第六章近代科學(xué)的發(fā)展自然科學(xué)從宗教神學(xué)的禁錮中解放出來，首先發(fā)展并成熟起來、形成獨立體系的是經(jīng)典力學(xué)。其原因主要有三方面：第二，受天文學(xué)發(fā)展的影響.托勒密地心說和哥白尼太陽中心說都說明行星繞一個中心轉(zhuǎn)動,但是這些行星為什么既不掉下來,也不飛走,還不相撞,是什么力量的作用?這就引起了科學(xué)家們的思考。第一，資本主義發(fā)展的需要.如:開礦、建筑、機(jī)械制造、航海等需要靜力學(xué)、動力學(xué)、流體力學(xué)。11.伽利略簡介:伽利略（1564~1642)生于意大利的比薩，巧合的是在他出世后三天文藝復(fù)興時期著名的藝術(shù)家米開朗基羅逝世。伽利略的父親是當(dāng)時一位著名的音樂家和數(shù)學(xué)家,他的學(xué)術(shù)研究對伽利略產(chǎn)生很大影響,但他卻希望兒子學(xué)醫(yī)而不是數(shù)學(xué)。1581年伽利略被送到比薩大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。1583年,由于聽了幾次關(guān)于歐幾里得幾何學(xué)的演講,伽利略很快對數(shù)學(xué)著迷。由于他執(zhí)意不學(xué)醫(yī)學(xué),所以未取得學(xué)位就于1585年離開了比薩大學(xué)。第三，力學(xué)比較簡單、直觀，符合人們由簡單到復(fù)雜的認(rèn)識規(guī)律。一、伽利略的力學(xué)研究2伽利略傾心于研究歐幾里得的幾何學(xué)和阿基米德的物理學(xué),很快聲名遠(yuǎn)揚(yáng),朋友們都稱他為“新時代的阿基米德”。1632年,伽利略的著作《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》出版問世,但很快遭到羅馬教會的查禁。1633年教會判處他終身監(jiān)禁,此后一直在受監(jiān)視之下在佛羅倫薩城外阿切特里的一幢別墅里。在這里,他繼續(xù)他的力學(xué)研究，并致力于另外一部著作《兩門新科學(xué)》的撰寫,終于在1638年于荷蘭的萊頓出版。此時他已雙目失明。1642年1月9日他在阿切特里的別墅里安然去世?，F(xiàn)在伽利略被尊稱為“近代物理學(xué)之父”。其重要貢獻(xiàn)是：奠定經(jīng)典力學(xué)之基礎(chǔ)；捍衛(wèi)和發(fā)展日心說；創(chuàng)立實驗與數(shù)學(xué)結(jié)合的科研方法。32.伽利略對經(jīng)典力學(xué)的貢獻(xiàn)(1)發(fā)現(xiàn)了自由落體定律：在伽利略時代人們對物體下落的認(rèn)識還停留在亞里士多德的重物體比輕物體下落得快的水平,伽利略認(rèn)為亞里士多德的觀點是錯誤的,但要推翻這個錯誤結(jié)論必須進(jìn)行證明。a．邏輯證明伽利略所做的推理：大前提是:重物比輕物下落得快。假如把兩個物體捆在一起,讓它在與原來分別下落的相同條件下自由下落,那么,原來較輕的物體將會延緩較重物體的下落速度,也就是說這個復(fù)合體必然比原來較重的物體下落得慢。4

另外按照亞里士多德的觀點，還可以得出另一個結(jié)論：復(fù)合體比原來的較重物體下落得快。可見,按照亞里士多德的物體下落速度與重量成正比的規(guī)定,將會產(chǎn)生自相矛盾的結(jié)果,因此亞里士多德的觀點是錯誤的。5輕重合復(fù)合復(fù)合復(fù)重重結(jié)論一結(jié)論二復(fù)合體慢于較重物體復(fù)合體快于較重物體6b．實驗證明斯臺文的實驗(定性)：斯臺文(1548~1620)是荷蘭工程師。他在伽利略之前作了一個反對亞里士多德觀點的實驗。實驗過程:取兩個鉛球,其重量一個是另一個10倍,把它們從30英尺高同時丟下,落在一塊木板上,它們發(fā)出的聲音聽上去就象一個聲音一樣,這個實驗結(jié)果就說明了不同重量的物體下落的速度是一樣的,從而否定了亞里士多德的觀點。7斯臺文實驗的示意圖g10g30英尺8伽利略的實驗(定量):1609年伽利略設(shè)計了一個斜面實驗。實驗器材是一塊長約6米,寬約4厘米,厚25－30厘米的木板,用其造成一個斜面。木板上刻有一條寬約1厘米磨得十分光滑的槽。另外還有若干個不同重量的小銅球。實驗過程:讓不同重量的小銅球分別沿斜面上的槽滾下,記下每單位時間內(nèi)小球滾過的距離。通過各種傾斜度的反復(fù)實驗,伽利略發(fā)現(xiàn),不論是大球或小球,輕球或重球,在同樣的時間內(nèi)都滾過同樣的距離，而且還總結(jié)出了時間t與距離s之間的的關(guān)系,即：9以上就是自由落體定律。實驗結(jié)論:在摩擦忽略不計的情況下,物體沿同一高度、不同傾斜度的斜面到達(dá)底端所需的時間相同,它們的末速度相同。因此,從同一高度下落的物體必將同時落地,與它們的重量無關(guān),進(jìn)而證明亞里士多德的重物體比輕物體先落地的觀點是錯誤的。10伽利略實驗的示意圖11(2)發(fā)現(xiàn)了慣性運動斜面實驗發(fā)現(xiàn)：球滾下一個斜面后,可以滾上另一個斜面,如果把途中的摩擦力可以忽略不計的話,這個球可以滾到和出發(fā)點一樣的高度,而與斜面的傾斜度無關(guān);如果把后一個斜面放到水平位置,這個球就以勻速在這個面上滾下去,就這樣伽利略又發(fā)現(xiàn)了慣性運動，推翻了亞里士多德關(guān)于物體運動必須有力連續(xù)作用的觀點。慣性運動的發(fā)現(xiàn)證明了物體不僅有保持其靜止?fàn)顟B(tài)不變的的特性，而且有保持其勻速直線運動狀態(tài)不變的特性。1213結(jié)論：物體維持其原來的運動狀態(tài),并不需要外力,外力是改變其原有運動狀態(tài)的原因。(3)發(fā)展了拋物體運動軌跡理論伽利略用幾何方法證明：平拋運動可以分解為兩種運動:一是水平面方向的勻速直線運動,根據(jù)慣性原理,它使物體始終保持這一運動不變。另一個是在引力作用下,沿垂直方向上的自由落體運動,這一運動使物體在這個方向上的速度按時間成正比例地增加。這兩種運動綜合起來,便得出路程為拋物線狀。他還證明了為什么在拋射角為45o時射程最遠(yuǎn)。14勻速直線運動自由落體運動15二、開普勒對天體之間作用力的研究1.開普勒簡介：開普勒(1571~1630)生于德國南部瓦爾城，家境貧寒。父親是位職業(yè)軍人,祖父曾當(dāng)過市長。小時候得過天花和猩紅熱,使得手、眼等落下了輕度殘疾。開普勒年輕時進(jìn)圖賓根大學(xué)學(xué)習(xí)，指望將來當(dāng)一個牧師.求學(xué)期間,他顯示出了出眾的數(shù)學(xué)才華。圖賓根大學(xué)的天文學(xué)教授麥斯特林(1550~1631)是一位哥白尼學(xué)說的同情者。開普勒就是從他那里得知哥白尼學(xué)說,并立即成為哥白尼的擁護(hù)者的。畢業(yè)后他來到了奧地利,在格拉茨大學(xué)任數(shù)學(xué)和天文學(xué)講師。16

