物理学史读书笔记

物理学史读书笔记范文

　　一、关于经典力学的建立与发展

　　早在远古时代，人类祖先就开始对力学现象产生了一些零散和粗糙的认识，待到十六世纪，人类对力学的研究|继承并发展了阿基米德的静力学理论，对亚里士多德的运动理论进行了重新检视及批判，直接推动了静力学的发展，经过伽利略和牛顿两代人的研究和发展最终确立了著名的牛顿运动定律。

　　资本主义的生产方式促进了航海事业的开展，对天文做系统观测产生了迫切的需求。开普勒详细分析了哥白尼和第谷等人长期积累的天文观测资料，归纳出著名的行星运动三定律。

　　就这样，或者因为人类本能的求知欲，或者因为经济发展的需要，或直接或间接的促成了经典力学的建立并推动其发展。

　　1、运动定律的发现

　　机械运动时最直观、最简单的物质运动形式，也是人类最容易感知并对其进行观察分析的运动。古希腊先哲亚里士多德在生产力水平极其低下的情况下，通过自然观察和哲学思变阐述了其运动学说，当然，由于缺乏适当的仪器设备和系统的实验研究，难以排出各种干扰因素（最主要还是因为当时适当的物理学研究方法尚未得到发展），得到了大量片面甚至是错误的结论，为后来的研究造成了诸多不便，但我们不能否认他的伟大，因为他为我们打开了一扇通往自然科学殿堂的大门。

　　1586年比利时力学家斯台文撰写了《静力学原理》，其中对阿基米德的杠杆原理作了简化的数学证明，提出了关于平行力平衡的完整理论，并研究了滑轮组的平和与机械效率等问题。在静力学原理的附录中，记载了斯台文和别人合作所做的用以检验亚里士多德落体理论的实验，发现重同一高度静止下落重量相差十倍的两只铅球落地时发出的声音听上去就像是一个声音一样，从而否定了亚里士多德的理论。

　　斯台文在《流体力学原理》一书中对浸在液体中的物体所受的浮力应遵循的规律作了新的证明，并得到浮体的重心和它所排开的液体的重心在同一竖直线上。同时还解决了流体静力学中的一个“佯谬”，得到结论：液体对容器底面的压力与容器的底面积（？）液体的深度以及液体的比重成正比，并不一定等于容器中液体的总质量

　　意大利著名物理学家、数学家、天文学家、哲学家伽利略是近代实验科学的先驱者，他对经典力学的重大贡献使他成为科学巨匠，其运动学理论为牛顿建立经典力学体系奠定了坚实的基础，是艾伯特牛顿所说的巨人之一。

　　西方有句谚语：“对运动无知，也就是对大自然的无知。”自古以来，人类对运动的问题出现过种种不同的看法。经院哲学家关注的是运动的终极原因，主要借助于质料、形式、目的、自然位置等模糊概念对运动做因果的和定性的描述，并且把运动分为自然运动和强迫运动。伽利略认为这种方法是万万不可取的，是会把运动的研究引入绝境的，在不清楚“如何描述运动”、“运动是怎样发生”的情况下去寻求“运动为什么会发生”是徒劳的。要描述运动，就必须对自古的关于距离和时间的概念予以确切的数学描述，找出关于运动时间与距离的关系。从此，时间与空间的概念在物理学中就具有了根本性的重要意义。

　　伽利略认为对运动的分类应依据运动的基本特征量——速度，而不是所谓的自然运动或强迫运动。他提出匀速运动和变速运动的定义，从而使运动理论的研究取得了重大的进展。

　　2、万有引力定律的发现

　　万有引力定律的建立在人类历史上第一次把天上的运动与地上的运动统一起来，为日心说提供了有力的支持。发现万有引力定律并非牛顿一人的功劳，像其他划时代的科学发现一样，他是天文学、力学、数学发展到一定阶段的产物。在牛顿研究万有引力之前，就有人试图从动力学的角度阐释天体的运动；也有人对天文现象作了细致入微的观测和总结，正如牛顿本人所说：“我之所以有这样的成就，因为我是站在巨人们的肩膀上。”

