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经典物理学,是以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理体系。

简介

伽利略(1564—1642)和牛顿(1642—1727)等人于17世纪创立的经典物理学,经过18世纪在各个基础部门的拓展,到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展,达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末,已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱——经典力学经典电动力学、经典热力学和统计力学——已臻于成熟和完善,不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美,而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念,对人类的科学认识也产生了深远的影响。
高中所学习的经典物理学力学知识

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建立发展

按物理学自身发展的特点分期,把物理学的发展分为若干时期,在每一时期中找出一些具有表征性的特点。这主要是根据物理学发展的内在逻辑分期的,采用这一分期原则既可兼顾到社会生产和社会经济形态的影响,又能揭示出贯穿于物理学发展过程中的内在规律性。
按照物理学本身发展的规律,结合社会经济各时期的特点,并考虑到不同时期有不同的研究方法,把物理学发展的历史大体分为三个时期。

经验物理

经验物理时期(17世纪以前)  这一时期内我国和古希腊形成两个东西交相辉映的文化中心。经验科学已从生产劳动中逐渐分化出来,这时期的主要方法是直觉观察与哲学的猜测性思辨。与生产活动及人们自身直接感觉有关的天文、力、热、声、光(几何光学)等知识首先得到较多发展。除希腊的静力学外,中国在以上几方面在当时都处于领先地位。在这个时期,物理学尚处在萌芽阶段。

经典物理

经典物理学时期(17世纪初—19世纪末) ,这时资本主义生产促进了技术与科学的发展,形成了比较完整的经典物理学体系。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法,被引进物理学中,导致了17世纪主要在天文学和力学领域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立,标志着经典物理学的诞生。经过18世纪的准备,物理学在19世纪获得了迅速和重要的发展。终于在19世纪末以经典力学、热力学和统计物理学、经典电磁场理论为支柱,使经典物理学的发展达到了它的顶峰。

现代物理

现代物理学时期(20世纪初至今),十九世纪末叶物理学上一系列重大发现,使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机,从而引起了现代物理学革命。由于生产技术的发展,精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革,这一时期的物理学理论呈现出高速发展的状况。研究对象由低速到高速,由宏观到微观,深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部,对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识,产生了重大的变革

危机

19世纪是经典物理学的峥嵘岁月,是一个构建科学理论大厦的时代,是理论与实验完美结合的时代,产生了很多的著名的物理学家。科学技术发展突飞猛进并产生了广泛的社会影响,由力学、电磁学、热学、光学、声学构建经典物理学的大厦。也可以说19世纪是经典物理学的辉煌时代。
物理学发展到19世纪末期,可以说已经达到了相当完美,成熟的程度。物理学的辉煌成就,使得不少物理学家踌躇满志、沉溺于欢快陶醉之中,于是产生了这样一种看法:物理学的大厦已经落成,今后物理学家用不着再干什么了,只需要把各种数据测得精确些就行了。然而,此刻在物理学的万里晴空中却飘来了两朵乌云,物理学上出现了一系列新的发现。这些无法用经典物理学解释的新发现,使经典物理学陷入了危机。第一朵与迈克尔逊实验有关,第二朵与黑体辐射有关。正是这两朵乌云的飘动,引来了20世纪物理学革命的暴风骤雨,使整个自然科学进入了一个崭新的阶段。这“两朵乌云”成为20世纪伟大物理学革命的导火线。
事隔不到一年,就从第一朵乌云中降生了相对论,紧接着从第二朵乌云中降生了量子论。经典物理学的大厦被彻底动摇。事实上,在十九世纪末,光电效应、原子光谱和原子的稳定性等实验事实也接二连三地和经典物理学的理论发生了尖锐的对立。量子论的建立,使人类对物质的认识由宏观世界进入微观世界。
“乌云”的出现
1900年新春之际,著名物理学家开尔文勋爵在送别旧世纪所作的讲演中讲道:“19世纪已将物理学大厦全部建成,今后物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦了。”同时他也提到物理学的天空也飘浮着两朵小小的,令人不安的乌云,一朵为以太漂移实验的否定结果,另一朵为黑体辐射紫外灾难。实际上“乌云”不止这两朵,还包括气体比热中能量均分定律的失败、光电效应实验、原子线光谱等。然而,就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命风暴,导致了现代物理学的诞生。
第一朵乌云“以太”学说
第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅耳和托马斯·杨研究过这个理论,它包括这样一个问题:地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢?第二朵乌云是麦克斯韦-玻耳兹曼关于能量均分的学说。这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难。相对性原理是经典力学的一个最基本的原理,这个原理认为,绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的,一切可测量的、因而也是有物理意义的运动,都是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难,最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所。麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后,电磁波的载体以太,就成了物化的绝对空间,静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在,或者说它表征着物化了的绝对空间,当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动。但是,美国物理学家迈克尔逊在1881年、他和莫雷在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验,都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动。
第二朵乌云“紫外灾难”
第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支,热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦-玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难。为了解释黑体辐射实验的结果,物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是,这个公式推出,在短波区(紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,这和实验数据相差十万八千里,是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。因此也可以说,对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来。

