科技史：第十一讲 近代经典物理学的全面发展.ppt

一、光学的进展 二、热学的成就 三、电磁学的建立 内容简介 1.了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学的推动作用； 2.把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉； 3.理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点掌握热力学第二定律的自然观意义； 4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重要地位和作用。 光学的进展 几何光学：1621年荷兰斯涅尔 发现光的折射定律 2. 波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论 3. 光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质的运动形式—波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。微粒说在18世纪占据统治地位。 4. 波动说的胜利：19世纪初英国托马斯·杨的双缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了“干涉现象”和“衍射现象”。法国的菲涅尔以数学形式证明了波动说。 波动说与微粒说的交锋 二、热学的成就 1.热的本质 在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。 当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。 拉瓦锡在1789年的《初等化学概论》中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。 热质说 拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。 这种物质实体－－热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。 结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。 热机：从技术到理论 蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。 这一局面因卡诺于1824年出版《关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察》一书而改变。 Sadi Nicolas Léonard Carnot 卡诺(1796-1832)出身于法国望族。 1814年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队服役，1820年退役后专心从事物理学理论研究。 他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总统。 热机的效率 瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-95%都被浪费掉。 卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。 卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。 热质守恒 卡诺在《关于火的动力》一书中是立足于热质说来考察热机效率的。 他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为：热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。 卡诺循环：理想热机 卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。 热力学的奠基人 卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。 他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。 卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。 但是不幸的是他在36岁就死于霍乱。 热动说 伦福德(1753-1814) 纠正了热是一种无质流体的说法。 伦福德出身于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。 当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。 但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。 热质 伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。 当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。 但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。 机械运动转化为热 伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。 他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数值偏高。 1799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。 热运动说的处