09110214139郑默超物理学史 课堂作业1

物理学史课堂作业

学号 0911******* 姓名郑默超

1．谈谈你对伽利略的科学成就和你对他的评价。(15分)

伽利略在比萨斜塔上做了“两个铁球同时落地”的著名实验，从此推翻了亚里斯多德“物体下落速度和重量成比例”的学说，纠正了这个持续了1900年之久的错误结论。

伽利略创制了天文望远镜，并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等。这些发现开辟了天文学的新时代。

伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，伽利略实验的目的是重新检验亚里土多德有关科学的学说，而不是把这些学说当做福音真理来接受。他发现真理的道路，不是靠背诵亚里士多德的著作，而是通过学习“大自然这本宝书”。

伽利略拒绝停止他的实验，他捍卫真理，与亚里土多德的教导相反，伽利略认为，如果两个不同重量的物体同时从同一高度落下，就会同时落地。伽利略的比萨斜塔实验所造成的影响是深远的。伽利略留给后人的精神财富是宝贵的。

伽利略，科学革命的先驱，加深了人们对物质运动宇宙的印象，开创了严密逻辑体系的近代科学。他对科学矢志不移地热爱，照亮了多少人的未来之路；他在无畏中行走，敲开多少人的心灵之门。他对大自然的热情、探索、创新、追求，将在科学史册上永远闪耀着璀璨的光辉。

不怕威胁、勇于探索、注重实践、不迷信权威、热爱科学、甘为科学献身,善于观察、思考并通过实验来检验真理的不断探索、不断创新的精神很值得我们学习。他是一个不屈不挠，永不泄气的人。他是为维护真理而进行不屈不挠斗争的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切地打破旧说，创立新说的巨人之一。”他勇于怀疑亚里士多德的理论，并用试验证明自己的判断；他敢于刨根问底，向权威挑战，尽管他为此付出了巨大的代价。

一个人的成功与否有时候确实是由许多因素决定的，但决不会有懒惰和不求甚解伽利略身上有许多需要我们去学习。我要学习他那种探索的精神；学习他敢于怀疑的精神；学习他实证的精神。

在伽利略身上闪耀的不止是科学的理想，还有道德的完善。我们应该通过对他的学习和了解，对照我们的人生，提升我们的精神，放飞自己的理想。科学精神的内涵和基本要求是独立思考，求真务实，开阔创新。我们的学习和生活也是如此。我们应该放飞自己的理想，从自身做起，培养良好的学习习惯，为自己，为国家贡献一份力量，为自己能贡献力量给祖国而骄傲、自豪。

1。伽利略通过斜面实验认为：物体下落速度与物体重量无关。反驳了亚里士多德的“大小相同重量不同的小球，如果同时开始下落，重球应比轻球先落地”的观点。即提出了“落体定律”。2。伽利略又通过斜面实验确认了惯性定律。3。伽利略的第三个重大贡献是提出“相对性原理”。这一原理是物理学最重要的基石之一

伽利略的科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学中上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。

伽利略在总结自己的科学研究方法时说过：“这是第一次为新的方法打开了大门，这种将带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。”后来，惠更斯继续了伽利略的研究工作，他导出了单摆的周期公式和向心加速度的数学表达式。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。伽利略留给后人的精神财富是宝贵的。爱因斯坦曾这样评价：“伽

利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！”

2. 从牛顿的研究道路来谈谈你对牛顿的认识和评价。(15分)

