1、上海师范大学公共课程,自然科学史(九),任课教师:孔庆典,二零一零年九月,技术发明触发了产业革命,产业革命即工业革命。它表现在以机器代替人力,以大规模工厂生产代替个体工场手工生产,在生产力和生产关系方面均发生巨大的变革。它使人类历史进入一个全新的时期,把人类推进到一种全新的生存方式工业文明。工业革命最早在英国开始,接着影响到欧洲和北美。,从工业革命到启蒙运动,英国工业革命的影响,使法国的一批知识分子认识到自己肩上的责任,他们宣传人类社会进步的思想,认为:人类社会正处于一个由蒙昧进入文明、由黑暗进入光明的时期,需要用知识来扫荡人们心中的迷信和蒙昧,需要用理性的力量来支配人类生活的一切方面。只有理
2、性才能促进人类社会的进步。他们著书立说,奔走呼号,思想长久地在法国以及欧洲流传并发挥着影响,形成了近代历史上著名的“启蒙运动”。这场运动又逐渐演变成改革法国历史进程的导火索它直接导致了法国大革命!,何谓“启蒙”,启蒙就是人类走出自我设置的不成熟的状态。不成熟就是没有他人指导无法使用自己的才智。不是缺少才智,而是无决心和勇气进行没有他人指导的思考,叫做自我设置的不成熟。大胆求知吧!这才是启蒙运动的口号。康德:什么是启蒙(1784),启蒙运动诞生的思想环境,17世纪科学革命为启蒙运动的诞生营造了基本的思想环境。自然观念的转变,不但对科学,还对人类思想的其他领域提出了大量问题。机械哲学从物质和运动的
3、角度解释一切自然现象,并用数学来表达事物之间的关系。理性主义赋予人类理性极大的力量,通过仔细考察各种传统观念和信仰,摒弃那些错误的教条。经验主义要求从经验和实践中观察客观事物,使用这种方法人们才能秉承理性来推行秩序,并最终揭示出事物的基本结构。,启蒙运动的三个基本前提,1.整个宇宙可以被充分认识,它是由自然而不是由超自然的力量支配的;2.通过使用科学方法可以解决每一个研究领域的基本问题;3.人类可以被“教化”以至获得无止境的改善。,科学尚未做好准备,欧洲的各国政府关注的是“科学”如何帮助国家进行管理,至于技术层面的问题,则仍留给没有受过大学教育的技师工匠去解决,而那些技师工匠却又不掌握理论知识
4、。那时,这样的理论知识还没有被编进教科书中,大学也没有工程科学的课程,更没有专门为培养工程师而建立的大学。不过,这一现象就要因法国大革命而改变了,一所学校如何影响世界,为了将新生的共和国扼杀在襁褓之中,英国纠集法国内外的守旧势力,向法国扑去。一时间,道路破坏、桥梁倾塌,急需军事工程人才。“在巴黎办一所学校吧,既培养桥梁技术人员,也培养炮兵和工兵的技术军官。”就这样,一所新型学校在战火中诞生了!,第二部分,科学在19世纪的全面发展,概 述,从远古到18世纪:实际需要推动技术进步,除了偶尔的发现带来发明外,需要常常在发明之前,纯粹科学还仅仅是学者的个人兴趣,科学研究滞后于技术需要,这在工业革命中表
5、现的特别显著。 蒸汽机的发明就是一个典型的例子。,回顾:18世纪的科学全景(1),数学:微积分的应用与拓展无穷级数、常微分方程、偏微分方程、微分几何、变分法天文学:在牛顿的基础上,构造了一个庞大的动力学体系,所有的成果都汇集在拉普拉斯的天体力学中。太阳系的起源。恒星系。物理学:声、光、电、热、磁几乎在每一个分支中都取得了可观的进步。,化学:摆脱了炼金术的思想方式,步入了科学的阶段。拉瓦锡:燃烧的秘密。气象学:气压计、湿度计、风速计等科学仪器的设计和应用。地质学:地球成因说,古生物学,火山地质学。地理学:地球探险,大地测量学,制图学,自然地理学。生物学:林奈的动物分类法;形态学;胚胎学,18世纪