　　引力思想的出现是从人们尝试从动力学的角度阐述天体的运动开始的。伽利略认为物体有合并的趋势，并且这种趋势并非地球所独有，其他天体也具有这种趋势。英国医生吉尔伯特从他的磁球实验出发进行类比，猜测太阳系的所有天体是通过磁力维系在一起的。他提出一个磁力模型：磁石的磁力大小视磁石的大小而定，而磁力的作用是相互的。因此他认为引力是物体之间的相互作用，引力中心应是具体的物质而不是几何点，引力的大小必然与物质的多少以及距离有关，太阳系中所有的天体通过磁力而相互制约。开普勒受到吉尔伯特的影响，从动力学的角度寻找行星运动的原因，他认为引力就是太阳发出的磁力流，像轮辐一样在黄道平面上沿太阳的旋转方向转动，这些磁力流沿切线方向推动行星公转，其强度随离太阳的距离增大而减弱，他还以月球与海水间的磁性吸引来解释潮汐现象。以及笛卡尔提出“以太漩涡”假说解释引力现象，阿尔方斯·玻列利的引力是距离的幂函数等等学说，为引力学说奠定了初步的理论基础。

　　丹麦天文学家第谷对前人的观测工作进行了细致的分析，认为小而笨重的观测仪器是产生观测误差的主要原因，于是他增大了观测仪器的尺寸，并安装在坚固的基台上，对仪器进行了精密的刻度，从而提高了仪器的精密度、稳定性。为了提高观测的精密度，他还对大气的折射效应进行了修正，使他对各行星的位置观测误差仅为2弧分，这在望远镜还未发明的时代几乎达到了肉眼观察的极限。他把千百年来行星位置图表中的错误一一纠正过来，编制了777颗星体的位置图标。他编制的星体位置图表至今仍有使用价值。遗憾的是，他提出了一个折中的天体运行学说：除了地球以外，所有的行星都围绕太阳运动，而太阳又围绕静止的地球运动。这一学说的提出表明了他对自己观测事实的尊重，然而由于受托勒密的影响，还没有能够接受地球运动的思想。

　　1661年英国皇家协会成立了一个专门委员会研究重力问题。与牛顿同时代的科学家胡克、哈雷、伦恩在引力问题的研究上都作出了重要贡献。

　　牛顿发现万有引力定律与建立运动三定律几乎是同一时间完成的。他解决了有关引力的三个主要问题，其一是引力与距离的平方成反比的证明（胡克提出）；其二是“天地统一”的思想实验；其三是F∝m1m2关系的建立。

　　二、关于热力学与统计力学的发展

　　火的利用使古人接触到许多热现象，以及对热本质有了朴素的观点，但由于生产力水平的限制，人们对物质热运动的认识一直停留于主观臆测阶段。随着资本主义生产方式的兴起，人们对与热有关的现象积累了大量的实验和观察事实，特别是蒸汽机的发明和改进以及计温学和量热学的建立，使热现象的研究走上了科学的道路。

　　1、热现象的早期研究

　　任何一门科学的建立，都经历了一个漫长的酝酿和准本阶段。同样，在19世纪中叶之前，人们对热现象的研究已经完成了充分而必须的准备。

　　早在AC1、2世纪之间，埃及人希龙就曾经发明过用蒸汽动力旋转的玩具，其结构是在空心的球体上，安装上两个堆成的小管，两管弯向相反的方向，当球形容器中的水受热沸腾，从两个反方向喷出蒸汽，使容器绕轴旋转起来。这种看似简单的装置，包含了利用反冲原理和蒸汽做功的物理思想。可以说，这一个玩具是现代涡轮机和喷气发动机的雏形。

　　1690年，惠更斯的助手法国人巴本发明了带有活塞和气缸的蒸汽机，巴本蒸汽机的工作原理是：通过往气缸中注水并加热，当水被烧开后，蒸汽把活塞推到气缸的顶部就熄火，然后再使气缸内的蒸汽冷却，大气压把活塞推下来。巴本蒸汽机虽然是实验性质的，但是它成为以水蒸气作为工质的活塞式蒸汽机的雏形。

　　英国矿山技师托马斯·萨维里与1698年制造了人类历史上第一部可以实际应用的蒸汽机。其工作原理是：首先让蒸汽通入气缸，然后使气缸冷却，从而使气缸内形成部分真空，再把水吸上来，通过排水管道排出。萨维里蒸汽机需要很大的蒸汽压力，且操作不当容易发生爆炸，推广意义不大。其意义在于把蒸汽锅炉从气缸中分离出来。

　　瓦特在修理纽可门蒸汽机的过程中，发现活塞每次冲击后，气缸和活塞被同时冷却，然后为下一次冲击，有需要重新加热，因此有许多内能被浪费掉，为避免气缸一冷一热而消耗大量内能，他想到了把冷凝过程从气缸内分离出来，即在气缸为单独加一个冷凝器而使气缸始终保持在高温状态。他的设想在1769年获得成功。1782年，他又制造了使高压蒸汽轮流从两端进入气缸轮流推动活塞往复的蒸汽机，并增加了飞轮和离心调速装置，从而非常接近了现在的形式。瓦特蒸汽机在纺织、采矿、冶金和交通运输等方面得到了广泛的应用，进而推动了欧洲工业革命的进程！

