1經典力學和熱力學CONTENTS第7章近代物理學經典電磁學和光學27.1課程標準

1.知識目標了解牛頓、焦耳、赫姆霍茲、克勞修斯、湯姆孫等的創新成果。理解牛頓第一定律、牛頓第二定律；牛頓第三定律、萬有引力定律、熱力學第一定律。理解熱力學第二定律及熵的內涵。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

第一節經典力學和熱力學

一、經典力學構建經典力學理論體系大廈的是英國科學巨匠牛頓。牛頓(1643—1727)在數學上發明了微積分；在天文學上發現了萬有引力定律，開辟了天文學的新紀元；在力學中，他系統總結了三大運動定律，創造了完整的經典力學體系；在光學中發現了太陽光的光譜，發明了反射式望遠鏡。

一個人只要享有這里的任何一項成就，就足以名垂千古，而牛頓一個人做出了所有這些工作。

44歲牛頓的巨著《自然哲學的數學原理》出版，給他帶來了巨大的聲望。牛頓(1643—1727)

1.牛頓第一定律

“一個不受任何外力(或者合外力為零)的物體將保持靜止或勻速直線運動。”

這個結論稱為牛頓第一定律。牛頓第一定律表明，任何物體都具有保持運動狀態不變的性質，這個性質稱為慣性，所以這個定律也稱為慣性定律。正是由于物體具有慣性，所以物體運動狀態的變化，只有在外力作用的條件下才會發生。因此，慣性是物體的屬性。慣性圖片

2.牛頓第二定律

力是產生加速度的原因

3.牛頓第三定律

作用力和反作用力圖片

4.萬有引力

牛頓發現萬有引力的實際歷史過程和思路非常復雜，我們這里分析一下其推導過程。萬有引力圖片

（1）根據牛頓第一定律:太陽和行星的運動表明，它們處于平衡狀態，因而一定有一個凈力作用于行星，否則，行星就不會繞太陽運動，將會沿著直線運動。

由于橢圓運動近似于圓周運動，因而行星在任何時刻都受到一個指向太陽的向心力的作用。

（2）根據牛頓第二定律:這個力的大小為:

F向=ma向

（3）根據惠更斯向心力定律:

∵

a向=V2/R；V=2Rπ/T，

∴a向=V2/R=（2Rπ/T）2/R=4Rπ2/T2

F向=ma向=m·4Rπ2/T2=4mRπ2/T2

；

式中T為行星繞太陽旋轉的周期。

（4）根據開普勒第三定律：T2=kR3

F向=4mRπ2/T2

=4mRπ2/kR3=4π2/k·m/R2

令4π2/k=CF向=Cm/R2

（5）根據牛頓第三定律:太陽對行星有向心力，行星對太陽也有向心力，這個力與太陽的質量成正比，與距離的平方成反比。F′向=C′M/R2

∵F=F′

∴Cm/R2=C′M/R2Cm=C′MC′/m=C/M=GC/M=GC=MGF向=Cm/R2=MGm/R2

F引=GmM/R2二、熱力學

（一）能量守恒定律

1.熱質說在古希臘的德謨克里特和伊壁鳩魯以及古羅馬的盧克萊修的著作中都出現了“熱是物質的”這種說法。

1703年史塔爾提出的“燃素說”，本質也是熱質說。主張熱質說的人認為，熱是“一種特殊形態的沒有重量的物質”，當熱質進入物體后物體就會發熱。2.運動說（1）1798年美國物理學家湯姆森發現鉆孔時鉆出的金屬屑足以把水燒開。

（2）1799年英國人戴維將兩塊冰固定在一個由時鐘改裝的裝置上，使兩塊冰可以不斷地摩擦。然后把它們放進抽成真空的大玻璃罩內，兩塊冰通過摩擦慢慢溶解為水。運動生熱圖片

（3）德國醫生邁爾(1814—1878)第一個得出熱的機械當量為1千卡等于365千克米。（4）英國物理學家焦耳(1818～1889)用了近40年時間，做了四百多次實驗，確定了熱功當量的精確值是：423.85千克米／千卡。現在是418.4千克米／千卡。后人為紀念焦耳，在國際單位制中采用焦耳為熱量的單位，取1卡=4.18焦耳

