走进物理世界 古代与经典物理学探究之旅西北大学物理学系 田来科目录第一章 物理学 第二章 物理学的探究之旅启明之光古代物理学 第三章 经典力学的建立 第四章 经典热力学基础 第五章 经典电磁学的建立与发展 第六章 经典光学第一章 物理学宇宙世界 宇宙世界是由物质组成的，而一切物质均 处于永恒的运动之中，一切运动离不开物 质。而物质的运动轨迹、运动状态、运动 状态的改变、物体的结构形态及其运动规 律等是由物体受的作用力所决定，而力是 由物体之间、或物体内部不同部分之间的 相互作用而产生的。物体的运动是绝对的 ，对于物体运动的描述则是相对的。 第一章 物理学 物理学内涵 为什么苹果会掉落于地面而不是失落空中？水为 什么会呈现出不同的状态？物体为什么会在不同 温度下呈现不同状态？不同状态的物质为什么表 现出不同性质？为什么金属会导电？为什么会打 雷闪电？为什么地球绕着太阳转，月亮绕着地球 转？为什么地球在绕着太阳公转的同时还做着自 转？而原子中的电子在绕着原子核转动时也做着 自转？ 物理学是一门有趣的科学，它是研究声 、光、热、电、力等形形色色的物理现象的 一门 科学。第一章 物理学 物理学的内涵 物理学是探索研究宇宙自然世界的物质组 成、物质形态结构、物体之间、物体内部 不同部分之间相互作用和由相互作用引起 的物体形态变化及其运动的基本规律的科 学。是一门以实验为基础的自然科学，物 理学的一个永恒主题是寻找宇宙之中决定 物质构成、运动状态的根本原因及其基本 规律。 第二章 物理学的探究之旅启明之光古代物理学2.1 中国古代的物理学萌芽2.2 西方古代物理学进展2.1 启蒙之光中国古代的物理学萌芽2.1.1 物质本原思想一元素与原子的观点1.阴阳学说 2.五行思想 （3.原子的观点）二 元气说2.1.2 物理学知识的积累一.力学 二.热学 三.光学四.电磁学 五.声学 六.天文学概况在古代，无论是古希腊还是中国，都谈不上有“物理学 ”。当时人们还不可能自觉地、系统地运用实验方法，也不 可能通过严密的逻辑推理和数学形式进行科学的概括，使之 成为完整的知识体系。但这一阶段仍是物理学形成和发展的 先导和渊源。是物理学发展的孕育和萌芽时期。在中国，自夏、商、西周起，随着手工技术的发展， 物理知识开始积累。春秋战国时期科学技术蓬勃发展，中 国古代物理学开始形成 ；秦汉时期，形成一个发展高峰； 宋元时期达到鼎盛。至此，在西方近代科学诞生之前，中 国的科学技术在各个领域都居世界领先地位。明末至清初 以后，科学和科学技术的发展逐渐落后于西方，这一时期 ，西方物理知识开始向中国输入。一.元素与原子的观点1. 阴阳学说阴阳是中国古代哲学的一对范畴划分。阴阳的最初涵义 是表示阳光的向背，向日为阳，背日为阴。后来，又给它赋予了一定的意义，把自然界和社会上一 切对立的现象抽象为阴阳，用阴阳概念来解释自然界两种对 立和相互消长的物质现象和社会现象，用来解释天文气象、 四季变化、万物兴衰、人体结构和状态变化等自然现象。如气候的寒暖，方位的上下、左右、内外，运动状态的 躁动和宁静，以及天地、男女、昼夜、君臣、夫妻等。阳代表积极、进取、刚强、上升、温热、明亮、雄性、 太阳等阳性和具有这些特征的事物；阴代表消极、退让、柔弱、下降、寒冷、晦暗、雌性、 月亮等阴性和具有这些特征的事物。2.1.1 物质本原思想阴阳学说认为：阴阳的对立统一运动，是自然界一切事物 发生、发展、变化及消亡的根本原因。是自然界一切事物运动 变化的固有规律。阴阳的对立和消长是宇宙的基本规律。阴阳学说的基本内容包括阴阳对立、阴阳互根、阴阳消 长和阴阳转化四个方面。阴阳学说认为：“阴阳有序、整体和谐”是世间的最 佳状态，也是事物稳定的基本保证。.五行思想五行：金、木、水、火、土五种基本物质或元素。“水曰 炎上，木曰曲直，金曰从革，土爰稼穑（jia se ）。”（尚书 洪范）构成：世界万物皆由上述五种元素构成。“以土与金、木 、火、水杂，以成百物”（国语郑语）。