第三節(jié)：經典物理學的全面發(fā)展力學的建立光學的進展熱學的成就電磁學的建立第三節(jié)：經典物理學的全面發(fā)展力學的建立經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件00經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件經典物理學的全面發(fā)展課件概述光的類型自然光人造光概述光的類型自然光人造光光的定義解釋光是一種既具有波動特性，又具有粒子特性的特殊物質。概述光的定義解釋光是一種既具有波動特性，又具有粒子特性的特殊物質干涉衍射偏振概述光的波動性干涉衍射偏振概述光的波動性光的粒子性概述能量質量動量光的粒子性概述能量質量動量概述光的反射光的折射概述光的反射光的折射萌芽期光學的起源在中國可追溯到遠古時代的春秋戰(zhàn)國之際，墨翟及其弟子所著《墨經》中，記載著關于光的直線傳播和光在鏡面上的反射等現(xiàn)象，并提出了一系列經驗規(guī)律。墨翟（公元前468-376年）小孔成像銅鏡光學發(fā)展歷程的回顧萌芽期光學的起源在中國可追溯到遠古時代的春秋戰(zhàn)國之際，墨翟及光學的起源在西方可追溯到希臘的歐幾里德，他在其著作《光學》一書中提出光線的直線傳播理論，并研究了平面鏡成像問題，指出反射角等于入射角的反射定律。（公元前330-275年）光的直線傳播鏡像反射光學發(fā)展歷程的回顧光學的起源在西方可追溯到希臘的歐幾里德，他在其著作《光學》一中國：古代的實用科學缺乏嚴謹?shù)膶嶒炞C明、理論說明和科學表達，大多為經驗性的描述，導致中國在未來光學領域的發(fā)展極為緩慢。西方：在生產和社會需要的推動下，在光的反射和透鏡的應用方面，逐漸有了些成果。15世紀末和16世紀初，凹面鏡、凸面鏡、眼鏡、透鏡以及暗箱和幻燈等光學元件已相繼出現(xiàn)。凹、凸面鏡凹、凸透鏡暗箱光學發(fā)展歷程的回顧中國：古代的實用科學缺乏嚴謹?shù)膶嶒炞C明、理論說明和科凹、凸面幾何光學時期是光學發(fā)展的轉折點，系統(tǒng)研究了光現(xiàn)象和光學儀器，建立了直線傳播定律、反射定律、折射定律；提出了費馬原理、光程、光強、顏色等概念，并觀察了棱鏡光譜等較復雜的光現(xiàn)象。幾何光學時期光學發(fā)展歷程的回顧幾何光學時期是光學發(fā)展的轉折點，系統(tǒng)研究了光幾何光學時期光學李普賽（公元1587-1619年）伽利略（公元1564-1642年）望遠鏡荷蘭李普塞在1608年發(fā)明了第一架望遠鏡。1610年伽利略用自己制造的望遠鏡觀察星體，發(fā)現(xiàn)了繞木星運行的衛(wèi)星，這給哥白尼關于地球繞日運轉的日心說提供了強有力的證據(jù)。光學發(fā)展歷程的回顧李普賽（公元1587-1619年）伽利略（公元1564-16馮特納（公元1580-1656）十七世紀初延森和馮特納最早制造了復合顯微鏡。光學發(fā)展歷程的回顧馮特納（公元1580-1656）十七世紀初延森和馮特納最早制費馬（公元1601-1665年）折射和反射定律1657年費馬首先指出光在介質中傳播時時所走路程取極值的原理，并根據(jù)這個原理推出光的反射定律和折射定律。光學發(fā)展歷程的回顧費馬（公元1601-1665年）折射和反射定律1657年費馬牛頓（公元1643-1727年）牛頓(1665年)利用色散實驗證實了白光是由一些彼此獨立的彩色光所組成。光學發(fā)展歷程的回顧牛頓（公元1643-1727年）牛頓(1665年)利用色散實波動光學時期建立了光的波動理論，圓滿解釋了光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象；通過邁克爾遜干涉儀否定了“以太”的存在；提出并證實了光的本質就是電磁波。波動光學時期光學發(fā)展歷程的回顧波動光學時期建立了光的波動理論，圓滿解釋了波動光學時期光學光的波動理論的創(chuàng)始人，提出了“光是‘以太’中傳播的波動”理論和次波假設（惠更斯原理），并解釋了反射、折射定律和雙折射現(xiàn)象。惠更斯（公元1629-1695年）惠更斯原理光學發(fā)展歷程的回顧光的波動理論的創(chuàng)始人，提出了“光是‘以太’中傳播的波惠更斯（1801年，楊氏最先利用干涉原理解釋了白光下的薄膜顏色，設計并完成了著名的楊氏雙縫干涉實驗，并第一次成功地測定了光的波長。提出了光是橫波的假設。楊氏（公元1773-1829）薄膜干涉雙縫干涉光學發(fā)展歷程的回顧1801年，楊氏最先利用干涉原理解釋了白光下的薄膜顏色，設計1865年，麥克斯韋爾建立期完整的經典電磁理論，指出光是一種電磁波，產生光的電磁理論。該理論一直到廿余年后由赫茲的實驗所證實。赫茲（公元1857-1894年）麥克斯韋爾（公元1831-1879年）光學發(fā)展歷程的回顧1865年，麥克斯韋爾建立期完整的經典電磁理論，指出光是赫茲1887年，邁克爾遜和莫雷一起以近乎完美的條件進行了干涉實驗，通過測量兩束光的形成的干涉條紋數(shù)目和移動，證實了光速的不變性及以太是不存在的，為愛因斯坦狹義相對論的提出奠定了基礎。邁克爾遜（公元1852-1931年）邁克爾遜.莫雷實驗光學發(fā)展歷程的回顧1887年，邁克爾遜和莫雷一起以近乎完美的條件進行了干涉實驗二、熱學的成就2.1熱的本質在十八世紀，隨著人們對燃燒現(xiàn)象認識的深入，對熱現(xiàn)象也開始試圖給予解釋。當時對熱的本性存在兩種見解：一種認為熱是一種物質；另一種認為熱是物質分子的微小運動。拉瓦錫在1789年的《初等化學概論》中把熱物質當做一種元素引入，稱之為熱素或熱質（calorique）。二、熱學的成就2.1熱的本質熱質說拉瓦錫認為：存在著一種極易流動的物質實體充滿分子之間的空間，這種實體具有擴大分子之間距離的作用。這種物質實體－－熱質，根據(jù)其狀態(tài)分為兩類：自由的熱質和結合的熱質。結合的熱質被物體中的分子所束縛，形成其實質的一部分；自由熱質沒有處于任何結合狀態(tài)，能夠從一個物體轉移到另一個物體，成為各種熱現(xiàn)象的載體。熱質說拉瓦錫認為：存在著一種極易流動的物質實體充滿分子之間的熱機：從技術到理論蒸汽機的廣泛使用促進了工業(yè)革命、縮短了旅行時間、加快了商品流通。但是蒸汽機的改進只是靠技術上的摸索取得，到十九世紀初還沒有一個關于蒸汽機的一般理論。這一局面因卡諾于1824年出版《關于火的動力及其適于產生這種動力的發(fā)動機之考察》一書而改變。熱機：從技術到理論蒸汽機的廣泛使用促進了工業(yè)革命、縮短了旅行SadiNicolasLéonardCarnot卡諾(1796-1832)出身于法國望族。