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课程标准：（1）了解经典力学的主要内容，认识其在近代自然科学理论发展中的历史地位；（2）知道相对论、量子论的主要内容，认识其意义。 物理学和数学是自然科学最基础的最本质的科学。而数学是物理的基本工具。 物理学就是研究自然界中物理现象的科学。这些现象包括力现象，声音现象，热现象，电和磁现象，光现象，原子和原子核的运动变化等现象。所以物理学包括力、声、热、电、光、原子等部分。 研究机械运动的——力学；研究声音的产生、传播及其效应的——声学；研究分子运动的——热学；研究电磁运动的——电磁学；研究光的——光学；研究原子和原子核的——原子物理学。 按照物理学本身发展的规律，结合社会经济各时期的特点，并考虑到不同时期有不同的研究方法，把物理学发展的历史大体分为三个时期。 古代物理学时期，又称经验物理学时期，大约17世纪以前，物理知识一方面来源于社会实践的直接经验，常常与各种技术结合在一起；另一方面来源于对自然现象的猜测和思辨，因而与各种哲学思潮相融汇。物理知识与哲学交织在一起，这时期的主要方法是直观的观察，直觉的猜测，再加上形式逻辑的演绎。一般都停留在经验定律阶段。古希腊亚里士多德（前384—前322年）创造了这门学科的名称——“物理”一词，古希腊阿基米德（公元前287年—公元前212年）被称为“物理学之父”（其名言“给我一个支点，我能撬动整个地球。”）。古代中国和古希腊是两个中心，中国古代物理学处于领先地位。 近代物理学时期，又称经典物理学时期。这一时期是大约从17世纪初至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法，被引进物理学中，物理学与哲学分离，走上独立发展的道路，迅速形成比较完整严密的经典物理学科学体系。近代物理学之父是伽利略。 现代物理学时期，这一时期是从19世纪末至今，是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。物理学的研究领域得到巨大的拓展，实验手段与设备得到前所未有的增强，理论基础发生了质的飞跃。现代物理学之父阿尔伯特·爱因斯坦。 结合“文艺复兴”一课回顾： 近代物理学是近代自然科学的组成部分。 文艺复兴运动促使近代自然科学的产生。伴随着自然科学同宗教神学、经院哲学的激烈斗争，一批哲学家、科学家极力提倡科学实验。实验科学的兴起，更使自然科学有了独立的实践基础，从此，近代自然科学开始了它的相对独立发展的新时代。由于科学实验日益成为独立的社会实践，不仅使近代自然知识有了特有的实践基础，也促进了科学形态的变化，出现了与古代实用科学、自然哲学不同的崭新的科学形态，即实验科学。近代自然科学是建立在科学实验基础之上的实验科学。 近代自然科学产生的社会基础和条件： 1、资本主义生产方式的出现和发展 提供了技术基础、实际需要。 2、文艺复兴运动、新航路开辟和宗教改革运动的推动 文艺复兴运动为近代自然科学的产生提供了一个良好的文化条件。文艺复兴运动反对蒙昧主义，崇尚理性和科学，追求知识，破除了人们对神圣不可侵犯的信条的迷信，培育了自由研究的精神，引导了人们去观察和研究自然和现实世界。文艺复兴对科学的最重要的贡献，则是培育了一批富有新鲜活力并有所建树的自然科学家。在文艺复兴的代表人物中间，最杰出的是意大利的达・芬奇(1482～1519)，他既是一位人文主义思想家，哲学家，艺术家，又是出色的工程师和科学家（是人类历史上绝无仅有的全才，广泛地研究与绘画有关的光学、数学、地质学、生物学等多种学科，是近代生理解剖学的始祖）；高举天文学革命旗帜的哥白尼(1473～1543)；提出了宇宙无限论的布鲁诺（1548—1600）；物理学家、天文学家和哲学家、近代实验科学的先驱者“伽利略”（1564年—1642）。 航海活动首先需要科学技术的支持，同时又对科学技术的发展具有决定性的影响。航海活动和地理大发现，使人们看到了一个新的地球，开阔了人们的视野，扩展了人们的活动范围和知识领域。这样不仅使科学特别是天文学，地理学有了现实的经济价值，而且使科学变成了大众的科学。航海活动为天文学，地理学，动物学，植物学等自然科学的研究提供了大量的经验事实，推动了科学观念上的突破和新学科的建立。 中世纪的欧洲，科学变成了神学的附庸，宗教改革运动对科学从神学中解放出来有积极作用，有利于自然科学的发展。 一、古代物理学的成就（大约17世纪以前）： 中国古代物理学成就参见戴念祖《中国读本：中国古代物理学》（ 中国国际广播出版社2010版）。本课主要介绍西方成就。 严格地说，在古代世界中是没有近代意义的物理学的。物理学虽一直没有从哲学和自然科学中分化出来成为一门独立的科学，然而通过含有物理知识的哲学、自然科学和科技知识等著作的流传和有关的教学活动，物理知识还是不断地在社会上传播，仍然得到了一定的发展。 1、表现： （1）亚里士多德（前384—前322年）： 亚里士多德（前384—前322年）创造了这门学科的名称——“物理”一词。 他利用直觉经验和数学比例关系来研究物体的位移运动，建立了两条影响深远但不准确的比例定律。 其一，除上升下落外，地上物体的其他一切运动，他都认为是强迫运动：“任何运动着的事物都必然有推动者”。即认为物体只有在外力推动下才运动，外力停止，运动也就停止。这种强迫运动的比例定律为：“设动力为α，运动物体为β，经过距离为γ，发生位置移动的时间为δ，则同一动力α在同一时间内将使β/2移动2γ，或在δ/2内使β/2移动距离γ。”由于教会的吹捧，这些定律在16～17世纪以前还是神圣不可侵犯的教条。 亚里士多德提出的假设是，凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动——是建立在日常经验上。若你看到一个东西在移动，你就会寻找一个推动它的东西(像是我们的手、身体)。当没什么东西推它时，它就会停止移动，是一个推着一个，不能无限制地追溯上去，“必然存在第一推动者”，中古世纪的基督教说“第一推动者” 就是指上帝，并将亚里斯多德的学说，与基督教教义结合。这样的结合让亚里斯多德的学说成为权威学说，一直到了牛顿手里，才建立正确的力学学说。 “力是维持运动的原因” 其二，他认为“下落运动的快慢有两个原因：①运动所通过的媒质不同（如通过水或空气），②运动物体自身轻或重的程度不同，如果运动的其他条件相同的话”。因此他关于自由落体运动的定律是：“物体下落的时间与重量成反比，如一物重量是另一物的两倍，则在同一下落中只用一半的时间。”“如果空气比水稀两倍，则同一运动物体在水中运动时要耗费两倍时间。”即作自由落体运动的物体重的比轻的落得快。 亚里斯多德认为较重物体的下坠速度会比较轻物体的快，这个错误观点要到十六世纪，意大利科学家伽利略从比萨塔上掷下两个不同重量圆球的实验中才被推翻。 另外，亚里士多德认为白色是一种再纯不过的光，而平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光，是不纯净的，这种结论直到17世纪大家对这一种结论坚信不移，为了验证之一观点，牛顿把一个三棱镜放在阳光下，阳光透过三棱镜后形成了红，橙，黄，绿，蓝，靛，紫七种颜色组成的光带照射在光屏上，牛顿得到了跟人们原先一直认为正确的观点完全相反的结论：白光是由这七种颜色的光组成的，这七种光才是纯净的。 由于人们对权威的盲目崇拜，又看不清自然现象的本质，使这些错误观点流行达二千年之久，在一定程度上阻碍了自然科学的发展。经典力学就是在批判亚里士多德的这些错误观点中建立起来的。 （2）阿基米德（前287年—前212年）： 古希腊著名的学者，被称为“物理学之父”。。 其一，最早发现和提出“杠杆定律”（亦称“杠杆平衡条件”“阿基米德杠杆定律”） 人们从远古时代起就会使用杠杆，并且懂得巧妙地运用杠杆。在埃及造金字塔的时候，奴隶们就利用杠杆把沉重的石块往上撬。造船工人用杠杆在船上架设桅杆。人们用汲水吊杆从井里取水，等等。但是，杠杆为什么能做到这一点呢？在阿基米德发现杠杆定律之前，是没有人能够解释的。