【文章內(nèi)容簡介】 間內(nèi)所產(chǎn)生的效應(yīng)，牛頓把這個(gè)過程表述為亦即 也可以寫成 (是碰撞時(shí)的作用力,是作用的時(shí)間,即運(yùn)動(dòng)量的改變量)這個(gè)式子表明，物體運(yùn)動(dòng)量（亦稱“動(dòng)量”）的變化與作用力的大小成正比，力作用時(shí)間越長，它所產(chǎn)生的沖量越大，物體的動(dòng)量改變量就越大，物體動(dòng)量的改變量=合外力的沖量，動(dòng)量變化的方向與作用力的方向相同。對于勻加速運(yùn)動(dòng)， 即單位時(shí)間里速度的變化，這也就是伽利略所引入的加速度的概念。于是，運(yùn)動(dòng)第二定律又可以寫成 我們現(xiàn)在常用的就是這個(gè)表達(dá)式。 根據(jù)運(yùn)動(dòng)第二定律，我們就可以很容易解釋為什么一切物體的自由下落都有相同的加速度了。對于自由落體而言，作用于該物體的力F就是地球?qū)@個(gè)物體的萬有引力。由萬有引力定律，可知(M是地球的質(zhì)量，m是該物體的質(zhì)量，R是地球的半徑。)依運(yùn)動(dòng)第二定律F＝ma可得從這里便可以看到，因?yàn)镚、M和R都是常數(shù)，所以a也是一個(gè)常數(shù)。這就表明一切自由落體的加速度a都是相同的。通常我們用g來表示這個(gè)加速度，稱為重力加速度。有了運(yùn)動(dòng)第二定律，只要我們知道作用于一物體上的力，就可以據(jù)此求出此物體所獲得的加速度，即可以知道這個(gè)力使該物體所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化(包括它的大小和方向)；反之，如果我們知道一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了某種變化，也就可以斷定必有一個(gè)力作用于該物體，并且可以準(zhǔn)確地計(jì)算出這個(gè)力(包括它的大小和方向)。力與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化互為因果，它們之間的關(guān)系是確定無疑的。運(yùn)動(dòng)第三定律 運(yùn)動(dòng)第三定律也是在碰撞運(yùn)動(dòng)的研究中弄清楚的。惠更斯已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，若兩個(gè)質(zhì)量相等的小球以大小相等而方向相反的速度在同一直線上相向運(yùn)動(dòng)，在發(fā)生完全彈性碰撞后，這兩個(gè)小球便以與原來大小相等的速率在該直線上相背運(yùn)動(dòng)。這就告訴我們，在碰撞前和碰撞后兩個(gè)小球動(dòng)量的變化量在數(shù)值上是相等的。我們假定第一個(gè)小球運(yùn)動(dòng)量的變化為：,第二個(gè)小球運(yùn)動(dòng)量的變化為： 。已知 可知 兩球碰撞時(shí)它們相互作用的時(shí)間是相同的，即 相等。根據(jù)運(yùn)動(dòng)第二定律就可以得出它們之間的作用力大小相等而方向相反的結(jié)論。牛頓據(jù)此進(jìn)一步指出：當(dāng)物體A施力于物體B時(shí)，物體B同時(shí)也施一反作用力于物體A，作用力與反作用力大小相等，方向相反，并且作用在同一條直線上。這就是牛頓所確立的運(yùn)動(dòng)第三定律。運(yùn)動(dòng)第三定律告訴我們，自然界中沒有孤立存在的單個(gè)的力，一個(gè)孤立的物體無所謂施力或受力，力總是存在于兩個(gè)相互作用的實(shí)體之間，不管力是通過直接接觸(如推力、拉力)還是不通過直接接觸(如磁力、萬有引力)，它總是成對出現(xiàn)，同時(shí)出現(xiàn)，它們作用在一條直線上，大小相等，方向相反，這兩個(gè)力分別施加于相互作用的兩個(gè)物體之上，它們的力學(xué)效應(yīng)并不互相抵消。在日常生活中，我們很容易看到運(yùn)動(dòng)第三定律所描述的現(xiàn)象。例如我們用一根繩子牽一頭牲口，就會(huì)感覺到這頭牲口通過繩子在拉我們。但也有些時(shí)候我們?nèi)菀桩a(chǎn)生錯(cuò)覺。比如物體自由下落，我們知道這是因?yàn)榈厍虻囊ψ饔糜谠撐矬w的原故。其實(shí)，與此同時(shí)該物體也對地球施加一個(gè)大小相等方向相反的引力，不過比較起來地球的質(zhì)量大得很多，這個(gè)物體對地球的引力顯不出來罷了。月球圍繞地球旋轉(zhuǎn)是因?yàn)樗艿降厍蚪o它的引力，月球同樣也有一個(gè)大小相等方向相反的引力施加于地球。月球引力就是海洋潮汐現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因之一。