在奧地利期間他致力于探測六大行星軌道大小之間的關(guān)系,圍繞這個問題展開了多方面的研究。1596年,開普勒把他的所有研究成果及構(gòu)想寫在《宇宙的奧秘》一書中。該書引起了丹麥物理學(xué)家第谷(1546～1601)的重視，1600年邀請他到布拉格觀察臺工作,當(dāng)他的助手。可惜的是他們相處沒多久,第谷就去世了。臨終前第谷告誡開普勒:一定要尊重觀測事實。2.開普勒的研究成果：開普勒三定律。主要研究方法就是:在尊重事實的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)計算。17第一定律：一切行星都沿各自的橢圓軌道運行,太陽在該橢圓的一個焦點上。第二定律：對任何一個行星,它和太陽連線在相等的時間內(nèi)總是掃過相等的面積。第三定律：每個行星的橢圓軌道的半長軸的立方跟公轉(zhuǎn)周期的平方的比值都相等,即18太陽與行星水金地火F1F2AttS1S2aS1=S2第一定律圖1圖2圖3193.開普勒成功的原因:開普勒將橢圓的概念引入天文學(xué),這就給希臘古典天文學(xué)畫上了句號。即:天體作完美的勻速圓周運動的觀點是錯誤的。以橢圓代替正圓是宇宙學(xué)史上劃時代的事件。愛因斯坦對此給予了深刻的評價,他說:“開普勒的驚人成就,是證實下面這條真理的一個特別美妙的例子,這條真理是:知識不能單從經(jīng)驗中得出,而只能從理智的發(fā)明同觀察到的事實兩者的比較中得出?！痹蚍治龅谝?，開普勒善于理論思維,具有豐富的想象力。20開普勒不滿足于資料的收集,而著眼于從中作出發(fā)現(xiàn),他憑借豐富的想象力和理論思維,把觀察資料與數(shù)學(xué)結(jié)合起來,建立起數(shù)學(xué)模型。第二，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué),勇于創(chuàng)新。當(dāng)他在研究火星運動的真實軌道時,發(fā)現(xiàn)第谷對火星運動的觀察值與按照哥白尼學(xué)說推算出的值有0.133°(即約8′)差數(shù)。他相信第谷的觀察無誤,也相信自己的計算,那么問題出在哪呢?他認(rèn)為問題就出在軌道可能不是正圓上,于是他便大膽地改用橢圓進(jìn)行計算,結(jié)果與觀察值完全吻合。21第三，具有堅韌不拔的毅力和吃苦耐勞的精神。開普勒家境清貧,生活十分貧困,能堅持幾十年做大量的數(shù)學(xué)計算工作,最終作出重大發(fā)現(xiàn),若沒有頑強(qiáng)的毅力和吃苦耐勞的精神是不可想象的。4.開普勒遺留的問題是什么力量維持著行星繞著太陽旋轉(zhuǎn)?22三、萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)1.惠更斯的工作(1)惠更斯簡介：惠更斯(1629~1695)生于荷蘭海牙的一個政府要員之家,年輕時進(jìn)萊頓大學(xué)學(xué)習(xí),受過良好的教育,在數(shù)學(xué)上有出眾的天才，是英國皇家學(xué)會的外籍會員,獨身一生,在科學(xué)上有很多成就,牛頓稱他是盡善盡美的科學(xué)家。(2)科學(xué)成就簡介：天文學(xué)方面：1655年,惠更斯用自己磨出的更好的透鏡,新研制了一架清晰度和放大倍數(shù)更高的望遠(yuǎn)鏡。23次年,他用這架望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了獵戶座星云,還發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)以及土衛(wèi)－６。土星光環(huán)24土衛(wèi)六25土星26力學(xué)方面：擺的研究惠更斯繼承了伽利略關(guān)于擺的研究，他發(fā)現(xiàn)單擺只是近似等時，真正等時的擺動軌跡不應(yīng)是一段圓弧而應(yīng)是一段擺弧。將這個發(fā)現(xiàn)運用于設(shè)計之中,惠更斯于1656年造出了人類第一架擺鐘?；莞箤⑦@第一臺“有擺落地大鐘”獻(xiàn)給了荷蘭政府。27只要把這個公式與開普勒的行星運動三定律聯(lián)系起來，就有可能早于牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律。但是惠更斯沒有這樣做。另外通過對擺的研究，發(fā)現(xiàn)了物體保持圓周運動需要一個向心力，并得出了向心加速度公式。282.胡克的工作(1)胡克簡介：胡克(1635~1703)是英國物理學(xué)家和天文學(xué)家。他出生于英國威特島,1653年進(jìn)入牛津基督教會學(xué)院讀書，在那里遇到了化學(xué)家、物理學(xué)家玻意耳。1655年玻意耳請胡克當(dāng)他的實驗室助手。胡克在力學(xué)、光學(xué)、天文學(xué)方面都做出了重大貢獻(xiàn)。他同天文學(xué)家哈雷(1632~1723)都是英國皇家學(xué)會中引力委員會的成員,與牛頓一道開展引力問題研究。胡克長期從事物理學(xué)和天文學(xué)研究,并自制儀器。他曾根據(jù)彈簧實驗的結(jié)果,提出了胡克定律。用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞，起名叫“cell”,一直沿用至今。1703年3月3日他在倫敦逝世。29胡克定律:在彈性限度內(nèi)，彈簧的彈力f和彈簧的伸長或縮短的長度x成正比，即f=-kx。k是物質(zhì)的彈性系數(shù)，它由材料的性質(zhì)所決定，負(fù)號表示彈簧所產(chǎn)生的彈力與其伸長（或壓縮）的方向相反。(2)胡克關(guān)于萬有引力的研究

1674年,胡克在《從觀察角度證明地球周年運動的嘗試》一文中，提出了關(guān)于天體引力問題的三個假設(shè)：任何天體都有朝向自身中心的引力；所有物體只要它們作一個方向的簡單運動，都將保持其直線運動狀態(tài)，直至受到其它有效的力作用方可改變其運動軌道，顯然天體在不受外力作用下，其軌道不變；離引力中心越近,引力越大。30(3)胡克的遺憾后來,胡克又認(rèn)識到力和距離的平方成反比,這個結(jié)果已接近發(fā)現(xiàn)萬有引力定律,只是由于數(shù)學(xué)知識不夠而喪失了發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)。3.牛頓對萬有引力定律的貢獻(xiàn)(1)牛頓簡介：牛頓(1642~1727)出生在英國林肯郡艾爾斯索普村一個小農(nóng)莊主家庭,是個遺腹子。在舅父的資助下讀書,18歲免費進(jìn)入劍橋大學(xué)學(xué)習(xí),21歲成為著名數(shù)學(xué)教授巴羅(1630~1677)的研究生，從事力學(xué)和光學(xué)的研究工作,獨身一生。31(2)牛頓科學(xué)成就簡介在數(shù)學(xué)上他發(fā)明了微積分；在天文學(xué)上他發(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)了三大運動定律,創(chuàng)造了完整的牛頓力學(xué)體系；在光學(xué)中他發(fā)現(xiàn)了太陽光的光譜,發(fā)明了反射式望遠(yuǎn)鏡。(3)牛頓對萬有引力定律的貢獻(xiàn)a.地球?qū)υ虑蛞Φ难芯浚罕举|(zhì)上就是重力32地球月球地球的引力b.萬有引力的發(fā)現(xiàn)第一，牛頓根據(jù)開普勒行星運動第一定律和伽利略的慣性定律,認(rèn)為行星若以橢圓軌道繞日運行,而33不是勻速直線運動,就得連續(xù)不斷地改變方向,因而必須有力連續(xù)作用其上。第二，牛頓用數(shù)學(xué)方法證明了開普勒的第二定律,即如果面積、速度是常量,行星與太陽的連線在相等時間內(nèi)所掃過的面積相等的話,那末那個連續(xù)作用于行星的力,就是沿著徑向方向的向心力。第三，牛頓根據(jù)開普勒的第三定律,聯(lián)系惠更斯的向心加速度公式,證明了向心力的大小與行星到太陽的距離的平方成反比。34第四，牛頓又假定:這一引力的大小不僅與物體間的距離平方成反比,而且與兩個物體的質(zhì)量的乘積成正比,用公式可以表示成：c.牛頓在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律中的特殊功績第一，他把其他科學(xué)家以為只是局部天體之間的引力作用推廣到宇宙中一切具有質(zhì)量的物體之間；35第二，從理論上精確計算出這種引力的大小；第三，證明了任何兩個物體間的萬有引力可以看作集中作用于物體的質(zhì)點上；第四，從萬有引力定律可以推出行星運動的三定律。(4)牛頓對經(jīng)典力學(xué)的綜合經(jīng)典力學(xué)體系的建立：1687年出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，第一次把地面力學(xué)和天體力學(xué)統(tǒng)一起來，建立起了經(jīng)典力學(xué)體系。36在該書中,他首先給出了力學(xué)的基本概念,如質(zhì)量、動量、慣性、力及向心力下了定義,說明了絕對時間和絕對空間的含義。牛頓的運動三定律運動第一定律：是在伽利略發(fā)現(xiàn)的慣性運動基礎(chǔ)上由牛頓擴(kuò)展而成的。牛頓的表述是：任何物體將保持它的靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài),直到外力作用迫使它改變這種狀態(tài)為止?，F(xiàn)在通常的表述是:任何物體在不受外力作用(或所受外力之和為零)時,將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運動狀態(tài)不變。37運動第二定律：牛頓對運動第二定律的原始表述是:運動的變化與所施的力成正比,并沿力的作用方向發(fā)生。根據(jù)牛頓的相關(guān)表述,經(jīng)計算就可以得到：質(zhì)量的物理意義:說明:一定,越大,所需要的力就越大.38運動第三定律：牛頓的原始表述是：每一個作用總是有一個相等的作用和它相對抗；或者說,兩物體彼此之間的相互作用永遠(yuǎn)相等,并且各自指向?qū)Ψ健，F(xiàn)在的表述：兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在一條直線上。碰撞39揭示的問題：運動三定律告訴我們,自然界中沒有孤立存在的力,力總是存在于兩個相互作用的實體之間,不管這種力是通過接觸還是不通過接觸,它總是成對、同時出現(xiàn),且大小相等、方向相反。40(5)牛頓的兩句名言第一句是：“如果我比別人看得遠(yuǎn)些,那是因為我站在巨人的肩膀上?！钡诙涫牵骸拔也恢朗廊嗽鯓涌次?但我自認(rèn)為我不過是像一個在海邊玩耍的孩童,不時為找到比常見的更光滑的石子或更美麗的貝殼而欣喜,而展現(xiàn)在我面前的是全然未被發(fā)現(xiàn)的浩瀚的真理海洋。”41伽利略哥白尼開普勒惠更斯牛頓42第四章19世紀(jì)的電磁學(xué)一.電流的磁效應(yīng):奧斯特、安培前言:18世紀(jì)行將結(jié)束之際，電學(xué)達(dá)到了它的最高成就－庫侖定律．但是電與磁之間的聯(lián)系依然未被正確認(rèn)識．吉爾伯特在當(dāng)時認(rèn)為電與磁沒有什么共同性．這一看法延續(xù)了很長時間，庫侖也探討過電與磁的相關(guān)性，但在實驗上一無所獲，結(jié)果也相信電與磁沒什么關(guān)系．19世紀(jì)電磁學(xué)的大發(fā)展正從認(rèn)識到電磁的內(nèi)在統(tǒng)一性開始的．1.奧斯特:丹麥物理學(xué)家(1777~1851)青年時代就是康德哲學(xué)的崇拜者，1799年的博士論文討論的就43是康德哲學(xué)．后來他周游歐洲，成了德國自然哲學(xué)派的追隨者．1806年回國后，被母校哥本哈根大學(xué)聘為教授．2.奧斯特的研究工作:奧斯特一直堅信電磁之間一定有某種關(guān)系，電一定可以轉(zhuǎn)化為磁．在1812年的一本書中，奧斯特推測，既然電流通過較細(xì)的導(dǎo)線會產(chǎn)生熱，那么通過更細(xì)的導(dǎo)線就可能發(fā)光．導(dǎo)線的直徑再小下去，還可能產(chǎn)生磁效應(yīng)．沿著這個思路，奧斯特做了許多實驗，但都沒有取得成功．