相互关系：相生与相克：土生金、金生水、水生木、木生 火、火生土；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。发展：五行说的起源早于“太极”和“道 ” ，在殷末已普遍流传；春秋战国时期，五 行说与阴阳说相结合，形成了阴阳五行说，形 成了五行相生相克的关系。宋代以后，五行作 为由太极到万物的中间环节，被容纳于宇宙生 成体系之中。宇宙由太极而生，太极生出阴阳 ，阴阳生出五行，五行相互作用，生出男女及 世间万物。 和西方比较：古希腊的四根说，古印度的四大说，无金。概述：中国古代的哲人们期望着将世界万物本源归结为一 种统一的物质，认为世界应该是由一种连续分布于整个空间 的物质所构成，而不像“五形说”是各种元素的组合。在“ 道”和“太极”的思想指导下，逐渐形成并发展成为在中国 古代自然观中重要的、占主流地位的“元气说”。春秋战国时期，老子认为由最高范畴的道生出阴阳二气 ，进而产生万物。庄子继承和发扬老子的学说，提出“通天 下一气”的思想。战国末期的荀（xn）况也指出气是构成 万物的基本元素。元气说在春秋战国时期出现，在汉代逐渐成熟，经过唐 、宋得到相当大的发展，明末清初达到高峰。由汉代的王充 、唐代的柳宗元和刘禹锡为代表，形成了“元气自然论”； 由宋代张载和明末清初的王夫之为代表形成了“元气本体论 ”。二 元气说气分阴阳，永远处于运动变化之中 物质不灭思想王夫之张子正蒙注太和：气“散而归于太虚，复其 氤氲之本体，非消灭也。聚而为庶物之生，自氤氲之常性， 非幻成也”“聚散变化，而气本体不为之损益。”；“车薪 之火，一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木，水者 仍归水，土者仍归土，特希微而人不见者。”；“一甑（ zeng）之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若盖严密， 则郁而不散。”2.2 物理学知识的积累一 力学1.物理计量：时间计量、度量衡 2.时间、空间、运动：空间和时间运动与静止运动的相对性 3.对力的认识： 4.力学知识的应用一 力 学 1.物理计量 时间计量a.干支纪法：春秋时鲁隐公三年（前722）二月己巳日至清宣统年（1911） 。“干支”是“天干”和“地支”的合称。天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸。地支：子、丑、寅、卯、辰、巳、戊（午）、未、申、酉、戍、亥。组成“六十干支”：甲子、乙丑、癸酉、甲戊、乙亥癸亥。共60个组 合，也称“六十甲子”，周而复始，不断循环。b.十二时辰记时法：子时：231时，丑时：13时，,亥时：2123时。c.百刻时制（漏壶记时制）：采用日晷（r gui又称“日规”，是我国古代利用日影测得时刻的一种计时 仪器。其原理就是利用太阳投射的影子来测定并划分时刻。日晷通常由 铜制的指针和石制的圆盘组成。这种利用太阳光的投影来计时的方法是 人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类沿用达几千年之久。 或漏壶将一昼夜分为十时，一时分为十刻。刻为漏壶的基本记时单位， 在竹或木制的箭上100个等分刻度，其高度正好等于一昼夜漏壶滴水的高 度。1刻等于现在的14.4分钟。d.机械记时：东汉时期张衡117年发明浑天仪，用于测定天体位置，一天转一周。后经 唐宋发展，成为世界上最早的天文钟。星晷月晷圭表日晷漏壶：漏壶有两种形式：泻水型和受水型 。我国最早的西汉青铜挈壶为泻水型漏 壶，只有一把挈壶，出水口在壶底侧。 由于挈壶里水位不同时出水速度不同， 后来又发展出受水型。并逐渐由最初的 两壶发展成多壶。右图为根据唐朝吕才 历象汇编历法典99卷刻漏图制作的 四级漏壶。 浮漏：宋代沈括在多级漏壶的基础上发明 了浮漏，每昼夜误差小于20秒。