　　2、热力学定律的发现

　　热力学是关于热运动的宏观理论，以实验总结出来的热力学三大定律为基础，通过逻辑推理来研究宏观物体的热现象。热力学是人们从摩擦生热和热机做功的研究中发展起来的，他起初是研究力的现象和热现象之间关系的科学，因此被称为“热的机械原理”，以后扩展到热与其他形式的能量之间相互联系的一切领域。

　　处于思辨时期的古代哲学家中就存在守恒的思想，例如古希腊有学者认为如果宇宙是长存的，那么构成宇宙的物质就是不可消灭的。公元前一世纪罗马诗人卢克莱修在《物性论》中认为：没有任何力量能改变物质的总和；因为宇宙之外无物，既不会从宇宙中冒出什么物质，也不会从宇宙外添加什么东西来改变物质的本性和他们的运动。

　　在经典力学的发展中，人们逐渐形成“功”和“能”的概念。

　　“功”的概念起源于早期工业革命中工程师门需要一个用来比较蒸汽机的效率的办法，在实践中他们逐渐同意用机器举起的物体的重量与行程之积来衡量机器的输出，并称之为功。到1820年后，在工程学中“功”的概念得到了广泛的应用，例如卡诺将物体与提升高度的乘积称为“作用矩”，用以评价机器的功效；法国数学家蒙日把功称为“动力效应”；法国工程师不但推荐了“功”的术语还提出了能量守恒原理：任何时候都不能从无中产生功或活力，功或活力也不能转化为无。

　　“能”首先是由托马斯·杨提出的，他指出产生运动所必要的功与这个弓所引起的能量成正比。人们对“能”的深入理解与“势”概念形成是分不开的。伯努利首先提出了“位势”的概念，哈密顿在提出哈密顿原理时引入了“力函数”以表明只与相互作用着的粒子的位置有关的力，到了19世纪40年代，“势”的概念得到了普遍的应用。这样，建立能量守恒定律所必须的基本物理概念都已备齐了。

　　达芬奇也与亨内考一样，也曾试图制造出永动机，他经过仔细的思考研究之后认为：任何永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”随后人们提出各种各样的永动机方法在科学的检验下都失败了，法国科学院甚至于1775年专门发表声明，不再审查有关永动机的任何设计。

　　3、分子动理论的发展

　　分子动理论是热学的一种微观理论，它是基于以下两个基本假设来诠释物质的宏观热性质：物质是由大量分子或原子组成的；热现象是这些分子作无规则运动的表现形式。

　　原子学说起源于2000多年前的古希腊，但仅仅属于一种哲学的概念，长期处于思辨的阶段，而未得到正确的认识及发展。直到文艺复兴时期，人们重新审视了古代原子论的思想。1638年法国的伽桑迪积极挖掘并宣传古代原子论的思想，他假设各种物质都是由大量在各个方向运动的坚硬粒子所组成；各种不同物质粒子的不同形状，使它们以不同形式进行结合并表现出不同的性质，他根据这一假设解释了物质的三态。伽桑迪的这一论述得到了一些科学家的重视，例如波意尔从气体的压缩、液体的蒸发、固体的升华以及盐的溶解等现象提出物质的微粒；胡克提出空气是由快速运动的坚硬粒子组成，它们对器壁频繁碰撞，形成了空气对器壁的压力……

　　这些思想由于受到“热质说”的影响，并没有被人们所普遍接受，也没有得到重要的发展，但是这些思想打开了从宏观走向微观的大门。随着“热质说”的衰落，分子动理论开始走向发展的快车道。

　　三、电磁学的建立与发展

　　1、电磁现象的早期发展

　　人类对电磁现象的观察与记录已有2000多年历史，但对电、磁现象进行比较系统的研究，是从16世纪开始的。十六世纪下半叶，在电磁现象的研究方面，实验风气逐渐兴起，人们发明了产生大量电荷的起电机和储存电荷的莱顿瓶，发现了电流，制成了最早的电源，——电堆，为进一步探索电磁规律奠定了物理基础。