1819年冬天，他受命于主持一個電磁講座，有機(jī)會繼續(xù)研究電流的磁效應(yīng)問題．他產(chǎn)生了一個新的想法，即電流的磁效應(yīng)可能不在電流流動的方向44上．為了驗證這個想法，他于次年春設(shè)計了幾個實驗，但還都沒有成功．1820年4月，在一次講座快要結(jié)束時，他靈機(jī)一動又重復(fù)了這個實驗，果然發(fā)現(xiàn)電流接通時附近的小磁針動了一下．奧斯特驚喜萬分，又反復(fù)實驗，終于在1820年7月發(fā)表了《關(guān)于磁針上電流碰撞的實驗》的論文。論文指出，電流所產(chǎn)生的磁力既不與電流方向相同也不與之相反，而是與電流方向相垂直。還指出，電流對周圍磁針的影響可以透過各種非磁性物質(zhì)。3.安培:法國物理學(xué)家（1775~1836)生于一個富裕的商人之家．據(jù)說他是一個心不在焉的教授，常常沉入思考而忘記周圍的一切，有一次連拿破侖的宴會.45都忘了去，但他是一位天才物理學(xué)家，不僅具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，而且精于實驗．4.安培的研究工作:奧斯特的發(fā)現(xiàn)馬上轟動了整個歐洲科學(xué)界.安培敏銳地感到這一發(fā)現(xiàn)的重要性,第二天即重復(fù)了奧斯特的實驗.一周后,他向科學(xué)院提交了第一篇論文,提出了磁針轉(zhuǎn)動方向與電流方向相關(guān)判定的右手定則.再一周后,他向科學(xué)院提交了第二篇論文,討論了平行載流導(dǎo)線之間的相互作用問題.1820年底,安培提出了著名的安培定律.安培定律指出,兩電流元之間的作用力與距離平方成反比.這一極為重要的定律構(gòu)成了電動力學(xué)的基礎(chǔ).“電動力學(xué)”的概念也是安培首先提出來的,46用來指研究運動電荷(電流)的科學(xué).與之相對的是“電靜力學(xué)”,庫侖定律則是電靜力學(xué)中的基本定律.安培之前,“電流”的概念尚未形成一個科學(xué)的概念,安培把電流的方向規(guī)定為由正極指向負(fù)極.今天我們知到,電流的本質(zhì)是電子由負(fù)極向正極的運動.安培的規(guī)定正好反了.奧斯特只是發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用,而安培卻在極短的時間里將這一發(fā)現(xiàn)推廣到電流與電流之間的相互作用,并接連發(fā)現(xiàn)作用的方向與大小,給出了判定方向的方法及計算大小的公式.除此之外,1821年初,安培進(jìn)一步提出了分子電流假說,他認(rèn)為,物體內(nèi)部每一個分子中都帶有回旋電流,47因而構(gòu)成了物體的宏觀磁性.17年后這一假說被證實.于是人們不得不驚嘆安培過人的天才.二.歐姆定律1.歐姆:德國物理學(xué)家(1789~1854),生于埃爾蘭根的匠人家里,沒有正式上過大學(xué),只在埃爾蘭根大學(xué)旁聽過,以后一直當(dāng)中學(xué)教師.2.歐姆定律的發(fā)現(xiàn):歐姆熱心于電學(xué)研究,曾多次測量過不同金屬的導(dǎo)電率.起初,他所使用的伏打電池的電流不太穩(wěn)定,使他的研究總是不理想.1822年,德國物理學(xué)家塞班克(1770~1831)發(fā)現(xiàn)了溫差電效應(yīng),從而發(fā)明了溫差48電池.由于溫差電池可以提供穩(wěn)定的電流,這使歐姆金屬導(dǎo)電率研究有了重大突破.法國數(shù)學(xué)家傅里葉已經(jīng)發(fā)現(xiàn),熱傳導(dǎo)過程中熱流量與兩點間的溫度差成正比.愛此啟發(fā),歐姆猜測電流表也應(yīng)該與導(dǎo)線兩端之間的某種驅(qū)動力成正比.他把這種驅(qū)動力叫做“驗電力”,今天我們把它稱之為電勢差.要驗證這一猜測,就必須測量電流的大小,但實際操作起來效果很差.就在奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)以后,歐姆依此原理設(shè)計了一種扭稱,就可以很方便地測量電流的大小.就這樣歐姆終于得出了著名的歐姆定律.49歐姆將他的實驗結(jié)果發(fā)表于1826年,次年又出版了《關(guān)于電路的數(shù)學(xué)研究》,給出了歐姆定律的理論推導(dǎo).但他的成果在國內(nèi)并未受到重視,甚至遭到非難.然而他的工作在國外越來越受到重視,倫敦皇家學(xué)會于1841年授予他科普利獎?wù)?1842年接受他為會員.他的祖國終于認(rèn)識到了他的價值.1849年,慕尼黑大學(xué)聘請他為教授,歐姆終于實現(xiàn)了他青年時代當(dāng)一名大學(xué)教授的理想.三.法拉第的電磁感應(yīng)定律1.法拉第:英國物理學(xué)家(1791~1867),他的一生是在逆境中頑強(qiáng)奮斗的一生.50既然電流有磁效應(yīng),科學(xué)家自然想到磁可能也會有電流效應(yīng).盡管許多人為此做了不少實驗,但磁的電流效應(yīng)并未立即被發(fā)現(xiàn).直到奧斯特的發(fā)現(xiàn)十年后,才由法拉第和美國物理學(xué)家亨利完成了這一偉大壯舉.2.實驗過程:1824年,法拉第設(shè)計了一個實驗,用以檢驗磁的電流效應(yīng).他讓兩根導(dǎo)線平行放置,然后在一根導(dǎo)線中通電,看看另一根導(dǎo)線中會不會有電流效應(yīng).他當(dāng)時希望看到導(dǎo)線中產(chǎn)生穩(wěn)定的電流,結(jié)果瞬間的電流感應(yīng)未被他注意到.以后多次實驗均無結(jié)果.51A1831年8月29日,他又設(shè)計了一個新的實驗.他在一個軟鐵環(huán)上繞了兩段線圈,一段線圈與電池相連,另一個則與電流計相連.這時他發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流接通時,電流計產(chǎn)生了強(qiáng)烈的振蕩,但不久回復(fù)到零位置,而當(dāng)電流計斷開時,電流計又發(fā)生同樣的現(xiàn)象.法拉第起先不明白這里的含義.9月24日,他將與電流計相連的線圈繞在一個鐵圓筒上,又發(fā)現(xiàn)每當(dāng)磁鐵接近或離開時,電流計都有短暫的反應(yīng),這表明,磁確實可以產(chǎn)生電,雖然只是短暫的.52AA插入拔出

