物理学发展的三个时期

哥白尼 （Copernicus, 14731543）是波兰人的 后裔，出生在靠近 波兰国界的普鲁士 的托恩（Thorn）。 他从事于三重职业 达十三年之久：履 行教会职务、行医 和研究天文学。
哥白尼对托勒密模型的主要怀疑：
• 预告有时不准确，比如1504年木星和土星相会的 日期差了十天； • 对几个行星的描述太过繁琐和牵强，尤其是托勒 密的Equant 装置，不符合毕达哥拉斯学派“宇宙 是和谐的”基本思想； • 如果把太阳作为中心，一切变得简单、清晰。
托勒密的宇宙结构
行星沿 “本轮”的小圆 回转，而本轮的中心又循着 以地球为中心的均轮运行。
托勒密有两个重要的功绩：
• 把古代的“地心”思想发展成为系统的地心说；
• 运用模型方法，成功地解释了他的宇宙理论。
托勒密理论的两个致命弱点：
• 认为地球是静止不动的宇宙中心； • 认为正圆运动是天体最完美的运动。
开普勒行星运动定律：
第一定律：行星沿椭圆轨道绕日运行，太阳位于 椭圆的一个焦点上。 第二定律：行星和太阳之间的连线在相等时间内 扫过的椭圆面积相等。 第三定律：行星绕日一 周所需要时间的平方， 与其绕太阳轨道的半长 轴的立方成正比。
T12 R13 3 2 T2 R2
椭圆绘制
T D
T2 D3
水星 0.241 0.387 0.058 0.05796
• 在太阳系中，只有太阳这一个恒星，其质量
占绝对统治地位（~ 99.85%）。（谢天谢地）
一、天文学的演化：地心说与日心说
古代人们对宇宙天体结构认识的两种不同见解：
• 地Biblioteka Baidu是宇宙的中心
• 地球不是宇宙的中心
早期，“地心说”的代表人物是： 雅典阶段： 数学家欧多克索斯（Eudoxus, B.C.408-355）
性的自然哲学。如：希腊的原子论和四元说， 中国的阴阳五行说，是猜测和臆想，不是严 密的科学理论。
古代物理学形式的主要特点：
• 是直觉的——缺乏深入、缜密的分析和严密
的逻辑推理。
• 是零散的——以一个比较孤立的发现、发明、
论断、定律的形式出现，彼此缺少必然的联系， 未成体系。 古代物理学基本上处于现象的描述、经验 的总结和猜测性的思辩阶段，主要是以直觉的 和零散的形式出现。
布鲁诺的殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验
布鲁诺 （Giordano Btuno，1548-1600）， 意大利哲学家和思想家。
布鲁诺的主要著作有《论无限宇宙和世界》，书中 捍卫哥白尼的日心说，并明确指出：“宇宙是无限 大的”，“宇宙不仅是无限的，而且是物质的”。 还著有《诺亚方舟》，抨击死抱《圣经》的学者。
近代物理学 本身的特点：
• 强调系统的，有目的的实验，而不是简单地对自 然现象的观察。 • 以实验（包括观察）事实为根据，进行缜密的分 析和推理，而不是凭猜测和臆想。
• 从经验定律上升为系统的理论，在各个领域中逐 步建立起严密的科学系统。
• 广泛应用数学方法，使知识日益精密化。 近代物理学是把系统的观察和实验同严密的逻 辑体系结合起来，形成以实验事实为根据的系统的 科学理论。
物理学发展的三个时期：
① 古代：（16世纪以前） ② 近代：（16——19世纪） ③ 现代：（20世纪）
古代物理学内容的主要特点：
• 属于现象描述性质的。如：中国古代《墨
经》中所记载的大量的物理知识；
• 属于经验总结性的。如：阿基米德的浮
力定律、古代东西方各国的天文历法等；
• 即使有理论形式，但绝大部分是从属于思辩
古代物理学的形式是属于经验总结性的，对事 物的认识主要是凭直觉的观察、凭猜测和臆想，因 此往往得到错误的结论。 古代的哲学家亚里斯多 德凭直接的经验和猜测： “物体自由下落的速度正比 于物体的重量”。 落体的加速度与其重量无关！
落体实验的思想实验：
设： 重物下落时间为 t1 轻物下落时间为 t2 亚里斯多德认为： t2 > t1 把两物体捆绑在一起呢？ 按亚里斯多德的观点会有两种答案： ① 重物带动轻物下落得快，轻物影 响重物落得慢: t1 < t < t2 ② 两个物体作为整体，重于单个物体: t < t1 t < t2
三、伽利略的贡献 --- 近代物理学奠基者之一
1609年，伽利略自制了放大 30倍的天文望远镜。通过观察， ① 发现月球表面并非完美无 缺，而是有大山和平原，有类似 火山口的环形山，与地球表面结 构相同； ② 发现了木星的卫星； ③ 发现了太阳的黑子及其移 伽利略（Galilei, 动的变化，证明了太阳的自转； ④ 发现了银河是由无数星星 1564-1642）于1564 年2月15日出生在意 组成，揭开了这个千古哑迷。 人们传诵着：“哥伦布发现了 大利的比萨城。 新大陆，伽利略发现了新宇宙”。
公元二世纪 托勒密（Ptolemy, A.D.90-168）
亚历山大城的托 勒密集大成，提出了 历史上著名的“托勒 密地心说”，使古代 天文学的发展达到了 高峰。他写下的一部 十三卷巨著《天文集》 被看作古代天文学的 百科全书。
宇宙有“九重天”， 这是九个运转着的同心的 晶莹球壳。最底的一重天 是月亮天，其次是水星天 和金星天；太阳居于第四 重天球上，它是宇宙的主 宰，世界的灵魂，它以巨 大的光辉照亮宇宙；第五 到第七重天依次是火星天、 木星天和土星天；第八重 是恒星天，全部恒星象宝 石一般镶嵌在这层天上； 在恒星天上，还有一重最 高天，即“原动天”，那 里是神灵居住的天堂。地 球坐落在宇宙中心。
