《物理学史》作业参考答案

《物理学史》作业参考答案一．名词解释1．答：伽利略在《两门新科学》中，讨论了自由落体运动和物体沿斜面的运动，提出了“等末速度假设”，即，静止的物体不论是沿竖直方向自由下落还是沿不同倾斜度的斜面从同一高度下落，他们到达末端时具有相同的速度。

2．答：卡诺在建立热机一般原理时，提出了一个理想热机模型和一个理想循环过程。

卡诺的理想热机模型被设想为：热机由汽缸、活塞、空气工作物质、一个高温热源和一个低温热源组成。

该热机按卡诺理想循环过程工作。

3．答：光量子假设是由爱因斯坦提出来的。

1905年爱因斯坦接受了普朗克提出的能量量子概念，并进一步发展了普朗克的能量量子化思想，提出光量子假设。

爱因斯坦指出，光不仅在发射或吸收时具有粒子性，光在空间传播时也具有粒子性。

光可以看作是一粒一粒以光速运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，也称为光子。

每一光子的能量是hv =ε，式中ε为光子的能量，h 为普朗克常数，v 为光的频率。

4．答：1822年，科学家阿拉果和洪堡在测定格林威治山的磁强度时，偶尔发现金属可以阻尼磁针的振荡。

阿拉果由此想到，一个静止的磁针也一定可以被一个运动着的金属片带走。

后来他作了一个圆盘实验（即阿拉果圆盘实验）证明了自己的想法。

其实验装置是，在一个可以绕垂直轴旋转的铜盘正上方悬挂一根磁针，当铜盘旋转时，磁针跟着旋转，但有所滞后。

5．活力守恒定律5．答：活力守恒定律是由德国数学家和哲学家莱布尼茨提出来的。

1686年，莱布尼茨在其论文《关于笛卡尔和其他人在确定物体的运动中的错误的简要论证》中，以“力必须由它所产生的效果来衡量”为依据，提出mv 不宜作运动的原动力的量度，应把mv 2作为原动力的量度，并将mv 2称作为“活力”。

莱布尼兹认为，宇宙中运动的总量必须保持不变，这个不变的量应该是mv 2，这就是他提出的活力守恒原理。

6．答：牛顿基本上主张光的微粒学说。

他根据光的直线传播性质，提出光是微粒流的理论。

他主张光是从光源飞出来的微粒，在真空或均匀物质内由于惯性而作匀速直线运动。

牛顿认为光线可能是由球形的物体所组成，并用这种观点解释了光的直线传播和光的折射反射定律。

7．答：卡诺研究热机时，提出了他的热机理论和理想循环过程。

其理想循环过程由四个阶段组成：第一阶段，将高温热源接触气缸，气缸内的空气吸收高温热源提供的热质，在恒定温度下缓慢膨胀；第二阶段，将高温热源撇开，空气在没有接受热质的情况下继续膨胀，空气的温度降到与低温热源的温度相等；第三阶段，将低温热源接触气缸，空气在恒温下被压缩，把热质输送给低温热源；第四阶段，撇开低温热源，空气继续被压缩，直至回到原来的状态。

8．答：1798年，英国物理学家卡文迪许作了测量G 的经典实验。

其装置如图所示，两个小铅球被固定在轻杆的两端，用一根系在杆的终点的极细金属丝把杆沿水平方向悬挂起来，细丝上固定一面小镜子。

小铅球的附近对称的安放两个较大的铅球，这两对大质量和小质量的铅球之间的引力使杆在水平面上转动。

当金属丝扭转所产生的回复效应恰好与相吸引的力平衡时，杆就停在一个平衡方向上。

根据金属丝扭转的角度可以测出力的强度。

卡文迪许的实验结果不仅证实了万有引力定律的正确性，而且测定了G 的数值为，221110670.6千克米牛⋅⨯=-G 。

9．答：卡诺提出了他的热机理论和理想循环过程。

他在讨论理想循环过程的基础上，提出了对热机效率所做的理论探索的两个核心论点：①在工作于两个给定温度之间的所有热机中，以这种理想可逆热机所产生的动力为最大；②热动力的产生与所用的工作物质无关，它的量完全决定于两个热源的温度。