6、的科学全景(2),19世纪:科学的新时代,19世纪:追求纯粹知识的理论科学研究,开始走在实际应用与发明之前,并且启发和刺激了实际应用和发明。 例如:法拉第的电磁实验发电机、电动机麦克斯韦的电磁理论电报、电话巴斯德的微生物研究发酵工业、医学和医药孟德尔的豌豆遗传实验植物栽培、育种,纯粹科学在理论上的重大成就,数 学非欧几何(1826)过直线外一点只有一条直线与已知直线平行吗?群论(1831)方程的可解性理论:五次以上的代数方程是否有一个公式解?抽象代数(1843)“四元数”的发明:A*BB*A!集合论(1872)是偶数多?是奇数多?还是整数多?,天文学,海王星的发现(勒维耶,1846)光速的测定
7、(傅科,1850)光谱分析学(夫朗和费1814;基尔霍夫1859)天体物理学:分光学、光度学、照相术,物理学,热力学:卡诺:关于火的动力思考(1842)热功当量能量守恒与转化定律的发现:热力学第一定律(迈尔1840;焦耳1843;赫尔姆荷兹1850);能量耗散定律:热力学第二定律(开尔文1851,克劳修斯1854,1865:熵)(1)宇宙的能量是常数;(2)宇宙的熵趋于一个极大值(热寂说演化的物理学)电磁学:奥斯特,欧姆,法拉第,麦克斯韦,赫兹,化学,原 子 论: 道尔顿(1803)有机化学: 维勒人工合成尿素(1828) 李比希定量分析法,化肥元素周期律:门捷列夫(1869),生物学,细胞学
8、说 施莱登(1838)、施旺(1839)生物进化论 达尔文(1844)微生物学 巴斯德细菌学(1856)、免疫学(1881)遗 传 学 孟德尔豌豆杂交实验(1865)、魏斯曼“种质连续性理论”(1892),19世纪科学研究的特点,从收集材料进入到整理材料从经验分析进入到理论综合从分析既成事物进入到研究自然过程的历史发展从研究低级运动形式进入到更高级、更丰富的运动形式,人类思想、社会结构发生重大变化,马克思主义的创立:辩证唯物主义、历史唯物主义共产党宣言(1848):无产阶级作为一种强大的政治力量,登上历史舞台!马克思:资本论(I,1867;II,1885;III,1894)恩格斯:自然辩证法(
9、1873-1883,未完成),辩证唯物论自然观,1. 承认自然界的独立性、本原性与系统性;2. 承认自然界存在着客观辩证法;3. 把自认界、人类和人类社会看成是一个统一的自然历史过程,遵循统一的客观辩证法的规律;4. 强调人的主体性因素在自然观中的地位,强调人与自然的和谐与统一。,弗洛伊德:精神分析学,一、精神层次理论 欲望、冲动、思维,幻想、判断、决定、情感;意识,下意识和潜意识。二、人格结构理论 本我、自我、超我三部分组成。三、性本能理论 人的精神活动的能量来源于本能,本能是推动个体行为的内在动力。人类最基本的本能有两类:一类是生的本能,另一类是死亡本能或攻击本能。四、释梦理论五、心理防御
10、机制理论,Sigmund Freud 1856-1939,弗洛伊德心理学的特点和意义,特点:心理动力理论三种精神动力:自我(ego)、本能(id)、超我( super-ego);意义:弗洛伊德的主要的根本的创新是他对无意识(本能)和超出我们的理性控制的心理学的力量对行为、愿望、幻想和动机因素的影响的认识。他使人们注意和重视所有心理现象从梦和幻觉到纯粹的口误的重要性,尤其重视“性”在个体自婴儿时期以来心理发展中的作用。例子:俄狄浦斯情结( Oedipus complex ),人类“自尊心”受到的三次重大打击,哥白尼的“日心说” 地球只是一个小斑点。达尔文的“进化论” 摧毁了人类假想的异于万物的创
