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1、第三章 近代自然科学的全面发展本讲稿第一页，共二十二页第一节 经典物理学体系的形成第二节 近代化学的展开第三节 近代生物学的演进第四节 近代天文学的进展与地质学的起步本讲稿第二页，共二十二页第一节 经典物理学体系的形成一、几何光学的进展与光的本质的探讨二、热学的成就和热现象的微观解释三、从电磁现象的研究到电磁场理论的建立本讲稿第三页，共二十二页一、几何光学的进展与光的本质的探讨 1、几何光学的进展光的反射定律光的折射定律本讲稿第四页，共二十二页2、波动光学的兴起衍射现象3、光是什么4、波动说的胜利本讲稿第五页，共二十二页二、热学的成就和热现象的微观解释 1、热的本质的认识、热的本质的认识 17
2、世纪以后，不少人根据摩擦生热的现象，认为热是一种特殊的运动。例如弗培根(Francis Bacon)就在归纳大量热观象经验事实的基础上断言：“热的本质就是运动”。当时这种热的运动说，由于缺乏精确的实验根据，没有形成为科学理论。在18世纪，普遍流行“热质说”，这种学说认为热是一种没有重量的流质，它不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度决定于它所含热质的多少。本讲稿第六页，共二十二页1798牛，伦福德(Rumford)在观察枪炮制造时，发现钻孔切下来的碎屑有极高的温度，他怀疑这大量的热能否由金属内部的热质所供给。他还用一只几乎不能切削的钝钻头钻孔，发现产生的热量竞能在2小时45分钟的时间内使
3、大约18磅(1磅0453公斤)的水沸滕。根据这一系列实险结果，他否定了热质说，认为热是运动的一种形式。本讲稿第七页，共二十二页19世纪40年代以后，迈尔(Mayer)首先提出各种运动相互转化的思想。焦耳(Jou1e)在总结伦福德等人工作的基础上，运用电磁、化学和机械方法进行了一系列精确的实验，系统地测量了可以转化为一定数量热的其他各种形式的能量。焦耳所确定的热功当量，有力地说明了热在本质上是一种运动。在许多人研究的基础L建大了能量守恒和转化定律，说明自然界各种形式的能量都可以按照一定的当量关系互相转化。热功当量的确定与能显守恒和转化定榨的建立，彻底捎殴了热质说。热县运动的观点终于被建立起来了。
4、人们终于认识到：宏观热现象是物体内部大量分子的无规宏观热现象是物体内部大量分子的无规则运动的表现。则运动的表现。本讲稿第八页，共二十二页、能量守恒定律、能量守恒定律19世纪40年代建立起来的能量守恒定律，被认为是自牛顿力学以后的科学发展的第二次大革命。这一发现涉及到多个国家在多种领域中工作的10多位科学家，其中主要是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉汤姆生（后来受封为开尔文勋爵）共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时，大多数气体和空气的温度都要下降，这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被子
5、称为焦耳汤姆生效应。本讲稿第九页，共二十二页3、热力学定律、热力学定律 第零定律：若两个系统都与第三个系统达到热平衡，这两个系统必定相互达到热平衡。第一定律：外界传递给系统的热量等于系统内能的增量和系统对外所作的功的总和。第二定律：热量不能自动地从低温物体传向高温物体。第三定律：没有办法借有限的步骤来达到绝对零度。本讲稿第十页，共二十二页三、从电磁现象的研究到电磁场理论的建立 1、电现象、电现象 两种不同性质的物体，例如干燥的丝绸和玻璃棒相互摩擦后，有吸引轻微物体(如纸片)的现象，这是由于玻璃棒与丝绸因摩擦而带电的缘故。处于带电状态的物体称为带电体。带电体吸引轻微物体能力的强弱和它所带电的多少