牛顿（Isaac Newton，1643～1727）伟大的物理学家、天文学家和数学家，经典力学体系的奠基人。

牛顿1643年1月4日（儒略历1642年12月25日）诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普一个自耕农家庭。出生前八九个月父死于肺炎。自小瘦弱，孤僻而倔强。3岁时母亲改嫁，由外祖母抚养。11岁时继父去世，母亲又带3个弟妹回家务农。在不幸的家庭生活中，牛顿小学时成绩较差，“除设计机械外没显出才华”。牛顿自小热爱自然，喜欢动脑动手。8岁时积攒零钱买了锤、锯来做手工，他特别喜欢刻制日晷，利用圆盘上小棍的投影显示时刻。传说他家里墙角、窗台上到处都有他刻划的日晷，他还做了一个日晷放在村中央，被人称为“牛顿钟”，一直用到牛顿死后好几年。他还做过带踏板的自行车；用小木桶做过滴漏水钟；放过自做的带小灯笼的风筝（人们以为是彗星出现）；用小老鼠当动力做了一架磨坊的模型，等等。他观察自然最生动的例子是15岁时做的第一次实验：为了计算风力和风速，他选择狂风时做顺风跳跃和逆风跳跃，再量出两次跳跃的距离差。牛顿在格兰瑟姆中学读书时，曾寄住在格兰瑟姆镇克拉克药店，这里更培养了他的科学实验习惯，因为当时的药店就是一所化学实验室。牛顿在自己的笔记中，将自然现象分类整理，包括颜色调配、时钟、天文、几何问题等等。这些灵活的学习方法，都为他后来的创造打下了良好基础。牛顿曾因家贫停学务农，在这段时间里，他利用一切时间自学。放羊、购物、农闲时，他都手不释卷，甚至羊吃了别人庄稼，他也不知道。他舅父是一个神父，有一次发现牛顿看的是数学，便支持他继续上学。1661年6月考入剑桥大学三一学院。作为领取补助金的“减费生”，他必须担负侍候某些富家子弟的任务。三一学院的巴罗（Isaac Barrow，1630～1677）教授是当时改革教育方式主持自然科学新讲座（卢卡斯讲座）的第一任教授，被称为“欧洲最优秀的学者”，对牛顿特别垂青，引导他读了许多前人的优秀著作。1664年牛顿经考试被选为巴罗的助手，1665年大学毕业。

在1665～1666年，伦敦流行鼠疫的两年间，牛顿回到家乡。这两年牛顿才华横溢，作出了多项发明。1667年重返剑桥大学，1668年7月获硕士学位。1669年巴罗推荐26岁的牛顿继任卢卡斯讲座教授，1672年成为皇家学会会员，1703年成为皇家学会终身会长。1699年就任造币局局长，1701年他辞去剑桥大学工作，因改革币制有功，1705年被封为爵士。1727年牛顿逝世于肯辛顿，遗体葬于威斯敏斯特教堂。

牛顿的伟大成就与他的刻苦和勤奋是分不开的。他的助手H.牛顿说过，“他很少在两、三点前睡觉，有时一直工作到五、六点。春天和秋天经常五、六个星期住在实验室，直到完成实验。”他有一种长期坚持不懈集中精力透彻解决某一问题的习惯。他回答人们关于他洞察事物有何诀窍时说：“不断地沉思”。这正是他的主要特点。对此有许多故事流传：他年幼时，曾一面牵牛上山，一面看书，到家后才发觉手里只有一根绳；看书时定时煮鸡蛋结果将表和鸡蛋一齐煮在锅里；有一次，他请朋友到家中吃饭，自己却在实验室废寝忘食地工作，再三催促仍不出来，当朋友把一只鸡吃完，留下一堆骨头在盘中走了以后，牛顿才想起这事，可他看到盘中的骨头后又恍然大悟地说：“我还以为没有吃饭，原来我早已吃过了”。

牛顿的成就，恩格斯在《英国状况十八世纪》中概括得最为完整：“牛顿由于发明了万有引力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本性而创立了科学的力学”。（牛顿在建立万有引力定律及经典力学方面的成就详见本手册相关条目），这里着重从数学、光学、哲学（方法论）等方面的成就作一些介绍。

（1）牛顿的数学成就

17世纪以来，原有的几何和代数已难以解决当时生产和自然科学所提出的许多新问题，例如：如何求出物体的瞬时速度与加速度？如何求曲线的切线及曲线长度（行星路程）、矢径扫过的面积、极大极小值（如近日点、远日点、最大射程等）、体积、重心、引力等等；尽管牛顿以前已有对数、解析几何、无穷级数等成就，但还不能圆满或普遍地解决这些问题。当时笛卡儿的《几何学》和瓦里斯的《无穷算术》对牛顿的影响最大。牛顿将古希腊以来求解无穷小问题的种种特殊方法统一为两类算法：正流数术（微分）和反流数术（积分），反映在1669年的《运用无限多项方程》、1671年的《流数术与无穷级数》、1676年的《曲线求积术》三篇论文和《原理》一书中，以及被保存下来的1666年10月他写的在朋友们中间传阅的一篇手稿《论流数》中。所谓“流量”就是随时间而变化的自变量如x、y、s、u等，“流数”就是流量的改变速度即变化率，写作等。他说的“差率”“变率”就是微分。与此同时，他还在1676年首次公布了他发明的二项式展开定理。牛顿利甩它还发现了其他无穷级数，并用来计算面积、积分、解方程等等。1684年莱布尼兹从对曲线的切线研究中引入了和拉长的S作为微积分符号，从此牛顿创立的微积分学在大陆各国迅速推广。