11、生特权,证明人是动物王国中的普通成员。弗洛伊德的“精神分析理论” 现代心理学对“自我”的研究表明,人类就是在自己的屋里也不能自为主宰,这是对人类“自大狂”的第三次也是最沉重的一次打击。,19世纪:新的工业强国的出现,19世纪以前,作为一个独立的国家,“德国”尚不存在,而只是有数百个相对独立的小邦组成的联邦,其中普鲁士和奥地利是比较大的邦国,德意志联邦的形成是一个漫长、复杂和艰难的过程,但是,在1870年赢得普法战争胜利后,德意志联邦终于宣告成立。在此之前,德国的科学家们已经做出了卓越的贡献。,德国科学的突飞猛进,生物学:施旺、施莱登细胞理论;耐格里、魏斯曼细胞遗传学物理学:欧姆、楞次、赫尔姆荷
12、兹电磁理论化 学:李比希、本生、霍夫曼、拜耳等杰出的化学大师数 学:高斯、狄利克雷、黎曼、维尔斯特拉斯、F.克莱因、希尔伯特,美国:技术立国,1763年,经过近10年的独立战争,美国人终于建立起自己的独立国家。他们首先做的是:开钢铁厂、修铁路、造汽船。1801年历史上第一艘蒸汽船在美国诞生“就是这些并没有发现过力学上任何一条一般定律的美国人,却将使世界面貌大为改观的蒸汽船引进了海上航行事业”!爱迪生:电灯(1879)电影(1894);莫尔斯:电报(1844);贝尔:电话(1876),俄国:走出自己的路,17世纪之前,俄国还是封建农奴制国家,1689年(康熙28年),彼得大帝开始“全盘西化政策”
13、,1712年迁都至彼得堡,1724年建立科学院。从欧洲聘请著名学者,如丹尼尔伯努利、尼古拉斯伯努利、欧拉。罗蒙诺索夫(1711-1765):化学、物理、矿物学、金属学、光学;创建莫斯科大学罗巴切夫斯基(1792-1856):非欧几何(1826)门捷列夫(1834-1907):元素周期表(1868),晚清:泱泱天朝帝国的挽歌,?!,19世纪科学史的若干著名案例,一、非欧几何的产生二、“四元数”与抽象数学三、电磁理论的发展四、进化论的提出,个案之一:非欧几何的产生,“过直线外一点有且只有一条直线和已知直线平行。”“三角形的内角和等于180。” 这些是永恒的真理吗?,从“第五公设”谈起,公设1:从任
14、一点到任一点可以作一直线。 公设2:有限直线可以延长。 公设3:以定点为圆心、定长为半径可以作圆。 公设4:凡直角都相等。 公设5:若一条直线与两直线相交,且如果在这条直线同侧所交两内角之和小于两直角,则两直线无限延长后必相交于该侧的一点。,疑点1.叙述较长,失之简明疑点2.出现较晚,只用一次,卷I(共48个命题)命题29 一直线与两平行线相交,则所成的内错角相等,同位角相等,且同旁内角的和等于二直角平行线性质定理。猜疑:欧几里得把这一命题列为公设,不是因为它不能证明,而是他本人找不到证明。,它大概是可以被证明的,若+ 2d,则l1与l2必相交,L2,L1,寻找第五公设的“证明”,尝试的办法有
15、两个:其一是直接证明法,即试图将第五公设从欧氏几何的其他公设推导出来,或者用一个更为自明的命题取而代之;其二是间接证明法,即假设一个与平行公理矛盾的命题,然后从中推演出逻辑矛盾,从而反证第五公设。 采用第一种方法进行的大量尝试毫无结果,而第二种方法的尝试却导致了非欧几何的萌芽。,已知: l3与l1、l2相交于A、B,+2d求证:l1与l2相交,l1,l2,l,Proclas的证明中蕴涵了两个假设:(1)当点C沿着l 2无限远离时,距离CD无限增大; (2)若l与l 1不相交,则l与l 1的距离有上界,且对于直线上的点处处相等。 其中,假设(1)正确,而 假设(2)却与第五公设等价!,l3,A,