1814年卡諾畢業(yè)于法國綜合工科學校后到工兵部隊服役，1820年退役后專心從事物理學理論研究。他的父親是拿破侖一世政府要人；弟弟是一位持自由觀點的政治家；一位侄子是法蘭西第三共和國總統(tǒng)。SadiNicolasLéonardCarnot卡諾(熱機的效率瓦特致力于提高蒸汽機的效率。但是經過改進的蒸汽機效率仍然很低。燃料所產生的熱能的93%-95%都被浪費掉。卡諾對熱機的做功效率也非常感興趣。他想了解這種效率究竟可以提高到多少。卡諾從他的應用力學家父親那里學會了對一個循環(huán)過程進行考察的必要性。他把熱機對外做功和做完功返回原狀的過程結合起來考慮。熱機的效率瓦特致力于提高蒸汽機的效率。但是經過改進的蒸汽機效永動機永動機熱質守恒卡諾在《關于火的動力》一書中是立足于熱質說來考察熱機效率的。他的工作基礎就是熱質守恒。卡諾認為，熱從高溫物體向低溫物體移動時，必然能夠產生動力。因此不伴隨動力產生的熱流動是一種損失。溫度不同的物體接觸時就會產生這種損失。想要獲得熱機的最高效率，就要盡量避免這種損失。熱質守恒卡諾在《關于火的動力》一書中是立足于熱質說來考察熱機卡諾循環(huán)：理想熱機卡諾進一步設想了沒有任何損失的理想熱機。他考察了由帶活塞的汽缸中氣體所產生的等溫膨脹（系統(tǒng)從環(huán)境中吸收熱量）、絕熱膨脹（系統(tǒng)對環(huán)境中作功）、等溫壓縮（系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量）、絕熱壓縮（系統(tǒng)恢復原來狀態(tài)，對環(huán)境作負功）四個過程組成的循環(huán)，后來命名為卡諾循環(huán)。卡諾循環(huán)：理想熱機卡諾進一步設想了沒有任何損失的理熱力學的奠基人卡諾最先定量地研究了熱和功相互轉化的方式，因此他被稱作熱力學的奠基人。他的方程表明最大效率只與最高溫度和最低溫度有關，與中間過程、工作介質無關。卡諾如果能繼續(xù)研究下去，很可能由此得出熱力學第二定律（熵增加定理）。而且卡諾后來還放棄了熱質說，轉而認為熱是一種運動。但是不幸的是他在36歲就死于霍亂。熱力學的奠基人卡諾最先定量地研究了熱和功相互轉化的方式，因此熱動說倫福德(1753-1814)糾正了熱是一種無質流體的說法。倫福德出身于美國，后到歐洲慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現(xiàn)當鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。當時傳統(tǒng)的解釋是，當金屬被切削成刨花時，熱質就從金屬中逸出。但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。熱動說倫福德(1753-1814)糾正了熱是一種無質流體的熱質倫福德在慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現(xiàn)當鉆削制造炮筒的青銅坯料時，金屬坯料燙得象火一樣。當時傳統(tǒng)的解釋是，當金屬被切削成刨花時，熱質就從金屬中逸出。但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。熱質倫福德在慕尼黑管理一個兵工廠，他發(fā)現(xiàn)當鉆削制造炮筒的青銅機械運動轉化為熱倫福德得出結論，是鏜具的機械運動轉化為熱。1798年倫福德向皇家學會報告了他在慕尼黑的實驗。他還試圖給出一定量的機械運動所能產生的熱量，這是首次給出了熱功當量的數(shù)值。不過他的數(shù)值偏高。1799年倫福德回到英國，當選為皇家學會會員。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦錫的遺孀并就熱質說與已故的拉瓦錫作對。機械運動轉化為熱倫福德得出結論，是鏜具的機械運動轉化為熱。1熱運動說的處境倫福德的報告引起巨大反響，對熱運動說有人支持也有人反對。熱質說的統(tǒng)治地位一時還難以動搖。當時以熱質守恒這一基本原理為基礎，熱學正穩(wěn)步地積累著實驗資料，并不斷帶來新的理論。相反，熱運動論缺乏定量的實驗基礎，沒有提出數(shù)學化的理論。必須等到能量守恒定律的確立，才能從更為廣闊的觀點來理解熱和運動的相互轉化。熱運動說的處境倫福德的報告引起巨大反響，對熱運動說有人支持也2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世紀以來物理學前沿的擴大，形形色色的物理現(xiàn)象之間的轉化過程被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，引起人們注意。(2)十八世紀下半葉在德國產生一種對機械論自然觀的不滿，萌發(fā)一種活力論。這種活力論在十九世紀初發(fā)展成為自然哲學：把整個宇宙看做是由某種根源性的力所引起的歷史發(fā)展的產物。自然界的各種力，電、磁、光、熱、化學親和力等等東西歸根結底是同一種東西。2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)能量守恒定律提出的背景2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)德國人邁爾（1814-1878）作為隨船醫(yī)生在1840年去爪哇的航行中，由于考慮動物熱的問題，邁爾對物理學產生興趣，多次著文闡述能量守恒的信念。1841年他完成《關于無機界各種力的意見》一文，被一家物理學雜志退稿后，第二年發(fā)表在了李比希主編的《化學和藥學年鑒》上。但是他的工作幾乎沒有引起人們注意。2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)德國人邁爾（1814-1878）2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)英國的焦耳擅長實驗。他對所有他想得到的有熱量產生過程進行熱測量。1840年他得出：電流產生的熱量與電流強度的平方和電阻的乘積成正比－－焦耳最后測量出做的功和產生的熱的關系為：41,450,000爾格的功產生1卡的熱量。為了紀念焦耳的工作，后來規(guī)定一千萬爾格的功定義為一焦耳。現(xiàn)在的熱功當量數(shù)值為4.18焦耳/卡。2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)英國的焦耳擅長實驗。他對所有他想

