物理学的建立与发展

经典物理学与近代物理学

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目录

第1章、引言 (1)

第2章、从日心说到万有引力定律 (1)

第3章、从蒸汽机到能量的转换与守恒定律 (2)

第4章、从指南针到统一的电磁场理论 (3)

第5章、经典物理学与近代物理学 (3)

第6章、结论 (4)

经典物理学与近代物理学

【摘要】随着经济社会的发展和科学技术水平的不断进步，物理学领域发生了重大进展，基于传统物理学的基础上，人们开始不断探索自然的未被开发的规律以及应用潜能。我国的物理学从诞生到现在经历了三个发展阶段，分别是古代物理学时期、经典物理学时期和近代物理学时期。在发展的过程中，实验手段更新，规模不断加大，且对物理学的整体研究对象已经从宏观、低速、低效率向微观、高速、高效率方向发展，新发现、新实验不断出现。并渗透到人们的日常生活中。本文针对经典物理学的发展进行研究和分析，并为人类文明进程的加快和经济社会的进一步发展提供借鉴。

【关键词】经典物理学；近代物理学；发展；人类文明进程

人们最早对物理学说做出细致的分析和科学的解释是根据物体的机械运动。通过机械运动对动物或其他物体的机体运动获得了较为全面的认识。从17世纪到19世纪，机械运动学说成为一套完备的理论，并成为物理学研究的主体。然而随着人们视野的开阔并为了不断满足日益发展的现代化社会。人们在机械运动的基础上又相继了解了热运动、磁场运动、电场运动以及万有引力带动的相关宇宙内行星的运动等纵观经典物理学的发展。大致经历了三次有代表性的运动，可以说每一次运动都是人们对未知世界追求的一种表达，并带动了文明的发展和物质水平的提升。

一、从日心说到万有引力定律

1543年，欧洲物理学家哥白尼发表《天体运行论》，提出了日心说，标志着欧洲物理学说自然观的范围性扩展，在宗教势力的笼罩下突破了神学的束缚，并在封建教会内部形成了“上帝创造了宇宙内万物的中心。那就是太阳”这一理论，并很好地为宗教进行服务。哥白尼日心说提出的真正意义就在于它是对封建落后的神学说的一次抨击，推翻了传统意义上的“地球是万物之本。是世界的中心”这一地球中心学说，为人类精神文明的传播与进步做出了突出贡献。随着哥白尼“日心说”的提出，很多学者对物理学进行了更深层次的研究，对新的宇宙观的建立提出了更多的观点。如意大利哲学家布鲁诺。他提出“日心说”这一太阳核心观并不能成立。宇宙内并不是所有星体都围绕着太阳转动。其实每个恒星都是中心，只不过离地球距离的远近不同而巳。这一观点的提出引发热议。人们开始对“日心说”提出质疑。而布鲁诺更是为宣扬自己的主张到处发表演讲。教会因此感受到了压迫，为稳定权利和地位，将布鲁诺捕获并囚禁7年。在狱中，布鲁诺不服管制，最终被判处火刑。布鲁诺这一事件对后来著名物理学家开普勒的天文观测产生了重要影响。他通过他的老师弟谷以及自身的不断实际观测总结出了开普勒行星运动三定律。并对后世的物理学以及航空领域产生了深远的影响。首先，开普勒第一定律确立了太阳在宇宙中的中心地

位。这也是对“日心说”通过科学理论进行的解释。所有的行星都是通过一个特定的轨道围绕太阳进行圆周运动：开普勒第二定律进一步论述了行星的运动。这一运动并不是完全的圆周运动，即它们的运行轨道并非圆形，而是以一个特定周期进行等面积运动。开普勒三定律的提出引起了众多科学家的探讨。尽管这一定律明确了行星的运动规律。但是却无法解释为何会发生这些运动。比如为什么地球会绕太阳公转而不是绕月球进行转动。1687年。英国物理学家牛顿根据一系列实验总结出了力学的运行规律，并提出了运动三定律和万有引力定律。其中运动三定律是对力学的科学解释。总体来说就是物体在受力以及受哪种力的情况下会做出怎样的运动，且这种运动趋势在外力的作用下会做出怎样的改变。万有引力定律通过重力的引用，不仅解释了星体的运行规律和运行原理，还揭示了自然界的一种基本规律——物体之间的相互作用。大到宇宙中的天体。小到尘埃甚至是看不到的微观粒子，它们之间都存在相互作用力。这是物质之间发生关系的基本原理从El心说的提出到牛顿的万有引力定律。经典物理学完成了人类物理学史上的第一次科学与价值的较量，也暗示着物理学革命的积极作用。从牛顿的万有引力定律萌生出的启蒙运动以及西方先进的思想文化，无论是对物理学还是自然界整体，无疑都产生了不可替代的重要影响。

二、从蒸汽机到能量的转换与守恒定律

1765年，瓦特对蒸汽机的改良实现了蒸汽技术的生产生活化运用，实现了历史性的突破。他将蒸汽机的冷凝过程安排到设备外端，实现了蒸汽机的恒温转化，大大增强了蒸汽机的使用效率，降低了运作成本，为工业和农业以及机械化生产产生了重要影响。1807年。以蒸汽机作为动力的美国“克莱蒙特号”诞生。在航海领域取得了重大突破。1814年，史蒂芬孙制造出世界上第一台实用性蒸汽机，成为资产阶级生产领域的核心动力资源通过蒸汽机原理。很多科学家开始研发高效率的热机，希望通过效率的提升降低运行成本，并广泛推广到各种动力设备中。1842年迈尔医生首次提出了能量守恒定律。他认为在一定条件下热能能够与机械能实现完全转化，作为一种形式发挥热的能量作用。1847年，德国物理学家亥姆霍兹系统地解释了能量守恒定律。揭示了人类社会中潜在的能量转化规律。任何物理行为都可以用能量的观点来解释。无论是微观粒子还是宏观物质，能量守恒定律可以涵盖所有的热能、机械能、光能、电能、磁能以及诸多的物理化学反应。在多种能量共存的多合场中也成立，且能量只会通过不同形式而转化。它既不会凭空产生。也不会无故消失。能量守恒定律的提出，实现了物理学研究的空前发展，将物理学赋予能量的观点，推动了社会发展和人们生活水平的提升。更多的机械设备和电子设备产生，也在一定程度上丰富了人们的文化生活。