16、B,C,D,古希腊 Proclas(412-485): “这一公理应该完全从全部的公理中剔除出去因为它是一个包含许多困难的定理。”,等价命题公理系统:+ P1P2且+ P2P1,与第五公设等价的命题(1)三角形内角和等于180;(2)平面上一直线的斜线与垂线相交;(3)三角形三高共点;(4)三角形全等;(5)勾股定理;(6)存在相似三角形; ,Playfair(1748-1819)命题,过已知直线外一点有且只有一条直线平行与已知直线平行平行公理 (注意:存在性可以证明),P .,勒让德的遗憾,勒让德A.Legendre1752-1833,几何学基础(1794)几何原本(法文,第12版,1813
17、) 附录:关于平行公设的证明 再版12次,每次都因“证明”中的纰漏而不得不修改。,勒让德的重要结果,若有一个三角形的内角和是平角,则一切的三角形的内角和都是平角;若有一个三角形的内角和小于平角,则一切三角形的内角和都小于平角。若假定相似三角形存在,则可以证明第五公设。,萨开利(G.Saccheri,1667-1733,意):欧几里得无懈可击!(1733),萨开利四边形:假定A、B是直角,AC=BD, 证明C和D是直角(与平行公设等价) (1)钝角假设:矛盾! (2)锐角假设:p和b在无穷远的公共点处有一公垂线 -结论不合情理!,A,B,C,D,q,p,A,b,.,兰伯特J.H.Lambert1
18、728-177瑞士,兰伯特-一个裁缝儿子的成才之路,1728年8月6日生于瑞士米卢兹(今属法国)裁缝世家,12岁因家贫辍学做工1748年做家庭教师,利用东家的藏书自学1755年当选瑞士科学协会会员1764年定居柏林,成为科学院院士主要数学贡献:,e的无理性,画法几何,数论连分数理论,平行公理。,兰伯特的平行线理论(1786),?,A,B,D,“任何一组假设如果不导致矛盾的话,一定提供一种可能的几何。这种几何是一种真的逻辑结构,一种特别的几何。”,C,几何原理中的家丑,寻求另一个可接受的公理以代替欧几里得公理,或者证明欧几里得的第五公设必然是一个定理,致力于此的人是如此之多,又是如此徒劳无功,使
19、得1759年达朗贝尔把“平行公理”问题称之为“几何原理中的家丑”。,-丑小鸭即将变成美丽的天鹅!,“春日的紫罗兰到处开放!”,解析几何: 费马,笛卡尔微 积 分: 牛顿,莱布尼兹最小二乘法: 高斯,勒让德非欧几何: 高斯,J.鲍耶,罗巴切夫斯基,Out of nothing I have created a strange new universe.,鲍耶Janos Bolyai1802-1860匈牙利,这个地域般的黑暗将吞噬成千个像牛顿那样的巨人,父亲:F.鲍耶(1775-1856),高斯在哥廷根大学的同学和好友儿子:J.鲍耶,少年时在父亲的指导下学习高等数学,1818-1822在维也纳皇家
20、工程学院学习,1823年得到非欧几何的基本原理“我从虚无创造了一个新奇的世界!” 请高斯给以评价!,数学之王!,高斯C.F.Gauss1777-1855,数学是科学的女王,而数论是数学的女王。,代数基本定理的新证明1799算术探究1801,“称赞令郎就是称赞我自己。”,高斯在年轻时的工作:试图证明平行公理否定平行公理建立一种新几何学 反欧几里得几何(anti-Euclid Geometry) 星空几何 大尺度下的三角形内角和180,一种安慰,F.鲍耶为好学青年的数学原理论著(1832)附录:J.鲍耶绝对空间的科学,几何学中的哥白尼!,罗巴切夫斯基N.I.Lobachevsky1792-1856