自然科学借以宣布其独立并且好像是重 演路德焚烧教谕的革命行动，便是哥白尼那 本不朽著作的出版，他用这本书（虽然是胆 怯地而且可说是只在临终时）来向自然事物 方面的教会权威挑战，从此自然科学便开始 从神学中解放出来。 ————恩格斯
哥白尼花了20多年，使他的模型达到了与托勒密模型 相当的精度。
与托勒密体系相比，哥白尼体系具有的明显优点 简单 和谐
二、开普勒定律
第谷（Tycho， 1546--1601）是一个实干家， 他几十年如一日，精确地观测和记录了行星的位置 和运动情况。提高观测精度，发现地心说和日心说 都有缺陷。
1600 年，开普勒当了第谷 的助手 —— 科学史上一件 美 妙 结 合 的 范 例 。
1601 年，第谷去世，全部天 文观测资料都留给了开普勒 —— 开普勒的理论创造工作 就 有 了 坚 实 的 基 础 。
第二章 经典力学的建立和发展
经典力学 热力学 统计物理学 电动力学 光的电磁理论
经典物理学
§2.1 经典力学的建立
自然科学的建立为什么从经典力学开始？ • 力学现象比较常见，较早形成各种概念。比 如力的概念、杠杠平衡等；
• 在天体运动中，可以忽略摩擦力和空气阻力
的影响，因此可掌握精确的数据资料，有利于 获得规律性的认识。
伽利略做了历史时上有名的“斜面实验”
实验一：
v
实验二：
伽利略把实验和逻辑推理和谐地结合在一起， 构成了一套完整的科学研究方法。 爱因斯坦说：“伽利略的发现以及他所应用的 科学的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开端。”
亚里斯多德的观点：
物体必须强迫才会做与其自然运动完全不同的运 动。
矛盾！
亚里斯多德的观点： 地球上所有的东西都由四种元素------土、水、气、 火构成，这四种元素都力图达到不同的自然位置，所 以就产生了自然运动。 月亮、太阳、星星和恒星是由地球上找不到的元 素------以太构成。 试用亚里斯多德理论解释：当人们肺里充满了空气时 能更好地浮在水中；充气的气球加热时上升。
• 开普勒定律强烈暗示了太阳对行星有一种吸引力， 这个力随距离增大而减弱。
爱因斯坦： 开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一 个特别美妙的例子，这条真理是：知识不能单从 经验得出，而只能从理智的发明同观察到的事实 两者的比较中得出。 结论： 科学的发现必须是“观察实验”和“抽 象思维的理论创造”两者结合的产物。
以太没有重量，它的自然运动是环绕地球的完美 的圆周运动。
伽利略的科学研究方法： 形成理论
实验检验
进行数学和逻辑的推理
提出假设
对现象的一般观察
爱因斯坦：“伽利略的发现以及他所应用的科 学的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开端"
第一次作业： 1、古希腊人是如何解释行星的逆行？其建立的 行星模型有何优点？ 2、哥白尼理论如何解释行星的逆行？试给出图 示。 3、滚动的小球，很快它就停下来了，亚里斯多 德对此如何解释？伽里略又怎样解释?
哲学家亚里斯多德（Aristotle, B.C.384-322)
柏拉图时期，希腊数理天文学确立的宇宙论：
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宇宙是一个球形（层层相套的诸天球组合） 诸天体均镶嵌在各自的天球上随天球运动 天球的运动是均匀的圆周运动 大地是一个球形 地球绝对静止 地球居于宇宙的几何中心
希腊数理天文学的基本任务： 通过天球（匀速的）运动的组合来模拟和再现 观测到的不规则行星运动（逆行、运行速度的 变化以及亮度的变化）。
从地球上看到火星相对恒星的运动
• 数学家阿波罗尼乌斯（Apollonius, B.C.247-205） 提出“本轮（epicycle）”、“均轮（deferent）”理论， 解释天文观察中发现的“行星逆行和停留的现象”。
• 天文学家希帕克 提出“偏心圆”概念， 解释太阳周年运动的 不均匀性。
• 托勒密 提出 Equant 的概念。
金星 0.615 0.723 0.378 0.3779
地球 1 1 1 1
火星 1.881 1.524 3.54 3.54
木星 11.862 5.203 140.7 140.85
土星 29.457 9.539 867.7 867.85
• 从开普勒开始，天文学真正成为一门精确科学， 从而成为近代科学的开路先锋。
哥白尼的基本观点是：
㈠ 太阳是宇 宙的中心，行 星围绕着太阳 运转；
㈡ 地球作为一颗行星绕着太阳运转，它本身还在 自转；
㈢ 月亮是地球的卫星，地球带着月亮一起绕太阳 运转；
㈣ 行星在太阳系中 排列的秩序是：离太 阳最远的是土星（30 年绕太阳一周）；其 次是木星（12年一 周）；然后是火星（2 年一周）；第四是地 球和月亮（1年一周）； 第五是金星（9个月一 周）；离太阳最近的 是水星（80天一周）。 恒星在远离太阳的一 个天球面上静止不动。