6、有关，用来量度物体带电程度的量称为电量。实验证明，物体所带的电荷有两种：一种是与丝绸摩擦过的破璃棒所带电荷相同的叫做正电荷；另一种是与玻璃棒摩擦过的丝绸所带电荷相同的叫做负电荷。实验发现，带电体之间有相互作用，而且是带闹种电荷的物体相互排斥，带异种电荷的物体相互吸引。库仑(Coulumb)在1785年通过扭秤实验，测定了两个静止点电荷间相互作用力，建立了库仑定律。其内容是：两个静止点电荷间的相互作用力，正比例于它们电量的乘积，反比例于它们之间距离的平方，力的方向沿着电荷的连线。本讲稿第十一页，共二十二页 在很长时间内，人们认为电荷之间的作用是“超距作用”。也就是说，认为一个电荷所受到的作用力是
7、由另一个电荷直接给予的，不需要中间物质传递，也不需要时间，完全可以从一个电荷即时地达到另一个电荷。直到19世纪初，人们才提出了新的观点，认为静电力同样是一种物质之间的相互作用，即认为在电荷周围存在着一种特殊物质，这种特殊物质叫做由该电荷激发的电场，处于该电荷周围任何地方的其他电荷所受的静电力是由这电场给予的。也就是说，电荷和电荷之间是通过电场这种特殊物质而相互作用的。这种作用可表示如下 本讲稿第十二页，共二十二页2、磁现象、磁现象 天然磁铁(磁石)能吸引铁、钴、镍物质的性质称为磁性。条形磁铁的两端磁性最强的区域称为磁极。把一块条形磁铁悬挂起来，磁铁将自动地转向南北方向，指北的一极称为北极，指南
8、的一极称为南极。购块磁铁的磁极之间有相互作用力存在，称为磁力。同性磁极之间有排斥力，异性磁极之间有吸引力。磁铁在空中自动指向南北的事实，说明地球本身世是一个巨大的磁铁。本讲稿第十三页，共二十二页 1819年奥斯特(Oersted)发现，放在载流导线(即有电流通过的导线)周围的磁针会受到力的作用而发生偏转。1820年安培(Ampere)又发现，放在磁铁时近的载流导线或然流线圈，巴会受到力的作用丽发生运动。其后又发现裁流导线之间或载流线圈之间也有相互作用。例如，把两个裁流线圈面对面挂乔一起，当两电流的流向相同时，就可以看到两线圈相万吸引，流向相反时，相互排斥。从上述这些实验，人们知道了磁现象与电荷
9、的运动是密切联系的。电荷运动可以严生蹈现象，运动电荷本身也可以受到磁力的作用。现已明确，磁现象起源子电荷的运动。运动电荷之间，除了电荷之间的库仑力以外，还有磁力作用。磁力是通过磁场作用的。就是说，任何运动电荷周围空间里都存在着磁场，而磁场对位于其中的任一运动电荷有磁力作用。这种相互作用可以表示如下 因此，磁力也就称为磁场力。本讲稿第十四页，共二十二页3、电场和磁场的统一、电场和磁场的统一 自从奥斯特发现电流产生磁场的现象以后，不少科学家研究电流磁效应的逆现象，也就是如何利用磁场来产生电流。1831年，池拉第从实验中发现，当通过一闭合回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中就产生电流，这种电流称
10、为感应电流。由于磁通量的变比而产生电流的现象称为电磁感应现象。法拉第认为，从本质上讲，电路中出现电流，表明电路中有电动势(单位正电荷绕回路一周时非静电力所作的功)。电磁感应所直接产受的应该是感应电动势，只有当电路闭合时感应咆功势才会产生感应电流。法拉第从实验中总结了感应电动势包磁通量变比之间的关系，弥为法拉第电磁感应定律，其表述是：不论任何原因使通过回路所包围面积的磁通量发生变化时，回路中所产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比例。本讲稿第十五页，共二十二页麦克斯韦注意到电磁感应现象的特殊性，提出了新的论点。他认为这种感应电动势是由另一种电场力对导体中自由电子作用的结果，这种电场是由变化