微积分的出现，成了数学发展中除几何与代数以外的另一重要分支——数学分析（牛顿称之为“借助于无限多项方程的分析”），并进一步进进发展为微分几何、微分方程、变分法等等，这些又反过来促进了理论物理学的发展。例如瑞士J.伯努利曾征求最速降落曲线的解答，这是变分法的最初始问题，半年内全欧数学家无人能解答。1697年，一天牛顿偶然听说此事，当天晚上一举解出，并匿名刊登在《哲学学报》上。伯努利惊异地说：“从这锋利的爪中我认出了雄狮”。

（2）牛顿在光学上的成就

牛顿的《光学》是他的另一本科学经典著作（1704年）。该书用标副标题是“关于光的反射、折射、拐折和颜色的论文”，集中反映了他的光学成就。

第一篇是几何光学和颜色理论（棱镜光谱实验）。从1663年起，他开始磨制透镜和自制望远镜。在他送交

皇家学会的信中报告说：“我在1666年初做了一个三角形的玻璃棱镜，以便试验那著名的颜色现象。为此，我弄暗我的房间……”接着详细叙述了他开小孔、引阳光进行的棱镜色散实验。关于光的颜色理论从亚里士多德到笛卡儿都认为白光纯洁均匀，乃是光的本色。“色光乃是白光的变种。牛顿细致地注意到阳光不是像过去人们所说的五色而是在红、黄、绿、蓝、紫色之间还有橙、靛青等中间色共七色。奇怪的还有棱镜分光后形成的不是圆形而是长条椭圆形，接着他又试验“玻璃的不同厚度部分”、“不同大小的窗孔”、“将棱镜放在外边”再通过孔、“玻璃的不平或偶然不规则”等的影响；用两个棱镜正倒放置以“消除第一棱镜的效应”；取“来自太阳不同部分的光线，看其不同的入射方向会产生什么样的影响”；并“计算各色光线的折射率”，“观察光线经棱镜后会不会沿曲线运动”；最后才做了“判决性试验”：在棱镜所形成的彩色带中通过屏幕上的小孔取出单色光，再投射到第二棱镜后，得出核色光的折射率（当时叫“折射程度”），这样就得出“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非匀匀的混合体”。这个惊人的结论推翻了前人的学说，是牛顿细致观察和多项反复实验与思考的结果。

在研究这个问题的过程中，牛顿还肯定：不管是伽利略望远镜（凹、凸）还是开普勒望远镜（两个凸透镜），其结构本身都无法避免物镜色散引起起的色差。他发现经过仔细研磨后的金属反射镜面作为物镜可放大30～40倍。1671年他将此镜送皇家学会保存，至今的巨型天文望远镜仍用牛顿式的基本结构。牛顿磨制及抛光精密光学镜面的方法，至今仍是不少工厂光学加工的主要手段。

《光学》第二篇描述了光照射到叠放的凸透镜和平面玻璃上的“牛顿环”现象的各种实验。除产生环的原因他没有涉及外，他作了现代实验所能想到的一切实验，并作了精确测量。他把干涉现象解释为光行进中的“突发”或“切合”，即周期性的时而突然“易于反射”，时而“易于透射”，他甚至测出这种等间隔的大小，如黄橙色之间有一种色光的突发间隔为1／89000英寸（即现今2854×10－10米），正好与现代波长值5710×10－10米相差一半！

《光学》第三篇是“拐折”（他认为光线被吸收）即衍射、双折射实验和他的31个疑问。这些衍射实验包括头发丝、刀片、尖劈形单缝形成的单色窄光束“光带”（今称衍射图样）等10多个实验。牛顿已经走到了重大发现的大门口却失之交臂。他的31个疑问极具启发性，说明牛顿在实验事实和物理思想成熟前并不先作绝对的肯定。牛顿在《光学》一、二篇中视光为物质流，即由光源发出的速度、大小不同的一群粒子，在双折射中他假设这些光粒子有方向性且各向异性。由于当时波动说还解释不了光的直进，他是倾向于粒子说的，但他认为粒子与波都是假定。他甚至认为以太的存在也是没有根据的。