在發(fā)現(xiàn)萬有引力定律和運(yùn)動(dòng)三定律的基礎(chǔ)之上，牛頓仿效古希臘人的作法，把力學(xué)知識(shí)整理成為一個(gè)演繹知識(shí)體系，1687年出版了《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》這部名著，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)的成熟。三．牛頓力學(xué)的重大歷史意義經(jīng)典力學(xué)的成就在科學(xué)史上具有劃時(shí)代的意義。它表明人類關(guān)于自然界的認(rèn)識(shí)已推進(jìn)到一個(gè)新的階段，標(biāo)志著自然科學(xué)已形成了自己獨(dú)立的知識(shí)體系。經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)意義(1)經(jīng)典力學(xué)徹底打破了亞里士多德學(xué)派嚴(yán)格區(qū)分月亮以上和月亮以下兩個(gè)忖界的舊觀念，杷天上和地上的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起夾．證明了萬有引力辛律和活動(dòng)三定律是宇宙間一切機(jī)械運(yùn)動(dòng)(即物體位置的變化)的普遍規(guī)律，從力學(xué)的角度論證了自然界的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識(shí)的一次偉大的綜合。(2)經(jīng)典力學(xué)把人們對機(jī)械運(yùn)動(dòng)的研究從運(yùn)動(dòng)學(xué)提高到動(dòng)力學(xué)的水平。運(yùn)動(dòng)學(xué)只考慮物體運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、時(shí)間、距離等因素及其關(guān)系，只能描述物體運(yùn)動(dòng)的過程和狀態(tài)。動(dòng)力學(xué)的任務(wù)則在于揭示物體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)原因及其力學(xué)后果。在歷史上，雖然亞里士多德曾經(jīng)探討過動(dòng)力學(xué)的問題，但他走入了歧途。牛頓成功地完成了建造動(dòng)力學(xué)的任務(wù)，從而使人們能夠全面地把握機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。3)經(jīng)典力學(xué)把對物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述與研究提高到瞬時(shí)狀態(tài)的水平。過去人們只能把握運(yùn)動(dòng)的某一個(gè)過程，這對于處理勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)(如自由落體運(yùn)動(dòng))或加速度的大小不變而方向均勻變化的運(yùn)動(dòng)(如圓周運(yùn)動(dòng))這類比較簡單的運(yùn)動(dòng)尚可，對于加速度復(fù)雜變化的運(yùn)動(dòng)便無能為力。如今牛頓引進(jìn)了微積分的方法，原則上便可處理任何復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程與瞬時(shí)狀態(tài)的問題。(4)經(jīng)典力學(xué)把原來只能孤立地研究的力學(xué)事件聯(lián)系了起來，使它們成為因果的鏈條。運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)，只要我們知道某物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及它在某時(shí)刻所受的力，就可以得知這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀耷所要發(fā)生的變化。反之，如果我們發(fā)現(xiàn)某物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化以及它的變化狀況，我們也就知道它受到一個(gè)力并且知道它受到的是什么樣的力(包括它的大小和方向)，而且也知道它必定對外界施加了一個(gè)什么樣的力(包括它的大小和方向)。力與運(yùn)動(dòng)組成了一個(gè)無窮無盡的因果鏈條，這就大大地提高了我門對物體運(yùn)動(dòng)前因后果的認(rèn)識(shí)，提高了我們的預(yù)見與推想的能力。(5)我們說過，以往的自然知識(shí)都包容于自然哲學(xué)之中。