同年十月1日,法拉第將兩根絕緣銅線分別繞在同一根木頭上,形成兩組線圈,一組與電池相連,另一組與電流計相連.當(dāng)電池接通或斷開時,電流計指針跳動,隨后就回到零位.17日,法拉第進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),僅僅用一根永磁棒插入或拔出線圈,就能從與線圈相連的電流計中發(fā)現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn).至此53法拉第用實驗證明了感生電流的存在.11月24日,他向皇家學(xué)會提交了一篇論文,報告了他的重大發(fā)現(xiàn).除此之外,1834年,法拉第還發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象.3.意義:感生電流的發(fā)現(xiàn)有著重大的意義,它意味著通過連續(xù)地運動磁體可以不間斷地得到電流.據(jù)說法拉第本人很快就做了一個模型發(fā)電機(jī).電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的問世預(yù)示著人類電氣時代的到來.54值得一提的是,還有一個人與法拉第同時做出了電磁感應(yīng)的偉大發(fā)現(xiàn),他就是美國物理學(xué)家亨利(1797~1878).1830年,他就初步發(fā)現(xiàn)了電流引起的磁場在通電或斷電時能產(chǎn)生瞬間電流.但他的實驗結(jié)果一直沒有發(fā)表,人們還是將電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歸功于法拉第.554.法拉第的其它貢獻(xiàn):(1).創(chuàng)造的“場”和“力線”的概念,建立了電磁感應(yīng)定律.(2).1845年法拉第發(fā)現(xiàn)了磁的旋光效應(yīng)即著名的法拉第效應(yīng).次年又提出光的本性是電力線和磁力線的振動.這一看法后來被麥克斯韋發(fā)展成為光的電磁說.(3).預(yù)言了電磁波的存在.法拉第在1832年3月12日寫給皇家學(xué)會一封信,信中說;“我認(rèn)為,磁力從磁極出發(fā)的傳播類似于起波紋的水面的振動或空氣粒子的聲振動,也就是說,我想把振動理論應(yīng)用于磁現(xiàn)象,就像對聲音所作的那樣,而且這也是光現(xiàn)象最可能的解釋.”56四.麥克斯韋的電磁理論1.面臨的問題:電磁學(xué)中的一些重要定律,如庫侖定律、安培定律、法拉第電磁感應(yīng)定律均很快被數(shù)學(xué)－物理學(xué)家用嚴(yán)密精確的數(shù)學(xué)公式數(shù)學(xué)化.但這些理論還需要高度的綜合化、系統(tǒng)化,最終形成嚴(yán)密系統(tǒng)的理論體系.2.麥克斯韋:英國物理學(xué)家(1831~1879).出生在愛丁堡一個名門望族,1847年進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理.1850年考入劍橋大學(xué),主攻數(shù)學(xué)物理學(xué).1854年大學(xué)畢業(yè),數(shù)學(xué)成績非常優(yōu)秀.1871年回到母校劍橋大學(xué)任實驗物理學(xué)教授.在這期間他親自創(chuàng)辦了卡文迪許實驗室.573.麥克斯韋的電磁理論研究(1).1855年麥克斯韋寫了《論法拉第的力線》一文,第一次試圖賦予法拉第的力線概念以數(shù)學(xué)形式,從而初步建立了電與磁之間的數(shù)學(xué)關(guān)系.麥克斯韋的理論表明,電與磁不能孤立地存在,總是不可分離地結(jié)合在一起.這篇論文發(fā)表在《英國科學(xué)促進(jìn)會報告集》中,使法拉第的力線概念由一種直觀的想象上升為科學(xué)理論.(2).1862年,麥克斯韋發(fā)表了第二篇論文《論物理學(xué)的力線》.在這篇論文中,他提出了自己首創(chuàng)的“位移電流”和“電磁場”等新概念,并在此基礎(chǔ)上給出了電磁場理論的更完整的數(shù)學(xué)表述.58(3).1864年,麥克斯韋向皇家學(xué)會宣讀了另一篇著名的論文《電磁場的動力學(xué)理論》.他認(rèn)為,變化的電場必激發(fā)磁場,變化的磁場又激發(fā)電場,這種變化著的電場和磁場共同構(gòu)成了統(tǒng)一的電磁場.電磁場以橫波的形式在空間中傳播,形成電磁波.(4).麥克斯韋提出了光的電磁理論.在建立了完整的電磁理論之后,麥克斯韋推算出了電磁波的傳播速度,并發(fā)現(xiàn)與光速十分接近.于是麥克斯韋在他的書中寫到:“電磁波的這種速度與光的速度如此之接近,好像我們有充分理由得出結(jié)論說,光本身是一種電磁干擾,它是波的形式,并按照電磁定律通過電磁場傳播.”59(1).1857年,麥克斯韋曾提出土星光環(huán)的顆粒構(gòu)成理論.他認(rèn)為:這個光環(huán)從地球上看上去很像一個圓盤,但如果它果真是一個固體或流體的結(jié)構(gòu),那么引力和離心力等作用必定會使它分崩離析,除非它是一條帶狀的小天體群,否則不會保持穩(wěn)定.4.麥克斯韋其它方面的科學(xué)成就(2).麥克斯韋在分子運動論領(lǐng)域做出過重要貢獻(xiàn).他曾提出一個假想的實驗以表明熱量可以由低溫向高溫逆流,但環(huán)境要付出更大代價.601.赫茲簡介:德國物理學(xué)家(1857～1894)。生于漢堡。父親為律師，后任參議員；家庭富有。赫茲在少年時期就表現(xiàn)出對實驗的興趣，12歲時便有了木工工具和工作臺，以后又有了車床，常常用以制作簡單的實驗儀器。1876年進(jìn)入德累斯頓工學(xué)院學(xué)習(xí)工程,由于對自然科學(xué)的愛好,轉(zhuǎn)入慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，第二年又轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，在亥姆霍茲指導(dǎo)下學(xué)習(xí)并進(jìn)行研究工作。1880年他以純理論性工作的《旋轉(zhuǎn)導(dǎo)體電磁感應(yīng)》論文獲得博士學(xué)位，成為亥姆霍茲的助手。1883年到基爾大學(xué)任教。1885～1889年任卡爾斯魯厄大學(xué)物理學(xué)教授，五.電磁波的實驗發(fā)現(xiàn)611886年開始進(jìn)行使他聞名世界的關(guān)于電磁波的實驗工作。1889～1894年任波恩大學(xué)物理學(xué)教授接替R.克勞修斯的席位。1894年1月1日因血中毒而實施外科手術(shù),手術(shù)失敗不幸在波恩逝世，當(dāng)時年僅36歲。為了紀(jì)念他發(fā)現(xiàn)電磁波的卓越貢獻(xiàn)，將頻率的單位命名為赫茲，現(xiàn)行國際單位制(SI)仍沿用。赫茲在物理學(xué)上的貢獻(xiàn)主要是發(fā)現(xiàn)電磁波。2.電磁波的發(fā)現(xiàn):第一階段:從1878年開始,赫茲就至力于電磁波的實驗研究.1886年,他在做放電實驗時發(fā)現(xiàn)近處的線圈也發(fā)出火點,他敏銳地意識到這可能是電磁波在起作用.62第二階段:赫茲設(shè)計了一個振蕩電路用來在兩個金屬球之間周期性地發(fā)出電火花,按照麥克斯韋理論,在電火花出現(xiàn)時應(yīng)該有電磁波發(fā)出.然后赫茲又設(shè)計了一個有缺口的金屬環(huán)狀線圈,用來檢測電磁波.結(jié)果,當(dāng)振蕩電路發(fā)出火花時,金屬缺口處果然也有較小的火花出現(xiàn).這也就證明了電磁波的確存在.第三階段:赫茲進(jìn)一步在不同的距離觀測檢測線圈,從而根據(jù)電火花的強(qiáng)度變化大致算出了電磁波的波長.63最后,赫茲在1888年1月發(fā)表的相關(guān)論文當(dāng)中證明了電磁波具有與光完全類似的特性,還證明了電磁波的傳播速度與光速有相同的數(shù)量級.赫茲的實驗發(fā)現(xiàn)不僅證明了麥克斯韋理論的正確,也為人類利用無線電波開辟了道路.64赫茲實驗示意圖65

3.電磁波的應(yīng)用:發(fā)現(xiàn)電磁波產(chǎn)生的巨大影響，連赫茲本人也沒料到。在他發(fā)現(xiàn)電磁波的第二年，有人問他，電磁波是否可以用作無線電通訊，赫茲不敢肯定。但是,赫茲研究電磁波無意中丟下的種子，卻很快在異地開花結(jié)果了。

在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6年，意大利的馬可尼、俄國的波波夫分別實現(xiàn)了無線電傳播，并很快投人實際使用。其他利用電磁波的技術(shù)，也像雨后春筍般相繼問世。無線電報（1894年）、無線電廣播（1906年）、無線電導(dǎo)航（1911年）、無線電話（1916年）、短波通訊（1921年）、無線電傳真66（1923年）、電視（1929年）、微波通訊（1933年）、雷達(dá)（1935年），以及遙控、遙感、衛(wèi)星通訊、射電天文學(xué)……它們使整個世界面貌發(fā)生了深刻的變化。

67赫茲歐姆68法拉第安培庫侖麥克斯韋69丹麥物理學(xué)家－奧斯特70第五章物理學(xué)革命序言：19世紀(jì)末由于光學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)的統(tǒng)一使物理學(xué)顯示出一種形式上的完整，被譽(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗的廟堂”。

1900年４月27日，英國物理學(xué)家開爾文作了題為《熱和光的動力理論上空的19世紀(jì)之烏云》的長篇講演，指出經(jīng)典物理學(xué)本來十分晴朗的天空上出現(xiàn)了兩朵烏云－－以太漂移和黑體輻射。

71第一節(jié)物理學(xué)革命的發(fā)端一．Ｘ射線的發(fā)現(xiàn)：起源于對陰極射線的研究１．起因：電磁學(xué)建立之后，人們對氣體放電現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。當(dāng)時，人們首先想到的是在實驗室條件下如何模擬大自然中的雷電現(xiàn)象。起初，人們把玻璃管中的氣體加上高電壓進(jìn)行觀察，果然得到了放電現(xiàn)象。實際上，物理學(xué)天空上的烏云何止兩朵。大量的新現(xiàn)象與已成的完美體系的經(jīng)典理論之間的矛盾日漸突出。也正是這兩朵烏云帶來了世紀(jì)之交的一場物理學(xué)革命，在這場革命中誕生了相對論和量子力學(xué)。72(2)1859年，德國物理學(xué)家呂克（1801~1868）用“蓋斯勒真空管”進(jìn)行真空放電實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)高壓電荷通過放電管時,陰極一端出現(xiàn)放電現(xiàn)象,而對著陰極的管壁會發(fā)出綠色的輝光,成功地實現(xiàn)了人工放電.(3)1869年，德國物理學(xué)家希托夫（1824~1914）證明，放在陰極與玻璃壁之間的障礙物，可以在玻璃壁上投射陰影。(1)1854年，德國玻璃工蓋斯勒（1814~1879）發(fā)明了以他的名字命名的真空管,為研究真空放電、發(fā)光現(xiàn)象提供了物質(zhì)手段73(4)1876年,德國物理學(xué)家戈爾茨坦(1850~1931)對“綠色輝光”作了解釋,認(rèn)為這是由陰極上產(chǎn)生的某種射線引起的，稱為“陰極射線”。關(guān)于“陰極射線”的本質(zhì)，當(dāng)時德國一些科學(xué)家認(rèn)為，它是一種光波。而英國物理學(xué)家克魯克斯（1832~1919)等人則認(rèn)為，陰極射線可能是某種微粒。74(5)1879年，克魯克斯自制了一種比蓋斯勒真空管真空度更高的“克魯克斯管”，再次進(jìn)行放電實驗，由于這種真空管真空度高，放電時沒有輝光，克魯克斯發(fā)現(xiàn)，從陰極射線射出的一種射線碰到玻璃管壁或硫化鋅等物質(zhì)時會發(fā)出熒光，特別是發(fā)現(xiàn)了陰極射線在磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而斷定陰極射線是某種粒子流。關(guān)于陰極射線的本質(zhì)的爭論，持續(xù)了20年之久，結(jié)果導(dǎo)致了幾項轟動世界的重大發(fā)現(xiàn)，首先是Ｘ射線的發(fā)現(xiàn)75（２）發(fā)現(xiàn)過程：1895年，倫琴也選用了克魯克斯管重新進(jìn)行陰極射線實驗，目的是為了準(zhǔn)確觀察陰極射線的熒光作用。２．X射線的發(fā)現(xiàn)（１）倫琴簡介：倫琴（1845~1923）生于德國．（略）76倫琴用黑紙將實驗用的放電管嚴(yán)密地包裹起來，以免放電管受到外界環(huán)境干擾。準(zhǔn)備就緒后，他接通了放電管的高壓電源，在黑暗中，他發(fā)現(xiàn)１米以外的實驗屏上閃爍著綠色的微光。經(jīng)反復(fù)實驗倫琴斷定它是一種新的射線。77３．Ｘ射線的特點：（１）這種射線能激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光。（２）能通過密封的黑色紙使照相底片感光。（３）可以顯示出衣袋里的錢幣和手掌的骨骼，穿透力極強(qiáng)。（４）不在磁場中偏轉(zhuǎn)，說明它不是陰極射線。４．X射線發(fā)現(xiàn)的科學(xué)價值和意義:78