当时，有的哲学家在谈到这个问题的时候，一口咬定说，这是“魔性”。阿基米德却不承认是什么“魔性”。他懂得，自然界里的种种现象，总有自然的原因来解释。杠杆作用也有它自然的原因，他决心把它解释出来。阿基米德经过反复地观察、实验和计算，终于确立了杠杆的平衡定律。就是，“力臂和力（重量）成反比例。”换句话说，就是：小重量是大重量的多少分之一重，长力臂就应当是短力臂的多少倍长。阿基米德确立了杠杆定律后，就推断说，只要能够取得适当的杠杆长度，任何重量都可以用很小的力量举起来。 阿基米德认为，利用杠杆就能用一个最小的力，把不论多重的东西举起来。他甚至异想天开地说：“给我一个支点，我就能撬动地球。”（系其名言）据有关资料，阿基米德曾写信给国王，说一定大小的力可以移动任何重量的物体，如果在地球附近有另一个星球可以置放支点的话，我就能到上面去将地球移动一个位置。 其实，举起地球是做不到的，一些科学家经过物理计算得出结论：即使有很长的杠杆，即使下压杠杆的速度与光速一样快，若举起地球一厘米最少也需要10万年时间。由此可见，任何科学的定律也只能适应于具体的时空，而不能超越无限的时空。 然而，我们应该看到的是，阿基米德思考问题的方向是正确的，在理论上是可行的。 系统总结并严格证明了杠杆定律（亦称“杠杆平衡条件”）——阿基米德杠杆定律。在总结前人经验的基础上，阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理，提出了精确地确定物体重心的方法，指出在物体的重心处支起来，就能使物体保持平衡。在《论平面图形的平衡》一书中，进一步确定了各种平面图形的重心，并对杠杆平衡条件做了严格的数学证明。得出“二重物平衡时，它们离支点的距离与重量成反比”杠杆定律。 阿基米德对杠杆的研究不仅仅停留在理论方面，而且据此原理还进了一系列的发明创造。据说，他曾经借助杠杆和滑轮组，使停放在沙滩上的桅船顺利下水。在保卫叙拉古免受罗马海军袭击的战斗中，阿基米德利用杠杆原理制造了远、近距离的投石器，利用它射出各种飞弹和巨石攻击敌人，曾把罗马人阻于叙拉古城外达3年之久。 很多学者认为，墨子关于物理学的研究涉及到力学、光学（小孔成像的实验）、声学等分支，给出了不少物理学概念的定义，并有不少重大的发现，总结出了一些重要的物理学定理。《墨子》用两条经文系统地阐述了力学中的杠杆平衡原理。墨子至少比古希腊力学家阿基米德提前约200左右提出了该原理。《经下》：“负而不挠，说在胜。”《经说下》：“负：衡木加重焉而不挠，极胜重也。右校交绳，无加焉而挠，极不胜重也。” 灌溉工具“桔槔”始见于《墨子·备城门》，是一种利用杠杆原理的取水机械。长杆一端系重物，另一端系水桶，利用杠杆原理的人力提水的工具。从史籍记载看，春秋战国时使用桔槔的地区主要是经济比较发达的鲁、卫、郑等国（今山东西南、河南北部、河北南部）。 李约瑟在《中国科学技术史》物理卷中所说，墨子关于光学的研究，“比我们所知的希腊的为早”，“印度亦不能比拟”。 其二，在著名的《论浮体》一书中，他总结出了著名的阿基米德浮力定律：放在液体中的物体受到向上的浮力，其大小等于物体所排开的液体重力。从此使人们对物体的沉浮有了科学的认识，从而奠定了流体静力学的基础。 浮力定律是由阿基米德发现的。 关于浮力定律的发现还流传着一个有趣的故事。相传古希腊的赫农王叫工匠做一顶纯金王冠。金王冠做得极其精致，可是有人告发说，工匠在制作王冠时将一些银子偷换了一些金子。国王叫阿基米德想办法在不损害王冠的情况下测出王冠里是否掺了假。于是，阿基米德便冥思苦想考虑如何解决这个难题。有一天，他到澡堂去洗澡。当他躺进澡盆时，发现自己身体越往下沉，盆里溢出的水就越多。而他则感到身体越轻。突然阿基米德欣喜若狂地跳出了澡盆，甚至忘记了穿衣服就直奔王宫，边跑边喊：“找到了，找到了！”阿基米德找到了什么？他找到的不仅是鉴定金王冠是否掺假的方法，而且是重要的科学原理，即浸没于水中的物体受到一个向上的浮力，浮力的大小等于它所排开水的重量，据此计算了金和银的含量。因为重量相同的物体，密度大的体积就小。金的密度大于银，因而金块和银块同重时，金块的体积必然小于银块体积，如把同重的实心金块和实心银块放入水中，那么金块排出的水就比银块排出的水少，而王冠排出的水在这两者之间，这就证明了王冠不是纯金的。他又利用数学计算，确定了王冠中掺了银子的质量，而且质量与工匠换来的金子一样。也有人认为，阿基米德分别称出浸在水中的金、银和王冠的重量，与原重量进行比较，由此测定了它们在水中减少的重量，从这些数据中他艰难地找到了答案。 阿基米德的定律奠定了以后的科技事业的发展，例如，轮船事业，等等。 2、特点： （1）物理知识来源于社会实践的直接经验和对自然现象的猜测和思辨，物理学与哲学交织在一起（又称经验物理学）； （2）主要方法是观察、猜测和形式逻辑的演绎，停留在经验定律阶段。 根据认识主体把握事物普遍联系的深度，通常把科学规律区分为两大层次：经验定律和理论定律。经验定律所陈述的是客观事物的表观的外部的普遍必然联系。而理论定律所陈述的则是客观事物的本质的内部的普遍必然联系。 二、近代物理学的成就——经典力学体系的建立（17—19世纪）： 力学是研究物质机械运动规律的科学。机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。力学是物理学中最早发展的部分，也是物理学最早系统化的部分，力学是物理学的基础。 近代力学又称经典力学。经典力学是以牛顿运动定律为基础，在宏观世界和低速状态下，研究物体运动的基要学术。也就是说，牛顿运动三定律是经典力学中最重要的成，所以经典力学又称牛顿力学。 经典力学的成就在近代自然科学史上具有划时代的意义，这不仅因为在16～18世纪，只有力学唯一地达到成熟阶段，形成了系统化和理论化的知识体系，而且因为它把人类对整个自然界的认识推进到一个新水平，它对当时各门自然学科的发展都产生了深刻的影响。经典力学是经典物理学和天文学的基础，也是现代工程力学以及有关的工程技术的理论基础。 经典力学是近代物理学的基础。 近代物理学的成就主要体现在经典力学体系的建立。 1、背景： （1）中世纪亚里士多德的学说长期被教会奉为教条 （2）文艺复兴后，亚里士多德的力学不断受到质疑 2、经典力学的奠基者——伽利略： 伽利略是近代力学理论奠基者，是实验科学的先驱，同时也是近代天文学革命的勇士。1638年他的《关于两门新科学对话和数学证明》出版，亚里士多德许多观点受到质疑，标志着近代力学的诞生。近代科学之父、近代物理学之父。 伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学相结合的方法确定了一些重要的力学定律。 通过实验证实： （1）外力不是维护运动状态的原因，只是改变运动状态的原因。 《初中物理》讲到的伽利略的实验： 同一小车从同一斜面上的同一位置由静止开始滑下，（这是为了保证每次小车到达水平面时有相同的速度，注意要保证单一变量）。第一次在水平面上铺上毛巾，小车在毛巾上滑行很短的距离就停下了；第二次在水平面铺上较光滑的棉布，小车在棉布上滑行的距离较远；第三次是光滑的木板，小车滑行的距离最远。 伽利略认为，是平面对小车的阻力使小车停下，平面越光滑小车滑行就越远。表明阻力越小，小车滑行就越远．伽利略科学地想象：要是能找到一块十分光滑的平面，摩擦阻力为零，小车的滑行速度将不会减慢，将匀速行驶下去。 结论：外力不是维护运动状态的原因，只是改变运动状态的原因。 最简单而充分的理由：光滑水平面上，物体可以保持匀速运动。这句话有力得证明：即使没有力，物体也能运动。因此，力不是维持物体运动的原因。注意：力不是产生速度的原因，而是产生加速度的原因。 伽利略实验的结论改变了亚里士多德的观点“凡是运动的物体，一定有推动者在推着它运动”——这是建立在日常经验上的观点。 后来牛顿总结了伽利略等人的研究成果，从而概括出一条重要的物理定律：一切物体在没有受到力的作用的时候，总保持静止状态或匀速直线运动状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态。