改变世界的物理学改变世界的物理学 课程性质： 公共选修课 理论学时：36 总学分：2课程目的及要求 通过本课程的学习，使文科或非物理类学生能在学习物理学自19世纪末到20世纪以来的辉煌成就，接触和了解当今迅速发展的高新科技，认识物理学在 现代科学技术中的地位及其在高新科技发展中所起的重要作用，从物理学发展 的轨迹，领略科学大师们取得成功的奥秘。使文科或非物理类学生培养一些基 本的科学素养和科学精神，扩大知识面，得到科学文化和人文文化的双重滋养 ，提高综合素质。 平时成绩（含各章问题讨论评价，小论文）50% 课程结业论文 50%课程考核方式授课方式PPT、科教视屏片1.1 世界为什么变化这么快一、科学技术是第一生产力人类的发展，社会的进步离不开科学技术。自进入20世纪，科学技术明显表现出它是生产力中最最活跃的、起 决定性作用的因素，科学技术是经济和社会发展的主要推 动力量，是一个国家综合国力的决定性因素。现代社会在科学和技术方 面的竞争愈演愈烈，谁掌握了 更先进的科学技术，谁就在竞 争中赢得先机，谁就有更大的 机会赢得胜利，对一个企业如 此，对一个民族如此，对一个 国家更是如此。二、科学技术的发展是加速度的人类在和自然抗争的几千年中已经积累了大量的科学知识。虽然科学那时的发展十分缓慢，但是这些科学知识还是使人 类生存能力得到提高，生存条件也已经得到了很大改善。时光进入18世纪，以机械技术为核心的第一次工业革命开始，世界进入了“蒸汽机”时代。机器把人从体力劳动中解脱 出来，大大提高了生产力水平，人类也在已有知识的基础上， 不断探究新的科学方法，努力制造更加先进的机器，提高机器 的工作效率。工业效率的提高带动了交通、纺织、水利等产业 的发展。此后，大型轮船、汽车、飞机、新型纺织机等机器源 源不断地被制造出来。在20世纪，与人类生活息息相关的是以计算机技术发展为 代表的信息技术革命。自第一台电子管电脑在1946年诞生后， 60多年来，计算机技术以不可思议的速度在迅速发展，从真空电子管到大规模、超大规模集成电路，历经五代，计算机完成 了微电子革命，人类在硅片上创造了奇迹，计算机把历史带进 了计算机时代。人类的智力得到了延长和解放。现在，计算机 已经成为人类不可或缺的工具，人与人之间的联系越来越便捷 ，世界变得越来越小。科学技术深刻地影响了经济、社会和国际政治的面貌。 正是因为现代科学技术极大地改变了人类的生存状态和 思维方式，才使我们这个世界变化这么快。、科学技术的负面效应尽管不可避免，但其正面效应是 基本的、主导的。我们承认负面效应，与反科学思潮有原 则的本质的区别。 、认识、预防和减轻负面效应，仍需借重和依靠科学技 术，而不能采取反科学的立场。 、不否认滥用和误用加重了科学技术的负面效应。“克隆 人”是对克隆技术的滥用和误用。比如，我们反对“克隆人”，但不能反对克隆技术。三、科学技术是一把“双刃剑” 1.2 从自然哲学到物理学一、中国古代的物理学成就周原始人类：石器、取火、标枪、流星索、弓箭。 石器时代：制陶技术、农业、磨制石器、发明各种农具、 乐器和兵器。春秋时期：百家争鸣、铁制农具的应用和普及、各种物理 学的积累、开始讨论物质本原和逻辑的问题，中国物理学的 发展进入一个高峰时期。宋元时期：地磁偏现象的发现、共振的定量研究、系统 的光学研究、改进磁针指向效果的研究、人工磁化方法 的探讨等，是中国物理学发展的另一个黄金时期。明代物理学也有发展，但是相对于西方的发展是迟缓的。(1)阴阳学说周易：“易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦 。八卦：乾、坤、震、巽（xn）、坎、离、艮（gn）、兑阴阳之间是对立和互根的，在阴阳图上二者黑白分明， 但又彼此包容；阴阳之间是可以彼此消长和相互转化的，阴阳之间的彼此消长和相互 转化是通过“太极”之动而促成的。1、关于哲学观的叙述物质的本质是一元的还是多元的是古代哲学研究的重要命题。(2)五行思想古代五行：金、木、水、火、土五种基本物质或元素。