1845年，焦耳為測定機械功和熱之間的轉換關系，設計了“熱功當量實驗儀”，并反復改進，反復實驗。

1849年發(fā)表《論熱功當量》。

1878年發(fā)表《熱功當量的新測定》，最后得到的數(shù)值為423.85公斤·米/千卡。焦耳測熱功當量用了四十多年，實驗了400多次，付出大量的辛勤勞動。

成果無處發(fā)表當時人們沒有認識到焦耳工作的意義。各種學術刊物和皇家學會都拒絕發(fā)表他的文章。1847年焦耳獲得在英國科學促進會年會上宣讀他的論文的機會，當時幾乎沒有聽眾，只有一位23歲的年青人威廉·湯姆森，即后來的開爾文勛爵對他的報告感興趣。湯姆森對焦耳的成果作了十分精辟的評價，終于引起人們的注意。1849年在法拉第親自主持下，焦耳在皇家學會宣讀了他的論文，他的成果終于獲得完全承認。焦耳的工作為熱力學第一、第二定律的得出奠定了實驗基礎。成果無處發(fā)表當時人們沒有認識到焦耳工作的意義。各種學術刊物和能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)對能量守恒，邁爾展開了大膽思辨，焦耳進行了扎實的實驗，而德國生理學家和物理學家赫姆霍茲（1821-1894）則立足于力學基礎之上，追求各種能量轉換過程的數(shù)學表述。最終被確認為能量守恒定律的確立者。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)對能量守恒，邁爾展開了大膽思辨，焦耳進《論“力”的守恒》1847年赫姆霍茲獨立完成《論“力”的守恒》一文，并于7月23日在柏林物理學會的年會上宣讀1854年赫姆霍茲在《自然力的相互作用》一文中指出，“自然作為一個整體，是力的儲存庫，它不能以任何方法增加或減少。所以自然界中力的數(shù)量正象物質的數(shù)量一樣永存和不變。我曾將這個普遍的定律命名為‘力的守恒原理’”。這里明確表達了能量轉化和守恒的思想。以1850-1851年間克勞修斯和湯姆森奠定熱力學基礎的工作為轉機，能量守恒定律才獲得普遍承認。

《論“力”的守恒》1847年赫姆霍茲獨立完成《論“力”的守恒意義能量守恒與轉化定律被認為是物理學的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克勞修斯），恩格斯則稱之為19世紀三大發(fā)現(xiàn)之一。該定律的發(fā)現(xiàn)標志著近代物理學第二次理論大綜合。意義能量守恒與轉化定律被認為是物理學的“最高定律”（法拉2.3熱力學第一、第二定律的建立

熱力學第一定律的建立熱功當量的發(fā)現(xiàn)揭示了熱和機械功之間存在著內在的定量關系。焦耳的實驗一方面證明了熱和機械功的作用效果是等價的，另一方面也證明了絕熱過程的功與過程進行的方式無關。在焦耳工作的基礎上，克勞修斯和開爾文各自深入研究了熱功轉化的機制和規(guī)律性問題，分別獲得了熱力學第一定律的各自表述。

2.3熱力學第一、第二定律的建立熱力學第一定律的建立第一定律的克勞修斯表述1850年4月克勞修斯在《物理和化學年鑒》上發(fā)表了《論熱的動力和可由此推導熱學本身的定律》提出熱力學第一定律表述：“在一切熱做功的情況中，產生的功與消耗的熱量成比例。反之，通過消耗同樣大小的功，將能產生同樣數(shù)量的熱量。”

第一定律的克勞修斯表述1850年4月克勞修斯在《物理和化第一定律的開爾文表述1851年開爾文發(fā)表《以焦耳先生的單位熱當量導出的大量結果和雷諾對蒸氣的觀察論熱的動力學理論》一文，提出了熱力學第一定律的開爾文說法：“物質系必須以熱的形式或以機械功的形式，給出同它得到的同樣多的能量”。這里開爾文首次把能量一詞引入到了熱力學中，該表述也被稱為熱力學第一定律的能量表述。第一定律的開爾文表述1851年開爾文發(fā)表《以焦耳熱力學第二定律的建立