21、,1792年生于诺夫哥罗德城(76年后高尔基也诞生在此地)1806年就读于喀山大学1814年在喀山大学任教1826年2月23日在数理学院大会上宣读 简要叙述平行线定理的一个严格证明1827-46年任喀山大学校长1829年于喀山通讯上首次发表非欧几何论著论几何学原理1840年几何学新原理及完整的平行线理论(德文版),罗巴切夫斯基,罗巴切夫斯基几何概要,罗氏平行公理:过已知直线外一点,至少可作两条直线与已知直线平行。 平行距a=d(CD) 平行角(a),黎曼的贡献“黎曼几何学”,生逢1826, 考入哥廷根大学成为高斯的学生1854年6月10日就职演说关于作为几何学基础的假设n维流形(manifol
22、d)(1)零曲率空间欧几里得空间 (2)负曲率空间罗氏几何空间 (3)正曲率空间黎曼几何空间平行公理:平面上任二直线必相交于一点曲高和寡1868年出版刊行,罗氏几何的模型1贝尔特拉米(意)伪球面,曳物线 伪球面 切点到定直线 “测地线”三角形内角和有理数实数复数,数字的扩充已经到头。如果说复数是平面上一个点,那么再继续扩充,就成为空间中一个点。复数表示为x+yi,那么空间中的点(超复数)就该表示为x+yi+zj,然后从i2=-1顺理成章可以得到j2=-i。然而,ij是什么呢?,寻找“超复数”:困惑之一,a+bi a+bi+cj (a,b,c)第一个困惑:模法则不成立 (模法则:乘积的模等于模的
23、乘积) |z z1|=|z| |z1|; |z2| = |z|2 i2=j2=-1 若:|(a+bi+cj)2| = | (a+bi+cj)|2 必须:ij=0; 但是:| i | =1,| j | =1,| i j | = 0 ?此路不通!,第二个困惑:i j =? 一些失败的尝试ij=0,ij=1,ij=-ji,寻找“超复数”:困惑之二,思想的火花!,15年的思索,两个重大让步: (1) 新数必须包含四个分量; (2) 放弃乘法交换律。勃洛翰桥头的顿悟: i j = k, j i = -k ! (a+b i+c j ) (x+y i +z j ) = (ax-by-cz) + (ay+bx
24、) i + (az+cx) j + (bz- cy) k 新数:A+B i +Cj +Dk -四元数!,四元数的运算,p q q p !,p=3+2i+6j+7k; q=4+6i+8j+9kpq= -111+24i+72j+35kqp= -111+28i+24j+75k,四元数的除法 乘法的不可交换,蕴涵对于四元数p和q,存在r和r使得: p=qr (右商), p=rq (左商) 但是 rr,哈米尔顿工作的深入 “哈米尔顿算子”:(nabla希伯莱文)1.若u(x,y,z)是数量点函数(标量)称为u的梯度:空间增长率的大小和方向。,2.若v=v1i+v2j+v3k是向量函数,vi=v(x,y,