这就是牛顿第一定律。 所以，伽利略的发现是牛顿第一定律的“前身”。牛顿第一定律科学地阐明了力和惯性这两个物理概念，正确地解释了力和运动状态的关系，并提出了一切物体都具有保持其运动状态不变的属性——惯性，它是物理学中一条基本定律。 由于物体保持运动状态不变的特性叫做惯性，所以牛顿第一定律也叫惯性定律。 牛顿曾经说过：“我是站在巨人的肩膀上才成功的。”这句话就是针对伽利略的。所以牛顿概括了前人的研究结果，总结出了著名的牛顿第一定律。 （2）物体的下落速度与物体的重量无关，创立了自由落体定律 亚里斯多德认为物体的下落速度和重量成正比，物体越重，下落的速度越快。千百年来这被当成是不可怀疑的真理。 伽利略对落体运动作了细致的观察。从实验和理论推理上否定了统治千余年的亚里士多德关于“落体运动法则”确立了正确的“自由落体定律”——即在忽略空气阻力条件下，重量不同的球在下落时同时落地，下落的速度与重量无关。 伽利略的实验： 根据伽利略晚年的秘书维维亚尼写的伽利略传记中，他在比萨斜塔上当众实验，扔下了一重一轻两个球。在众人的惊呼声中，两个球同时落地。但方舟子认为，伽利略本人的著作都没有提到在比萨斜塔当众演示，伽利略任教的比萨大学的记录、伽利略同时代的其他人也都没有提到这个据说很轰动的实验，倒是提到了其他人在比萨斜塔做自由落体实验，伽利略比萨斜塔实验不过是维维亚尼编造的一个传奇而已。 伽利略的理论推理： 伽利略用“思想实验”（理论推理）已经推翻亚里斯多德落体运动法则。伽利略在晚年出版的《关于两门新科学的对话》一书中，详细介绍了这个思想实验。伽利略据此设想，亚里斯多德物理学是：有一重一轻两个球，重球的下落速度将比轻球快。再设想把这两个球绑在一起下落，就可以得出两个结论：一是速度慢的轻球会拖慢速度快的重球，因此它们一起下落的速度应介于它们各自下落的速度之间（比轻球快，比重球慢）；二是两球合在一起的重量大于重球，它们一起下落的速度又应该比它们各自下落的速度都大。而这两个结论不可能同时并存，这样就出现了自相矛盾，因此亚里斯多德的落体运动法则是不能成立的，物体的下落速度与物体的重量是无关的。 伽利略对他的这番论证非常自信，认为无需进一步做实验，就已证明了物体的下落速度和重量大小无关。在真空中，这个结论无疑是正确的（真空中，羽毛、硬币下落速度一样。有空气阻力则不行），因此很多物理学家、科学哲学家认为伽利略的论证简洁有力、十分精彩，是思想实验的典范。 方舟子认为，伽利略推理过程有不严谨之处。伽利略在推理时承认亚里斯多德的这一前提：每个物体下落时都有一个自然速度。那么把两个球绑在一起，还能不能作为一个物体看待？如果它是一个物体，它就获得了一个新的自然下落速度，应根据它的新重量来算这个新速度，而不能再根据两个球分别下落的速度去计算新速度，这样就不存在矛盾。如果它不是一个物体，轻球会拖慢重球，但是这时轻球的重量不能加到重球之上，不存在一个有二者的重量之和的新物体，不能根据重量之和算出另一个更大的速度，这样也不存在矛盾。亚里斯多德可以反驳说，伽利略之所以会认为有矛盾，是因为他一方面把绑在一起的两个球当成两个物体（即上述第一个结论的依据），一方面又当成一个物体（即上述第二个结论的依据），自己自相矛盾造成的。严格地说，伽利略的思想实验并没能推翻亚里斯多德落体运动法则。 自由落体定律成为牛顿第二定律的“一个例子”。牛顿第二定律：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。牛顿第二定律又称加速度定律。力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝。 这为牛顿正式提出运动第一、第二定律奠定了基础。在经典力学的创立上，伽利略可说是牛顿的先驱。牛顿在系统地总结了伽利略、惠更斯等人的工作后，得到了万有引力定律和牛顿运动三定律。 （3）制造的望远镜证明了哥白尼的“日心说”（属于天文学成就） 他的望远镜可以将原物放大32倍。当时，人们争相传颂：“哥伦布发现了新大陆，伽利略发现了新宇宙”。 3、经典力学体系的建立者——牛顿： 经典力学的建立者牛顿。创立了牛顿三大运动定律——惯性定律，加速度定律，作用力和反作用力和万有引力定律。作为经典力学的基础，在低速（相对于光速），弱引力的宏观世界中，包括天体运动经受了考验，人类社会因此取得了巨大的成就。具体而言，从地面上物体的运动到天体运动，大气流动，地壳变动，各种机械，现代交通，汽车，火车飞机等，以及导弹，人造卫星，航空航天都得遵循经典力学的规律。经典力学因此充分展示了它的广泛性及其巨大魅力。 在经典力学的建立中，牛顿则是其中的集大成者，故经典力学又称牛顿力学。 （1）建立标志：1687年，《自然哲学的数学原理》 古代时的欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象及规律的学问。 在科学史上，《自然哲学的数学原理》是经典力学的第一部经典著作，划时代的巨著，也是人类掌握的第一个完整的科学的宇宙论和科学理论体系，其影响所及，遍布经典自然科学的所有领域，并在其后300年里一再取得丰硕成果。就人类文明史而言，它成就了英国工业革命，在法国诱发了启蒙运动和大革命，在社会生产力和基本社会制度两方面都有直接而丰富的成果。迄今为止，还没有第二个重要的科学和学术理论，取得过如此之大的成就。 （2）主要内容： 三大运动定律是牛顿力学体系的核心。运动三定律是经典物理学的基础。 ①牛顿力学三定律：惯性定律和加速度定律(伽利略研究为基础)、作用力与反作用力定律（笛卡尔研究为基础）； 牛顿第一定律（惯性定律）：一切物体在没有受到力的作用时，总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种运动状态。 牛顿第二定律（加速度定律）：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。 牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）：两个物体之间的作用力和反作用力，总是同时在同一条直线上，大小相等，方向相反。 ②万有引力定律：万有引力定律(开普勒研究，自己创立的微积分做计算工具)； 现代物理学认为，宇宙中存在并且只存在四种自然基本力，它们是万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力，大自然万物都是由这四种自然力构建起来的。 万有引力定律：自然界中任何两个物体都是相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比，与两物体间距离的平方成反比。 （3）主要特点： ①以实验为基础（注重实验），实验可以进一步揭示客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论； ②以数学为表达形式（数学化）； 研究人们日常生活中易于理解的宏观世界（是宏观物体低速运动的近似定律）。 牛顿第二定律适用范围：（1）只适用于低速运动的物体（与光速比速度较低）。（2）只适用于宏观物体，牛顿第二定律不适用于微观原子。（3）参照系应为惯性系。 （4）历史地位及影响： ①牛顿力学三定律构成了近代力学体系的基础，成为近代物理学的重要支柱。 ②牛顿力学体系完成了人类对自然界认识史上第一次理论大综合。 ③使力学和天文学在理论上达到完备的程度，并得到应用和验证。 （根据万有引力定律准确算出了地球的平均密度和扁平率；解释潮汐的成因；发现海王星） 发现海王星：七大行星用肉眼或者望远镜观测出来，1781年发现了第七大行星——天王星，发现它的实际位置与理论位置不符。根据万有引力定律，可推测有一颗有一颗未知的行星对它产生了引力，根据科学家计算，1846年发现了海王星。 ④使科学摆脱神学束缚，19世纪进入全面繁荣时期，各自然科学理论体系纷纷建立，成为近代科学形成标志。 ⑤牛顿力学和数学引发了第一次工业革命，使人类进入蒸汽时代。 物理学的发展与完善导致了历史上三次工业革命，现代工业及科学发展离不开物理学理论。 