在流体力学方面，牛顿指出流体粘性阻力与剪切率成正比，这种阻力与液体各部分之间的分离速度成正比，符合这种规律的（如、空气与水）称为牛顿流体。

在热学方面，牛顿的冷却定律为：当物体表面与周围形成温差时，单位时间单位面积上散失的热量与这一温差成正比。

在声学方面，他指出声速与大气压强平方根成正比，与密度平方根成反比。他原来把声传播作为等温过程对待，后来P.S.拉普拉斯纠正为绝热过程。

（3）牛顿的哲学思想和科学方法

牛顿在科学上的巨大成就连同他的朴素的唯物主义哲学观点和一套初具规模的物理学方法论体系，给物理学及整个自然科学的发展，给18世纪的工业革命、社会经济变革及机械唯物论思潮的发展以巨大影响。这里只简略勾画一些轮廓。

牛顿的哲学观点与他在力学上的奠基性成就是分不开的，一切自然现象他都力图力学观点加以解释，这就形成了牛顿哲学上的自发的唯物主义，同时也导致了机械论的盛行。事实上，牛顿把一切化学、热、电等现象都看作“与吸引或排斥力有关的事物”。例如他最早阐述了化学亲和力，把化学置换反应描述为两种吸引作用的相互竞争；认为“通过运动或发酵而发热”；火药爆炸也是硫磺、炭等粒子相互猛烈撞击、分解、放热、膨胀的过程，等等。

这种机械观，即把一切的物质运动形式都归为机械运动的观点，把解释机械运动问题所必需的绝对时空观、原子论、由初始条件可以决定以后任何时刻运动状态的机械决定论、事物发展的因果律等等，作为整个物理学的通用思考模式。可以认为，牛顿是开始比较完整地建立物理因果关系体系的第一人，而因果关系正是经典物理学的基石。

牛顿在科学方法论上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿《原理》一书中集中体现了以下几种科学方法：

①实验——理论——应用的方法。牛顿在《原理》序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方去论证其他的现象。”科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实际材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。

②分析——综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。牛顿在《原理》中说过：“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法……。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合的方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性”。

③归纳——演绎方法。上述分析一综合法与归纳一演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普通的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解

释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。

④物理——数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎出范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一”。牛顿把他的书称为《自然哲学的数学原理》正好说明这一点。

牛顿的方法论原理集中表述在《原理》第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中，此处不再转引。概括起来，可以称之为简单性原理（法则1），因果性原理（法则2），普遍性原理（法则3），否证法原理（法则4，无反例证明者即成立）。有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理：“自然哲学的目的在于发现自然界的结构的作用，并且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和一般的定律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果”。

牛顿的哲学思想和方法论体系被爱因斯坦赞为“理论物理学领域中每一工作者的纲领”。这是一个指引着一代一代科学工作者前进的开放的纲领。但牛顿的哲学思想和方法论不可避免地有着明显的时代局限性和不彻底性，这是科学处于幼年时代的最高成就。牛顿当时只对物质最简单的机械运动作了初步系统研究，并且把时空、物质绝对化，企图把粒子说外推到一切领域（如连他自己也不能解释他所发现的“牛顿环”），这些都是他的致命伤。牛顿在看到事物的“第一原因”“不一定是机械的”时，提出了“这些事情都是这样地井井有条……是否好像有一位……无所不在的上帝”的问题，（《光学》，疑问29），并长期转到神学的“科学”研究中，费了大量精力。但是，牛顿的历史局限性和他的历史成就一样，都是启迪后人不断前进的教材。

3.请从哲学角度来说明历史上对光的本性的认识过程。(15分)

在对光本性的认识上，古人深受元气学说影响，认为气是宇宙万物本原，光亦不例外，在本质上，光是一种气。例如，春秋时医和提到：“天有六气……六气曰阴阳风雨晦明也。”（《左传·昭公元年》）晦、明同为光的表现形式，差别在于光强的不同，医和将晦、明并列，显示出他没有觉察到二者的统一性。但无论如何，“明”可以视为光的表现形式，所以他无疑是主张光是气的。

《淮南子·原道训》从万物化生角度提出了同样认识：

“夫无形者，物之大祖也；无音者，声之大宗也。其子为光，其孙为水，皆出于无形乎？”

无形，指的就是元气。这一段告诉我们：光是元气的直接产物，它本身也应该是气。后人有许多说法，直接把光说成气。例如，《朱子语类辑略》卷一记述蔡元定的话说：

“日在地中，月行天上，所以光者，以日气从地四旁周围空处迸出，故月受其光。”

