2025年大學《科學史》專業(yè)題庫——材料物理與力學特性分析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請簡述古希臘人在理解材料力學特性方面的主要貢獻及其思想方法的特點。二、閱讀以下歷史文獻片段（此處假設一個片段）：“夫金屬之剛柔，猶水火之不同器也。鋼鐵者，百煉乃成，其強韌足以制兵甲、筑城郭。然銅錫合冶，則柔韌易加工，適用于鑄鐘鼎、為器皿。木性亦異，松柏直而軟，適于梁柱；梓漆曲而堅，宜為舟楫。古之巧匠，皆察此性而用之。”請分析這段文字反映了古代中國對哪些材料力學特性的認識，其認識主要基于何種方式，并指出其局限性。三、伽利略通過著名的梁彎曲實驗研究了材料的強度問題。請闡述該實驗的主要方法和結論，并分析這一研究在科學史上具有怎樣的意義。四、19世紀的冶金技術，特別是puddlingprocess（精煉法）和Bessemerprocess（貝塞麥轉爐煉鋼法）的發(fā)明，對材料科學的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。請分別簡述這兩種技術的基本原理及其帶來的主要材料性能變化，并說明這些變化如何推動了工業(yè)革命的發(fā)展。五、盧瑟福及其合作者通過α粒子散射實驗，最終提出了原子的核式結構模型。請簡述該實驗的關鍵觀測結果，并分析這一發(fā)現(xiàn)對理解材料微觀結構與宏觀物理力學特性之間關系的歷史意義。六、進入20世紀，量子力學的建立為理解材料的物理和力學特性提供了全新的理論基礎。請列舉量子力學在解釋哪些材料現(xiàn)象（物理或力學特性）方面取得了突破性進展，并簡述其核心思想如何改變了人們對材料科學的研究范式。七、動態(tài)力學測試（如沖擊試驗）對于評估材料的韌性、疲勞壽命等特性至關重要。請選擇一個重要的歷史時期（如第二次世界大戰(zhàn)期間或冷戰(zhàn)時期），說明當時動態(tài)力學測試技術如何發(fā)展，以及這些技術的發(fā)展對特定領域（如航空航天、軍事工程）的材料選擇和應用產(chǎn)生了哪些具體影響。八、請比較分析中國古代的陶瓷技術與歐洲文藝復興時期對青銅鑄造技術的關注，在研究材料物理力學特性的目標、方法、認識深度以及社會影響等方面各有哪些異同之處。試卷答案一、古希臘人通過觀察和思辨，對材料力學特性有了初步認識。例如，他們觀察到不同材料（如木材、金屬、石頭）在受力時表現(xiàn)出的不同行為（如易斷、易彎、難斷），并嘗試將這些現(xiàn)象與用途聯(lián)系起來。他們提出了如“重心”、“杠桿原理”等概念來解釋物體的穩(wěn)定性和受力情況。思想方法上，早期偏向觀察、類比和幾何思辨，注重尋找事物的基本原理和秩序，后期（如阿基米德）則開始注重實驗驗證，但實驗設備和方法相對簡單，缺乏精確測量和量化分析。二、該片段反映了古代中國對金屬（鋼鐵、銅錫）、木材等材料強度、韌性、柔韌性等力學特性的認識。其認識主要基于直觀觀察、感官判斷和日常經(jīng)驗積累，即通過看、摸、用等方式感知材料的硬軟、強弱、脆韌。其局限性在于缺乏系統(tǒng)性的實驗研究和定量測量，對材料性能的理解較為籠統(tǒng)和經(jīng)驗化，未能揭示材料性能的內在機理和影響因素。三、伽利略的梁彎曲實驗主要通過測量梁在集中載荷作用下的撓度（彎曲程度），并結合幾何關系，推導出梁的強度與載荷、跨度、梁的截面慣性矩和材料彈性模量（他稱之為“彈性”）之間的關系。其主要結論是梁的強度與其截面的“立方面”成正比，與跨度的“平方”成反比。