西周末史伯国语：“以土与金、木、火、水杂，以成百物。 ” 相生关系：“土生金、金生水、水生木、木生火、火生土” 相克关系：“土克水、水克火、火克金、金克木、木克土” (3)原子观点墨经：“端，体之无厚而最前者也。” 中庸：“语小，天下莫能破焉。 ” 庄子：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。 ” 2、关于物理学知识的积累(1）力学方面 时间、空间和运动：道德经 “上下四方曰宇，往古今来曰宙。” 春秋纬“地恒动不止，而人不知。比如人在大舟中， 闭牖而坐，舟行而人不觉也。” 对力的认识墨经：“力，刑之所以奋也。”（F=ma）淮南学者：“十围之木，持千钧之屋；五寸之键， 制开阖之门。岂其材之巨小足哉，所居要也。” 吕氏春秋：刻舟求剑 力学知识的应用杠杆原理：辘轳、天平、提系杆秤丁缓 卧褥香炉长安巧工丁 缓者，又作卧褥香炉， 一名被中香炉，为机环转连 四周，而炉体常平，可置之 被褥，故以为名 物体的重心及其应用： 马家窑文化的尖低瓶 欹器，“虚则欹、中则正 ，满则覆“ 张衡：侯风地动仪、浑天 仪、制造记里鼓车、指南 车、独飞木雕等 西汉初记里鼓车： 根据车轮的转动自动记录车行的里数。 利用传动，使车轮走满一里小人打鼓 一次，满十里木人敲钟一次西周时指南车：指南工具 其外形为在一辆车上立一木人，木人的 一只手臂平伸向前，只要开始行车的时候 ，木人的手臂指南，此后无论车子怎样改 变方向，木人的手臂始终指向南方 弹力工具：弓和弩李冰父子：都江堰水利工程（岷江） 鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口深淘滩、低做堰(2）光学方面 取火的方法和对火的认识墨经：小孔成像原理南宋赵友钦亲自建立暗室做光学实验 大气光象和色散的研究彩虹的成因、光谱的研究平面镜成像、透镜原理和焦距的研究、潜望镜小孔成像和影的认识西汉透光境它的镜面微凸，当平行光照射镜面时，镜面 的反射投影就能出现与镜背的文字和纹饰相同的影像。金燧、木燧、冰透镜(3）对电和磁的认识关于静电和雷电的研究关于磁的研究：磁石的吸铁性质磁的应用：指南针、指南鱼、指南龟、罗盘 12-13世纪，中国的指南针传入阿拉伯地区，进而传到欧洲。慈石引铁，玳瑁吸 尖端放电现象 古塔上避雷装置（西汉始） 雷电现象区分导体和绝缘体(4）声学方面声音的产生和传播的研究 声的性质和应用：古代关于共振的研究 纸人跳舞、钟磬自鸣 律学的研究：音乐中的“五音”与“十二律” 五音：宫、商、角、徵、羽 乐器：随州曾侯乙墓：64件编钟、笙、排箫、琴等、建筑声学效应：天坛回音壁、三音 石、圜丘、回音壁、永济莺莺塔、琴室（地下埋有瓮，起共鸣箱作用）二、西方古代哲学观和物理知识(古希腊时期）古希腊人在文学、戏剧、雕塑、建筑、哲学等诸多方 面有很深的造诣 拉斐尔(Raphael )的油 画恩培多克勒提出四根说：“土、水、气、火是组成物质的基本元素” 德谟克利特的原子论（原子的希腊文原意 是“不可再分”）毕达哥拉斯：数即万物万物都包含 数，甚至万物都是数，上帝通过数来统治 宇宙、毕达哥拉斯定理（勾股定理）1、物质本原问题的探讨泰勒斯认为万物源于水古希腊的著名哲学 家，天文学家，数学家 Pythagoras芝诺的运动悖论：阿基里斯永远追不上乌龟2、具体科学(1）力学方面： 百科全书式的学者亚里士多德的物理学 阿基米德的杠杆平衡原理和浮力定律(2）光学方面： 泰勒斯用相似三角形的原理测量胡夫金字塔的高度 欧几里德将几何学引入光学，肯定光的直线传播的现象， 提出反射定律；编写了几何原本一书，对后来科学界 影响深远（Aristotle ）(3）天文学方面： 泰勒斯观测太阳直径，预言日食 毕达哥拉斯提出“中心火”的宇宙结构模型 他从球形是最完美几何体的观点出发，认为大地是球 形的，提出了太阳、月亮和行星作均匀圆运动的思想。 他还认为十是最完美的数，所以天上运动的发光体必然 有十个。 