此处蔡元定就直接把日光说成了日气。明代医学家张介宾说得更为清楚：

“盖明者，光也，火之气也；位者，形也，火之质也。如一寸之灯，光被满室，此气之为然也；盈炉之炭，有热无焰，此质之为然也。”（《类经·素问·天元纪》）

他不仅明确表达了光为气的思想，而且还论述了光源与光的差别。

光既然为气，那么光源向外发光的过程就是光之气离开光源向外传播的过程，古人把这叫做外景。景就是光的意思。与外景相应有内景，表示物体被照而反光。外景、内景的说法在先秦文献中已可见到，《曾子·天圆》有“火日外景而金水内景”，《荀子·解蔽》有“浊明外景，清明内景”，都属于此类用法。到了汉代，《淮南子·天文训》用气的学说对“外景”、“内景”做了解释：

“天道曰圆，地道曰方。方者主幽，圆者主明。明者吐气者也，是故火曰外景；幽者含气者也，是故水曰内景。”

“明者”指光源，例如火，它向外发光，叫吐气，是为外景；“幽者”指反射物，例如水，它能接受外来光线，反射成像，看上去如同物在其内，故此叫含气，是为内景。亦即外景、内景的区别在于吐气、含气的不同。“外景”、“内景”也有不同的叫法。张衡《灵宪》说：“夫日譬犹火，月譬犹水，火则外光，水则含景。”这里就用“外光”代替了“外景”，用“含景”代替了“内景”。葛洪说：“羲和外景而热，望舒内鉴而寒。”（《抱朴子·内篇·释滞》）羲和指日，望舒指月，内鉴指内景。所有这些叫法，本质上是一致的，都不出《淮南子》论述的范围。

与光是气的观点相应的是光行极限说，认为光的传播有一定范围。这类说法在古代甚为常见，例如《周髀算经》卷上说：“日照四旁各十六万七千里，人望所见远近宜如日光所照。”《淮南子·地形训》：“宵明烛光在河洲，所照方千里。”唐《开元占经》引石申说：“日光旁照十六万二千里，径三十二万四千里。”《尚书纬·考灵曜》说：“日光照三十万六千里。”这些数据，各不相同，但有一个共同特点，都主张光行有限。

光行有限观念的提出，应该与古人光为气的认识有关。光既然为气，那么由光源发出的光就只能在有限的范围内传播，不能设想有限量的气会传播到无穷远的空间中去。另外，光传播过程中近则亮、远则暗的现象，也易于使人想到它只能在有限的范围内传播。据此，古人提出光行有限说，也有其一定的内在依据，并非全出于臆想。即使以今天的知识来看，光行有限的思想，也不是全无道理。设想一个点光源，它以球面波形式向外辐射光能，在距光源一定距离之处单位面积接受到的光能与距离的平方成反比，这样，当距离增加到一定程度，单位面积上接受的光能就会低于接收器的感知阈值，这个距离就可以视为光线传播的极限距离。从这个意义上来说，光的传播范围是有限的。

另一个相关的问题是光速：光的传播是即时的，还是需要一定时间？中国古人没有超距作用观念，他们先验地认为光的传播需要一定时间，即光速是有限的。古人没有就这一问题展开过专门意义的讨论，但我们可以从一些相关的材料中，间接窥知他们的态度。

《墨经·经下》记述小孔成像，《经说》在解释该实验时提到：“光之人，煦若射。”一个“射”字，就隐含了光有速度的观念。晋蔡谟《与弟书》，也明确涉及光速，原文为：

“军中耳目，当用鼓烽。烽可遥见，鼓可遥闻，形声相传，须臾百里，非人所及，想得先知耳。”

形声相传，是说光与声一样，都有一个传播过程，即是有速度的。须臾百里，则言速度甚快。

唐甘子布作《光赋》，畅论光的性质，其中提到：

“从盈空而不积，虽骏奔其如静。”

意为：光的传播纵然充盈太空，但并无质的堆积滞塞，光速极快但人们却不能直接感受。这两句话很形象地说明了光的特点，表述了古人认为光有速度的见解。

光速观念的产生，从逻辑上讲，与古人对光本性的认识有关：光既然为气，受光处被光照亮的过程，就是光之气由光源到达受光处的过程。另外，离光源近的则亮，远则暗，这也启示人们考虑光气有个传播过程。古人没有将光的传播与超距作用相联系，这样，光有速度观念的产生，是十分自然的。

