物理学的历史与思想

钱彦，女，1980年生，工学博士，硕士生导师。04年工作至今，一直从事应用物理专业的教学和科研工作，主讲的课程有"大学物理”，"普通物理（中英双语）”，"物理学史”，"物理学史MOOC”，"光子半导体”，"专业英语”，授课时间2000余课时，授课人数3000余人。

绪论 1

第一篇 经典物理学的发展

第1章 力学的发展 3

1．1 哥白尼与天体运行论 4

1．2 开普勒三定律 8

1．3 运动学的奠基人―伽利略 12

1．4 牛顿的伟大综合和理论飞跃 16

第2章 热学的发展 22

2．1 对热现象的早期探索和利用 23

2．2 热力学第一定律的建立 29

2．3 热力学第二定律的建立 34

2．4 气体动理论和统计力学的建立 37

第3章 电磁学的发展 41

3．1 电磁现象的早期研究 42

3．2 库仑定律的发现 46

3．3 电流的发现及其磁效应的研究 49

3．4 法拉第和电磁感应 53

3．5 麦克斯韦电磁场理论的建立 59

3．6 电磁波的实验发现 62

第4章 光学的发展 65

4．1 早期光学的研究 66

4．2 光本质的认识和光波动理论的发展 71

4．3 光谱的研究 76

4．4 光速的测定 79

第二篇 物理学新革命的爆发

第5章 19、20世纪之交的实验新发现和物理学革命 83

5．1 世纪之交的三大实验新发现 83

5．2 不向命运低头的居里夫人 88

5．3 经典物理学的危机和物理学革命的爆发 91

第6章 相对论的建立与发展 96

6．1 相对论诞生的背景和先驱者的思想 96

6．2 爱因斯坦与相对论 100

第7章 量子理论的建立与发展 105

7．1 普朗克的量子假说 105

7．2 爱因斯坦的光量子理论 107

7．3 卢瑟福的有核原子模型 110

7．4 玻尔的氢原子理论和对应原理 113

7．5 量子力学的建立与发展 116

参考文献 123

第1章力学的发展学习物理学一般都是从力学开始的，因为力学是物理学中发展最早的一个分支，和人类的生活与生产关系最为密切。力学讨论的现象都是日常所见的，每个人都有一些力学方面的认知和感悟，总结出的经验也较为丰富。与物理学的其他分支相比，力学的研究经历了更为漫长的时期，从古希腊时代算起，这个过程有两千年之久。公元前6世纪左右，古希腊诞生了分别以泰勒斯（Thales,约公元前624一公元前547）和毕达哥拉斯（Pythagoras,约公元前584-公元前500)为代表的两大著名学派。随着这两大学派的发展和演化，产生了涉及多个领域的多个学派。例如，柏拉图（Plato，公元前427一公元前347）的唯心主义哲学、亚里士多德（Aristotle,公元前384一公元前322）和阿基米德（Archimedes,公元前287一公元前212）的物理学、欧几里得（Euclid，约公元前330一公元前275）的几何学等。最早发展运动理论的科学家是亚里士多德，他通过对周围事物的观察，把自然界物体的运动分为“自然运动”和“强迫运动”两种类型：“自然运动”就是物体本身能够维持自己的运动，如水从高处往低处流；“自然运动”之外的运动都属于“强迫运动”。亚里士多德对运动的描述与人们日常生活的经验相符，因此被人们广泛接受，在当时哲学与文化中起着核心作用。然而，由于当时人类还没有摸索到正确的科学研究方法，再加上生产水平低下，没有适当的仪器设备，难以认识和排除各种干扰来进行系统的实验研究。因此，从原始的直接经验、生活常识及直觉引申出来的观点，或者采用纯思辨的逻辑方法探讨出来的结果，往往都不是正确的科学结论。到了文艺复兴时期，科学技术加速发展。进入16世纪之后，由于航海、战争和工业生产的需要，力学的研究才真正发展起来。这一时期，人们更加关注物体究竟是怎样运动的，物体为什么会进行那样的运动。其中，机械运动是最直观、最简单，也是最便于观察和研究的一种运动形式。而天体的运行提供了机械运动中最纯粹、最精确的数据资料，使人们有可能排除摩擦和空气阻力的干扰，对机械运动取得规律性的认识。因此，天文学首先摆脱了神学的束缚，成为近代科学诞生的突破口。波兰天文学家哥白尼提出了“日心说”，并编写了《天体运行论》一书，标志着自然科学向神学发出第一次严正挑战。丹麦天文学家第谷用了20年的时间反复进行天文观测，积累了大量准确的星体运动观测资料，为德国杰出天文学家开普勒的系统研究奠定了基础。1609年和1619年，开普勒先后提出了描述行星运动的“开普勒三定律”，大大推动了天文学和力学的发展。在文艺复兴运动的冲击下，人们的思想得到解放，逐步摆脱了神学的束缚。在此背景下，意大利物理学家和天文学家伽利略开创了以实验事实为基础并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他的两部著作—《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《关于力学和局部运动的两门新科学的对话和数学证明》，为力学的发展奠定了思想基础。英国著名物理学家牛顿把天体运动规律和地面上实验的研究成果加以综合，建立了牛顿运动定律和万有引力定律，逐步形成了相对完善的经典力学体系，完成了物理学史上的第一次大综合，实现了天上力学和地上力学的统一。1.1哥白尼与天体运行论既然，近代科学的诞生是从天文学上的突破开始的，那么，天文学中矛盾最尖锐的地方，就是最先开始进行科学革命的地方。随着人们对天体运动认识的深入，这个矛盾的焦点逐渐暴露出来，就是古希腊天文学家托勒密(ClaudiusPtolemaeus,约90-168）在公元2世纪提出的以地球为宇宙中心的地心说。地心说继承了古希腊天文学家和数学家欧多克斯（Eudoxus of Cnidus,公元前408一公元前355)和亚里士多德的学说，在当时的历史条件下是具有进步意义的，不仅在西方，而且在东方，都起着主导作用。地心说的核心思想是：地球不仅是不动的，而且是宇宙的中心。这个思想是把宇宙设计成大球套小球，小球边上还要穿插小球的复杂圆球体系。这个圆球体系的球心就是地球的球心；恒星、太阳和月亮分布在大小不同的球面上围绕地球做圆周运动；各颗行星，包括水星、金星、火星、木星和土星既要在各自的小球面上围绕地球做圆周运动，又要围绕各自的小球的球心做圆周运动，也就是行星沿着本轮做圆周运动，本轮的中心又在以地球为中心的均轮上做圆周运动。这样才能解释为什么从表象上可以看到行星、太阳、月亮离地球的距离是不断变化的。地心说在长达一千多年的时间内被人们广泛接受，是因为人站在地球上看天象，很自然地认为日月星辰都是围绕着地球旋转的。而且虽然这种宇宙观只是古人靠肉眼从局部直接观察所得的印象中总结出的一种对宇宙的看法，但它也来源于实际的观察。

本教材介绍人类对自然界各种物理现象的认识史，物理学发生和发展的基本规律、物理学概念和思想的发展和变革过程。紧密结合新时代涌现出来的科学家(如诺贝尔奖、国家科学技术奖获得者等)的成果和事迹进行个例剖析，并提炼出其中的精神财富。通过真实的历史、实际的资料、生动的情景，把学生引入历史的氛围，并让学生自己体会和总结应该得到的启示。同时，介绍一些高科技企业的优秀成果，激励学生积极向上，提升学生对科学理论知识应用的认识。教材提供配套的电子课件，教学网站和微信公众号，微课视频、音频，拓展阅读等。