熱力學第一定律是關于孤立熱力學系統(tǒng)從熱源是否吸收熱量和內能與外功之間轉化守恒關系的規(guī)律，它并不涉及不同溫度的兩個熱源之間的熱量傳遞。然而卡諾熱機理論表明，為了從熱產生動力，需要有高溫物體和低溫物體。熱機的實踐也證明，熱機存在著普遍的熱耗散現(xiàn)象，總有一些熱譬如磨擦熱不能復返做功。事實上卡諾的理想熱機循環(huán)在實際中是不能實現(xiàn)的。對此，需要有一個新的普遍規(guī)律對這種普遍現(xiàn)象加以說明。熱力學第二定律的建立熱力學第一定律是關于孤立熱力學系統(tǒng)從熱第二定律的克氏表述在1854年《物理和化學年鑒》上發(fā)表的《論機械熱理論第二基本定律的一個改變形式》一文中，克勞修斯給出了通常所說的熱力學第二定律的“克氏表述”：“熱不可能由冷體傳到熱體，如果不因而同時引起其他關系的變化。”

第二定律的克氏表述在1854年《物理和化學年鑒》上發(fā)表的1834年，克拉珀龍（1799-1864）把卡諾的思想幾何化為由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的卡諾循環(huán)，用幾何的方法來計算功，提出了由功和吸熱之比來測量效率。絕對溫標的提出

1848年，W.湯姆孫（開爾文）提出絕對溫標，是卡諾熱動力理論的直接結果。T=t+273.3這就是絕對溫標和攝氏溫標的關系。1887年，絕對溫標得到了世界的公認。1834年，克拉珀龍（1799-1864）把卡諾的思想幾何三熵1.熵的概念：1854年，克勞修斯進一步指出，雖然熱機在循環(huán)過程中Q1≠Q2，但熱量Q與熱源溫度T之比值是一定的，即Q1/T1=Q2/T2。稱為“熵”，用符號S=Q/T表示。通常我們考慮的是系統(tǒng)在變化過程中熵的變化。對于一微小狀態(tài)變化，一般取熵變?yōu)閐S=dQ/T.2.熵的物理意義：1877年，一生致力于用統(tǒng)計力學研究熱運動的玻爾茲曼指出：熵是分子無序的量度，熵與無序度W（即某一宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)數(shù)，即宏觀態(tài)出現(xiàn)的幾率）之間的關系式為：S=klnW。S上式稱為玻爾茲曼關系式，k=1.38×10-23J/K稱為玻爾茲曼常數(shù)。三熵2.熵的物理意義：1877年，一生致力于用統(tǒng)計力學研究3.熵增加原理：1865年，克勞修斯指出：“對于任何一個封閉系統(tǒng)…在一個循環(huán)過程中出現(xiàn)的所有熵的代數(shù)和，必須為正或在極限情況下等于零。”這就是熵增加原理。

熵增加原理揭示了自然過程的不可逆性，或者說運動的轉化對于時間、方向的不對稱性。自然系統(tǒng)中發(fā)生的一切自然過程總是沿著熵增加的方向進行。4.熵增加原理的意義：熵是從運動不能轉化的一面去量度運動轉化的能力，它表示著運動轉化已經完成的程度，或者說是運動喪失轉化能力的程度。在沒有外界作用的情況下，一個系統(tǒng)的熵越大，就越接近于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)的能量也就越來越不能供利用了。3.熵增加原理：1865年，克勞修斯指出：“對于任何一個封閉熵（entropy）舉例①用20元人民幣在市場公平輕易購得一袋大米，而這袋大米卻不能在市場上輕易地換成20元。②封閉容器中原被限制在某一局部的氣體分子一旦限制取消，分子將自由地充滿整個容器，但卻不能自發(fā)地再回縮到某個局部。③瓷瓶落地成碎片，而碎片卻不能自發(fā)回復成瓷瓶。④生米煮成熟飯，熟飯卻不能涼干成生米。熵（entropy）舉例①用20元人民幣在市場公平輕易購得一“宇宙熱寂說”1867年在法蘭克福舉行的第41屆德國自然科學家和醫(yī)生聯(lián)合會議上，克勞修斯他把整個宇宙看做一個孤立的絕熱系統(tǒng)，然后把熱力學第一定律和第二定律應用于整個宇宙，得出：(1)宇宙的總能量是一個常數(shù)；(2)宇宙的熵趨向某一個極大值。這就是后來引起很多爭議的“宇宙熱寂說”的正式提出。“宇宙熱寂說”1867年在法蘭克福舉行的第41屆德國自然第二類永動機不存在在1856年的《論動力的起源和轉變》中，開爾文把熱力學第二定律和制造一種自動機聯(lián)系起來，提出：不借助外部動因將熱從一物體傳遞到另一高溫物體來制成一個自動機，是不可能的。這種自動機也稱為永動機，后來人們把違反熱力學第一定律的永動機稱作第一類永動機，違反熱力學第二定律的永動機稱作第二類永動機。熱力學第二定律也等價地被表述為：第二類永動機是不存在的。

第二類永動機不存在在1856年的《論動力的起源和轉變》中，開熱力學第三定律熱力學第三定律的建立與低溫現(xiàn)象的研究直接相關，1848年湯姆遜提出絕對零度可能是溫度下限的觀點，1906年德國人斯特提出任何物體都不可能冷卻到絕對零度。熱力學第三定律熱力學第三定律的建立與低溫現(xiàn)象的研究直接相

熱力學第三定律

它是熱力學的又一條基本規(guī)律，它不能由任何其他物理學定律得出，只能看作由實驗事實作出的經驗總結。

當時的背景：氣體的液化和低溫的獲得。18世紀末，荷蘭人馬倫第一次用高壓壓縮的方法得到液態(tài)的氨；1823年法拉第在研究氯化物的性質時得到液態(tài)的氯。1826年，他使許多氣體的液化。1893年1月20日，杜瓦（1842-1923）宣布發(fā)明了一種特殊的低溫恒溫器----后來叫杜瓦瓶。1898年他實現(xiàn)了氫的液化，達到20.4K。后來又得到固態(tài)氫，達到12K。熱力學第三定律它是熱力學的又一條基本規(guī)律，它不能由