本篇所要讨论的最后一个问题，是古人对光传播方式的认识：光是走直线还是走曲线？光行直线有直接观察依据，生活中也易于积累起这样的经验，古人不难掌握这方面的知识。晋朝葛洪说：“日月不能摛光于曲穴。”（《抱朴子·外篇·备阙》）又说：“震雷不能细其音以协金石之和，日月不能私其耀以就曲照之惠。”（《抱朴子·外篇·广譬》）北宋张载说：“火日外光，能直而施。”（《正蒙·参两篇》）这些，都是谈的光走直线。

另一方面，古人也有光行曲线的思想，这主要表现在与天文学有关的论述上。例如，晋朝杜预解释日环食，提出：

“日月同会，月奄日，故日蚀。……日光轮存而中食者，相奄密，故日光溢出。”（《后汉书》卷二十八刘昭注引）

依据古人的认识，日月等大，若光依直线传播，则不可能发生日环食。杜预解释说：之所以会发生日环食，是由于月掩日时，有时因相距近，日光由四周溢入月之背影中一些的缘故。他的话，显然表现了一种光可弯曲行进的认识。

后秦姜岌解释月食，也运用了光行曲线思想：

“日之曜也，不以幽而不至，不以行而不及，赫烈照于四极之中，而光曜焕乎宇宙之内。循天而曜星月，犹火之循炎而升，及其光曜，惟冲不照，名曰暗虚。举日及天体，犹满面之贲鼓矣。”（《浑天论答难》）

这是说，日光在行进过程中，受到天球的局限，于是就沿着天球曲面向日的对冲传播，唯有正对冲之处不能照及，形成暗虚，月亮从那里经过，就产生月食。光沿着天球曲面传播，当然是走的曲线。

南宋朱熹对月亮中阴影成因的解释，也潜含了光行曲线思想。他认为月中黑影是地在月亮上的投影，指出：“日以其光加月之魄，中间地是一块实底物事，故光照不透，而有些黑晕也。”（《朱子语类辑略》卷一）

根据古人认识，日月的尺度要远小于地，这样，大地在日光照耀下所成之阴影，不可能沿直线按几何关系投至月面上。要保持朱熹说法的成立，就必须认为日光是绕地沿曲线进行的。

综上所述，中国古人确实存在着光在远程传播，受物阻挡时，可沿曲线行进的认识。这与古人对光本性的猜测一致：光既然为气，当然不能排除它遇物阻挡时可以绕物曲行。但需要指出的是，中国古代的光行曲线之说，与现代波动光学认为光循波动规律传播的说法有本质不同，切不可将二者混为一谈。

1 对光认识的历史!300多年的历史发现的共同的答案--光的波粒二象性!!

人类对光的研究起源很早，但对光本质的认识经历了一个较漫长的过程。光究竟是波还是粒子？光的波动

说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共三百多年的时间。正是这种争论，推动了科学的发展，并导致了20世纪物理学的重大成就——量子力学的诞生。

战国初期伟大的思想家、政治家，也是一位有卓越贡献的自然科学家墨子（生于公元前480-476年左右，卒于公元前420-390年左右）（左图）是墨家学派的创始人。墨家学派著作的总汇是《墨子》,其主要组成部分是《墨经》（右图），这是一部内容丰富、结构严谨的科学著作。《墨经》中记载了丰富的几何光学知识。墨子和他的学生做了世界上最早的“小孔成像”实验，并对实验结果作出了光沿直线传播的科学解释，并用此原理解释了物体和投影的关系。

古希腊数学家欧几里德（Euclide,公元前330-公元前275）（左图）在他的《光学》著作里总结了到他那时为止已有的关于光现象的知识和猜测。那时的人们已经知道，在眼睛和被观察物体之间行进的光线是直线；当光线从一个平面反射时，入射角和反射角相等。

古希腊天文学家、地理学家和光学家托勒密（Clandius Ptolemaeus，约90～168）（右图）最早做了光的折射实验。托勒密在他的最后一本重要著作《光学》中提出和说明了各种基本原理，他依靠经验发现了折射的规律，绘出了光线以各种入射角从光疏媒介进入水的折射表，但没有由此得出精确的折射定

律。

英国科学家罗吉尔·培根（Roger Bacon,1214-1292）（左图）在物理学方面，特别是对于光学的研究极为深刻，他通过实验研究了凸透镜的放大效果以及光的反向和折射规律，证明了虹是太阳光照射空气中的水珠而形成的自然现象。