。（5）德國物理學家和生物學家赫姆霍茲(1821～1892)在《力的守恒》論文中提出，“力”(即能量)是守恒的，并證明了普遍的能量守恒原理。

能量守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量不變。焦耳(1818—1889)

（二）熱力學第一定律

熱力學第一定律是在19世紀中葉被德國物理學家克勞修斯（1822-1888）和英國物理學家湯姆孫（1824-1907）運用于熱力學系統而獲得的。熱力學第一定律可表示為：

Q=（T2-T1）+W.

即：系統由外界吸收的熱量，一部分使系統的內能增加，另一部分使系統對外做功。還可表述為不可能制造出不消耗能量的永動機。克勞修斯湯姆孫

（二）熱力學第二定律

熱力學第二定律是經湯姆孫和德國物理學家克勞修斯的進一步研究，于1850年發現的。熱力學第二定律：在一個孤立的系統內，熱總是自發地從高溫物體傳到低溫物體中去,而不是相反。根據熱力學第二定律，人們認識到熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉化為有用功，而總要把一部分熱量傳給低溫熱源。

熱總是自發地從高溫物體傳到低溫物體中去

克勞修斯于1865年發表一篇論文，提出了“熵”的概念：將不能做功的隨機和無序狀態的能定義為熵，S=Q/T。

在封閉系統中，有兩物體，它們的溫度分別為T1和T2

，且T1﹥T2

。如在很短的時間內，有dQ的熱量從T1傳到T2，因為T1﹥T2

，則有：dQ/T2-dQ/T1﹥0

這就導致了熵的增加。

以熵增加原理表述的熱力學第二定律，即：孤立系統的熵總是會自發地趨于極大。定律指出，在一個孤立系統中，任何物理過程或化學過程總是導致熵的增加，系統最終達到一個具有極大熵值的平衡態，而且這種熵增過程是一個不可逆的自發過程。熵的本義表征系統的狀態。

宏觀意義表征系統能量分布的均勻程度（能量平均狀態是熵值達到最大的狀態）；

微觀意義表征系統內部粒子的無序程度。一旦成為無序狀態，它就再也不可能恢復到高度有序狀態。克勞修斯將這一定律推廣到整個宇宙，提出了著名的“熱寂說”：

宇宙的發展最終將達到一個永恒的死寂狀態。有序狀態無序狀態思考與練習1.在物理學方面，牛頓、焦耳、克勞修斯、赫姆霍茲有何創新成果。

2.簡答牛頓第一定律、牛頓第二定律、牛頓第三定律；萬有引力定律；熱力學第一定律、熱力學第二定律。3.說說熵的內涵是什么？1經典力學和熱力學CONTENTS第7章近代物理學經典電磁學和光學27.2課程標準

1.知識目標了解杜費（法國）、富蘭克林（美國）、穆欣布羅克（荷蘭）、伽伐尼（意大利）、伏特（意大利）、奧斯特（丹麥）、法拉第（英國）、麥克斯韋（英國）、惠更斯（荷蘭）、菲涅爾（法國）、斯涅爾（荷蘭）發現的創新成果。理解光的反射定律、光的折射定律、透鏡成像規律。2.能力目標具備初步的批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用第二節經典電磁學和光學一、電學

1.對靜電的研究

1733年，法國人杜費(1698-1739)發現自然界存在兩種電：一種是皮毛與樹脂摩擦后樹脂帶的負電；另一種是絲綢與玻璃摩擦后玻璃帶的正電。正負電之間同性相斥、異性相吸。荷蘭萊頓大學的穆欣布羅克(1692—1761)用起電機使瓶內的水帶電；發明了萊頓瓶。

1752年美國的本杰明·富蘭克林用風箏把雷雨中的電引下來使萊頓瓶充電，證明了天上的電和地上的電是一回事。據此，發明了避雷針。靜電的發現過程

2、電流的發現

1780年，意大利醫生伽伐尼把連接著蛙腿的銅鉤子掛到院外的鐵欄上，蛙腿抽搐了一下。只要銅鉤一接觸鐵欄，蛙腿就會痙攣，發現了電流。意大利物理學家伏特用各種金屬做類似實驗，認識到金屬的接觸是產生電流的真正原因。據此，制成了伏特電堆，這是最早的能提供穩定直流電池。電池的發現過程1.電生磁