这就是卡诺定理。

10．答：“热质说”是物理学史上关于热的本质的一种学说，热质说的倡导者们认为，热是由无重量的某种特殊物质组成的。

伽桑狄认为，热和冷都是由特殊的“热原子”与“冷原子”引起的，它们非常细致，有球的形状，非常活泼，因而能渗透到一切物体之中。

荷兰物理学家波尔哈夫认为，热的本源是钻在物体细孔中的、具有高度可塑性和贯穿性的物质粒子。

它们没有重量，彼此间有排斥性，而且弥漫于宇宙。

拉瓦锡甚至还把“热质”列为一种元素。

物理学的进一步发展证明，“热质说”是不正确的。

11．答：所谓电磁旋转现象是指磁极绕电流转动，以及电流绕磁极转动的现象。

法拉第不仅发现了电磁旋转现象，而且巧妙的设计了一个装置演示电磁旋转现象。

二．简答题1．答：发现海王星的主要过程是：1781年，英国人赫歇尔用自制的望远镜观察天空，发现了天王星。

人们在研究天王星的运动时，积累的资料表明它的运动有些极小的不规则性，它们不能归因于任何已知天体的摄动效应，于是人们猜测在天王星之外可能有一个未知行星影响了天王星的运动轨道。

英国剑桥大学学生亚当斯用万有引力定律，根据天王星的运动计算未知行星的位置，并于1845年10月将结果寄给了英国格林威治皇家天文台要求观测，但未受到重视。

1846年6月，法国青年勒维耶发表类似的独立计算结果，并将其预言送交柏林天文台台长伽勒，台长接到信的当天晚上亲自观察并发现了这颗新星，后取名为海王星。

海王星的发现不仅仅是人们发现了一颗新的行星，更重要的是也证明了万有引力定律的正确性，充分显示了万有引力定律的理论威力。

2．答：安培是通过实验证明，作用在电流元上的力是与它垂直的。

如图所示，安培将弧形导体1架在水银槽3、4上，导体与绝缘柄2固连，绝缘柄架在圆心C 处的支点上。

这样既可以给弧形导体通电，弧形导体又可以绕圆心转动，从而构成了一个只能沿导体自身长度方向移动，但不能作横向移动的电流元。

然后用各种载流线圈对它作用，结果都不能使弧形导体沿电流方向运动，这说明电流元沿电流方向始终不受力的作用，这就证明了作用在电流元上的力是与它垂直的。

3．答：德国物理学家勒纳德1902年发表了他关于光电效应的第一批研究成果，发现了光电效应用经典波动理论无法解释的三个主要性质。

它们是：第一，出射光电子的动能只与入射光的频率有关，同入射光的强度无关；第二，每种金属表面存在一个特征频率0ν，频率小于0v 的入射光不管其强度有多大，都不能发生光电效应；第三，只要入射光的频率大于截至频率0ν，则无论它多么微弱，都会立即引起光电子的发射，不存在滞后时间。

4．答：牛顿用一个十分巧妙的方法证明了G 的常数性。

他考虑到地球表面上一个质量为1m 的物体，他的重量为g m 1，设地球质量为e M ，根据万有引力定律：211R m M G g m e =或eM gR G 2= 给定地点eM R 2是一个常数，如果能确定这个地方g 也是个常数，则说明G 是个常数。

牛顿用计时摆精确测定了g ，发现g 是一个常数，从而也证明了G 是常数。

5．答：提出热寂说的主要过程是，1852年，汤姆孙在关于自然界中机械能耗散的论文中指出，自然界占统治地位的趋向是能量转化为热而使温度趋于相同，最终导致所有物体的工作能力减小到零，达到热死状态。