意大利著名美术家、科学家列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)（右图）以博学多才著称，他在光学、力学、数学和解剖学等方面都有不少创见或发明。他描述了光是如何通过不同表面反射的，眼睛是如何感觉反射并判断距离的，人类的眼睛是如何接受透视的，以及光投射在物体上是如何产生阴影的。

德国天文学家和数学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler,1571-1630）(左图)对光的折射现象进行了深入的研究，并于1611年出版了《折射光学》一书。开普勒的研究表明，对于两种给定的媒质，小于30度的入射角同相应的折射角成近似固定的比，对于玻璃或水晶，这个比约为3:2。他还表明，这

荷兰数学家威里布里德．斯涅耳（Willebrord Snell Van Roijen 1591-1626）（右图）在总结托勒密、开普勒等前人的研究成果后做了进一步的实验。1621年，斯涅耳在实验中注意到了水中的物体看起来象漂浮的现象，由此引出了他对折射现象的研究，并发现了光的折射定律，也称斯涅耳定律，但当时未做任何理论推导，虽然正确，却未正式公布。

1637年，法国数学家、物理学家、哲学家笛卡儿(Rene Des cartes,1596—1650)（左图）在他的《屈光学》书中提出了著名的折射定律。他从一些假设出发，并从理论上进行了推导，即光的入射角与折射角的正弦之比为常数，由此而奠定了几何光学的基础。

十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利数学家格里马第（Francesco Maria Grimaldi，1618-1663）（右图）在实验中让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，他发现在投影的边缘有一种明暗条纹的图像，马上联想起了水波的衍射，于是格里马第提出：光可能是一种类似水波的波动，这就是最早的光波动说。格里马第认为，物体颜色的不同，是因为照射在物体上的光波频率的不同引起的。

4．请举例说明热学研究和工业生产的关系。(10分)

工业生产和底层基本理论的关系很低，可以说没有一个工艺过程会直接应用到热力学第一定律，但每个工艺过程都是遵守热力学第一定律的.比如说喷漆,铁锭制造等等

5.请简述法拉第和麦克斯韦在电磁学方面的主要贡献，并阐明原因。(10分)

麦克斯韦与法拉第是近代电磁学史上的两颗巨星，他们都在电磁学领域取得了极大的成功。他曾说：“因为人们的心灵各有不同的类型。科学的真理也应当以种种不同的形式来表现。”麦克斯韦认为，自己与法拉第相比，只不过是—只笔，写出了法拉第那些杰出的科学思想。爱因斯坦曾把他们两人称作科学上的伴侣，就像当年天文学上的第谷和开普勒—样。他还深刻地阐述了麦克斯韦对物理实在观念发展的影响。他说：“相信有—个离开知觉主体而独立的外在世界，是—切自然科学的基础。”爱因斯坦评述道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来。物理学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在的结构的概念——的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作而引起的。”

法拉第是当时世界上许多科学学会的会员，是当时物理学家公认的领袖，是自伽利略以来，从来没有见过的头脑中涌现出那么多奇妙思想和发现的科学巨人，是自学成材的典范，是人类走向电气时代的开路先锋。法拉第一生，为后人留下了巨大的知识财富，他的代表作是《电学的实验研究》。他还是一位了不起的科普作家，曾写过《蜡烛的化学史》等书，被译成多种文字，流传很广。

法拉第的科学思想方法：

1、确信各种运动形式的相互联系和相互转化。法拉第对自然力(或能)的统—性具有坚定的信念，他始终不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。

2、力线和场的概念。法拉第否定超距作用，主张物质之间的电磁力是需要由媒质传递的近距作用力的观点。

爱因斯坦认为法拉第在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。爱因斯坦尤其称赞了“场”的新概念：“这样就奠定了同牛顿的物理学原则上不同的物理学的基础，同时在逻辑的一贯性上明显地超过牛顿的物理学。因此，相对论不过是场论的下一个发展阶段。”著名科学史家丹皮尔也指出：“法拉第奠定了实用电学的三大部门，即电化学、电磁感应与电磁波的基础。而且他坚持主张电磁场具有极大重要性，这也是现代物理学理论有关电的方面的历史起点。”

法拉第的主要贡献是在于电学方面，丹麦物理学家奥斯特发现了电流对磁针的作用，法拉第敏锐地感到了它的重要性，他决心进一步探索其内在原理。他通过大量实验验证出电磁感应原理，法拉第的这个发现终于劈开了探索电磁本质道路上的拦路大山，开通了在电池之外大量产生电流的新道路。法拉第发现的电磁感应原理是一个划时代的伟大科学成就，它使人类获得了打开电能宝库的金钥匙，在征服和利用自然的道路上迈进了一大步。