牛顿力学的建立，导致了第一次工业革命。 牛顿的力学和数学，为机器的产生奠定了科学理论基础。第一次工业革命实际上是一场机器工业取代手工工业的革命。机器工业离不开机器，机器离不开力学和数学，力学和数学离不开牛顿。 工业革命首先出现于工场手工业新兴的棉纺织业。1733年，机械师凯伊发明了飞梭，大大提高了织布速度，棉纱顿时供不应求。1765年，织工哈格里夫斯发明了“珍妮纺纱机”，大幅度增加了棉纱产量。“珍妮纺纱机”的出现首先在棉纺织业中引发了发明机器、进行技术革新的连锁反应，揭开了工业革命的序幕。 牛顿经典力学的创立为蒸汽机的出现奠定了坚实的理论基础，是他把人类从手工劳动中解放了出来。蒸汽技术革命引起了社会的全面变革，带来了社会生产力的极大飞跃，使产业结构发生了巨大变化，机械制造业和加工业取代了农牧业而成为产业结构中核心支柱产业。 当然，与第二次工业革命相比，第一次工业革命中，科学与技术的结合不够紧密，其中的许多技术发明来源于工匠的实践经验，发明者多为技术工人，个别是能工巧匠在生产中偶然发现。 电磁理论的发现和建立，使人类进入了电气化时代。 第二次工业革命发生在十九世纪下半叶，它以电磁理论的建立和发展，电气技术开发和应用为基础，极大促进了社会生产力的发展，引起了社会经济结构和生产结构的巨大变革。 电磁感应现象的发现奠定了电力工业最重要的基础；对电磁波运动规律的研究也是电讯技术发展所不可缺少的。19世纪80年代，欧洲各国的物理学家相继发明了交流发电机、变压器、交流感应电动机和输电系统。这些研究和发明, 为建造大容量电机，获得强大电力提供了技术上的可能性；实验室里成功的技术开发，引发了电力技术的广泛应用，导致第二次工业革命。在电力革命的过程中，电磁场理论规定着革命的方向，指导着电力系统技术体系的建立。事实再一次证实了科学包括物理学对生产力发展的先导作用。 量子理论与信息技术革命。 19世纪末和20世纪初，在物理学方面，由于电子，X射线，放射性元素的发现，以及相对论和量子论的创立，导致了物理学和其他自然科学的革命性变革，在此基础上使物理学，化学，生物学，天文学和地学等基础科学从经典形态发展到现代形态，产生了一批崭新的交自然科学，使自然科学理论发展到新的现代水平，为第三次技术革命创造了良好的实验基础与理论基础。这一庞大的现代自然科学群为高技术的诞生和发展提供了基础理论背景和前提条件。第三次技术革命是以20世纪40年代开始发展的原子能，电子技术，激光，生物工程等应用时代，是以微电子技术，信息技术，生物工程技术，新材料，新能源，航天，海洋，和核技术等新兴技术的发展和广泛应用为特点，这些技术发展将使社会的生产和生活发生巨大的影响。新的科学技术项目不断地还在增长，突出地显示出了第三次技术革命所出现的科学发展盛况。 （5）局限性： ①经典力学只适用于处理宏观物体的低速运动问题，而不能用于处理高速运动问题。 经典力学把时间和空间看作是彼此无关的；把时间和空间的基本属性也看作与物质的运动没有任何关系，而是绝对的、永远不变的。这就是所谓经典力学中的“绝对时间”和“绝对空间”的观点，也称作牛顿绝对时空观。 但是，随着物理学的发展，特别是19世纪末有了新的实验发现，结果使经典力学遇到了很大的困难，牛顿的绝对时空观和建立在这一基础上的经典力学开始陷入了无法解决的困境。经典力学实际上只适用于与光速相比低速运动的情况。在高速运动情况下，时间和长度不能再认为与观测者的运动无关。 经典力学研究的是在弱引力场中宏观物体的低速运动。 牛顿经典力学的定律一般是弱引力场中宏观物体的低速运动的近似定律，不能解释微观世界、高速运动的现象。科学定律只在一定范围内有效，经典力学定律对肉眼看到的现象都能有完美的解释。 引力场：由物体对周围其他物体产生的万有引力所构成的力场。 宏观物体：肉眼能看到的物体，比如玻璃，电脑，地球仪，书本，食物……均为宏观物体。宏观物体和宏观现象总称宏观世界。微观有：分子、离子、原子、…… 微观世界：在自然科学中，微观世界通常是指分子、原子等粒子层面的物质世界，物体尺寸非常小，人类肉眼无法直接观察，要借助显微镜、电子显微镜观察和研究。 物体是由分子或原子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核由质子、中子组成，质子和中子由夸克组成。 微观的东西像电子，光子等等都是接近光速运动的，这样就产生了一个相对与光的速度，就是爱因斯坦的相对论，高速运动的物体，就不再遵行牛顿定律了，例如高速运动的物体质量会增加，但是牛顿认为质量是不变的，因此不适用。 低速运动：“低速运动”的定义是远小于光速的运动，低于10的6次方m/s。“高速运动”的定义是接近光速的运动，至少大于10的6次方m/s。 ②物体运动的确定性与随机性、非线性的矛盾 经典力学认为，运动物体的行为，是由过去（或现在）的运动状态以及物体所受的作用力决定的，这就是牛顿力学（或经典力学）的确定性。即如果知道物体初始的运动状态以及运动过程中的受力情况，那么就可以根据牛顿运动定律列出物体的运动方程，从而可以确知物体在任意时刻的运动状态。事实上，确定性的确取得了大量令人振奋的成就，如哈雷彗星回归时间的预测、海王星的发现、宇宙飞船与空间站的对接和返回地球等等。 然而事实上，物体的运动并非都是只按照确定性进行的，在许多情况下，物体的运动还表现出相当明显的偶然性、随机性。例如，做抛体运动的物体的运动轨迹会因为空气的阻力、温度和湿度、风速等因素的影响而发生随机的变化。表现物体运动随机性的最典型的例子是布朗运动。藤黄粒子在水中运动的轨迹是一些无规则的折线，这表明藤黄粒子的运动除了与其起始运动状态，以及所受的浮力、粘滞力有关外，更重要的是与水分子对其碰撞有关。由于水分子对藤黄粒子碰撞的偶然性，致使其因碰撞而受到冲力的大小和方向也都具有偶然性。这就告诉我们，藤黄粒子在水中运动轨迹的无规律性，既反映了确定性，又反映了随机性。或者说藤黄粒子的运动既不是完全确定性的，也不是完全随机性的。由此可见，自然界存在的运动是确定性和随机性兼而有之的。我们把确定性运动具有的这种不确性的现象称之为混沌（Chaos）。 ③能量的连续性与能量量子化的矛盾。 能量是对一切宏观微观物质运动的描述。相应于不同形式的运动，能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能、内能等，亦简称能。 （最近“正能量”一词已经进入2012年年度流行语候选。英国心理学家理查德·怀斯曼撰写的名为《正能量》的书自2012年8月推出以来，销售也异常火爆。韩寒在给某品牌做广告时，低调又铿锵有力地喊出一句口号：正能量，无所畏；“正能量女王”姚晨常挂在嘴边的一句话是：愉悦力，正能量，我们一起来分享。“正能量”，即正面能量，一切予人向上和希望、鼓舞人不断追求、让生活变得圆满幸福的动力和感情） 在经典力学中，物体的运动状态是用它的位置和速度（或动量）来描述的，而且物体的位置和动量在任何时刻都可具有各种可能的数值，即它们的变化是连续的。由此可知，在经典力学中，物体的能量变化亦是连续的。 直至20世纪，普朗克在说明黑体辐射的规律时，首先冲破了能量连续性这一传统观念的束缚，提出了能量量子化的设想，认为能量是不连续的，而是一份一份的，即量子化。 能量量子化是微观粒子的重要性质之一。它指出经典物理不能用来描述像电子、光子、质子等微观粒子的运动。这样，继狭义相对论之后，经德布罗意、薛定谔等人的工作逐步建立了符合微观粒子特点的新的力学——量子力学。 量子力学还指出，描述物体（微观粒子）运动状态的位置和动量有相互联系，但不能同时精确确定，而且一般做不连续的变化。对于诸如电子、光子等微观粒子，一般要用量子力学来描述它们的运动规律。但是，对于宏观物体，用量子力学和用经典力学所得的结果则相差极微。所以说，经典力学一般不适用于微观粒子，而只适用于宏观物体。 由上可知，以牛顿定律为基础建立起来的经典力学，只对宏观物体，且其运动速度比较小时才适用。 3、意义：把科学从宗教中解放出来。 三、现代物理学理论的成就——相对论、量子论 相对论和量子论是现代物理学的两大基本支柱、两大基石。