雖然牛頓仍然把他的著作稱為《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，但實(shí)際上它表明自然科學(xué)不僅已擺脫了神學(xué)的束縛，亦已從哲學(xué)中分化出來．開始建設(shè)自己的知識(shí)體系與科學(xué)思想和科學(xué)方法，表明自然科學(xué)已經(jīng)成熟。第三節(jié) 經(jīng)典物理學(xué)的全面發(fā)展物理學(xué)是自然科學(xué)最重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一。經(jīng)典物理學(xué)所研究的范圍包括力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、分子物理學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)等許多分支。至18世紀(jì)，只有經(jīng)典力學(xué)已趨成熟，幾何光學(xué)也有了一些輪廓，其他分支則還未成形，基本上還得從收集事實(shí)、積累材料做起。到19世紀(jì)，經(jīng)典物理學(xué)各分支便都有了巨大的進(jìn)展，整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)體系逐漸形成。經(jīng)典物理學(xué)的許多成果轉(zhuǎn)化為前所未有的技術(shù)，深入到生產(chǎn)、生活各個(gè)領(lǐng)域，迅速地改變了整個(gè)人類社會(huì)的面貌，表現(xiàn)出了科學(xué)的巨大威力。 光學(xué)的進(jìn)展古希臘時(shí)期已知道光的直進(jìn)和反射規(guī)律；托勒密在光折射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出入射角與折射角成正比的思想；而關(guān)于視覺的本質(zhì)，伊壁鳩魯和亞里士多德等提出過一些哲學(xué)猜測。中世紀(jì)偉大的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家伊本海賽姆用實(shí)驗(yàn)測定了折射率。但總的來說，古代與中世紀(jì)的光學(xué)知識(shí)是極其有限的。因此近代光學(xué)基本是從零開始的。開普勒是近代光學(xué)的奠基人，其地位如伽利略之于力學(xué)和吉爾伯特之于磁學(xué)。他在1611年出版的《屈光學(xué)》中解釋了荷蘭望遠(yuǎn)鏡或伽利略望遠(yuǎn)鏡及顯微鏡所涉及的光學(xué)原理，并提出了改良望遠(yuǎn)鏡的建議，他的建議在近代導(dǎo)致遠(yuǎn)距照相透鏡組合的發(fā)明。開普勒第一次明確提出光度學(xué)基本定律，即光強(qiáng)與離光源的距離平方成反比地變化。他還研究了球面像差一類復(fù)雜現(xiàn)象，為巴羅等后人的幾何光學(xué)研究提供了基礎(chǔ)。關(guān)于視覺理論，他還提出視網(wǎng)膜上的成像本身不構(gòu)成整個(gè)視覺行為的正確思想。他對折射規(guī)律的研究雖方法正確但未獲成功。第一位提出精確的折射定律的是荷蘭人斯涅爾(W．Sncll，1591—1626)。根據(jù)他于1621年的結(jié)果，可容易地推出現(xiàn)代形式的折射定律：不過是笛卡兒于1637年第——個(gè)發(fā)表了折射定律，并嘗試給它一個(gè)物理證明，但是否與斯涅爾獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)該定律則尚存疑問。在發(fā)表有關(guān)折射定律的這本《屈光學(xué)》中，笛卡兒還提出丁關(guān)于光的本性的微粒假說。他在《氣象學(xué)》中對虹霓理論的研究成為牛頓對虹霓解釋的前提。關(guān)于光的本性的波動(dòng)說，在達(dá)芬奇的著作和伽利略書信中已有跡象。但正式認(rèn)真地提出光具有周期性的是意大利數(shù)學(xué)家格里馬力迪(F．F．Grimaldi，1618—1663)。他從波動(dòng)觀點(diǎn)出發(fā)解釋了似乎同光的直線傳播定律相悖的衍射現(xiàn)象。他還指出，顏色的不同乃是眼睛受到速度不同的光振動(dòng)刺激的結(jié)果，這個(gè)思想對后來的光學(xué)發(fā)展具有根本性意義。他的光學(xué)著作，在他死后兩年被發(fā)表。在同一年(1665)，胡克的科學(xué)著作《顯微術(shù)》問世，其中光學(xué)部分對多種透明薄膜的閃光顏色現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論的探討。他注意到，在一定的厚度范圍內(nèi)，云母薄片里會(huì)出現(xiàn)虹霓的色彩，不同厚度的部位顏色不同。