到了19世紀下半期，隨著低溫技術的發(fā)展，低溫物理學提出了一些新問題，即物體繼續(xù)冷卻下去會出現(xiàn)一些什么新的性質？溫度是否可以無限降低？

1912年，德國物理學家能斯特（1864-1941）進一步提出“絕對零度是不可能達到的”熱力學第三定律。到了19世紀下半期，隨著低溫技術的發(fā)展，低溫物理學提出

2.4分子運動論的發(fā)展

古代的分子運動論

分子運動論是熱學的一種微觀理論.它基于以下兩個基本概念：物質是大量分子和原子組成的；熱現(xiàn)象是這些分子做無規(guī)則運動的一種表現(xiàn)。這些概念起源很早，2000多年前的中國和希臘,都有人提出物質由原子組成的假說。認為萬物是由原子組成，不同的原子組成了世界上不同的物質,而原子在不停的運動著。德莫克里特（公元前460-前371）：認為物質皆由各種不同微粒組成。雖然這些概念只是哲學上的主張，但對后來的分子運動論的發(fā)展起了啟示和指引的作用。2.4分子運動論的發(fā)展古代的分子運動論一、早期的動理論在17世紀和18世紀,出現(xiàn)了一些比古代原子論進一步的但還只是定性的分子運動論假說。

1658年，伽森第以分子運動論的觀點解釋了物質的氣、液、固三態(tài)的區(qū)別；

1678年胡克又以氣體分子不斷碰撞器壁的結果，解釋了產生氣體壓強的來由。一、早期的動理論1738年，瑞士物理學家伯努利在他的《液體動力學》一書中，發(fā)展了這種假說，從分子運動論的角度出發(fā)，也同樣得出氣體壓強與所占體積成反比的玻意耳定律，并且指出，這個定律在必須考慮分子本身所占體積的情況下，需要加以修正。俄國學者羅蒙諾索夫在1746和1748年的兩篇論文里，發(fā)表了自己的見解。他始終堅持熱的根源在于運動。并在討論氣體的性質時，提出氣體分子運動的無規(guī)則性，還肯定了運動守恒在熱現(xiàn)象中的正確性。1738年，瑞士物理學家伯努利在他的《液體動力學19世紀上半葉，動理論續(xù)有進展，值得一提的有以下幾位：1.英國的赫拉帕斯，在1816年向英國的皇家學會提出自己的分子動理論。他明確提出溫度決定于分子速度的思想。但權威們認為他的思想過于遐想。2.蘇格蘭的瓦特斯頓，在1846年提出混合氣體中不同比重的氣體，所有分子的MV2的平均值應該相同。這大概是能量均分定理的最早提法。3.焦耳在1847-1848年發(fā)表過兩篇動理論的演講。他提出了熱是分子運動的動能和分子間相互作用的能量。19世紀上半葉，動理論續(xù)有進展，值得一提的有以下幾位二、動理論的復活

能量守恒和轉化定律建立之后，徹底否定了熱質說。熱質說衰落后，動理論取而代之，于是就創(chuàng)造了一個對動理論復活很有利的形勢。德國的化學家克里尼希（1822-1879），他激發(fā)了克勞修斯和麥克斯韋進一步發(fā)展這個理論。克勞修斯和麥克斯韋是動理論的真正奠基人。二、動理論的復活

三、克勞修斯的理想氣體分子模型

1857年發(fā)表《論熱運動的類型》的文章，，以十分明晰和清楚的方式發(fā)展了氣體分子運動論的基本思想，推導出理想氣體的壓強公式。他的出發(fā)點是：（1）分子所占的空間對于氣體本身所占有的空間來說必須是無限小。（2）改變兩個分子的運動的碰撞過程所經歷的時間，比起兩次碰撞所經歷的時間間隔來說必須是無限小。（3）分子力的影響必須是無限小。他還引入了一個新的概念------統(tǒng)計的概念，并借用統(tǒng)計處理的方法解釋氣體壓強的產生。

他用分子的速率在各個方向相等這一簡化了的統(tǒng)計法推導出壓強公式

P=1/3mnv2

他另外的一個貢獻是引入了氣體分子平均自由程的概念。平均自由程的引入，為分子運動論提供了一個重要的物理量，他給出了分子在連續(xù)兩次碰撞間所走過的路程的長短，從而更好地描繪氣體分子的運動圖象。*解釋氣體分子速度大而擴散速度小的現(xiàn)象。他用分子的速率在各個方向相等這一簡化了的統(tǒng)計法推導出壓強一、麥克斯韋速率分布

麥克斯韋（1831-1879）發(fā)現(xiàn)氣體分子速度分布律對動理論和統(tǒng)計力學的發(fā)展具有里程碑的意義。他在1859年開始進行研究，當時28歲，已經是國王學院教授。受克勞修斯論文的啟示，他認為可以用概率理論對動理論進行全面的論證。他從分子亂運動的解釋得出結論：氣體分子的大量碰撞不是導致象某些科學家所期望的使分子速度平均，而是呈現(xiàn)一定的速度分布，所有速度都以一定概率出現(xiàn)。第四節(jié)、統(tǒng)計物理學的創(chuàng)建一、麥克斯韋速率分布第四節(jié)、統(tǒng)計物理學的創(chuàng)建1860年，麥克斯韋從理論上，導出了氣體的速率分布律，同時得出了氣體分子的速率分布函數(shù)的表達式為

式中，m是一個分子質量，T是氣體的熱力學溫度，k是玻爾茲曼常量。1860年，麥克斯韋從理論上，導出了氣體的速率分布律，同時得

1860年，麥克斯韋把速度分布規(guī)律發(fā)表在《氣體動力論的說明》里，由此找到了由微觀量求統(tǒng)計平均值的更切實的途徑，為氣體分子運動論奠定了基礎。他還應用速率分布率，對氣體分子平均自由程進行了再一次計算，推導出現(xiàn)在被人們所公認的值。1860年，麥克斯韋把速度分布規(guī)律發(fā)表在《氣體動力論的說二、玻爾茲曼分布玻爾茲曼（1844-1906），奧地利著名的物理學家，曾是斯特藩的學生和助教。1876年任維也納物理研究所所長，是統(tǒng)計物理學的創(chuàng)始人之一。