1800年，丹麥哥本哈根大學的奧斯特教授在做物理實驗時偶然發現：電流通過鉑絲時，鉑絲下羅盤的磁針發生了偏轉。這個現象證明了電能產生磁，電具有磁效應。2.磁生電

英國科學家法拉第經過10年堅持不懈的實驗研究，于1831年通過改變磁場強度的變化，使閉合線路中產生電流，這就是著名的電磁感應現象。法拉第還進一步提出了“場”和“力線”的概念。二、電磁學電生磁實驗圖片磁生電實驗圖片

1864年，年輕的英國物理學家麥克斯韋（1831－1879）

發表了“電磁場的動力學理論”一文，給出一組描述電磁現象的完整偏微分方程組，即麥克斯韋方程。

之后，寫成了電磁理論的名著《論電和磁》，解麥氏方程組得出如下結論：①交變的電場產生交變的磁場，而交變的磁場又能產生交變的電場，這樣電場—磁場—電場繼續下去，就是電磁波。②解方程組得出在真空中電磁波的運動速度等于光速。麥克斯韋電磁理論的建立，不僅預言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁這三種現象的統一性。麥克斯韋電磁場理論的實驗驗證，直到1888年才由德國物理學家赫茲加以實現。ε和μ是電導率和磁導率。3.電磁波赫茲麥克斯韋

三、光的成因理論

1.光的粒子說

牛頓用三棱鏡分解了太陽光，發現了“牛頓環”現象，設計過一種反射望遠鏡。他的光學成就集中體現在所著《光學》一書中。牛頓認為光是光源向各個方向陣陣簇射出來的粒子流。2.光的波動說

荷蘭科學家惠更斯（1629～1695）則認為光是以球面波的形式向前傳播的；英國物理學家托馬斯·楊所做的光的干涉實驗證明了光是波；光的粒子說解釋光的反射現象光以球面波的形式向前傳播19世紀60年代麥克斯韋預言光是一種電磁波。之后，1905年愛因斯坦發現光電效應，并指出，光不單是粒子或者波，而是具有波粒二象性。

光電效應電磁波譜電磁波的干涉和衍射電磁波

二、反射和折射定律1.光的反射定律

1817年，法國物理學家菲涅爾（1788~1827）發現了光的反射定律。

光射到兩種媒質的分界面時，入射光的一部分就從界面沿著某一方向反射出來。如果入射光線平行，沿某一方向反射的光線也是平行的，這種反射稱為光的單向反射。

如果界面是粗糙不平的表面，反射的光線就不再平行，而是射向各個不同的方向，這種反射叫做漫反射。菲涅爾光的反射現象光的反射定律：①反射光線在入射光線和法線所決定的平面里，反射光線和入射光線分居在法線兩側；②反射角等于入射角。根據反射定律，我們可以知道：如果光線逆著原來反射光線的方向入射到界面，它就要逆著原來入射光線的方向反射。所以，在反射時，光路是可逆的反射角等于入射角

2.光的折射定律

光射到兩種媒質的分界面時，一般是有一部分光反射回原媒質繼續傳播，另一部分光在兩種媒質的分界面上，改變了原來傳播的方向，進入另一種媒質里繼續傳播，形成折射現象。

光的折射定律是由荷蘭數學家、物理學家斯涅爾（1580-1626）發現的。斯涅爾的折射定律是從實驗中得到的，未做任何的理論推導，雖然正確，但卻從未正式公布過。只是后來惠更斯等人在審查他遺留的手稿時，才看到這方面的記載。斯涅爾（1580-1626）

光的折射現象

透鏡的聚焦現象

三、透鏡成像

1.透鏡以兩個球面（或其中一個是平面）為折射界面的透明體，叫做透鏡。透鏡分為凸透鏡和凹透鏡，這兩種透鏡除了