基本观念

经典力学和机械决定论
由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中,实现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。在l687年出版的《自然哲学的数学原理》中,牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力定律。利用变分法的数学方法和“最小作用量原理”的物理学基础建立起了和牛顿动力学方程等价的欧拉—拉格朗日方程,并最终于1834年由英国的哈密顿(1805—1865)提出了哈密顿原理正则方程,建立了“分析力学”理论,实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃。
热力学与能量和熵
能量守恒原理的建立,使物理学思想和理论结构获得了辉煌的进展,是19世纪自然科学上的一个伟大胜利,也是近代物理学发展中的第二次理论大综合。熵原理的发现,实际上把演化的思想带进了物理学,指出了自然过程的不可逆性和历史性。
在经典力学和电磁场理论中,基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的,它们的基本方程对时间反演都是具有对称性的,运动对于过去和未来没有本质的区别,时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量,它的变化对运动的性质并无影响。因而时间箭头在那里没有实质性的意义。
“统计力学”这个名称是1884年由美国物理学家吉布斯首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的基础上,明确形成了“系综”概念,创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论的两个基本的研究方向统一到一个有机整体之中,完成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合。
经典电动力学
1862年,麦克斯韦引入了一个电磁以太的准力学模型和“位移电流”假设,1864年提出了电动力学方程组,预言了电磁波的存在,井揭示了光的电磁波动本性。麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以完全实现,并使电磁学理论的全部物理基础得以奠定,成为近代物理学发展中的第三次理论大综合。
经典物理学的完成和局限
大约到了1895年前后,以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学,结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂”,达到了它的颠峰时期。
在力学方面,与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义,都已受到普遍的批评,牛顿对于引力的本质问题也采取了回避的态度。而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用,这与19世纪发展起来的场物理学是根本对立的。
在热学方面,熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不可逆性,反映出热力学原理与经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾,而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质,已使经典力学的严格确定性出现了缺口。
在光学和电磁学方面,作为光波与电磁波的传播媒介的“以太”,其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测,都使科学家们费尽心血而一筹莫展。根据电磁学理论,可用空间坐标的连续函数描写的场,是具有能量的不能再简化的物理实在,这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点背离。
牛顿在前人研究的基础上,取得了非凡的成就。运动三定律和万有引力定律成功地描述了天上行星、卫星、彗星的运动,又完满地解释了地上潮汐和其他物体的运动。此后人们认为自然界的一切已知运动都可以通过牛顿(经典)力学定律来解释。因此牛顿(经典)力学被看作是科学解释的最高权威和最后标准。而经典力学建立的过程,实质上就是实验方法,逻辑思维方法与数学方法的建立和发展的过程。由此可以看出经典物理学中”经典”的含义。由著名的物理学家提出,经过反复的实验验证,最后得出最具权威最为标准最为经典的结论
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- 来自原声例句
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