25、z) 新的四元数散度(dirv)旋度(rotv) 矢量场论,无尽的遗憾,哈米尔顿的自信: “我仍断言,我认为这一发现对于十九世纪中叶的重要性,正如流数(微积分)的发现对于十七世纪末叶的重要性。四元数是解决物质宇宙的关键。”遗憾的是,哈米尔顿的四元数随着新的代数结构的发现,很快退出了历史的舞台。,猪圈 酗酒 四元数哈密尔顿的最后二十年,1833年,经历了第二次恋爱失败的哈密尔顿仓促和海伦结婚,结果证明这可能是他一生中最大的错误。在有了3个孩子后,两人因经常争吵而分居,家务由一些懒散的仆人操持,这导致他的书房又脏又乱,就像一个 “猪圈”。在“猪圈”里,哈密尔顿几乎不休息地疯狂工作,饮食毫无规律,还
26、养成了酗酒的习惯。在一次宴会醉酒之后,他曾戒酒两年,但在一次科学会议上,当年与哈密尔顿竞争三一学院天文学教授职位失败的艾利,嘲笑哈密尔顿“除了水什么也不喝”,这激怒了哈密顿,他重新开始喝酒,并且更加没有节制。哈密尔顿把人生最后的22年留给了四元数。他沉溺于研究,经常将饭菜随手放在一边。在他死后,人们在堆积如山的文稿中,刨出一个个大大小小的盘子,里面装着已经风干的猪排和其他食物,据说完全够一大家子人饱餐一顿。,不朽的功绩,数学的思想一旦冲破传统模式的藩篱,便会产生出无可估量的创造力。哈米尔顿“四元数”的发明,使得数学家们认识到既然可以抛弃实数和复数的交换性去构造一个有意义、有作用的“数系”,那么
27、,就可以较为“自由”地考虑甚至偏离实数和复数的通常性质的去构造新奇的“代数”通向抽象代数的大门被打开了!,“四元数”的尾声数系的扩张,高斯断言:保持复数基本性质的复数扩张是不可能的。数的扩张: 自然数整数有理数无理数 -1 n/m 2 复数“数域” i ?,从应用数学到纯粹数学“没有诗人气质的数学家不是一个完整的数学家”,从欧几里得开始,到笛卡儿、牛顿和莱布尼兹,数学有了长足的进步,但这些数学都是与某门具体的学科联系在一起,也就是说,那时的数学是为了解决某些具体问题而存在:如欧几里得几何学与测量学关系密切,微积分在牛顿那里就是为了解决物体的引力中心问题,画法几何是为了解决工程制图问题。但到了十
28、九世纪,出现了一种纯粹的数学,它不依赖、也不为什么目的服务,这时的数学家不再是哲学家像帕斯卡、笛卡儿和莱布尼兹,不再是物理学家像牛顿,也不再是天文学家像拉格朗日和拉普拉斯,他们更像一个具有浪漫主义气质的诗人。有人评价说:“没有诗人气质的数学家不是一个完整的数学家。”这种纯粹的数学以非欧几何与四元数为代表,这些诗人气质的数学家就是罗巴切夫斯基、高斯、黎曼和哈密尔顿,个案之三. 电磁理论的历史发展,琥珀的带电现象,中国古代的早期认识,秦始皇的“安全门”(传说)“顿牟掇芥,磁石引针”(东汉)论衡“司南之杓,投之于地,其柢指南”论衡“今人梳头、脱著衣时,有随梳、解结有光者,亦有咤声。”(西晋)博物志,
29、司南,指南鱼,“力像以太一样在空中放射和弥漫。”,论磁(1600),引入质量、力等重要物理概念。琥珀- elektron电力- electricity,威廉吉尔伯特1544-1603,1729年,英国人格雷(1675-1736)发现有些物质可以传导电,有些则不能。主张带电体不能导电,而非电体却可以。法国物理学家迪费(16981739)经过实验表明,带电体与非电体之间并无本质的区别,所有物体都可以带电。1734年,迪费发现两类不同的电荷,一种称为玻璃电,一类称为树脂电。他实际上发现了正负电荷,但命名不确。,迪费的信,“存在着两种判然不同的电。一种我称之为玻璃电,另一种为树脂电。第一种是玻璃、水晶