第一,它迅速被用于外科診斷,X射線發(fā)現(xiàn)后的第4天,美國人就用于透視腳部彈片的位置。后來又應(yīng)用到冶金學(xué)，成為研究晶體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種手段。第二，Ｘ射線被譽(yù)為“領(lǐng)路鳥”，它的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了元素放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。提問:倫琴的成功說明了什么?二．元素放射性的發(fā)現(xiàn)１．原由：元素放射性的發(fā)現(xiàn)源于人們對Ｘ射線源的探究．792．貝克勒爾簡介：貝克勒爾（1852~1906)是法國物理學(xué)家,出生在巴黎.他受過良好的教育，1892年獲得博士學(xué)位。1892年他開始在巴黎自然博物館擔(dān)任應(yīng)用物理學(xué)教授。1895年貝克勒爾成為巴黎綜合工科學(xué)校的物理學(xué)教授。1896年就是在這所學(xué)校他做出了使他成名的偉大發(fā)現(xiàn)。803．貝克勒爾的實驗研究（１）實驗方法：采用硫酸鉀鈾作實驗材料，將其包好，放在用黑紙包好的底片上，一起放在太陽光下爆曬．（２）實驗結(jié)果：底片上顯示出鈾鹽包的輪廓，即底片感光了．（３）初步結(jié)論：該熒光物質(zhì)能發(fā)射出穿透不透光的紙的輻射，同時認(rèn)為：底片感光是伴隨熒光而產(chǎn)生的Ｘ射線引起的．81（４）意外收獲：因連續(xù)陰天，鈾鹽包無法在太陽底下爆曬發(fā)出熒光，但鈾鹽照樣可以使底片感光．（５）推斷結(jié)果：底片感光與鈾鹽是否經(jīng)過爆曬而發(fā)熒光無關(guān)．這種現(xiàn)象必定是鈾鹽連續(xù)發(fā)出的一種類似Ｘ射線的神秘射線穿透黑紙所致．（６）進(jìn)一步研究：發(fā)現(xiàn)：不論是熒光物質(zhì)還是非熒光物質(zhì)，只要是含鈾的化合物，都能自動發(fā)出這種射線，而放出這種射線的物質(zhì)就是鈾．－－人們把這種天然放射線稱為“貝克勒爾射線”82４．居里夫婦的研究（１）放射性僅僅是鈾元素的一種性質(zhì)．法國物理學(xué)家皮埃爾·居里(1859~1906)和瑪麗·居里(1867~1934)發(fā)現(xiàn)鈾的輻射強(qiáng)度正比于化合物中鈾的含量，與化合物中其它元素?zé)o關(guān)，這說明放射性僅僅是鈾的一種性質(zhì)．83（２）尋找放射性元素．1898年4月2日,居里夫人宣布發(fā)現(xiàn)釷元素具有放射性,這說明放射性決不是某個元素獨有的性質(zhì)。之后又通過異常艱苦而繁重的實驗發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)400倍的新元素釙（Po),接著同年12月又發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)200萬倍的鐳（Ra）．最后用“分步結(jié)晶法”提煉出0.12克的濃縮鐳化合物－－氯化鐳,并測定了鐳的原子量為225（現(xiàn)在已知鐳的原子量是226）．845．元素放射性的發(fā)現(xiàn)的科學(xué)意義（１）它打破了以道爾頓為首的原子不可再分的陳舊觀念，證明原子不是組成物質(zhì)的最小單位，它還可以再分．（２）它預(yù)示人類將獲取一種新能源－－原子能．元素在放出射線的同時產(chǎn)生大量的熱能，即：用很少的物質(zhì)，可以獲得很高的能量．展示了能源的美好前景．85６．天然射線的本質(zhì)的研究（１）問題：天然射線的本質(zhì)是什么？元素放出射線后變成了什么？（２）盧瑟福簡介：盧瑟福（1871~1937）是新西蘭籍英國物理學(xué)家．他生于新西蘭的納爾遜附近的泉林村，父親是農(nóng)民和工匠，母親是鄉(xiāng)村教師．1894年從坎特布雷學(xué)院畢業(yè)，1895年考取了大英博覽會獎學(xué)金，進(jìn)英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室學(xué)習(xí)．開始時以研究無線電為主，1896年接受卡文迪許實驗室主任湯姆遜的建議，把研究方向轉(zhuǎn)到放射性上．86（３）天然射線的本質(zhì)：1899年，盧瑟福等人通過把鈾放在強(qiáng)磁鐵環(huán)境中，令鈾射線偏轉(zhuǎn)，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：天然射線是由兩種帶電的射線組成的．一種是帶正電的射線（稱為射線），一種是帶負(fù)電的射線（稱為射）．后來證明射線就是氦核，射線就是負(fù)電子流．

1900年法國化學(xué)家維拉德（1860~1934）又發(fā)現(xiàn)天然射線中還包括一種不帶電的射線，命名為射線．1914年，盧瑟福等人證明，射線和Ｘ射線相似，也是一種電磁波，只是波長比Ｘ射線短得多．87７．放射性元素的蛻變：經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，原來的放射性元素放出射線后，變蛻變成其它元素，比如“鐳”放射出射線后變成“氡”．“鐳”的同位素放射出射線后變成釙．88三．電子的發(fā)現(xiàn)１．兩種觀點：第一種是以赫茲、勒納德（1862~1947）為首的以太波派．1892年，他們將放電管的壁上開個薄鋁窗，發(fā)現(xiàn)陰極射線像陽光一樣穿透鋁窗，射入空氣中，故認(rèn)為陰極射線是一種以太波。第二種觀點是以克魯克斯和法國的佩蘭為代表的微粒說，克魯克斯曾用磁鐵使陰極射線偏轉(zhuǎn)，預(yù)示它是一種粒子流。1895年，佩蘭發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁極倒轉(zhuǎn)時，射線就向反向偏轉(zhuǎn)，說明它帶有電荷，后來又證明它是從陰極發(fā)出的帶負(fù)電的微粒流。89２．湯姆遜簡介：湯姆遜（1856~1940）是英國物理學(xué)家。出生于英國的曼徹斯特，他的父親以售書為業(yè)，他是因為無錢學(xué)工程而學(xué)習(xí)物理的。在他取得學(xué)位之前，他的父親就去世了，他只能靠助學(xué)金維持學(xué)業(yè)。1876年，他獲得了劍橋的數(shù)學(xué)獎學(xué)金而進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院深造；1906年，由于他在“氣體導(dǎo)電方面的理論和實驗研究”而獲得了諾貝爾物理獎學(xué)金。90