11、着的磁场产生的，导线回路中的感应电动势，只是这种电场沟一种表现。他认为，即使没有任何导体存在，只要磁场随时间杏变化，这种电场总是存在。他把随时间变化的磁场所产生的电场，叫做感应电场或涡旋电场。麦克斯韦不仅认为变化磁场能够产生电场，而且他还进一步认为，变化电场应该与电流一样，也能够在空间产生磁场。这就是所谓的泣移电流产生磁场的假说。麦克斯韦在引入涡旋电场和位移电流两个重要概念的基础上，对静电场和稳恒电流的磁场所遵从的规律加以推广，便得出了适用于普遍情况的电磁场理论。这个理论的基本概念，就是电场和磁场之间的相互联系和相互影响。即任何随时间变化的电场必然激发起磁场；任何随时间变化的磁场，也必然激发起
12、电场。这两种变化着的、具有涡旋性质的电场和磁场，永远是相互联系、互为因果的，它们形成不可分割的、统一的整体电磁场。静电场和稳恒电流产生的磁场只是电磁场的两种特殊情况。本讲稿第十六页，共二十二页第二节 近代化学的展开一、科学化学的形成二、化学基本定律与原子分子学说的诞生三、有机化学与结构化学的起步四、化学元素周期律的发现本讲稿第十七页，共二十二页一、科学化学的形成、近代化学的奠基者玻意耳17世纪后半叶至18世纪未，是近代化学的孕育时期，其主要标志是化学元素概念的提出和科学燃烧学说的建立。英国化学和物理学家波义耳(RBoyle,l627一l691)关于物质组成的问题上，根据许多实验事实于1661年
13、指出：“我指的元素应当是某些不由任何其他物质所构成的原始的和简单的物质或完全纯净的物质”。当然，从现代化学观点看，波义耳定义的元素实际上是单质。本讲稿第十八页，共二十二页2、燃素说 17世纪末，人们对燃烧现象曾有如下解释：一切与燃烧有关的化学变化都可归结为物质吸收或释放燃素的过程。例如，金属燃素燃灰。当时也有一些科学家怀疑这种“燃素说”。到18世纪后半叶，法国化学家拉瓦锡(ALLavoisier,l743一1794)用了五年时间，做了许多煅烧和燃烧实验的定量研究，并在英国化学家普利斯特里(JPriestley，17331804)所作的分解氧化汞实验的启示下，终于在1777年提出了燃烧的氧化学说
14、。例如，金属+氧煅灰。科学燃烧学说的建立，使过去在燃素说形式上倒立着的全部化学正立过来，彻底割断了与炼金术的某些联系。本讲稿第十九页，共二十二页化学基本定律与原子分子学说的诞生1803年，化学家道尔顿提出：化学元素是由非常微小的，不可再分的微粒原子所组成。他的原子论为许多经验性的化学定律提供了清晰的理论解释，使人们认识到隐藏在纷纭复杂的化学现象背后的统一本质。1858年意大利化学家康尼查罗发表论文令人信服地指出，只要接受50年前阿伏伽德罗提出的分子假说，测定原子量、确定化学式的困难就可迎刃而解。这一思想迅速得到了各国化学家的赞同，现代原子分子论终于瓜熟蒂落。本讲稿第二十页，共二十二页三、有机化
15、学与结构化学的起步1824年，年仅24岁的维勒用无机物氰和氨水合成了有机物尿素。给予有机物只能来源于有生命的动植物的神秘活力论以致命打击。1829年至1839年，李比希为奠定有机化学的基础作出了卓越贡献，主要有：研究成功简单而又精确的有机化合物分析法；通过雷酸银和苯甲酰基的研究，跟维勒一起证实了同分异构现象和提出了基团学说。1858年，化学家凯库勒提出碳的四价学说，揭示了有机物的结构，并提出了苯的环状结构，解决了一大类芳香族有机化合物的分子结构的难题。本讲稿第二十一页，共二十二页化学元素周期律的发现1869年，化学家门捷列夫通过对当时已知的63种化学元素的分析，机敏地发现了这些元素的性质与原子量的关系，提出了化学周期律。与迈尔不同，他依据这个规律，大胆预言了十几种未知元素的存在和它们的性质，后来被一一证实。本讲稿第二十二页，共二十二页