　　磁学真正诞生的标志是英国科学家W·吉尔伯特在1600年发表的《论磁、磁体和地球作为一个巨大磁体的新的自然哲学论》，伽利略称它“伟大到令人嫉妒的程度”。吉尔伯特非常重视试验在科学研究中的地位，他反对虚妄的臆测，他是把用实验的方法探索自然和从理论上解释自然这两者结合起来的典范。1660年左右，德国科学家格里凯发明了能产生大量电荷的摩擦起电机，它是用带有转轴的硫磺球放一个支架上制成的。一首转动硫磺球，一手放在硫磺球伤愈转动的球发生摩擦，结果人和球都带上了电。

　　为了便于实验研究，科学家们考虑能否把产生的电荷储存起来。有人想到了把带电物体放在密封的不导电的容器里，最先使用这种方法的是德国物理学家克莱斯特，1745年，克莱斯特有一次用传导方法使装在玻璃瓶内的铁钉带电。当他一手拿着玻璃瓶，另一只手接触铁钉时，他感到臂膀和手臂受到了一下猛击。受到这个启发，他在实验中用装有酒精或水银的玻璃瓶储存电荷，效果很好。

　　1746年，荷兰物理学家穆欣布洛克受到克莱斯特启发发明了莱顿瓶，它的发明为静电研究提供了一种储存电荷的有效方法，为进一步深入研究提供了一种新的强有力的实验手段，对电学知识的传播和应用起到了重要作用。

　　本杰明富兰克林是十八世纪伟大的政治家，他参与过美国独立战争，是独立宣言的起草人之一，同时他也是18世纪伟大的科学家，在电学研究中成就卓著。1746年身在美国费城的富兰克林通过一位英国朋友得到了莱顿瓶等电学实验仪器，他利用莱顿瓶作了大量的静电学实验，他的电学研究以发明避雷针到达了顶峰。当时人们对雷电普遍存有一种恐惧心理，除少数人认为雷电时“毒气爆炸”外，大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。富兰克林也一直思考着雷电的本质问题，为了得到可靠的结果，1752年7月的一天，他和儿子在雷雨来临之时，冒着生命危险，做了著名的风筝实验，他们所用的风筝是丝绸做的，顶部安装了一根细尖的铁丝，风筝用一根麻绳系住，麻绳末端挂着一把铜钥匙。这一风筝飞入高空之中，将云端的电荷传导至富兰克林事先准备好的莱顿瓶中，他利用从雷云中收集到的电荷进行实验，发现这些电荷与用摩擦方式得到的电荷具有完全相同的性质，从而证明了闪电是一种放电现象，天电与地电的本质相同。

　　1733年，法国科学家杜菲通过实验区分两种电荷:一种是玻璃电（即正电），另一总是松脂电（即负电），并发现同种电荷相斥，异种电荷相吸。为了解释这种现象，杜菲提出了“双电流质说”，他认为存在两种流质，可以通过摩擦的形式把它们分开，使这两个物体带异种电荷而相互吸引，当它们结合时，有彼此中和。

　　2、电磁联系的发现

　　在十八世纪，电学得到了长足的发展，但在1780年以前，电学的研究还仅仅局限于静电的范畴，直到1870年，意大利生理学家伽伐尼发现了电流，把电学的研究工作从静电推进到动电的领域，同时使电磁学联系的发现成为可能，解开了电磁学辉煌发展的序幕。（约7000字）

　　伽伐尼在发现电流之前，一直致力于研究动物神经对刺激的感受。在1791年发表的《肌肉运动中的电》一文中，他叙述了10年前的发现，他写道：“这一发现是这样发生的，我已经解剖好和预备好一只青蛙。当我正想作别的事情时，将该青蛙置于桌上，这桌上原有一个电机，距它的导体相当远，而且两者之间间隔着很大的距离，这时有一个在场的人，用外科小刀的刀尖偶尔轻触青蛙的股神经，结果蛙腿上的肌肉都一再收缩，如同用有力的夹子夹紧一样。另一个在场协助我们从事电研究的人注意到，当蛙腿发生这反应时，电机的导体曾放出一个火花……”此后，伽伐尼多次重复这一实验都得到了相同的结果。通过实验总结，伽伐尼基本上清楚了用绝缘体或单一导体的刺激并不能引起肌肉的收缩，只有在使用两种连接起来的金属导体的两端分别与肌肉和神经接触时，才会引起青蛙四肢的痉挛，与莱顿瓶通过金属放电类别，伽伐尼设想这是由神经传到肌肉的一种特殊的电流所引起的，金属起着传导作用。伽伐尼把这种来自青蛙身上的电流称为“动物电”。