1862年，他在《关于太阳能的可能寿命的物理考察》中，明确提出“热寂说”。

克劳修斯在1865年的论文中把宇宙看作一个孤立的绝热系统，分析后得出同样的结论。

这就是“热寂说”提出的主要过程。

6．答：卢瑟福的原子核式结构模型是依据α粒子散射实验建立的，他遇到的主要困难有两个：第一，电子在原子核周围的运动是加速运动。

按照经典理论，加速运动的电子要不断向外辐射电磁波，随着电子能量的不断减小，其运动轨道的半径越来越小，最终落在核上，这就无法说明原子的稳定性。

第二，电子绕核运动过程中，他的绕核转动频率连续改变，这一过程应向外发射连续光谱。

这些都与原子的稳定性，与原子发射线状光谱的事实矛盾。

这也是原子核式结构面对的主要困难。

7．答：1897年，英国物理学家J ⋅J 汤姆孙发现电子，打破了原子不可分的观念。

电子发现之后，科学家便开始探索原子的结构模型。

1904年，J ⋅J 汤姆孙经过研究，提出了一个比较有影响的原子模型。

他假设原子中的正电荷以均匀的密度连续的分布在整个原子球中，许多细小的电子均匀的分布在其内，正像面包里的葡萄干一样，故形象的称其为“葡萄干面包模型”。

这种模型能够定性的解释原子的稳定性和光谱。

稳定性的解释是，原子中的电子静止在一定的平衡位置，其位置由电子与电子之间的排斥力和电子与正电荷之间的吸引力的平衡来决定。

对原子发光的解释是，当原子从外界得到一定的能量时，原子内的电子就在其平衡位置附近振动，同时发出各种不同波长的电磁波。

8．答：安培证明的实验是，如图所示，线圈1和线圈3固定并串联在一起，通过电流1I ，线圈2可以左右移动，通过电流2I ，当三个线圈间距之比与三个线圈的线度之比一致时，线圈1和线圈3对线圈2的合作用力为零。

从而证明了电流元长度和相互距离增加同一倍数时，它们之间的作用力不变。

9．答：爱因斯坦提出光量子假设有一定的背景。

1887年，德国物理学家赫兹发现了光电效应现象，赫兹的助手勒纳德1902年发表了他关于光电效应的第一批研究成果，指出了光电效应有用经典波动理论无法解释的三个性质。

为了解释这三个性质，物理学家都在进行不懈的努力。

1905年，爱因斯坦接受了普朗克提出的能量量子化概念，并将其应用于光电效应的研究，发表了《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，提出了光量子假设，成功地解释了光电效应现象。

光量子假设的主要内容是：光不仅在发射或吸收时具有粒子性，光在空间中传播时也具有粒子性。

光可以看作是一粒一粒以光速c 运动的粒子流，这些光粒子称为光量子，简称光子。

每一光子的能量ε与其频率成正比hv =ε，h 为普朗克常数，v 为光的频率。

10．答：1887年赫兹发现了光电效应现象，所谓的光电效应现象是指光照射金属表面时，有负电粒子释放出来的现象。

1902年，勒纳德发表了用经典理论无法解释的光电效应的三个性质，即，①出射光电子的动能只与入射光的频率有关，与入射光的强度无关。

②每一种金属表面都存在一个特征截至频率0ν，频率小于0ν的入射光不论其强度多大，都不能发生光电效应。

③只要入射光的频率大于截至频率0ν，则无论它多么微弱，都会引起光电子的发射，不存在滞后时间。

11．答：焦耳对发现能量守恒定律的主要贡献在实验研究方面，他关于热功当量的测定实验是建立能量守恒定律的实验基础。

其主要贡献是，由实验发现了焦耳定律，设计了一系列实验测定热功当量，他侧得的热功当量值为4.16 J/卡，与现在采用的热功当量值4.18 J/卡十分接近。

仅仅相差0.5%。

三．论述题1．答：伦福德与戴维用实验事实和论证批驳了热质说，为热的运动说确立了最早的实验证据。

1798年，英国物理学家伦福德向英国皇家学会提出了一个报告《论摩擦激起的热源》，论述了他的机械功生热的实验。

他曾在慕尼黑兵工厂的车间监督大炮镗孔工作时，对于铜炮筒在钻腔时能在短时间内获得大量的热，和钻腔机从炮筒上切下的金属片所获得的更大的热感到十分惊奇。