1897年,英國物理學(xué)家湯姆遜重新設(shè)計了克魯克斯管，令陰極射線在電場和磁場中均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，證實了陰極射線是帶電的微粒子流，并測得了微粒子的速度與它的荷子比之間的關(guān)系，同時荷子比與電極材料無關(guān)，說明這種粒子是各種物質(zhì)的共同組成．后來湯姆遜和美國物理學(xué)家米利肯（1868~1953)等人作了精密的測定和計算,得出了這種物質(zhì)的電荷為(？)．利用所測得的荷質(zhì)比的數(shù)值，可以算出這種粒子的質(zhì)量為（？），約為氫原子質(zhì)量的．這表明，這種粒子不再是一種３．陰極射線的本質(zhì)是帶電的微粒子流91假設(shè)，而是一種實實在在的物質(zhì)粒子，它是原子的組成部分，這種粒子就采用了1891年英國物理學(xué)家斯通尼（1826~1911)的定名,稱為“電子”.電子的發(fā)現(xiàn)實際上也是一個國際性的發(fā)現(xiàn),但湯姆遜起了決定性的作用.４．電子的發(fā)現(xiàn)的科學(xué)意義：電子的發(fā)現(xiàn)及其性質(zhì)的研究，打開了原子世界的大門，開創(chuàng)了物理學(xué)的新時代，為量子力學(xué)的創(chuàng)立奠定了理論基礎(chǔ)，成為通向這一王國的序曲，同時也揭開了電的本質(zhì)，打消了人們對電的神秘感．92第二節(jié)量子理論的創(chuàng)立一．“紫外災(zāi)難”和普朗克量子論的誕生１．“紫外災(zāi)難”：1900年，英國物理學(xué)家瑞利(1843~1912)根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)和電磁理論，推出了黑體輻射的能量分布公式．該公式在長波部分與實驗比較符合，但在短波部分卻出現(xiàn)了無窮值，而實驗結(jié)果在短波部分趨于零．在短波部分理論與實驗結(jié)果的嚴(yán)重背離，被稱之為“紫外災(zāi)難”．93２．維恩公式：1893年，德國物理學(xué)家維恩（1864~1928）發(fā)現(xiàn)黑體的溫度(絕對溫度)同所發(fā)射能量最大的波長成反比,稱為維恩位移定律,這一定律是由麥克斯韋電磁理論推出來的.1896年他又通過半理論半經(jīng)驗的辦法，找到了一個用來描述能量分布曲線的輻射定律，也叫維恩公式，這個定律在短波部分與實驗相符，但在長波那部分卻偏離很大．94３．瑞利－愛因斯坦－金斯定律：1905年６月英國物理學(xué)家金斯（1877~1946）修正了瑞利定律,以后人們將其通稱為瑞利－金斯定律．不過經(jīng)考證愛因斯坦在金斯前三個月就提出了這一定律的正確形式．故這一定律應(yīng)該稱為瑞利－愛因斯坦－金斯定律．這一定律是從經(jīng)典理論推出來的，它在長波部分漸近于實驗曲線，但在短波部分卻相差甚遠(yuǎn)，對此,1911年猶太血統(tǒng)的物理學(xué)家埃倫菲斯特（1880~1933)將其稱為“紫外災(zāi)難”.這場“災(zāi)難”是經(jīng)典物理無法克服的.95４．普朗克量子論的誕生（２）普朗克公式的建立：普朗克早期從事熱力學(xué)研究，1894年，開始把注意力轉(zhuǎn)向了黑體輻射問題.1899年，他從熱力學(xué)導(dǎo)出了維恩的輻射定律，同年年底得知維恩定律同實驗有偏離．1900年10月7日，魯本斯夫婦訪問普朗克時，告訴他，瑞利于當(dāng)年６月提出的輻射定律在長波部分同實驗結(jié)果一至．（１）普朗克簡介：普朗克（1858~1947)出生于德國的基爾，1867年隨全家遷居慕尼黑．1874年普朗克考入慕尼黑大學(xué)．1879年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，取得博士學(xué)位，之后開始研究物理學(xué)．96普朗克受到啟發(fā)，他采用數(shù)學(xué)方法去尋找新的輻射定律，使它既在長波部分漸近于瑞利定律，又在短波部分漸近于維恩定律．當(dāng)晚他把1899年的公式加以修改．得到了滿足上述要求的公式－普朗克公式．（３）量子論的誕生問題：普朗克公式為什么在長波部分像瑞利公式，在短波部分像維恩公式？97為了尋找普朗克公式的理論根據(jù)，普朗克緊張地工作了兩個多月，終于發(fā)現(xiàn)要對這個公式作出合理的解釋，唯一可能的出路是做一個大膽的假設(shè)，即物體在發(fā)射和吸收輻射時，能量不是連續(xù)變化的，而是以一定數(shù)量的整數(shù)倍跳躍式地變化．也就是說，在輻射的發(fā)射或吸收過程中，能量不是無限可分的，而是有一個最小的單元．這個不可分的能量單元，普朗克稱之為“能量”或“量子”．它的數(shù)值為普朗克恒量輻射頻率981900年12月14日，普朗克向德國物理學(xué)會宣讀了題為《關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論》一文，報告了他的大膽的假設(shè)，這就是量子論的誕生．（4）“能量子假說”的科學(xué)意義：“能量子假說”是對經(jīng)典物理的重大突破，它引起了物理學(xué)理論的根本變革，導(dǎo)致了光量子論、玻爾原子結(jié)構(gòu)模型、物質(zhì)波的發(fā)現(xiàn)及量子力學(xué)的創(chuàng)立。99５．愛因斯坦的光量子論（１）愛因斯坦簡介：（略）（２）光量子論：愛因斯坦于1905年3月寫了一篇論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性的觀點》.在文章中,愛因斯坦認(rèn)為能量的不連續(xù)性不僅表現(xiàn)在輻射的發(fā)射和吸收過程中，即使在空間傳播過程中輻射也是不連續(xù)的．也是由不可分割的一個個的能量子組成的．即：光在傳播過程中，能量是不連續(xù)地分布于空間，它是由分立的能量子組成的．愛因斯坦把這些能量子稱為“光量子”，也稱為“光子”．100光子的能量與它對應(yīng)的光頻率之間的關(guān)系為（３）光的本質(zhì)：18世紀(jì),物理學(xué)家們曾對此展開一場激烈的爭論．一派是以牛頓為代表的微粒說．另一派是以惠更斯為代表的光的波動說．爭論的結(jié)果微粒說勝利．19世紀(jì)，在大量事實的支持下，光的波動說又占了統(tǒng)治地位．20世紀(jì)初的1909年，愛因斯坦明確提出,光不僅具有粒子性,而且具有波動性,即:波粒二象性.最終使人們對光的本質(zhì)有了全面的了解.101(4)光電效應(yīng)問題:所謂光電效應(yīng),就是指當(dāng)以一定的頻率范圍的光照射金屬表面時便會發(fā)射出電子來.對這一現(xiàn)象的解釋,光的波動說無能為力,愛因斯坦用光量子論對其進(jìn)行了輕而易舉的、完美的說明，用十分簡潔的語言徹底地解決了這個問題．102（５）光電效應(yīng)的解釋：愛因斯坦認(rèn)為，光電效應(yīng)本質(zhì)上是光子與電子交換能量的表現(xiàn)．當(dāng)光子撞擊到金屬表面時，金屬中的電子可以獲得它的全部能量．這一能量可分為兩部分，一部分用以克服金屬表面吸引力所作的功；另一部分則變?yōu)殡娮拥膭幽埽ü怆娦?yīng)方程）103（６）光量子論的實驗驗證：光量子論是經(jīng)過美國兩位實驗物理學(xué)家米利肯（1868~1953)和康普頓（1892~1962)的工作得以確認(rèn).米利肯用了10年時間檢驗愛因斯坦的光電效應(yīng)公式,結(jié)果同他的“一切希望相反”,光電效應(yīng)公式是成立的.康普頓于1922年發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)，并最終認(rèn)識到這一效應(yīng)只能用光量子論來解釋．６．玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論104（１）玻爾簡介：玻爾（1885~1962）是推廣、應(yīng)用與發(fā)展量子論的又一科學(xué)家。玻爾出生在哥本哈根一個頗有聲望的知識分子家庭，祖父是語言學(xué)家，父親是哥本哈根大學(xué)生物學(xué)教授。玻爾18歲進(jìn)入哥本哈根大學(xué)物理系學(xué)習(xí)。1911年入英國劍橋大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)深造，在這里結(jié)識了他的良師益友盧瑟福，在他的鼓勵和幫助下完成了他的原子結(jié)構(gòu)理論。玻爾一直堅持量子論這塊陣地，成為這場物理學(xué)革命中的風(fēng)云人物以及這場革命的主力部隊—哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)導(dǎo)人。105（2）盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型：1911年，他在前人各種模型基礎(chǔ)上，并結(jié)合粒子散射實驗的結(jié)果進(jìn)行推測：原子的正電荷必定要集中在半徑為厘米的范圍內(nèi)，而原子的半徑卻有這說明原子內(nèi)部大部分是空虛的，根據(jù)這一模型他推出了

