几位大物理学家的力学贡献-(精选·公开·课件).ppt

几位大物理学家的力学贡献 北京大学力学系退休教授 武际可 提要 文章简略介绍从19世纪后半叶到20世纪初的七位著名的物理学家，即麦克斯韦、基尔霍夫、赫兹、开尔文、汤姆孙、瑞利和迪昂的贡献及其在力学领域中的出色研究工作，说明力学学科对近代科学的重要性。 关键词 近代物理 力学 著名物理学家 研究成果 20世纪初，整个科学特别是物理学科经历了巨大的革命性的变化。在这一变化的前夜，19世纪后半叶到20世纪初的这半个多世纪里，出现了为这一变化准备条件的许多科学巨人。由于这些物理学家在物理学上的杰出贡献名声很大，远远盖过了他们在力学上的贡献，所以在许多他们的传记或介绍中，大都不提到他们在力学上的贡献。在当今社会分工越来越细的条件下，学力学的不知道他们曾经做过重要的力学研究工作，学物理的也不知道他们在力学领域中的耕耘。不过，仔细考察这些大科学家的经历，我们发现他们共同的特点不仅是在力学上有深厚的功底，并且在力学学科发展上也留下了不可磨灭的开创性的贡献。这里我们就来介绍其中属于英、法、德的七位，即麦克斯韦、基尔霍夫、赫兹、开尔文、汤姆孙、瑞利和迪昂。 英国物理学家麦克斯韦James Clerk Maxwell1831－1879 光弹性 在1850年，他还只有19岁的时候，发表了一篇题为《弹性固体的平衡论》的论文。文中讨论了若干个弹性力学的特殊问题，如三角形受力问题等，这些问题的精确解大半已为其他学者解出。他把这些解与利用光弹性方法测得的结果进行验证，结果符合得很好。所以后人认为麦克斯韦是以光弹性方法实际求解弹性力学应力场的第一人，也是光弹性仪器的实际发明者。 到19世纪末，光弹性方法迅速扩展成为测量应力方法的重要手段。 结构力学 1864年麦克斯韦总结他关于桁架研究的一般结论。他已经可以区分静定与超静定桁架。对于静定桁架，麦克斯韦在前人的基础上简化了用作图的方式去求桁架的内力。对于超静定桁架，拱和吊桥等结构，麦克斯韦从能量法导出了解超静定结构的一般方法。大约在10年之后，他的这个方法为莫尔(O. Mohr, 1835－1918)加以整理，给出规范的形式，这就是目前通用的力法，又称为麦克斯韦――莫尔方法。 粘弹性 麦克斯韦在流变学方面最早提出应力应变关系与时间有关的概念。并且引进了现今称为麦克斯韦粘弹性体的应力应变关系。 调速器 1712年，英国人钮可曼（Thomas Newcomen, 1663－1729）发明了蒸汽机，但是由于速度无法自由控制，所以一直派不上大用场，只是在矿山抽水。到了大约1782年，英国人瓦特（James Watt, 1736－1819）发明了离心调速器，蒸汽机的使用才迅速得到推广。离心调速器从18世纪一直到19世纪中叶都使用得很好。到了19世纪中叶以后，由于蒸汽机的速度提高了，就出现了调速器不稳定的情况。这个问题最早引起麦克斯韦的注意，在1868年曾经研究过这个问题,并得到了一个稳定性的条件；在1876年俄国人维式涅格拉德斯基（1831－1895）又研究了这个问题，得到了以包含物理参数的不等式表示的稳定性条件。这些工作是关于动力系统运动稳定性的最早的研究。 麦克斯韦方程组 此外他在数学上最早定义了向量场的旋度，他对陀螺仪、光学、彩色摄影、原子结构等方面也有重要的贡献。 麦克斯威在早期作了弹性力学与结构力学的研究之后，兴趣转向了光学、电磁学，他以综合提出控制电磁场的麦克斯韦方程而出名。由于狭义相对论早先就是首先对控制电磁场的麦克斯韦方程讨论引出矛盾才出现的。巧合的是麦克斯韦逝世的那一年恰好相对论的提出者爱因斯坦出生。 麦克斯韦发展了英国物理学家法拉第(Michael Faraday 1791－1867)关于电磁场的概念，用一组偏微分方程把电场与磁场连接在一起。这组方程后来被称为麦克斯韦方程组。他用这组方程证明了电荷的振荡会产生电磁波。并且提出光也是一种特殊的电磁波。这些看法后来都被实验所证实。 卡文迪什实验室主任 麦克斯韦1850年以优异的成绩考入剑桥大学。1856年在阿尔伯丁被任命为教授，1871年接受剑桥大学实验物理学教授的聘任。在剑桥期间组建了卡文迪什实验室。该实验室对20世纪的物理研究产生了巨大的影响。 统计物理 麦克斯韦在1857年对土星的光环进行研究时，他认为，如果光环是固体或液体的话，就会由于旋转时所受的引力和惯性力而破裂。只有光环是由无数小颗粒组成才会稳定的观点。随后麦克斯韦从微小颗粒的观点讨论气体，他考虑到分子不仅在各个方向上运动，而且在不同速度上运动，分子之间以及和器壁的碰撞是完全弹性的。由此和当时也讨论这个问题的奥地利物理学家玻耳兹曼（Ludwig Boltzmann，1844-1906)同时创建了麦克斯韦－玻耳兹曼气体分子运动论。他并且认为温度是分子运