30、、宝石、动物毛发、羊毛和其他许多物体的电;第二种是琥珀、树脂、丝、线绳、纸和无数其它物质的电。这两种电的特征是:一个带玻璃电的物体排斥一切带同类电的物体,相反却吸引一切带树脂电的物体。”,“莱顿瓶”,1745年,荷兰莱顿大学的物理学教授马森布罗克(16921761)发现玻璃瓶可以储存大量电荷。此瓶因此被称为“莱顿瓶”。,简单的说,莱顿瓶就是我们今天的电容器。原始的莱顿瓶是一个玻璃瓶,瓶里瓶外分别贴有锡箔,瓶里的锡箔通过金属链跟金属棒连接,棒的上端是一个金属球这就构成了以瓶子玻璃为电介质的电容器。,据说,年,荷兰莱顿大学的教授慕欣勃罗克在做电学实验时,无意中把一个带了电的钉子掉进玻璃瓶里,他以为
31、要不了多久,铁钉上所带的电就会很容易跑掉的,可过了一会当他一只手拿起桌上的瓶子,另一只手刚碰到钉子时,突然感到有一种电击式的振动。在重复了好几次后,他得到一个结论:把带电的物体放在玻璃瓶子里,就可以把电储存起来。,整个欧洲都在演示莱顿瓶的放电功能。法国人诺莱特在巴黎修道院门前调集700修道士,演出一场人体串联放电的喜剧。路易十五亲自到场观看。,富兰克林:让雷公服从物理定律!,1752.6,1746年,英国一名叫柯林森的物理学家,通过邮寄向美国费城的本杰明.富兰克林赠送了一只莱顿瓶,并在信中向他介绍了使用方法,这直接导致了1752年富兰克林著名的费城实验。,当代的窃火者!,“雷雨一经过风筝的上空
32、,尖的铁丝就可从雷云中吸引电火,使风筝和整根麻绳带电,麻绳另一端的纤维都向四周张开,若将手指接近,就会被其吸引。当风筝与麻绳都被雨湿了,而能自由传导电火时,你若将手指接近,便会看见大量的电由钥匙流出。从这把钥匙那里可以给小瓶充电。由此得来的电火可使酒精燃烧,并用来进行别的有关的实验。这样就完全证明这种点燃物质和天空的闪电是同样的。”,“好家伙,我本想电死一只火鸡,结果差一点电死一个傻瓜!”1753年7月26日,俄国物理学家里赫曼带领学生罗蒙诺索夫在圣彼得堡做闪电实验,被雷电击中,当场牺牲。,富兰克林发明了避雷针,对雷电的另一种认识避雷针,“从苍天那里取得了雷电,从暴君那里取得了民权”,独立宣言
33、,流电的发现,1752年,意大利人祖尔策将一片铅片和银片放在舌尖上,当它们两头相连时,他感觉舌尖上有奇怪的味道。1780年,意大利波伦亚大学医学教授伽伐尼(17371798)解剖青蛙时,发现用不同的金属与蛙腿接触可以使蛙腿抽动。伽伐尼主张,存在着动物电,它跟摩擦电完全一样,金属只起激发作用。伽伐尼是错误的,产生电流的真正原因是手术刀与固定蛙腿的铜,但伽伐尼的工作激励了流电研究。,伽伐尼在用不同的金属做蛙腿实验,伏打的怀疑,伏打(意)对伽伐尼的动物电理论深表怀疑。1792年,伏打用实验证明了伽伐尼电是两种金属加导体造成,蛙腿只起验电器作用。1794年,伏打进一步表明:没有蛙腿,伽伐尼电一样存在。
34、伏打序列:锌、锡、铅、铜、银、金前面的金属与后面的金属相接触,前者就带正电、后者就带负电;序列的距离越远,带电量越多。1800年,伏打依照伏打序列制成伏打电堆。为动电研究打下基础,推动了电化学的发展。,伏打(Volta,17451827)与伏打电堆,奥斯特的伟大发现,1819年丹麦物理学家奥斯特在一次课堂实验中让一个罗盘靠近通电导线,发现罗盘指针发生转动,指向与电流方向成直角的方向。这次实验是电与磁之间联系的第一次实验演示。1820年奥斯特发表这个实验之后,引起了爆炸性的反响。,安培的贡献,安培立刻认识到奥斯特实验的重要性,他指出:不但磁针受到电流周围的力的作用,电流自己也发生作用,并据数学证