粒子散射的公式。這一模型得到了德國物理學(xué)家蓋革（1882~1945）和英國物理學(xué)家馬斯登通過一系列

粒子對金屬箔的散射實驗所證實，并得到公認(rèn)。厘米。106（3）盧瑟福原子模型存在的問題:第一,未能說明電子怎樣繞核運動;第二，不能解釋原子的穩(wěn)定性和原子的線狀光譜。（4）玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容：第一，1913年，他發(fā)表了三篇關(guān)于《原子和分子的結(jié)構(gòu)》的長達(dá)71頁的論文，其中提出了三條假設(shè)：<1>電子只能在一些特定的圓形軌道上繞原子核運行,在這些軌道上,電子的角動量是的整數(shù)倍。不同軌道的電子能量不同。<2>電子在特定軌道上運行時，既不發(fā)射能量，也不吸收能量，是穩(wěn)定的，玻爾稱這種狀態(tài)為定態(tài)。107<3>當(dāng)電子從高能量的軌道（定態(tài)）“躍遷”到較低能量的軌道時，就要發(fā)出輻射，輻射的頻率滿足下列關(guān)系式：反之，如果電子從低能量的軌道“躍遷”到高能量的軌道時，就是輻射的吸收過程。第二，玻爾不僅用“定態(tài)”、“躍遷”概念成功地解釋了原子的穩(wěn)定性，而且用自己的理論對簡單的氫原子結(jié)構(gòu)作了詳細(xì)的計算，所得結(jié)果與光譜分析所得的實驗數(shù)據(jù)完全符合，使長期以來一直無法解釋的經(jīng)驗公式得到了統(tǒng)一的理論解釋。玻爾理論被愛因斯坦譽(yù)為“最偉大的發(fā)現(xiàn)之一”。玻爾也因此獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎。108（5）玻爾理論的局限性：玻爾沒有完全拋棄經(jīng)典物理的力場。其表現(xiàn)為：第一，他仍然把微觀粒子當(dāng)作古典力學(xué)的質(zhì)點，仍然采用軌道概念，并用古典理論來計算軌道半徑。第二，他的理論還不能很好地解釋比氫原子更復(fù)雜的原子譜線。７．德布羅意的物質(zhì)波理論（１）德布羅意簡介：路易·德布羅意（1892—1987年）生于法國塞納河畔迪埃普，出身于貴族，中學(xué)畢業(yè)后，他進(jìn)入巴黎大學(xué)學(xué)習(xí)，最初學(xué)習(xí)歷史、法律，1910年獲學(xué)士學(xué)位。109在學(xué)習(xí)期間受到他的哥哥莫里斯·德布羅意研究X射線的影響，對科學(xué)發(fā)生興趣，大學(xué)畢業(yè)后改學(xué)物理，1913年獲得“科學(xué)證書”。第一次世界大戰(zhàn)期間，在埃菲爾鐵塔上的軍用無線電報站服役六年。戰(zhàn)后，他重新鉆研物理并在他哥哥的實驗室參加實驗研究工作。1924年獲巴黎大學(xué)科學(xué)博士學(xué)位，1928年任巴黎大學(xué)理論物理教授，1929年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，1933年被選為法國科學(xué)院院士。他研究物質(zhì)波是受了愛因斯坦光量子論的啟發(fā)，他在晚年回憶中說：“經(jīng)過長期的孤寂的思索和遐想之后，在1923年，我驀然想到：愛因斯坦在1905年間作出的發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)加以推廣，使它擴(kuò)展到包括一切物質(zhì)粒子，尤其是電子。110（2）德布羅意的物質(zhì)波思想：他認(rèn)為愛因斯坦的光量子論公式不僅適用于光子，也適用于電子，也就是說，電子不僅具有粒子性，也具有波動性。它的波長為：注：v為電子在1伏特電位差的電場中的運動速度111第二，他預(yù)言，電子穿過小孔時，會像光一樣顯現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，第三，他還進(jìn)一步提出，關(guān)于自由粒子的新的動力學(xué)和舊的動力學(xué)之間的關(guān)系，完全同波動光學(xué)和幾何光學(xué)之間的關(guān)系一樣（3）微觀粒子的波粒二象性：德布羅意預(yù)言的電子波具有衍射現(xiàn)象，1927年經(jīng)美國的戴維遜（1881~1958）和英國物理學(xué)家G.P.湯姆遜(1892~1975)所證實。實驗證實了電子和光子一樣，不僅具有粒子性，而且具有波動性。后來很多實驗都證實，不僅電子而且質(zhì)子、原子、分子都具有波動性。1128.量子力學(xué)的的創(chuàng)立（一）海森堡的矩陣力學(xué)和測不準(zhǔn)關(guān)系（1）海森堡簡介：德國青年物理學(xué)家海森堡（1901~1976）早年就讀于慕尼黑大學(xué)和哥廷根大學(xué)，1923年獲博士學(xué)位后，于1924~1927年在哥本哈根物理研究所深造，在玻爾的領(lǐng)導(dǎo)下從事量子論的研究工作，在德布羅意之后創(chuàng)立了矩陣力學(xué)，提出了測不準(zhǔn)關(guān)系。1932年因提出原子核是由質(zhì)子和中子組成的理論，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，晚年至力于統(tǒng)一場論的研究。113（2）玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論的局限：海森堡在考察了玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論后，認(rèn)為玻爾的軌道假說是一個不可觀察的假說，實驗依據(jù)不足，可以說是虛構(gòu)的。第一，如果電子確實有軌道的話，應(yīng)當(dāng)在原子的定態(tài)特性和輻射特性中表現(xiàn)出來，但是任何實驗都不能說明電子按一定軌道運行。第二，在觀察中，人們只知道原子所發(fā)出的光的頻率和強(qiáng)度這兩個觀察量。114（3）海森堡的矩陣力學(xué)的建立：海森堡大膽地拋棄了軌道概念，在可觀察到的原子發(fā)出的光的頻率和強(qiáng)度這些光學(xué)量的基礎(chǔ)上，以代數(shù)為工具，提出了一套數(shù)學(xué)方案，后經(jīng)哥廷根大學(xué)物理學(xué)家玻恩（1882~1970）和他的學(xué)生約爾丹用數(shù)學(xué)的矩陣方法把海森堡的思想發(fā)展成系統(tǒng)的理論，即矩陣力學(xué)。115（4）海森堡提出的測不準(zhǔn)關(guān)系：海森堡認(rèn)為，在微觀世界中，對于質(zhì)量極小的粒子來說，每次觀察都意味著對它們行為的重大干涉；宏觀儀器對微觀粒子的干擾不可忽視，也無法控制，測量的結(jié)果同粒子的原來狀態(tài)不完全相同，事實同測量本身直接相關(guān)，于是他提出了測不準(zhǔn)關(guān)系。目前測不準(zhǔn)關(guān)系已被認(rèn)為是微觀粒子的客觀特性，是表明微觀粒子基本性質(zhì)的一個重要原理，決不僅僅是當(dāng)初所想的測量手段問題了。116(二)薛定鄂的波動力學(xué)(1)薛定鄂簡介:薛定鄂(1887~1961)是奧地利物理學(xué)家.其父是企業(yè)家,母親是教授的女兒,研究過化學(xué).薛定鄂是獨生子,其父是他的“朋友、老師和不倦的談話伙伴”。薛定鄂早年就讀于維也納大學(xué)，他興趣廣泛，多才多藝，喜歡語法、詩歌、戲劇，特別傾心于數(shù)學(xué)和物理，是一位能說4種語言，出過詩集的科學(xué)家。（2）薛定鄂方程：在愛因斯坦光量子論和德布羅意的物質(zhì)波思想的啟發(fā)下，試圖找一個更為普遍的理論，于是他將德布羅意的物質(zhì)波理論進(jìn)行推廣，最終找到了一個普遍適用的公式。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：117注：式中，m為粒子的質(zhì)量，w為粒子的總能量，V為粒子位于空間（x,y,z)點時的位能，為波函數(shù)。（3）薛定鄂方程的意義：它深刻地揭示了微觀客體的運動規(guī)律，提供了系統(tǒng)的、定量的處理原子結(jié)構(gòu)問題的理論，是原子物理中應(yīng)用最廣的公式。118(4)量子力學(xué)創(chuàng)立的重大意義:量子力學(xué)從普朗克開始,經(jīng)過愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定鄂、狄拉克等人的努力，于20世紀(jì)30年代形成一種完整的理論體系,成為適用于自然界一切微觀領(lǐng)域的普遍適用的理論,它從根本上改變了經(jīng)典物理觀念,為物理學(xué)的發(fā)展開辟了廣闊的前景。119第三節(jié)相對論的創(chuàng)立一．“以太漂移”實驗和相對論的先驅(qū)1.“以太”:該詞原于希臘,意思為高空.1664年笛卡爾首先把它用于科學(xué);胡克、惠更斯等人都假設(shè)“以太”存在，并用以解釋光學(xué)現(xiàn)象；19世紀(jì)，科學(xué)家們把它當(dāng)做光、電、磁現(xiàn)象的傳播媒介而上升為物理學(xué)的中心研究課題，其代表人物為開爾文，該學(xué)派認(rèn)為，“以太”是一種有彈性、可壓縮的無引力、靜止的固體。牛頓、麥克斯韋都借助于“以太”來完成他們的理論體系。1202．“以太”遇到的困難：其一，既然“以太”是彈性固體，那么，行星沉浸在“以太”中進(jìn)行運動總會受到阻滯作用，但是天文觀測卻從沒有察覺出天體受到這種阻滯作用。其二，既然靜止的“以太”充滿了宇宙空間，那么，處于“以太”海洋中的地球要以每秒30公里的速度繞太陽運行，勢必受到“以太”的阻力，地球上的人就應(yīng)該感到有每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來。

相對論就誕生于對“以太”遇到的困難的克服之中。1213．尋找“以太”：1876－1887年，美國實驗物理學(xué)家邁克爾遜（1852~1931）在美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷的協(xié)助下，作了搜索“以太風(fēng)”的實驗－邁克爾遜-莫雷實驗。該實驗的精確度高達(dá)40億分之一，觀察了5年，絲毫沒有“以太漂移”跡象。4．“以太”的命運：假如放棄“以太”說,又難以解釋麥克斯韋的電磁波理論;假如承認(rèn)“以太”說,又找不到證據(jù).對此科學(xué)家們采取了兩種不同的態(tài)度：一派仍維護(hù)“以太”假說，但要找一個辦法能使其自圓其說，兩全其美；另一派則拋棄“以太”說，另辟蹊徑。但兩派的工作結(jié)果實際上趨于一至。122

維護(hù)“以太”說的科學(xué)家有荷蘭物理學(xué)家洛倫茲（1853~1928）及愛爾蘭物理家家斐茲杰惹（1851~1901）等人。主張拋棄“以太”說的科學(xué)家有彭加勒（1854~1921）和愛因斯坦。二．狹義相對論（新時空觀）的創(chuàng)立１．兩個基本假設(shè)：第一個假設(shè)是相對性原理，即物體運動狀態(tài)的改變與選擇任何一個參照系無關(guān)；第二個假設(shè)是光速不變原理，即對任何一個參照系而言，光速都是相同的。愛因斯坦從兩個基本假設(shè)及“同時性”的相對性出發(fā)，得出了新的結(jié)論－狹義相對論。123２．狹義相對論第一，一個物體相對于觀察者是靜止的時候，它的長度測量值最大；如果相對于觀察者以速度v運動時，那么沿相對運動方向上，它的長度要縮短，速度越快，縮短越大，即運動著的尺子要縮短，其長度收縮公式為：124第二，時鐘對于觀察者靜止時，走得快，如果它相對于觀察者以速度v運動時，那么它就變慢了，即運動著的時鐘要變慢，其時鐘變慢公式為：125３．狹義相對論的相關(guān)內(nèi)容（1）宇宙沒有標(biāo)準(zhǔn)鐘和標(biāo)準(zhǔn)尺，時間、空間都與運動狀態(tài)有關(guān)，隨著物質(zhì)運動速度的變化而改變。（2）在任何慣性系中，物體的運動速度都不能超過光速。（3）如果物體的運動速度比光速小很多（）相對論變成了牛頓力學(xué)，即牛頓力學(xué)作為一個特例包括于相對論之中，也就是說相對論力學(xué)比牛頓力學(xué)更具有普遍意義。126（4）物體的質(zhì)量是它所含能量的量度，即：上述公式說明：利用很少的物質(zhì)就能產(chǎn)生巨大的能量。這一公式奠定了原子能的理論基礎(chǔ)。127４．狹義相對論的重大意義：

第一，它從根本上拋棄了經(jīng)典力學(xué)中牛頓的絕對時空觀，牛頓把時空與物質(zhì)運動割裂開來，認(rèn)為空間“是與外界任何事物無關(guān)”的“絕對空間”，時間是“與任何其他外界事物無關(guān)”的“均勻的”、“流逝著”的絕對時間。

愛因斯坦認(rèn)為時間、空間不僅與物質(zhì)不可分割，而且隨物質(zhì)運動狀態(tài)而改變，為辯證唯物主義關(guān)于時間、空間是物質(zhì)的存在方式的原理提供了堅實的自然科學(xué)的證明。