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。 1、背景：19世纪末20世纪初物理学的发展暴露了经典物理学的局限性和危机。 牛顿力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用以处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子。 物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度。一切物理现象似乎都能够从相应的理论中得到满意的回答。 但19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线（由高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波，具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，广泛应用医学，常见的例子有胸腔X射线，用来诊断肺部疾病，如肺炎、肺癌或肺气肿。借助计算机，人们可以把不同角度的X射线影像合成成三维图像，在医学上常用的电脑断层扫描即CT扫描就是基于这一原理）、放射性和电子的发现。这三大发现打开了原子的大门，人们对物质的认识深入到了原子内部。大量的实验表明，微观世界的粒子运动不能用经典力学的理论来说明。物理学家们曾认为的似乎已经基本上完成了的经典物理学体系，从根本上出现了动摇，这就是所谓的“物理学危机”。经典物理学所研究的是人们日常生活中易于理解的宏观世界，三大发现所揭示的却是人们没有直接经验的微观现象，这表明人们对物质世界的认识已经深入了一个层次。 物质的组成，从宏观上看，物质由各种元素组成，从微观上看，分子、原子、离子是构成物质的基本粒子。 分子：是物质组成的一种基本单位名称。分子由原子构成，原子通过一定的作用力，以一定的次序和排列方式结合成分子。 原子：是保持物质化学性质的最小微粒的统称。1661年提出物质是由不同原子自由组合构成的，不是由气、土、火、水等基本元素构成的。原子由原子核（居中）和核外电子构成；原子核由质子（1919年发现）和中子（1932年发现）构成；所以原子由质子、中子、电子构成。 离子：带有电荷的原子或分子，或组合在一起的原子或分子团。带正电荷的离子称“正离子”，带负电荷的离子称“负离子”。与分子、原子一样，离子也是构成物质的基本粒子。 电子：是构成原子的基本粒子之一，质量极小，带负电，在原子中围绕原子核旋转。不同的原子拥有的电子数目不同。直到19世纪末，原子一直被认为是物质的基本建筑砌块。1897年，发现了电子，粉碎了原子不可分的旧说。 粒子：能够以自由状态存在最小物质组分。最早发现的粒子是电子和质子，目前已发现的粒子累计超过几百种。粒子简介 需要说明的是，粒子并不是像中子、质子等实际存在的具体的物质，而是它们的统称，是一种模型理念。就好比说“动物”，有狮子、老虎等，但并没有“动物”这种生物，所以“动物”一词是一个统称，“粒子”也一样。 20世纪上半期，三种粒子——电子、质子和中子——似乎是构成一切物质的仅有基本粒子。 无法用经典物理学解释新的发现，使经典物理学陷入了危机。19世纪末经典物理学遇到了被称为“天空中飘浮着两朵乌云”的两个无法解释的难题，即有人说的经典物理学“天空中飘浮着两朵乌云”，一是迈克尔逊—莫雷实验，一是黑体辐射实验。“两朵乌云”引来了20世纪初物理学革命的暴风骤雨，成为物理学革命的导火线。第一朵乌云降生了相对论，第二朵乌云降生了量子论，使人类对物质的认识从宏观世界进入了微观世界。 也就是说，物理学的“危机”没有吓倒大多数物理学家，他们继续向前探索，于是产生了以相对论和量子论的建立为标志的物理学革命，物理学从此开辟了新的天地。 第一朵乌云：迈克尔逊—莫雷实验 以太是古希腊哲学家亚里斯多德所设想的一种虽然看不见，却无处不在的物质。在经典力学中，牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。 19世纪，“以太学说”获得复兴和发展。人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质——“以太”。当时“以太”被当作一种虽然看不见，却无处不在的可传递物质作用或运动形态的媒质。 1881年—1884年，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊—莫雷实验，测量了不同方向上的光速。然而实验结果显示，并不存在这个速度差异。这实际上证明了光速不变原理，即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值，与参照系的相对速度无关，“以太”其实并不存在。后来又有许多实验支持了上面的结论。实验中用一个分光镜将一束光分成两束相互垂直的光，让它们经过一系列的反射后再进行干涉，如果真的有以太存在，则这两珠光的速度是不同的，因为有地球的自转带动着以太。而实验结果却证明了光速不变，是爱因斯坦相对论的重要实验依据。 实验无法测出“以太”本身的运动速度，从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。迈克尔逊—莫雷实验被看成是“科学史上最伟大的否定性实验”。由此引出相对论。 物理学界通常把迈克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验称为十九世纪末叶飘在物理学晴朗天空的“两朵乌云”。 第二朵乌云：黑体辐射实验 任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为辐射研究的标准物体。 所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。真正的黑体并不存在。 在经典力学中，物体的能量变化亦是连续的。 19世纪末，科学家著名实验——黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。由此引出能量量子化，继而发展为量子力学。 怎样解释黑体辐射实验的结果呢？当时，人们都从经典物理学出发寻找实验的规律。前提和出发点不正确，最后都导致了失败的结果。例如，德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，从瑞利一金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。 也有人说，到了19世纪末，由于X射线（1895年），放射性（1896年），电子（1897年）以及镭（1898年）的发现，物理学上空已不是两朵云，而是危机四伏了。 2、相对论的创立： 庄子的万物相对论，普罗泰戈拉的真理标准、制度、法律和道德的相对论。 爱因斯坦：1879年，诞生于德国一个犹太小资本家的家庭。爱因斯坦发表狭义相对论时只有26岁，发表广义相对论时也只有36岁。他一生对物理学的主要贡献，均完成于45岁之前，特别是37岁之前。犹太出身和反法西斯情绪使他受到希特勒的迫害，不得不于1933年移居美国，前往普林斯顿大学工作，直到1955年去世。他公开支持反法西斯斗争，二战期间他曾呼吁美国总统研制原子弹以加强反法西斯力量。二战后，他又为禁止核武器和实现世界和平而奔走呼号。 应该说，爱因斯坦对自己的相对论并不满意。在晚年他曾写道：“空间－时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。这样看来，‘关于一无所有的空间’的概念就失去了意义”。按照这一思路，当物质不存在的时候，时空也不应存在。但是狭义相对论与广义相对论并未能作到这一点。在相对论中，物质不存在的时候，时空并未消失，而只是变得平坦。 时间： 爱因斯坦狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”（即三维空间加一维时间）、“弯曲空间”等全新的概念。 