1866年從維也納大學畢業(yè)，開始研究動理論。1868年發(fā)表《運動質點活力平衡的研究》的論文。他明確指出，研究動理論必須引進統(tǒng)計學。并證明麥克斯韋分布的正確性。1871年連續(xù)發(fā)表論文，《論多原子的熱平衡》、《熱平衡的某些理論》，文中他研究了分子在二、玻爾茲曼分布重力場中的平衡分布。他不滿足于推導出氣體在平衡態(tài)下的分布律，他接著證明了氣體（原來不處于平衡）總要趨于平衡態(tài)的趨勢。1872年，他發(fā)表論文，提出了著名的H定理。1877年，他進一步研究了熱力學第二定律的統(tǒng)計解釋。“熱力學第二定律是關于概率的定律，所以它的結論不能靠一條動力學方程來檢驗的”重力場中的平衡分布。經典物理學的全面發(fā)展課件三、統(tǒng)計系綜和吉布斯的工作系綜概念的提出和運用標志著動理論發(fā)展到了統(tǒng)計力學的新階段。系綜是一個虛構的抽象概念，代表了大量性質相同的力學體系的集合，每個體系處于相互獨立的運動中。玻爾茲曼和麥克斯韋統(tǒng)計的思想，后來在吉布斯（1839-1903）的工作中得到了發(fā)展。美國耶魯大學教授。吉布斯把大量分子當作一個力學體系，不做任何假設，他把整個系統(tǒng)當成統(tǒng)計的對象，求體系處在各相空間的概率分布，用統(tǒng)計規(guī)律求相應的宏觀量。三、統(tǒng)計系綜和吉布斯的工作

在克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼研究的基礎上，吉布斯提出：“熱力學的發(fā)現(xiàn)基礎建立在力學的一個分支上”，吉布斯由此建立了統(tǒng)計力學。1902年發(fā)表了《統(tǒng)計力學的基本理論》，建立了完整的“系綜理論”。在克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼研究的基礎上，吉布斯提四、電磁學的建立4.1從靜電到動電的研究：18世紀靜電學研究最重要的成就是美國富蘭克林提出的關于單電流體的一元論，并用著名風箏實驗加以證明；18世紀末電學從靜電研究向流電研究發(fā)展，意大利伽伐尼發(fā)現(xiàn)動物電流、伏打在電堆實驗和發(fā)現(xiàn)原電池的基礎上提出了接觸理論。四、電磁學的建立4.1從靜電到動電的研究：

首先對電和磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)實驗研究的是英國的威廉·吉爾伯特（WilliamGilbert，1544—1603）。他認識到電力和磁力是性質不同的兩種力。他第一個將琥珀和毛皮摩擦后吸引輕小物體的性質叫做“電”。1600年，吉爾伯特發(fā)表了《論磁、磁體和地球作為一個巨大的磁體》（Demagnete，magneticisquecorporibusetdemagnomagnetetellure，簡稱《磁石論》）。他總結了前人對磁的研究，周密地討論了地磁的性質，記載了大量實驗，使磁學從經驗轉變?yōu)榭茖W。書中他也記載了電學方面的研究。(一)吉爾伯特與<<磁石論>>首先對電和磁現(xiàn)象進行系統(tǒng)實驗研究的是英國的威廉·吉爾伯（二）萊頓瓶的發(fā)明1720年，格雷(S.Gray，1675—1736)研究了電的傳導現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導體與絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)導體的靜電感應現(xiàn)象。1734年法國人杜菲（Charles-FrancoisduFay，1696～1739）在實驗中發(fā)現(xiàn)帶電的玻璃和帶電的琥珀是相互吸引的，但是兩塊帶電的琥珀或者兩塊帶電的玻璃則是相互排斥的。杜菲根據(jù)大量的實驗事實斷定電有兩種：一種是與琥珀帶的電性質相同，叫做“琥珀電”；一種是與玻璃帶的電性質相同，叫做“玻璃電”。1745年普魯士（德國的前身）的一位副主教克萊斯特(EwaldGeorgvonKleist，1700-1748)在實驗中利用導線將摩擦所起的電引向裝有鐵釘?shù)牟Ａ俊．斔檬钟|及鐵釘時，受到猛烈的一擊，他由此發(fā)現(xiàn)了放電現(xiàn)象。（二）萊頓瓶的發(fā)明1720年，格雷(S.Gray，16法國人諾萊特在巴黎進行的萊頓瓶表演（法國國王路易十五及皇室成員臨場觀看）法國人諾萊特在巴黎進行的萊頓瓶表演（法國國王路易十五及皇室成（三）富蘭克林及其電荷守恒定律

富蘭克林還認為摩擦只能使電液從一個物體轉移到另一個物體上，即“電不是摩擦玻璃管而產生的，而只是從摩擦者轉移到了玻璃管，摩擦者失去的電與玻璃管獲得的電嚴格相同”。這就告訴人們，在任一絕緣體系中電的總量是不變的，這就是通常所說的電荷守恒原理。

富蘭克林所做的另一項重大貢獻是統(tǒng)一了天電和地電。當時的歐洲和美國的大多數(shù)人認為雷電是“上帝之火”，是天神發(fā)怒的結果。為破除這種迷信，富蘭克林通過親自進行大量的實驗，證明了雷電的電與摩擦電本質上是一樣的。徹底破除了人們對雷電的恐懼、迷信心理。富蘭克林據(jù)此提出了制造避雷針的設想，使建筑物免遭雷擊。（三）富蘭克林及其電荷守恒定律富蘭克林還認為摩擦只能使（四）伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn)1780年，意大利科學家伽伐尼（LuigiGalvani,1737～1798)在一次解剖青蛙時有一個偶然的發(fā)現(xiàn)，一只已解剖的青蛙放在一個潮濕的鐵案上，當解剖刀無意中觸及蛙腿上外露的神經時，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重復了這個實驗，又觀察到同樣的現(xiàn)象。