第二，它否定了“以太”的存在。

第三，它揭示了時間、空間不可分割性，證明了時空存在著內(nèi)在的、本質(zhì)的聯(lián)系。128５．愛因斯坦的遺囑:后事不發(fā)訃告,不建墳?zāi)?不立紀(jì)念碑,免除花卉布置和音樂典禮,把骨灰灑在不為人知的地方.火葬儀式上,他的遺囑執(zhí)行人,宣讀了德國詩人歌德為他的亡友席勒寫的一首詩,以表對他的評價和懷念.這首詩是:

“我們都獲益不淺，

全世界都感謝他的教誨；那屬于他個人的東西，

早已傳遍廣大人群，他像行將隕滅的慧星，光華四射，

把無限的光芒同他的光芒永相結(jié)合。”129三．廣義相對論的創(chuàng)立１．廣義相對論的實質(zhì)：一種引力理論．２．廣義相對論的主要思想：第一，現(xiàn)實的物質(zhì)空間不是平直的歐幾里德空間，而是彎曲的黎曼空間．第二，它的彎曲度取決于物質(zhì)在空間的分布情況．物質(zhì)密度大的地方，引力場的強(qiáng)度也大，空間彎曲得也厲害，時間也要相應(yīng)地變慢。130３．廣義相對論的意義：它進(jìn)一步否定了牛頓的絕對時空觀，再一次證明時空的相對性、可變性，即時空不僅隨物質(zhì)運動狀態(tài)的改變而改變，而且與物質(zhì)分布的密度，即引力場強(qiáng)度密切相關(guān)。為辯證唯物主義的時空是物質(zhì)的存在方式的原理提供了雄辯的證明。131倫琴132133德布羅意-法國134愛因斯坦海森堡-德國薛定鄂-奧地利135第五章物理學(xué)革命序言：19世紀(jì)末由于光學(xué)、電磁學(xué)、力學(xué)的統(tǒng)一使物理學(xué)顯示出一種形式上的完整，被譽(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗的廟堂”。

1900年４月27日，英國物理學(xué)家開爾文作了題為《熱和光的動力理論上空的19世紀(jì)之烏云》的長篇講演，指出經(jīng)典物理學(xué)本來十分晴朗的天空上出現(xiàn)了兩朵烏云－－以太漂移和黑體輻射。

136第一節(jié)物理學(xué)革命的發(fā)端一．Ｘ射線的發(fā)現(xiàn)：起源于對陰極射線的研究１．起因：電磁學(xué)建立之后，人們對氣體放電現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。當(dāng)時，人們首先想到的是在實驗室條件下如何模擬大自然中的雷電現(xiàn)象。起初，人們把玻璃管中的氣體加上高電壓進(jìn)行觀察，果然得到了放電現(xiàn)象。實際上，物理學(xué)天空上的烏云何止兩朵。大量的新現(xiàn)象與已成的完美體系的經(jīng)典理論之間的矛盾日漸突出。也正是這兩朵烏云帶來了世紀(jì)之交的一場物理學(xué)革命，在這場革命中誕生了相對論和量子力學(xué)。137(2)1859年，德國物理學(xué)家呂克（1801~1868）用“蓋斯勒真空管”進(jìn)行真空放電實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)高壓電荷通過放電管時,陰極一端出現(xiàn)放電現(xiàn)象,而對著陰極的管壁會發(fā)出綠色的輝光,成功地實現(xiàn)了人工放電.(3)1869年，德國物理學(xué)家希托夫（1824~1914）證明，放在陰極與玻璃壁之間的障礙物，可以在玻璃壁上投射陰影。(1)1854年，德國玻璃工蓋斯勒（1814~1879）發(fā)明了以他的名字命名的真空管,為研究真空放電、發(fā)光現(xiàn)象提供了物質(zhì)手段138(4)1876年,德國物理學(xué)家戈爾茨坦(1850~1931)對“綠色輝光”作了解釋,認(rèn)為這是由陰極上產(chǎn)生的某種射線引起的，稱為“陰極射線”。關(guān)于“陰極射線”的本質(zhì)，當(dāng)時德國一些科學(xué)家認(rèn)為，它是一種光波。而英國物理學(xué)家克魯克斯（1832~1919)等人則認(rèn)為，陰極射線可能是某種微粒。139(5)1879年，克魯克斯自制了一種比蓋斯勒真空管真空度更高的“克魯克斯管”，再次進(jìn)行放電實驗，由于這種真空管真空度高，放電時沒有輝光，克魯克斯發(fā)現(xiàn)，從陰極射線射出的一種射線碰到玻璃管壁或硫化鋅等物質(zhì)時會發(fā)出熒光，特別是發(fā)現(xiàn)了陰極射線在磁場中會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而斷定陰極射線是某種粒子流。關(guān)于陰極射線的本質(zhì)的爭論，持續(xù)了20年之久，結(jié)果導(dǎo)致了幾項轟動世界的重大發(fā)現(xiàn)，首先是Ｘ射線的發(fā)現(xiàn)140（２）發(fā)現(xiàn)過程：1895年，倫琴也選用了克魯克斯管重新進(jìn)行陰極射線實驗，目的是為了準(zhǔn)確觀察陰極射線的熒光作用。２．X射線的發(fā)現(xiàn)（１）倫琴簡介：倫琴（1845~1923）生于德國．（略）141倫琴用黑紙將實驗用的放電管嚴(yán)密地包裹起來，以免放電管受到外界環(huán)境干擾。準(zhǔn)備就緒后，他接通了放電管的高壓電源，在黑暗中，他發(fā)現(xiàn)１米以外的實驗屏上閃爍著綠色的微光。經(jīng)反復(fù)實驗倫琴斷定它是一種新的射線。142３．Ｘ射線的特點：（１）這種射線能激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光。（２）能通過密封的黑色紙使照相底片感光。（３）可以顯示出衣袋里的錢幣和手掌的骨骼，穿透力極強(qiáng)。（４）不在磁場中偏轉(zhuǎn)，說明它不是陰極射線。４．X射線發(fā)現(xiàn)的科學(xué)價值和意義:143

第一,它迅速被用于外科診斷,X射線發(fā)現(xiàn)后的第4天,美國人就用于透視腳部彈片的位置。后來又應(yīng)用到冶金學(xué)，成為研究晶體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種手段。第二，Ｘ射線被譽(yù)為“領(lǐng)路鳥”，它的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了元素放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。提問:倫琴的成功說明了什么?二．元素放射性的發(fā)現(xiàn)１．原由：元素放射性的發(fā)現(xiàn)源于人們對Ｘ射線源的探究．1442．貝克勒爾簡介：貝克勒爾（1852~1906)是法國物理學(xué)家,出生在巴黎.他受過良好的教育，1892年獲得博士學(xué)位。1892年他開始在巴黎自然博物館擔(dān)任應(yīng)用物理學(xué)教授。1895年貝克勒爾成為巴黎綜合工科學(xué)校的物理學(xué)教授。1896年就是在這所學(xué)校他做出了使他成名的偉大發(fā)現(xiàn)。1453．貝克勒爾的實驗研究（１）實驗方法：采用硫酸鉀鈾作實驗材料，將其包好，放在用黑紙包好的底片上，一起放在太陽光下爆曬．（２）實驗結(jié)果：底片上顯示出鈾鹽包的輪廓，即底片感光了．（３）初步結(jié)論：該熒光物質(zhì)能發(fā)射出穿透不透光的紙的輻射，同時認(rèn)為：底片感光是伴隨熒光而產(chǎn)生的Ｘ射線引起的．146（４）意外收獲：因連續(xù)陰天，鈾鹽包無法在太陽底下爆曬發(fā)出熒光，但鈾鹽照樣可以使底片感光．（５）推斷結(jié)果：底片感光與鈾鹽是否經(jīng)過爆曬而發(fā)熒光無關(guān)．這種現(xiàn)象必定是鈾鹽連續(xù)發(fā)出的一種類似Ｘ射線的神秘射線穿透黑紙所致．（６）進(jìn)一步研究：發(fā)現(xiàn)：不論是熒光物質(zhì)還是非熒光物質(zhì)，只要是含鈾的化合物，都能自動發(fā)出這種射線，而放出這種射線的物質(zhì)就是鈾．－－人們把這種天然放射線稱為“貝克勒爾射線”147４．居里夫婦的研究（１）放射性僅僅是鈾元素的一種性質(zhì)．法國物理學(xué)家皮埃爾·居里(1859~1906)和瑪麗·居里(1867~1934)發(fā)現(xiàn)鈾的輻射強(qiáng)度正比于化合物中鈾的含量，與化合物中其它元素?zé)o關(guān)，這說明放射性僅僅是鈾的一種性質(zhì)．148（２）尋找放射性元素．1898年4月2日,居里夫人宣布發(fā)現(xiàn)釷元素具有放射性,這說明放射性決不是某個元素獨有的性質(zhì)。之后又通過異常艱苦而繁重的實驗發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)400倍的新元素釙（Po),接著同年12月又發(fā)現(xiàn)了放射性比鈾強(qiáng)200萬倍的鐳（Ra）．最后用“分步結(jié)晶法”提煉出0.12克的濃縮鐳化合物－－氯化鐳,并測定了鐳的原子量為225（現(xiàn)在已知鐳的原子量是226）．1495．元素放射性的發(fā)現(xiàn)的科學(xué)意義（１）它打破了以道爾頓為首的原子不可再分的陳舊觀念，證明原子不是組成物質(zhì)的最小單位，它還可以再分．（２）它預(yù)示人類將獲取一種新能源－－原子能．元素在放出射線的同時產(chǎn)生大量的熱能，即：用很少的物質(zhì)，可以獲得很高的能量．展示了能源的美好前景．150６．天然射線的本質(zhì)的研究（１）問題：天然射線的本質(zhì)是什么？元素放出射線后變成了什么？（２）盧瑟福簡介：盧瑟福（1871~1937）是新西蘭籍英國物理學(xué)家．他生于新西蘭