三、从指南针到统一的电磁场理论

指南针是我国四大发明之一，也是我国物理学史中的一次重大转折。宋代的《萍州可谈》中

就提到了广州的研究者用指南针进行航海并顺利返航。指南针通过电磁场作用共同推动，在诸多领域广泛使用并用于方向导航。在物理学史中，第一次对电磁场理论进行系统研究的是吉尔伯特发表的《论磁》，他不仅发现了磁场的一般规律。同时发现了物质摩擦起电的现象。

1785年库仑借助扭秤实验总结了静电力和磁极之间的作用机理。1820年奥斯特发现了电流的磁效应。将磁现象与电现象相结合进行研究，总结得出任何有电流的导线都可以在周围产生磁场。这被称为电流的磁效应。1831年英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，并制造出了第一台手摇发电机，为新能源的开发和使用打开了科学的大门。此后。电磁感应原理被广泛运用到人们的生产和生活领域中，这也是物理学史上实现的第二次重大突破。为了更好地解释电磁场现象。麦克斯韦提出了“位移电流”和“漩涡磁场”，并预言了电磁波的存在。这为后来电子产业的发展和互联网时代的到来奠定了重要基础，如现在的人造卫星、智能手机、电子计算机网络等通讯工具和信息传输工具都是通过电磁波进行连接和定位，都离不开电磁波的热传导，通过电磁场理论的建立，人们的视野迅速扩大。世界形成了一个整体，全球化经济进程加快。人类实现了认识自然和改变自然的又一次大跨越，在这一基础上，汽车、火车、轮船的产生以及信息化产业实现了大发展。不仅加强了人们对未知世界的认识，也推动了人类文明发展的不断进。

四、经典物理学与近代物理学

20世纪的物理学到19世纪末期，经典物理学已经发展到很完满的阶段。许多物理学家认为物理学已接近尽头。以后的工作只是增加有效数字的位数。开尔文在19世纪最后一个除夕夜的新年祝词中说：“物理大厦已经落成，……动力理论确定了热和光是运动的两种方式，现在它的美丽而晴朗的天空出现两朵乌云，一朵出现在光的波动理论，另一朵出现在麦克斯韦和玻耳兹曼的能量均分理论。”前者指的是以太漂移和迈克耳孙 - 莫雷测量地球对（绝对静止的）以太速度的实验，后者指用能量均分原理不能解释黑体辐射谱和低温下固体的比热。恰恰是这两个基本问题和开尔文所忽略的放射性，孕育了20世纪的物理学革命。

毫无疑问，近代物理学的产生是物理学史上号称在物理学晴朗的天空上“两朵小小的乌云”造成的，正是这“两朵小小的乌云”引发了物理学的一场大革命，这“两朵小小的乌云”即黑体辐射实验和迈克尔逊一莫雷实验。1900年，为了解释黑体辐射实验，普朗克提出了能量子的假设，导致了量子理论思想的萌芽，接着光电效应、康普顿效应以及在原子结构等一系列问题上，经典物理都遇到了无法克服的困难，通过引入量子化思想，这些问题又都迎刃而解，这就导致了描述微观世界的理论——量子力学的建立；而迈克尔逊一莫雷实验，否定了经典电磁理论的以太假说。1905年爱因斯坦在前人实验的基础上，大胆地抛弃“以太”假说，提出了相对论的两点基本假设，建立了描述高速(接近光速)运动的基本理论——相对论，确立了崭新的时空观。相对论和量子力

学是近代物理的两大支柱，也是《近代物理学》课程教学的最基本内容。前者解决高速问题，后者描述微观世界。在经典物理十分成熟、完善的情况下引入近代物理学，毫无疑问必须强调如下问题：①经典物理学的适用范围是宏观低速运动；②19世纪末20世纪初，物理学已经发展到研究微观现象和高速运动的新阶段；③新的研究范畴必须引入新的理论。这样，近代物理学的出现也就顺理成章了。

五、结论

经典物理学是在宏观和低速领域物理经验的基础上建立起来的物理概念和理论体系，其基础是牛顿力学和麦克斯韦电磁学。近代物理学则是在微观和高速领域物理经验的基础上建立起来的概念和理论体系，其基础是相对论和量子力学。必须指出，在相对论和量子力学建立以后的当代物理学研究中，虽然大量的是近代物理学问题，但也有不少属于经典物理学问题，因此不能说，有了近代物理学就可抛弃经典物理学。

物理学主要研究的是物质，在时空中物质的运动，和所有相关概念，包括能量和作用力。更广义地说，物理学是对于大自然的研究分析，目的是为了要明白宇宙的行为。物理学是最古老的学术之一，在过去的两千年里，物理学与哲学，化学等等经常被混淆在一起，相提并论。直到十六世纪科学革命之后，才单独成为一门现代科学。现在，物理学已成为自然科学中最基础的学科之一。物理学的影响深远，这是因为物理学的突破时常会造成新科技的出现，物理学的新点子很容易会引起其它学术领域产生共鸣。