這一研究意義在于：將數(shù)學和實驗相結合，首次對材料力學性能進行了定量研究，提出了重要的力學定量關系，為結構工程和材料科學的發(fā)展奠定了實驗和理論基礎，標志著材料力學作為一門獨立學科的初步形成。四、Puddlingprocess（精煉法）通過在熔融的氧化鐵浴中精煉生鐵，去除部分碳和雜質，得到較純凈的wroughtiron（鍛鐵），其特點是組織致密、碳含量低，具有較好的韌性和延展性。Bessemerprocess（貝塞麥轉爐煉鋼法）利用空氣吹掃熔融生鐵，快速去除碳和雜質，可以大規(guī)模、快速地生產(chǎn)鋼材。這兩種技術帶來的主要材料性能變化是顯著提高了鐵的純凈度和強韌性，使得鋼鐵材料性能更加優(yōu)良、穩(wěn)定且易于加工。這些變化極大地豐富了可用材料，為鐵路、橋梁、建筑、機械等工業(yè)領域提供了性能優(yōu)異的結構材料，是工業(yè)革命得以持續(xù)發(fā)展的重要物質基礎。五、盧瑟福α粒子散射實驗的關鍵觀測結果是：絕大多數(shù)α粒子穿過金箔時不發(fā)生偏轉，少數(shù)發(fā)生小角度偏轉，極少數(shù)（約1/8000）發(fā)生大角度甚至接近180度的反向散射。這一發(fā)現(xiàn)的歷史意義在于：它直接否定了湯姆孫的“葡萄干布丁模型”（原子均勻分布正電荷），首次提出了原子具有集中大部分質量和正電荷的微小核心（原子核）的模型，揭示了原子內部結構的秘密，為后續(xù)原子核物理學和量子力學的發(fā)展開辟了道路，深刻改變了人們對物質微觀構成的認知，也使得理解材料在原子層面的結構與宏觀物理力學特性之間的聯(lián)系成為可能。六、量子力學在解釋材料物理力學特性方面取得了突破性進展，主要體現(xiàn)在：1）解釋了原子和分子的結構、化學鍵的本質，從而理解了材料的組成和化學性質；2）通過能帶理論解釋了金屬、半導體、絕緣體的導電特性差異；3）解釋了晶體中的缺陷（如位錯）如何影響材料的強度、塑性和硬度；4）為理解聲子（晶格振動）譜、光吸收、折射率等熱力學和光學性質提供了基礎。其核心思想是微觀粒子具有波粒二象性，運動狀態(tài)由波函數(shù)描述，遵循測不準原理，通過量子力學的薛定諤方程等基本方程可以精確預測其行為。這一思想改變了以往的經(jīng)典決定論觀點，將概率和統(tǒng)計引入物質性質的解釋，使得對材料復雜微觀現(xiàn)象的理解和預測成為可能，促進了計算材料學的發(fā)展，為設計和合成具有特定性能的新材料提供了理論指導。七、第二次世界大戰(zhàn)期間及冷戰(zhàn)時期，隨著航空航天、國防工業(yè)等高技術領域的發(fā)展，對材料在極端動態(tài)載荷（如高速沖擊、振動、疲勞）下的性能提出了更高要求。動態(tài)力學測試技術相應發(fā)展迅速，例如發(fā)展了更精確的落錘試驗、擺錘沖擊試驗、伺服液壓沖擊試驗等，用于測量材料的動態(tài)彈性模量、屈服強度、斷裂韌性、吸能特性等。這些技術的發(fā)展使得工程師能夠評估材料在沖擊載荷下的表現(xiàn)，選擇合適的材料用于飛機結構、裝甲、爆炸物研究、核武器設計等領域，對于提升武器裝備性能、保障飛行安全和應對核威脅等發(fā)揮了關鍵作用。八、相同之處在于：兩者都處于人類認識和使用材料的早期階段，研究目標都旨在利用材料滿足當時社會生產(chǎn)和生活的基本需求（如建筑、防御、工具制造），都依賴于對材料性能的直觀觀察和經(jīng)驗積累，都體現(xiàn)了人類改造自然、利用自然的智慧。不同之處在于：中國古代陶瓷技術更側重于通過高溫燒制改變材料的物理化學性質（如硬度、脆性、透光性），研究方法以經(jīng)驗積累和技藝傳承為主，對材料力學性能的關注相對次要。歐洲文藝復興時期對青銅鑄造技術的關注則更側重于