用。

（2）根據(jù)牛頓第二定律:這個(gè)力的大小為:

F向=ma向

（3）根據(jù)惠更斯向心力定律:

∵

a向=V2/R；V=2Rπ/T，

∴a向=V2/R=（2Rπ/T）2/R=4Rπ2/T2

F向=ma向=m·4Rπ2/T2=4mRπ2/T2

；

式中T為行星繞太陽旋轉(zhuǎn)的周期。

（4）根據(jù)開普勒第三定律：T2=kR3

F向=4mRπ2/T2

=4mRπ2/kR3=4π2/k·m/R2

令4π2/k=CF向=Cm/R2

（5）根據(jù)牛頓第三定律:太陽對行星有向心力，行星對太陽也有向心力，這個(gè)力與太陽的質(zhì)量成正比，與距離的平方成反比。F′向=C′M/R2

∵F=F′

∴Cm/R2=C′M/R2Cm=C′MC′/m=C/M=GC/M=GC=MGF向=Cm/R2=MGm/R2

F引=GmM/R2二、熱力學(xué)

（一）能量守恒定律

1.熱質(zhì)說在古希臘的德謨克里特和伊壁鳩魯以及古羅馬的盧克萊修的著作中都出現(xiàn)了“熱是物質(zhì)的”這種說法。

1703年史塔爾提出的“燃素說”，本質(zhì)也是熱質(zhì)說。主張熱質(zhì)說的人認(rèn)為，熱是“一種特殊形態(tài)的沒有重量的物質(zhì)”，當(dāng)熱質(zhì)進(jìn)入物體后物體就會(huì)發(fā)熱。2.運(yùn)動(dòng)說（1）1798年美國物理學(xué)家湯姆森發(fā)現(xiàn)鉆孔時(shí)鉆出的金屬屑足以把水燒開。

（2）1799年英國人戴維將兩塊冰固定在一個(gè)由時(shí)鐘改裝的裝置上，使兩塊冰可以不斷地摩擦。然后把它們放進(jìn)抽成真空的大玻璃罩內(nèi)，兩塊冰通過摩擦慢慢溶解為水。運(yùn)動(dòng)生熱圖片

（3）德國醫(yī)生邁爾(1814—1878)第一個(gè)得出熱的機(jī)械當(dāng)量為1千卡等于365千克米。（4）英國物理學(xué)家焦耳(1818～1889)用了近40年時(shí)間，做了四百多次實(shí)驗(yàn)，確定了熱功當(dāng)量的精確值是：423.85千克米／千卡。現(xiàn)在是418.4千克米／千卡。后人為紀(jì)念焦耳，在國際單位制中采用焦耳為熱量的單位，取1卡=4.18焦耳

。（5）德國物理學(xué)家和生物學(xué)家赫姆霍茲(1821～1892)在《力的守恒》論文中提出，“力”(即能量)是守恒的，并證明了普遍的能量守恒原理。

能量守恒定律：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量不變。焦耳(1818—1889)

（二）熱力學(xué)第一定律

熱力學(xué)第一定律是在19世紀(jì)中葉被德國物理學(xué)家克勞修斯（1822-1888）和英國物理學(xué)家湯姆孫（1824-1907）運(yùn)用于熱力學(xué)系統(tǒng)而獲得的。熱力學(xué)第一定律可表示為：

Q=（T2-T1）+W.

即：系統(tǒng)由外界吸收的熱量，一部分使系統(tǒng)的內(nèi)能增加，另一部分使系統(tǒng)對外做功。還可表述為不可能制造出不消耗能量的永動(dòng)機(jī)。克勞修斯湯姆孫

（二）熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律是經(jīng)湯姆孫和德國物理學(xué)家克勞修斯的進(jìn)一步研究，于1850年發(fā)現(xiàn)的。熱力學(xué)第二定律：在一個(gè)孤立的系統(tǒng)內(nèi)，熱總是自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體中去,而不是相反。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，人們認(rèn)識(shí)到熱機(jī)不可能把從高溫?zé)嵩粗形盏臒崃咳哭D(zhuǎn)化為有用功，而總要把一部分熱量傳給低溫?zé)嵩础?/p>

熱總是自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體中去

克勞修斯于1865年發(fā)表一篇論文，提出了“熵”的概念：將不能做功的隨機(jī)和無序狀態(tài)的能定義為熵，S=Q/T。

在封閉系統(tǒng)中，有兩物體，它們的溫度分別為T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的時(shí)間內(nèi)，有dQ的熱量從T1傳到T2，因?yàn)門1﹥T2

，則有：dQ/T2-dQ/T1﹥0

這就導(dǎo)致了熵的增加。

以熵增加原理表述的熱力學(xué)第二定律，即：孤立系統(tǒng)的熵總是會(huì)自發(fā)地趨于極大。定律指出，在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，任何物理過程或化學(xué)過程總是導(dǎo)致熵的增加，系統(tǒng)最終達(dá)到一個(gè)具有極大熵值的平衡態(tài)，而且這種熵增過程是一個(gè)不可逆的自發(fā)過程。熵的本義表征系統(tǒng)的狀態(tài)。

宏觀意義表征系統(tǒng)能量分布的均勻程度（能量平均狀態(tài)是熵值達(dá)到最大的狀態(tài)）；

微觀意義表征系統(tǒng)內(nèi)部粒子的無序程度。一旦成為無序狀態(tài)，它就再也不可能恢復(fù)到高度有序狀態(tài)?？藙谛匏箤⑦@一定律推廣到