35、明:每一长度为dl的电流元,必在其外面的一点上产生cdl sin/r2 的磁力。,法拉第登场了!,1820年起,电磁热席卷欧洲,研究结果大量发表,众说纷纭,真伪难辨。1821年英国哲学学报编辑约法拉第写一篇关于电磁问题的述评,从而引出了法拉第关于电磁学的研究。,Faraday,1791-1867,自学成才的法拉第,法拉第的父亲是个铁匠,十个子女。法拉第在认得几个字后就当了装订学徒(1805年),不过这让他有机会接触许多书,他常常翻阅大英百科全书中的电学文章和拉瓦锡的化学教程。1812年,法拉第得到一张戴维在皇家学院讲演的门票,他作了详细的笔记,并精心加入了彩色插图,总共386页,装订好后献给了
36、当时的皇家学会主席,希望借此找一份有更多机会接触科学的工作。在没有得到回音后,他又给戴维本人送去一份,并付上了要求当助手的申请。这一举动给戴维留下深刻印象,但他没有立即满足法拉第的要求,直到后来因吵架解雇了自己的助手,才想到让法拉第来接替。,经历坎坷,1813年22岁的法拉第成为戴维的助手,工资比当装订工低,任务是刷洗瓶子。接着戴维周游欧洲,法拉第既当秘书,又当仆从,还被戴维夫人当作奴仆对待。 欧洲之行,使法拉第打开了眼界,见到了伏打等著名科学家,获得了许多宝贵的知识。卓越的实验天才,受到戴维的嫉妒。1824 年被选为皇家学会会员,只有戴维一人反对。1825年被任命为皇家研究院实验室主任。,划
37、时代的发现!,1824年,“平行导线”实验没有发现磁效应。1831.8.29:“铁环线圈”实验通电瞬间振荡!9月24日:磁铁引起电流计摆动10月17日:磁棒插入或拔出线圈,引起电流计指针偏转感应电流!11月24日:向皇家学会递交论文连续地运动磁体可以不间断地得到电流。,英镑上的法拉第在做电磁演示,法拉第在伦敦皇家学会的实验室。图的右边可以看见他用来进行电学实验的仪器。,法拉第在作圣诞科学演讲。前排正中是维多利亚女王的丈夫和他的两个儿子为孩子们在圣诞节做科学演讲成为深受大众欢迎的活动,直到现在还在进行。,麦克斯韦的综合,10岁进爱丁堡书院,15岁发表几何学的探究论文。1850年进入剑桥大学,18
38、56年发表论法拉第力线,1861年论物理力线,1865年电磁场的动力学基础。,“科学的宗旨就是要把自然界的问题归结为通过数学计算来确定各个量。”,20个变量的20个方程,用现代的符号表示:,磁场力方程,赫兹:电磁波的实验发现,1878年,德国物理学家赫兹(Heinrich Hertz,1857-1894)用实验的方法证明了麦克斯韦理论的正确性,还证明:电磁波具有与光波完全类似的性质!,德国纪念邮票上的赫兹,爱因斯坦的评价,“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学的公理基础的最伟大的变革,是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联在一起的。这次革命的最大部分出自麦克斯韦。”,爱迪生:电气时代的到来!,1879年10月碳化棉线灯丝实验成功,1882年9月4日电灯照明实验成功!,“天才是99%的汗水加1%的灵感!”,“我没有失败,我只是找到了第10001种不能奏效的方法!”,贝尔:华生,快过来,我想见你!,1876年3月9日,华生冲进实验室,兴奋地说他听见了!,欧洲科普馆的电磁性质演示,课堂作业,1. 从哥白尼以来,人类的“自尊”受到了哪三次重大打击?2.在罗巴切夫斯基几何中,三角形的内角和 180度,而在黎曼几何中,三角形的内角和 180度。,