阿里斯塔克：提出并坚持日心说 托勒密完成天文学大全，公元前后100年前后将 地心说发展到顶峰数学家、天文学家托勒密（公元85165年）用匀速圆周运动说明行星的不规则运动，用复杂的理论（本轮、均轮、偏心等距点；共80多个轮上轮），再利用古代天文学家得出的部分结果，拼凑出符合观察结果的天体运行图其预言与实测位置相差在0.20以内。在1400年中是天文学家和 航海家的有力工具。火星中心地球均轮偏心等距点本轮 本轮中心三、古代阿拉伯的物理知识78世纪，阿拉伯人在中东地区 崛起，成为沟通东西方的桥梁在数学 、医学、化学、天文学、地理学、生 物学等领域也有重要研究成果。在620年650年的短短三十年间，阿拉伯人征服了阿拉伯、叙利亚、波斯、埃及等地。 著名的阿拔斯王朝哈里发哈伦.拉西德奖励翻译希腊作家的著作，因而促成了阿拉伯学术的兴盛。 几何原理和至大论的翻译。四、欧洲中世纪（515世纪）的科学发展缓慢公元476年，西罗马帝国灭亡，欧洲进入封建社会时期，欧洲的 中世纪时期开始了。终止于1640 年英国资产阶级革命爆发基督教在古罗马兴起并被立为国教，教会垄断了文化教育，敌视并压制自然科学。 基督耶稣完全统治了人们的精神，人们在现实和精神世界所遇到的问题都可以由基督神学解释，而再不用对自然奥 秘感到好奇，不用提出任何自然科学问题。2、思想火花的闪现(1）罗吉尔培根（13世纪）:毕生宣传科学知识，提倡重 视经验，主张科学实验，重视数学。(2）对亚里士多德的怀疑(3）对运动学的研究：匀速运动和匀加速运动(1)经院学者对权威的敬畏情绪； (2)数学水平低下； (3)不了解自然科学在本质上是经验的。1、科学水平低下的三个原因1.3 经典物理学产生的条件和建立过程一、文艺复兴 文艺复兴是14世纪至16世纪在欧洲兴起的一个思 想文化运动，带来一段科学与艺术革命时期，揭开 了现代欧洲历史的序幕，被认为是中古时代和近代 的分界 欧洲的文艺复兴：代表人物但丁、达芬奇等文艺复兴并不是真正要“恢复”古典的文化 ，而是借此抨击当时的文化和制度，以建立新的 文化，为建立新的社会制度体系造舆论。文艺复 兴是使欧洲摆脱腐朽的封建宗教束缚，向全世界 扩张的一个前奏曲 500毕达哥拉斯理论：以地 球为中心的透明球壳400每个行星都以变 化的速率运动 以地球为中心的多 重透明球壳二、天文学的突破天文学早期历史概要观察代表性时期理论恒星、太阳、月亮和 行星在太空中运动公元前3000年天文学通常与物理学有紧密的联系。 天文学是自然科学中最早独立发展的学科之一。100 15001600托勒密理论：地心本 轮、偏轮第谷的测量否定 了托勒密和哥白 尼的观点 伽利略的观察 否定地心理论开普勒理论：以太阳 为焦点的椭圆轨道哥白尼理论：日心圆 轨道300200100阿里斯塔克的理论：日 心圆轨道；根据月食现 象推算月亮的大小地心本轮理论地球不动，与阿里 斯塔克的理论矛盾0波兰天文学家哥白尼:为日心 说奋斗终生,1543年出版天体运行论建立日心说模型 ，但是缺乏物理基础意大利布鲁诺:支持和发展日心说指出宇宙和时间都是无限的， 太阳系只是无数星系中的一个。（1）行星作椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上； （2）太阳到行星的矢径在相同的时间内扫过的面积相等； （3）行星绕日周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比。德国天文学家开普勒： 在研究前人理论结果和第谷观 测资料基础上，结合自己的观 测结果，提出行星运动三定律 预言水星金星凌日丹麦天文学家第谷布拉赫 20多年观测天体运动，留下大量的详细的观测资料。三、伽利略和近代力学的诞生伽利略：1609年制成第一个天文望远镜；1632年出版了 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 发现木星的四个卫星、太阳黑子、土星光环； 发展了科学实验的方法：比萨斜塔实验、用斜 面做力学实验弗朗西斯培根：知识就是力量四、