内容： （1）狭义相对论： 经典力学中，质量、空间和时间都与物体的运动速度无关，质量、空间和时间都是绝对的、不变的。 牛顿认为，存在绝对的空间和绝对的时间，二者之间没有联系。存在着能量和动量，二者之间也没有联系。爱因斯坦的相对论则认为，时间和空间不可分割，是一个整体，称为四维时空。能量和动量不可分割，也是一个整体，称为四维动量。 相对论认为，不存在绝对的空间，也不存在绝对的时间，空间是相对的，时间也是相对的，但它们作为一个整体则是绝对的。也就是说，存在绝对的“四维时空”。能量是相对的，动量也是相对的，但它们作为一个整体是绝对的。也就是说存在绝对的“四维动量”。此外，相对论还认为，光速是绝对的，在任何惯性系中光速都相同，都是同一个常数c 。 具体观点： ①物体质量随运动速度的增大而增加（其意：质量是相对的、可变的） 实验中发现，高速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。 ②空间和时间随物质运动速度的变化而变化（其意：空间、时间是相对的、可变的） 在人们日常的观念中，两个事件是否发生在同一个地点，不是绝对的，具有相对性。例如，在公共汽车上，汽车启动的时刻，一位乘客把钱交给售票员，然后售票员把票交给乘客。这两件事，在车上的人看来，发生在同一地点（车厢的同一位置）。但在车下的人看来，乘客把钱交给售票员时，车正启动，还在车站上。当售票员把票交给乘客时，车已开了一段距离，已不在车站上。所以，车下的人认为，这两件事发生在不同的地点(以地面为参考系)，前一件事发生在汽车站上，后一件事发生在汽车站外。“同地”的这种相对观念，是人们熟知的，大家不以为怪。 然而，在日常观念中，人们认为“同时”却是绝对的，两个事件是否同时发生，具有绝对意义。例如，在公共汽车的头尾各放一个鞭炮，如果车上的人认为这两个炮是同时响的，那么车下的人当然也认为是同时响的。这就是“同时”的绝对性。以往没有任何人怀疑“同时”的这种绝对性。但是，相对论告诉我们，“同时”和“同地”一样也是相对的。因而在车上的人看来，车头、车尾同时发生的两件事，对车下的人来说，只要车在运动，这两件事就不会是同时发生的。“同时”的这种相对性，与人们的日常观念大不相同，很难被接受。为什么我们通常感觉不到“同时”的相对性呢? 那是因为，这种相对性只有在接近光速（每秒30万公里）运动时，才会明显表现出来。我们通常接触的汽车、飞机甚至火箭，运动速度都太小了，感觉不出这点差异。 尺子缩短和钟表慢走只是狭义相对论的几个结论之一，它是指物体高速运动的时候，运动物体上的时钟变慢了，尺子变短了。 尺缩效应：相对论证明，在尺子长度方向上，运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。 钟慢效应：运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。 在狭义相对论中，虽然出现了用牛顿力学观点完全不能理解的结论：空间和时间随物质运动而变化，质量随运动而变化，但是狭义相对论并不是完全和牛顿力学割裂的，当运动速度远低于光速的时候，狭义相对论的结论和牛顿力学就不会有什么区别。 （2）广义相对论：空间和时间的性质不仅取决于物质的运动情况，也取决于物质本身的分布状态。 正当全世界为相对论所振动、惊讶、争论和陶醉时，正当人们对相对论及其发现者佩服得五体投地时，爱因斯坦本人却冷静地看到了自己理论的缺陷。 首先，作为“相对论”基础的惯性系，现在无法定义了。牛顿认为，存在绝对空间，所有相对于绝对空间静止和作匀速直线运动的参考系都是惯性系。爱因斯坦的相对论认为不存在绝对空间，牛顿定义惯性系的方法显然不适用了。一个建议是，把惯性系定义为，不受力的物体在其中保持静止或匀速直线运动的参考系。但是，什么叫不受力呢? 也许有人会说，物体在惯性系中，保持静止或匀速直线运动的状态，就叫不受力。大家一下就会看出，这里存在一个逻辑上的循环。定义“惯性系”要用到“不受力”。定义“不受力”，又要用到“惯性系”。这样的定义方式，在物理学中是不可接受的。 爱因斯坦注意到的另一个缺陷是，万有引力定律写不成相对论的形式。有几年，爱因斯坦致力于把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，相对论容纳不了万有引力定律。 在取得巨大成就的喜悦之中，爱因斯坦冷静地看到，自己的理论存在着与“惯性系”和“万有引力”有关的两个基本困难。这两个困难非常严重。他的相对论是研究惯性系之间的关系的，也就是说，相对论是建立在惯性系的基础上的。现在，这个“基础”无法定义! 另一方面，当时已知的力只有电磁力和万有引力两种，竟然其中的一种就放不进相对论的框架中，真是太令人遗憾了! 为了克服上述困难，爱因斯坦单枪匹马奋斗，历经挫折之后，终于在1915年把他的相对论发展为广义相对论。此后，人们把他在1905年创建的相对论，称为狭义相对论。 广义相对论，实际上是一个时间、空间和引力的理论。这个理论认为，引力效应是一种几何效应，万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现。由于引力起源于质量，爱因斯坦认为时空弯曲起源于物质的存在和运动。 如何把时空几何与运动物质联系起来呢? 爱因斯坦在建立新理论的过程中感到自己的数学知识欠缺，他需要新的数学工具。于是，他求助于自己的好友格罗斯曼。当时格罗斯曼已是大学的数学教授，他再次对朋友伸出了诚挚之手，用三天时间查阅了一批文献，然后告诉爱因斯坦，当时一些意大利人正在研究的黎曼几何和张量分析，也许对他有用。爱因斯坦接受了朋友的忠告，努力钻研黎曼几何，几经曲折，终于建立起新的辉煌理论。新理论克服了旧理论的两个基本困难，用广义相对性原理代替了狭义相对性原理，并且包容了万有引力。爱因斯坦认为，新理论是原有相对论的推广，因此称其为广义相对论，而把原有的相对论称为狭义相对论。 狭义相对论认为时间、空间是一个整体（四维时空），能量、动量是一个整体（四维动量），但没有指出时间－空间与能量－动量之间的关系。广义相对论进一步指出了这一关系，认为能量－动量的存在（也就是物质的存在），会使四维时空发生弯曲。 万有引力并不是真正的力，而是时空弯曲的表现。如果物质消失，时空就回到平直状态。物质存在的现实空间是弯曲的。 我们打个比方来说明时空弯曲。假如四个人各拉紧床单的一个角，床单这个二维空间就是平的。放一个小玻璃球在上面，如果不去推它，它就会保持静止或匀速直线运动状态不变(假设床单足够光滑，床单的微小摩擦力可以忽略)。如果床单中央放一个铅球，床单就会凹下去，这个二维空间就弯曲了。这时，如果再放置一个小玻璃球在床单上，它就会滚向中央的大球。按照牛顿的观点，这是由于大球用“万有引力”吸引小球。按照爱因斯坦的观点，则是由于大球的存在使空间弯了，并不存在什么“引力”，小球落向大球乃是弯曲空间中的自由(惯性)运动。这时，如果给小球一个横向速度，它就会绕大球转起来。按照牛顿的观点，这是由于小球受到大球的“引力”，而沿圆形轨道运动。按照爱因斯坦的观点，小球并未受到任何力，只是在弯曲空间中作自由（惯性）运动。 对上述比喻应该加以解释的是，上面说的只是“空间”弯曲，而广义相对论说的则是四维“时空”的弯曲。太阳的存在使四维时空弯曲了，行星绕日运动，就是在弯曲时空中的惯性运动，行星轨道是四维时空中的短程线（注意，不是三维空间中的短程线），根本就不存在什么万有引力。 根据广义相对论，爱因斯坦对万有引力的本质给出了一种解释：由于物质的存在和物体的运动使时间空间变得不均匀，即时间空间发生弯曲，因而产生万有引力。或者说，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。 按照广义相对论，时空弯曲的地方，钟走得慢，即时间会变慢。时空弯曲得越厉害，钟走得越慢。 狭义相对论和广义相对论，全面更新了人类对时间和空间的看法。