他以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，選擇各種不同的金屬，例如銅和鐵或銅和銀，接在一起，而把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經接觸，青蛙就會不停地屈伸抽動。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等代替金屬，就不會發(fā)生這樣的現(xiàn)象。他認為這是一種生物電現(xiàn)象，并于1791年發(fā)表了題為《關于電對肌肉運動的作用》的論文。

（四）伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn)1780年，意大利科學家伽伐尼（1791年意大利物理學家亞歷山德羅·

伏打(AlessandroVolta，1745～1827)得知伽伐尼的這一發(fā)現(xiàn)，引起了他的極大興趣，作了一系列實驗，甚至還在自己身上做實驗。他用兩種金屬接成一根彎桿，一端放在嘴里，另一端和眼睛接觸，在接觸的瞬間就有光亮的感覺產生。他用舌頭舔著一枚金幣和一枚銀幣，然后用導線把硬幣連接起來，就在連接的瞬間，舌頭有發(fā)麻的感覺。這些實驗證明：電不僅能夠產生顫動，而且還會影響視覺和味覺神經。1793年伏打發(fā)表一篇論文，總結了自己的實驗，不同意伽伐尼關于動物生電的觀點。伏打在伽伐尼實險的基礎上，致力研究兩種不同金屬的接觸。他得出了新的結論，認為兩金屬不僅僅是導體，而且是由它們產生電流的。用伏打自己的話來說：金屬是真正的電流激發(fā)者，而神經是被動的。伏打并把這種電流命名為“金屬的”或“接觸的”電流。他為了尊重伽伐尼的最先發(fā)現(xiàn)權，把這種電流稱為“伽伐尼電流”。1791年意大利物理學家亞歷山德羅·伏打(Aless

伏打發(fā)現(xiàn)當金屬浸入某些液體時，也會發(fā)生同樣的電流效應。伏打開始是用幾只碗盛了鹽水，把幾對黃銅和鋅做成的電極連接起來，就有電流產生。1800年3月20日，伏打宣布了一個重要的發(fā)現(xiàn)，這就是著名的“伏打電池”（左圖）。他用30塊、40塊、60塊或更多的銅片（最好是用銀片），每一片都和一塊錫片（最好是鋅片）接觸，并且用相同數(shù)目的水層或比純水更好些的導電液體層，好食鹽水或堿水等，或是浸透這些液體的紙殼或皮革……。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導電溶液作為電解液，它們構成了電流回路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。

伏打（AlessandroVolta,1745～1827）意大利物理學家。1745年2月18日生于科莫。學生時代就會對自然科學有濃厚興趣。1774～1779年任科莫大學預科物理學教授。1779～1815年任帕多瓦大學哲學系主任。1819年退休后回到故鄉(xiāng)科莫。1827年3月5日在該地逝世。（五）伏打電堆的發(fā)明伏打發(fā)現(xiàn)當金屬浸入某些液體時，也會發(fā)生同樣的電流效應。庫侖定律的建立

庫侖（Charlse-AugustindeCoulomb1736～1806年）是法國工程師和物理學家。青少年時期，庫侖受過良好的教育。離開學校后，庫侖當過軍事工程隊的工程師，對材料的性質、物體上應力和應變的計算十分在行。1781年庫侖研究了摩擦定律，研究了絲線和金屬絲的扭轉，確立了彈性扭轉的定律。根據(jù)這些成果，1784年庫侖制成了測量力的儀器--扭秤。1785年，他借助扭秤在實驗上確立了靜電學基本定律即庫侖定律：兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比，和兩者所帶電量的乘積成正比。庫侖定律的建立庫侖（Charlse-Augustin4.2奧斯特的發(fā)現(xiàn)1819年丹麥物理學家奧斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次課堂實驗中發(fā)現(xiàn)：讓一個羅盤靠近通電導線，羅盤指針發(fā)生轉動，指向與電流方向成直角的方向。這次實驗是電與磁之間的聯(lián)系的第一次實驗演示。1820年奧斯特發(fā)表這個實驗之后，引起了爆炸性的反響。4.2奧斯特的發(fā)現(xiàn)1819年丹麥物理4.3法拉第的電磁學研究法拉第（MichaelFaraday1791-1867）是一名鐵匠的兒子。早年做裝訂工學徒（1805年），使他有機會接觸許多書，常翻大英百科全書中的電學文章和拉瓦錫的化學教程等。4.3法拉第的電磁學研究法拉第（MichaelF戴維的助手、實驗天才1813年22歲的法拉第成為戴維的助手，任務是刷洗瓶子。實驗室里的法拉第漸漸表現(xiàn)出他的天分，甚至遠遠超出了值得戴維提攜的程度。比如法拉第能熟練制備三氯化氮氣體，而戴維則不那么熟練，一次還讓它爆炸了，幾乎因此而失明。戴維的助手、實驗天才1813年22歲的法拉第成為戴維的助手，讓磁力產生電流？法拉第在1821年就設計了一個實驗裝置，把電力和磁力間的作用轉化成了連續(xù)的機械運動。但這個裝置充其量只不過是一個科學玩具。奧斯特讓電流產生了磁力，法拉第所想的是怎樣倒過來讓磁力產生電流。讓磁力產生電流？法拉第在1821年就設計了一個實驗裝置讀不到電流實驗經過了許多曲折和戲劇性的過程。他用安培(Ampère,André1775-1836)發(fā)明的線圈來產生磁場，希望這個磁場能對第二個線圈產生影響。第一個線圈固然產生了穩(wěn)定的磁場，但是在第二個線圈中讀不到電流。讀不到電流實驗經過了許多曲折和戲劇性的沒有輕易放過的現(xiàn)象在多次無效的嘗試之后，一次在關閉第一線圈的電流的一剎那，第二線圈的電流計指針顫動了一下。據(jù)說十年前安培就發(fā)現(xiàn)過這個現(xiàn)象，但是這個現(xiàn)象不合于他的理論，就對之未加考慮。但法拉第沒有輕易放過這一現(xiàn)象。沒有輕易放過的現(xiàn)象在多次無效的嘗試之后，一次在關閉第一線圈的電磁感應經過反復實驗，法拉第發(fā)現(xiàn)只有在打開和關閉第一線圈的電流時，第二線圈內才產生一股瞬時的電流。這就是感應電流的發(fā)現(xiàn)。這種現(xiàn)象被稱作電磁感應，是后來一切電動能源的基礎。電磁感應經過反復實驗，法拉第發(fā)現(xiàn)只有在打開和關閉第一線圈的電磁力線法拉第直觀地用磁力線來描述磁體周圍的磁場，并用鐵屑來演示磁力線的排列。他認為這種力線是很實在的東西，比原子更為實在。感應電流只有當磁力線切割導線時才產生。磁力線法拉第直觀地用磁力線來描述磁體周圍的磁場，并用磁感應發(fā)電機一旦證明磁能產生電，法拉第接下來的工作是要用磁場來產生連續(xù)的電流。不久他就造出了世界上第一臺磁感應發(fā)電機。要生產出完全實用的發(fā)電機還需要許多輔助設備。而發(fā)明這些輔助設備花了人類半個多世紀。最終的發(fā)電機與法拉第的最初模型看起來毫不相同，但基本工作原理是一樣的。磁感應發(fā)電機一旦證明磁能產生電，法拉第接下來的工作是要用磁場

