物理学史课堂作业

1举例说明中国古代物理知识和西方古代物理学成就，并谈谈你对“为什么近代科学在西方产生”这个问题的看法。(15分)

当时中国没有形成追求进步的文化及合理的制度，以及系统追求科学知识的体制，因此，资本主义最终只在西方出现。

中国和西方对待科学的态度不同，科学家和工程师在古代中国社会中的地位很低，在西方，主要是文艺复兴后出现的某种十分特别的思想观念，帮助西方科学抛弃旧的有机自然哲学，并推动一种对宇宙的新解释方式的兴起。

大多数学者在探讨中国科技落后的原因时都首先从外部环境入手。这些不利的外部原因一般认为存在于以下几方面：

（一）科技的发展缺乏经济刺激（二）重农抑商的政策

（三）重文轻理的儒家思想和“八股”取士制度

古代中国技术书籍缺乏以一种（理论）科学的方式，即用法则和定理，来对技术问题进行解释的传统，这些都有可能影响中国的科技发展。中国古代“科学”理论缺乏公理化传统的确显著。中国哲学家对自然的解释缺乏理论的清晰性、证伪性和公理化传统阻碍了科学理论的发展。“公理化”是科学理论建构必须遵守的一个重要原则，它体现在作为理论出发点的基本概念或大前提同推论假说之间的逻辑性，所有的推论或假设应被表述为是由一套特殊的公理推论出的定理的形式，且具有验证性。

在西方学者与工匠传统的结合并逐步发展到受控实验是文艺复兴以来西方科学的最伟大发展，而在古代中国学者与工匠传统最终并没有结合起来。

2．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！”

3. 谈谈你对牛顿的认识和评价。(15分)

牛顿是人类历史上出现过的最伟大、最有影响的科学家，同时也是物理学家、数学家和哲学家，是经典力学体系的奠基人。

他早年成就斐然，晚年信仰上帝，醉心于炼金术和神学，试图证明上帝的存在。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《自然哲学的数学原理》里提出的万有引力定律以及他的牛顿运动定律是经典力学的基石，他还和莱布尼茨各自独立地发明了微积分，被誉为人类历史上最伟大的科学家之一。

牛顿的研究领域非常广泛，他除了在数学、光学、力学等方面做出卓越贡献外，他还花费大量精力进行化学实验。他常常六个星期一直留在实验室里，不分昼夜的工作。他在化学上花费的时间并不少，却几乎没有取得什么显著的成就。在力学和天文学方面，有伽利略、开普勒、胡克、惠更斯等人的努力，牛顿有可能用已经准备好的材料，建立起一座宏伟壮丽的力学大厦。正象他自己所说的那样“如果说我看得远，那是因为我站在巨人的肩上”。而在化学方面，因为正确的道路还没有开辟出来，牛顿没法走到可以砍伐材料的地方。牛顿在临终前对自己的生活道路是这样总结的：“我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自己看来，我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”

牛顿一生最重要的是两大成就，一是在前人的基础上总结了物理学定律，得到了三的牛顿定律，构建了经典物理学的大厦；二是牛顿根据开普勒的研究成果发现了万有引力，并在这个过程中发展了前人的数学思想，奠定了微积分基础。

4．请举例说明热学研究和工业生产的关系。(10分)

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. 举例论述在物理学发展过程中，物理学实验与物理理论的关系(举两个例子)。(15分)

物理学理论往往为实验的发展指明了方向，同时理论需要实验来验证，两个领域没有好坏之分、主次之分。理论帮助物理学家领先于他们所处于的那个物理学研究发展时代而提出一些建设性与前瞻性的物理概念与理论，而实验帮助物理学家巧妙地利用一些实验去验证了理论的正确性，两者缺一不可、相得益彰。

狭义相对论的提出，在当时看来狭义相对论纯粹是一种理论、而且还是很荒谬的理论，对狭义相对论的指责与诟骂声到达无以复加的地步。科学界对于狭义相对论的提出者更是冷漠，认为其毫无意义与根据、又没有实验验证，纯粹是歪理邪说。在狭义相对论提出10年之后，理论某些方面的正确性就得到了验证。

爱因斯坦说：他最初考虑这个问题时，正是学生时代，当时他已经知道了迈克尔逊实验的奇妙结果，他很快就得出结论：如果相信迈克尔逊的零结果，那么关于地球相对以太运动的想法就是错误的。他说道：“这是引导我走向狭义相对论的第一条途径。自那以后，我开始相信，虽然地球围绕太阳转动，但是，地球运动不可能通过任何光学实验探测太阳转动，但是，地球的运动不可能通过任何光学实验探测出来。”

作为一个物理学家，没有一定的理论物理基础是不行的！在观察试验时，观察什么，能观察到什么，应该注意的问题，观察结果的解释等等，都与他的理论物理、哲学等修养有密切关系！如果他先入为主，如果他固执己见、固守成见，毫无客观心态，也没有一个正确的哲学观念的引导，理论修养也不够，那么他很可能什么有价值的线索也发现不了，或者视若无睹，或者歪曲理解，或者不知所措！物理事实就摆在那儿，可对它的观察、理解、解释可以多多。

实验能够证明理论正确，证明一个理论正确，只要一个实验就够了，比如星光偏折观测推动Einstein 和相对论一夜成名。至于实验能不能证明理论错误，这个问题就复杂了。实验能够说孤立定律的错误，但是很难说明与理论有联系的定律的错误，更难说明一个理论的错误，如果没有更好的理论。

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。