然而，由于这一理论是如此的深奥难懂，诺贝尔奖评委会担心出差错，因此在1922年授予爱因斯坦诺贝尔物理奖时，有意不提相对论，说是由于他“对光电效应和物理学其它领域的贡献”，而给于他诺贝尔奖金。 意义： （1）否定了经典力学的绝对时空观，建立起相对论的时空理论，揭示了时空的本质属性——可变性和相对性； （2）发展了牛顿力学，物理学发展到一个新高度，使物理学在逻辑上成为完美的科学体系； 由研究宏观世界、低速运动到研究微观世界、高速运动。 牛顿力学是相对论力学在低速运动状态下的一个特例。牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。把牛顿力学概括在相对论力学之中。 狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律，并提示了质量与能量相当，给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显，但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快，有的接近甚至达到光速，所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件，而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。 广义相对论建立了完善的引力理论，而引力理论主要涉及的是天体。到现在，相对论宇宙学进一步发展，而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展，吸引了许多科学家进行研究。 相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。 牛顿力学在宏观世界、低速运动领域仍然有价值、有意义。 现代物理学的发展，并没有使经典力学失去存在的价值，只是拓宽了人们的视野，经典力学仍将在它适用的范围内大放异彩。 （3）是物理学领域的一次重大革命。 科学规律普遍有效，到科学规律只在一定范围内有效。也是认识论的革命。 应用：相对论为原子弹的发明和原子能的应用提供了理论基础，由此打开了原子时代的大门（在核武器的发明过程中，量子力学的概念也起了一个关键的作用）。 3、量子论的诞生与发展——从普朗克到爱因斯坦： 大量的实验表明，微观世界的粒子运动不能用经典力学的理论来说明。在经典力学中，物体的能量（机械能、分子内能、电能、化学能、原子能、内能、辐射能等）变化亦是连续的。而黑体辐射实验却发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。由此引出能量量子化，继而发展为量子力学。 （1）1900年德国物理学家普朗克提出量子论的假说（即能量量子化假说） 马克斯·普朗克(1858年—1947年)，德国物理学家，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学奖。量子力学的发展被认为是20世纪最重要的科学发展，其重要性可以同爱因斯坦（1922年获得诺贝尔物理奖）的相对论相媲美。 1900年普朗克对黑体辐射展开了研究，为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难（发现黑体辐射的能量不是连续的），他假设：物体在发射辐射和吸收辐射时，辐射能在时间上是不连续的，是以“能量子”（简称量子）为最小单位跳跃式变化的。即扩大为：能量的传递不是连续的，而是以一个一个的能量单位传递的。这种最小能量单位被称作能量子。提出了“能量子”概念，为量子理论奠定了基石。 能量量子化是微观体系基本的运动规律之一，它与经典力学是不相容的，经典力学一向认为是连续的。普朗克提出了能量分立性的思想，。 “能量子”（量子）得名的理由：既然能量是以最小的单位一份一份地进行的，那么作为能量的最小单元可以取名为“能量子”（量子），像“分子”“原子”“电子”等作为一切物质的构成单元一样。 辐射：自然界的一切物体，只要在温度在绝对温度零度以上，都以电磁波的形式（如无线电波和光波）时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为“辐射能”，简称辐射。辐射有一个重要的特点，就是它是“对等的”。不论物体（气体）温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。这一点不同于传导，传导是单向进行的。辐射虽然肉眼看不见，但可用仪器测出。辐射无处不在，如电视、空调、电冰箱、手机、电脑、复印机、电子仪器、吸尘器、微波炉、医疗设备、大理石、复合地板、墙壁纸、涂料、高压线、电视（广播）信号发射塔、核辐射、太阳黑子等。 在辐射源集中的环境中工作、学习、生活的人，容易失眠多梦、记忆力减退、体虚乏力、免疫力低下等，其癌细胞的生长速度比正常人快24倍。 从上述看，普朗克实际上只是提出了辐射能的量子化的假说。 （2）1905年爱因斯坦提出光量子假说，成功解释了光电效应。 量子假说与物理学界几百年来信奉的“自然界无跳跃”直接矛盾，因此量子理论出现后，许多物理学家不予接受。普朗克本人也十分动摇，后悔当初的大胆举动，甚至放弃了量子论，继续用能量的连续变化来解决辐射的问题。但是，历史已经将量子论推上了物理学新纪元的开路先锋的位置，量子论的发展已是锐不可当。 第一个意识到量子概念的普遍意义并将其运用到其它问题上的是爱因斯坦。1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，把量子性从辐射能的机制引伸到光的本身上，提出“光量子”（光子）的概念，解决了经典物理学无法解释的光电效应。 爱因斯坦认为光（电磁波，即光波）本身也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光的传播本身也是量子化的。光的能量是一份一份的，不是连续的，每一份叫一个光的量子，即“光量子”（1926年正式命名为光子）。 爱因斯坦的量子化观点比普朗克更进了一步：辐射能量在传播过程中也是分立的。 光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时，金属中便有电子逸出，这种现象被称为光电效应。它是由赫兹（l857—1894）和勒纳德（l862—1947）发现的。光电效应的实验表明：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。因为光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜色无关，如果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。利用光量子假说可以圆满地解释光电效应。按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。 许多物理学家不赞成光量子假说，就连普朗克也抱怨说“太过分了”，直到1913年他还拒绝光量子假说。美国物理学家米立肯（l868—1953）在电子和光电效应的研究方面做出了杰出的贡献。他曾花费十年时间去做光电效应实验。最初他不相信光量子理论，企图以实验来否定它，但实验的结果却同他最初的愿望相反。1915年他宣告，他的实验证实了爱因斯坦光电效应公式。 爱因斯坦的光量子假说恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重性格。 关于光的本质的认识，光学史上曾有过微粒说和波动说之争。以牛顿和爱因斯坦为代表的微粒说认为，光的本质是微粒，现人称光子；波动说又分为以太波动说和电磁（波动）说。以太波动说认为，光是一种称为“以太”的介质的快速振动。电磁理论认为光是电磁波。目前，海内外理论界对光的本质的最权威的结论是：光是电磁波，具有“波、粒”二象性，也就是光的“波、粒”说。 （3）1913年丹麦物理学家玻尔提出原子结构的量子理论 玻尔在1913年提出有关原子结构的假说，始创了原子结构的量子理论。 