麦克斯韦的主要贡献是建立了麦克斯韦方程组，创立了经典电动力学，并且预言了电磁波的存在，提出了光的电磁说。而麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。更预言出电磁波的存在，发现光也是一种电磁波，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。

麦克斯韦的贡献不仅在于科学理论本身，而且为后人提供了丰富的科学思想和研究方法。麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。他在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文：《论法拉第的力线》；《论物理的力线》；《电磁场的动力学理论》。对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。据此，1865年他预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，并计算了电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。

在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思考，应用娴熟的数学技巧，从缜密的分析和推理，大胆地提出有实验基础的假设，建立新的理论，再使理论及其预言的结论接受实验检验，逐渐完善，形成系统、完整的理论。在他的电磁场理论的三篇论文中多次使用了类比研究方法，寻找到了不同现象之间的联系，从而逐步揭示了科学真理。

法拉第和麦克斯韦建立了电与磁之间的完美对应和联系，揭示了磁与电的产生过程；麦克斯韦方程组更是成为分析电磁学问题的最重要工具，同时预言了光也是一种电磁波，为光学特别是波动光学提供了一种新的分析方式。从应用和实践角度，这两位的天才发现使得人类可以发电、传输电、使用电，没有这两位，人类的夜晚可能仍然处在黑暗之中。

6.请简述量子物理的主要发展过程，说明它和经典物理的最主要区别。(15分) 量子物理学,是20世纪与相对论并肩崛起的又一场物理科学的重大变革,是探索微观粒子运动规律的物理学新理论。到目前为止,它的发展过程历经了旧量子论,量子力学,量子电动力学,量子味动力学和量子色动力学五个阶段。

经典物理学研究的是物体在宏观低速的状态,低速是指速度远远小于光速,宏观是指速度对质量的影响可以忽略不计.经典物理学的代表是Newton先生,以他的三大运动定律和万有引力定律为基础的,通过确定物体的初始状态来预测未来的状态,即未来的状态是确定的.

在经典物理和量子物理中,光起到了决定的作用,对光的不同看法是这两种观点的巨大区别的重要体现,经典物理认为,光是一种波,而量子物理认为光是一种微粒,具有能量和质量,称为光子,也就是对光的不同解释导致了现代物理学,量子力学的发展.

量子力学的任务在于测定微观粒子的运动状态及他们的特性,从而解释宇宙的发展及时间的变化.量子力学的奠基者是

Einstain,基本理论是广义相对论.但是对于Einstain而言,他试图通过他的理论来解释微观粒子的确定性,但是失败了,后来薛定鄂提出了不确定原理,即薛定鄂的猫,同时提出薛定鄂方程,是用概率统计的方法来测定微观粒子的运动状态的.但是他的理论很多人反对,因为当时Einstain很权威所以没有人相信他的理论,一直到不对称原理的出现,不对称原理其实很容易理解,设两个矩阵A,B.学过一些高等数学的人都知道,A*B不等于B*A,这就是不对称原理最通俗的解释.也正是这个原理导致后来对粒子对宇宙的完美解释.

早在18世纪,就有物理学家通过一个很简单的积分式来阐述整个宇宙,可以认为,那是量子力学产生的雏形.在量子力学的领域中,科学家都作出了巨大的贡献,象杨振宁同志,提出了落相互作用力下的宇称不守恒原理,还有Steven Hawking对宇宙的完美解释.

事实上,量子力学的发展看似对微观的研究,其实是通过微观粒子的研究来展示整个宇宙的变化规律,所以他才能揭示宇宙的秘密.而对于经典物理学,他主要是用于人们的生产实践,正因为有了经典物理学,人类才有了工业革命,才有了现在的高新技术,计算机,电子产品,机械工业,才大大提高了人们的生产力.也正是有了量子力学,人类才有了原子弹,才有了,核子发电站.可以说,两个学科都为人类社会的发展作出了巨大的贡献!

7.简述爱因斯坦狭义相对论假设和主要结论及其意义。(20分)

狭义相对论是爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。

狭义相对论最重要的结论是使质量守恒失去了独立性。它和能量守恒原理融合在一起，质量和能量可以互相转化。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，质量和能量的相互转化，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。

关于狭义相对论，两条原理规定如下：

1．相对性原理：物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

2．光速不变性：任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。

意义：狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用，并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。

爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后，提出了著名的等性原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。