法拉第對各項試驗作了總結，向英國皇家學會報告說：產生感應電流的情況可以分為五類：

1．變化中的電流；

2．變化中的磁場；

3．運動的穩(wěn)恒電流；

4．運動中的磁鐵；

5．在磁場中運動的導體。

法拉第對電磁學的貢獻不僅是發(fā)現(xiàn)了電磁感應，他還發(fā)現(xiàn)了光磁效應（也叫法拉第效應）、電解定律和物質的抗磁性。他在大量實驗的基礎上創(chuàng)建了力線思想和場的概念，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎。法拉第對各項試驗作了總結，向英國皇家學會報告說：產生感4.4麥克斯韋的數(shù)學升華法拉第借助于巧妙的實驗和直觀的圖像，成功地用力線模型解釋了電磁現(xiàn)象。但是由于他是自學成才，不熟悉數(shù)學，因此不可能給他的理論給以數(shù)學表示。是數(shù)學天才麥克斯韋完成了這項工作，并且補充了更多的內容，從而奠定了電磁場理論的基礎。4.4麥克斯韋的數(shù)學升華法拉第借助于巧妙的實驗和直觀的圖像，麥克斯韋麥克斯韋（JamesClerkMaxwell1831-1879）出生于蘇格蘭望族，是家中的獨子。他從小就有數(shù)學方面的天分，但是被同學們稱為傻瓜。十五歲時他把如何繪制卵形線的方法寫成論文送到皇家學會宣讀。1850年進劍橋大學。麥克斯韋麥克斯韋（JamesClerkMaxwell《論法拉第的力線》麥克斯韋接受開爾文的忠告，通讀了法拉第的論文集《電學實驗研究》，他認識到關鍵在于在少數(shù)簡單的觀念的基礎上把其中交錯混亂的電磁學解釋明白。1856年2月他發(fā)表了電磁學的第一篇論文《論法拉第的力線》，文章的目標首先放在用數(shù)學表示法拉第的見解上。《論法拉第的力線》麥克斯韋接受開爾文的忠告，通讀了法拉第的論《論物理的力線》1862年麥克斯韋發(fā)表了電磁學的第二篇論文《論物理的力線》。這篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，從而鞏固了電磁理論的基礎。在該文中麥克斯韋論述了傳遞電作用的媒質具有什么樣的結構，在媒質中產生什么樣的張力和運動，怎樣表示觀測到的電磁現(xiàn)象等問題。《論物理的力線》1862年麥克斯韋發(fā)磁力管按照法拉第的思想，整個空間都充滿了由磁力線構成的磁力管，各磁力管都具有橫向擴展和縱向收縮的性質。好比旋轉著的液體，由于收到離心力的作用，相對轉軸橫向擴展，在縱向收縮。麥克斯韋設想，磁力管內充滿以太，而且都在作旋轉運動，整個空間就被這樣的以太漩渦充滿。磁力管按照法拉第的思想，整個空間都充麥克斯韋的“機械”電磁場模型但是這樣擠得滿滿的以太漩渦自身不能很好地同時在同一方向旋轉，因此麥克斯韋設想各漩渦之間夾有像滾珠軸承那樣的粒子。在這樣的模型中，磁場強度相當于漩渦的角速度；電場強度相當于漩渦發(fā)生形變時所產生的彈性力；電流強度相當于滾珠軸承粒子的流動。麥克斯韋的“機械”電磁場模型但是這樣位移電流在第二篇論文中麥克斯韋引進了位移電流的概念：即由軸承粒子的位移產生的電流。從位移電流概念出發(fā)能導出重要的結論。麥克斯韋計算了媒質中電粒子振動的傳播速度幾乎等于當時測得的真空中的光速。于是麥克斯韋大膽作出結論：光和引起電磁現(xiàn)象的情形一樣，是以太的橫向振動。位移電流在第二篇論文中麥克斯韋引進了位移電流的概念：即由軸承《電磁場的動力學理論》麥克斯韋在1864年發(fā)表了第三篇電磁學論文，對他的理論進行