经典物理学在19世纪遇到的另一个挑战性的问题来自于原子结构的研究。原子作为物质最小的、不可分割的单元，最早是古希腊哲学家德谟克利特的一种猜测。19世纪末物理学一个重大发现是原子的可分性，这是元素的放射性和电子发现的必然后果。 1895年伦琴发现X射线，1896年贝克勒尔发现了原子放射性，1897年汤姆逊发现电子等，19世纪末物理学家们完成的这一系列重大发现，使“原子不可分割”这一观念发生了根本的动摇。1903年英国物理学家汤姆逊分析了大量实验，认识到带负电荷的电子应该是物质的基本组分。他提出了一个原子结构模型，认为电子嵌在连续分布的正电荷上构成原子，就像葡萄干粘在面包上（原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷就均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中）。当时流行的原子结构模型就是这种葡萄干面包模型。 1909年英国物理学家卢瑟福通过实验建立了一个新的原子模型，它与汤姆逊模型完全不同，很像一个小的太阳系。原子的几乎全部质量都集中在中心，称为原子核。原子核带有正电荷，带负电的电子绕着它做轨道运动。进一步研究表明原子核的尺度只有10-13厘米，称为一个“费米”，（记为：1fm=10-10cm）。而原子半径大约10-8厘米，所以原子核的尺度只有原子尺度的十万分之一。如果把原子设想成一个几百米跑道的运动场，原子核就像在运动场中心处的一粒米。你可以想象原子内部有多么空荡了。 卢瑟福的原子有核模型是通过实验建立起来的。但奇怪的是：按照当时奉为经典的牛顿力学和麦克斯韦电磁学理论，这个模型完全行不通。沿轨道做圆周运动的电子，按照经典理论会由于不断地发射电磁波而损失能量，轨道半径会越来越小，直到最后落入原子核内，原子也就崩溃了。计算表明，这个过程在极短的瞬间即可完成，显然与自然界中原子稳定性的事实有着尖锐的矛盾。就在实验家们对此束手无策的时候，27岁的丹麦理论物理学家玻尔于1912年来到了卢瑟福的实验室。他很快就开始了对卢瑟福原子模型不稳定性问题的研究。 玻尔将量子论引入原子结构理论中，建立了自己的原子结构模型。建立了一个氢原子结构的量子理论模型。在这一模型中，正常状态下，原子内的电子处在能量最低的一个稳定态，叫做基态。给原子增加能量，比如加热，电子则跳到较高能量的稳定轨道；停止增加能量，电子则跳回基态，同时放出一个光子。光子的频率为两个定态的能量之差除以普朗克常数h，刚好就是巴尔末线系公式。 玻尔的原子结构理论的主要内容是：电子只能在一些特定的圆轨道上绕核运行，在这些轨道上，电子的角动量是h/2p的整数倍。电子在上述特定轨道上运行时，不发射也不吸收能量，因此是稳定的（即处于“定态”）。当电子从一个具有较高能量E1的轨道跃迁到具有低能量E2的轨道时，就要发射出辐射，辐射的频率n满足如下关系：hn = E1 - E2；反过来如果电子从E2跃迁到E1，那就是辐射的吸收过程。 （4）1930年代量子力学的建立： 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。以量子概念为基础的量子力学在微观领域代替了经典的牛顿力学。 量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都关键地依靠了量子力学的原理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明，最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中，量子力学的概念也起了一个关键的作用。 在宏观领域中，一切物理量的变化都可看作连续的。 在微观领域中，一切物理量的变化是不连续的。 量子论揭示了微观物质世界的基本规律。 4、意义： 现代物理学德国科学家贡献大。1900年普朗克提出量子论的假说；1905年爱因斯坦提出光量子假说和狭义相对论，1915年提出广义相对论。印证了德国在第二次工业革命中的领先地位。 相对论和量子论弥补了经典力学在认识宏观世界和微观世界方面的不足。它们的提出，不仅推动了物理学自身的进步而且开阔了人们的视野，改变了人们认识世界的角度和方式。人类对客观规律的认识开始从宏观世界低速运动深入到了微观世界高速运动；从接近日常经验的绝对时空观、确定性力学推进到远离日常经验的相对时空观、不确定性力学；从机械的经典力学观推进到辩证的现代物理学。 四、延伸阅读： 以太学说： 以太（英语：Luminiferous aether、aether 或 ether），或译乙太，光乙太，是古希腊哲学家亚里斯多德所设想的一种物质，亚里士多德认为下界为火、水、土、气四元素组成；上界加第五元素——“以太”。认为太空是不空的，宇宙中应该存在一种浩瀚的物质“海洋”或物质背景，它们被称为“以太”。天体浮游需要充满太空的以太来作载体，星光传播需要以太作为传播媒体，被认为无所不在。 17世纪的笛卡儿（1596——1650）最先将以太引入科学，并赋予它某种力学性质。在笛卡儿看来，物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递，不存在任何超距作用（超距作用是指物理学历史上出现的一种观点。它认为（至少在早期）：相隔一定距离的两个物体之间存在直接的、瞬时的相互作用，不需要任何媒质传递，也不需要任何传递时间。）。因此，空间不可能是空无所有的，它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉，但却能传递力的作用，如磁力和月球对潮汐的作用力。伽利略曾用以太说明磁石的吸引或排斥；开普勒则用以太解释太阳何以能使行星运动；牛顿在发现了万有引力之后，碰上了难题：在宇宙真空中，引力由什么介质传播呢？为了求得完整的解决，牛顿复活了亚里士多德的“以太”说，认为“以太”是宇宙真空中引力的传播介质。后来，物理学家又发展了“以太”说，认为“以太”也是光波的传播介质。光和引力一样，是由“以太”传播的。他们还假定整个宇宙空间都充满了“以太”，“以太”是一种由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。 总之，当时“以太”被当作一种虽然看不见，却无处不在的可传递物质作用或运动形态的媒质。 但18世纪是以太论没落的时期。超距与以太之争十分激烈，电磁以太的概念亦被抛弃，超距作用的观点在电学中也占了主导地位。 19世纪，以太论获得复兴和发展。人们知道，水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒介，它们离开了介质都不能传播。太阳光穿过真空传到地球上，几十亿光年以外的星系发出的光，也穿过宇宙空间传到地球上。光波为什么能在真空中传播？它的传播介质是什么？物理学家给光找了个传播介质——“以太”。 受传统力学思想影响，于是科学家便假想宇宙到处都存在着一种称之为“以太”的物质，而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用。 按照当时的猜想，以太充满整个宇宙。但这无法解释为什么天体能无摩擦的穿行于“以太”之中，实验也无法测出“以太”本身的运动速度。爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说，认为根本不存在“以太”，并以此为出发点之一创立了狭义相对论。 虽然后来的事实证明确实不存在“以太”，不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹，如以太网（以太网可以采用多种连接介质，包括同轴缆、双绞线和光纤等。物理学曾经认为宇宙空间充满着以太这种物质，取名“以太网”就是希望将来这种网络遍布世界、无处不在，目前看来实现了。以太网不是因特网。以太网可以加入因特网）等。 |
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