宋代燕 肃制作的莲花漏改进了刻箭的刻度方法 ，精度提高到14.4秒；宋代赵友钦则将 精度提高6秒。度量衡：度-长度 量-容量 衡-重量汉书律历志详细记载：长度单位：引、丈、尺、寸、分，十进制；容量单位：斛（h)、斗、升、合、龠（yu），十进制。重量单位：石、钧、斤、两、铢，非十进制。 长度：孔子家语记载：“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻”即： 从中指的指端到第一横纹叫一寸，拇指和中指一扎为一尺，两臂伸开 长八尺，叫一寻。孙子算经：“度之所起，起与忽。蚕吐丝为忽 。十忽为一丝，十丝为一毫，十毫为一厘，十厘为一分。”。汉书律历志记载：“度本起黄钟之长。九十分黄钟之长 ，一为一分，十分为寸，十寸为尺，十尺为丈，十丈为引”。 容量：一手所盛为“溢”,二手合盛为“掬”,“掬四谓之豆” 重量：古人将重量器具称之为衡，衡的形式包括：等臂天平、不 等臂天平、杆秤。权就是砝码或秤砣。汉书.律历志记载秦代的 度量衡制度为： 度制(五度)1引10丈100尺1000寸10000分； 量制(五量)1斛10斗100升1000合2000龠； 衡制(五衡)1石 4钧，1钧30斤，1斤16两，1两24铢。 将秦制换算成现代计量 单位： 1尺23.2cm 1升200ml 1斤256g 汉承秦制，所以两千石 就是二十四万斤 公元211年，秦始皇统一中国后，在商鞅变法的基础上对度量衡进行了统 一，制发了一大批度量衡标准器，意义重大。2.时间、空间和运动 时间与空间 尸子“上下四方曰宇，往古今来曰宙”。 运动的相对性 吕氏春秋：“刻舟求剑”故事； 隋书天文志：“乘船以涉水，水去船不徙也”，“仰 游云以观，日月常动而云不移” 。 抱朴子塞难：“见游云西行，而谓月之东驰”。 春秋纬元命苞（汉代）：“天左旋，地右动”。 春秋纬考灵曜（yo）“地恒动不止，而人不知，比如 人在大舟中，闭牖（yu）而坐，舟行而人不觉”。 比伽利略（1564-1642）相对性原理早一千多年。3 对力的认识 （1）力的概念墨经：“力，刑之所以奋也”，这里刑即形，指物 ，奋即飞，动的意思。即力是物体产生运动的原因。王充论衡效力篇：“人有知学，则有力矣。文吏以 理事为力，而儒 生以学问为力”，“举重拔坚，壮士之力 也”，“故 夫垦草殖谷，农夫之力也”（东汉）。西方，17世纪初弗兰西斯培根提出：“知识就是力 量”。（3）杠杆原理墨经中对不等臂天平的论述：“衡，加重于其一旁 ，必捶，权、重相若也。相衡，则本短标长。两加焉，重相 若，则标必下，标得权也。”（2）外力与内力王充论衡：“古之多力者，身能负荷千钧，手能决角 伸钩，使之自举不能离地。”（4）浮力：曹冲称象等。 （5）弹力：弓箭的制作等（东汉郑玄127-200）。 （6）大气压力西汉时期已利用虹吸管-渴乌，东汉时已广泛用于 灌溉，唐朝已有隔山取水的大型引水工程。关尹子：“瓶存二窍，以水实之，倒泻；闭一则水 不下，盖（气）不升则水不降。”唐代王冰素问：“虚管灌满，捻上悬之，水固不 泻，；空瓶小口，顿灌不入，为气不出而不能入也。” （7）惯性：春秋战国时期的考工记中描述：“马力既 竭，轴犹能一取焉”4 力学知识应用尖劈、辘轳、滑轮、水转筒车、水转连磨、水碓（du 舂米用具）、水排鼓风机（公元31年东汉南阳太守杜诗发明 ）、被中香炉、记里鼓车、水运浑象仪等。古代建筑学上力学的应用：如隋代李春建造的赵州桥， 是我国古代留传至今最古老、跨度最大、弧度最浅的石拱桥 ，距今已1300年；公元1056年建造的辽代山西应县木塔，是世界上现存的 最高的古代木构建筑，高67.31米，经受近十个世纪的风雪 袭击，12次六级以上地震，至今安然屹立。宋代建筑师喻皓曾在开封建“开宝寺塔”斜塔：“塔初 成，望之不正，而势倾西北。人怪而问之。皓曰：京师地 平无山，而多西北风，吹之不百年当正也。”归田录 。 明代的北京故宫群等等。水排鼓风机（取自王祯农书）