雖然他未能確定厚度與顏色之間的精確關(guān)系，卻為牛頓對“牛頓環(huán)”現(xiàn)象的研究奠定廠基礎(chǔ)。胡克認(rèn)為光是一種振動(dòng)，發(fā)光體的每—次振動(dòng)或脈動(dòng)必將以球面向外傳播。不過，比較系統(tǒng)地提出光的波動(dòng)理論的還是荷蘭物理學(xué)家惠更斯(1629～1695)。他認(rèn)為，構(gòu)成一個(gè)發(fā)光體的微粒把脈沖傳送給鄰近的 種彌漫媒質(zhì)的微粒，每個(gè)受激微粒都變成一個(gè)球形子波(即次波)的中心。這就是1678年提出的著名的惠更斯原理。用微分幾何的語言來表述，即：波陣面所及的任意點(diǎn)均可看做是新的次波源(即子波中心)，而新的波陣面則是所有次波源向外發(fā)出的半球面次波的包跡。牛頓在大學(xué)時(shí)期就對光學(xué)有濃厚興趣，為了制造一種能消除色差的望遠(yuǎn)鏡而開始研究顏色理淪。1 672年在《哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表的他對色散現(xiàn)象的研究成果，是他第一次公開發(fā)表的科學(xué)論文。他對色散的解釋立即引起他與胡克等人的爭論。牛頓最初吸取了胡克的波動(dòng)思想，傾向于把微粒說和波動(dòng)說結(jié)合起來，1675年他提出彈性以太的思想以解決微粒說的困難。但他拒絕純粹的波動(dòng)理論。而在1704年他的《光學(xué)》中，牛頓則徹底主張光的微粒假說。由于他在科學(xué)界的巨大影響，而使惠更斯提出的較系統(tǒng)的波動(dòng)說被埋沒百年之久，以致整個(gè)18世紀(jì)光學(xué)處于停頓狀態(tài)。直至1 9世紀(jì)初由于偏振、于涉等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和研究，才使波動(dòng)說占據(jù)了統(tǒng)治地位。 熱學(xué)的成就在近代，對熱現(xiàn)象的研究是從測量“熱度”開始的。在科學(xué)地定義溫度概念以前，人們往往將溫度的變化和物體所含熱量的多少混為——談，均用“熱度”來表示。為了能精確地測量熱度，許多科學(xué)家都致力于溫度計(jì)的研制。我們在伽利略時(shí)代的測溫器中看到了溫度汁的原始形式，與之相比較，法國的吉永阿蒙頓大約在1700年發(fā)明的空氣溫度計(jì)，是一個(gè)相當(dāng)大的進(jìn)步。德國人丹尼爾加比爾華倫海特(Daniel Gabriel Fahrenheit．1686—1736)是華氏溫度計(jì)的制造者。以水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為固定點(diǎn)的百分溫標(biāo)，是1742年由瑞典人安德斯攝爾絮斯(AndersCelsius，1701—1744)采用的。至于在0和100之間插入數(shù)值的精確性問題，1 9世紀(jì)才被提出和加以研究。直到18世紀(jì)，自然科學(xué)才區(qū)分開熱量和溫度；而“冷”這個(gè)術(shù)語，直到19世紀(jì)才從科學(xué)的詞匯中最后消失。力學(xué)已經(jīng)達(dá)到能夠計(jì)算行星運(yùn)動(dòng)的階段時(shí)熱學(xué)理論仍然處在原始的水平。對于熱的本質(zhì)問題，整個(gè)17世紀(jì)相當(dāng)普遍地認(rèn)為是由物體的最小粒子的運(yùn)動(dòng)而形成的。培根在《新工具》中正確地指出：“熱是向外擴(kuò)張而又受了限制的一種運(yùn)動(dòng)，熱的精英和本質(zhì)就是運(yùn)動(dòng)，并不是別的?！奔s翰洛克也說明：“熱是物體中各部分難以察覺的非常活潑的攪動(dòng)，我們所感覺的熱，除了物體中的運(yùn)動(dòng)以外，別無其他?！?，這個(gè)熱的概念是非常現(xiàn)代化的但又是思辨的，因此不難理解它為什么會(huì)在18世紀(jì)被熱質(zhì)說所代替。在對熱現(xiàn)象進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上，英國化學(xué)家布萊克等人提出了熱質(zhì)(素)說。這種學(xué)說認(rèn)為：熱是一種流體，它可以滲透到物體中去并在熱交換中從一個(gè)物體流向另一個(gè)物體；加熱就是給一定物體增加熱質(zhì)，而冷卻則是從該物體放出熱質(zhì)；盡管在熱交換前后，物體中的含量有所改變，但它們的總量是守恒的。熱質(zhì)說能解釋許多已知的熱現(xiàn)象，因而在18世紀(jì)成為一種主流的理論，它的確立和當(dāng)時(shí)的科學(xué)發(fā)展水平和機(jī)械自然觀有很大的關(guān)系。直到19世紀(jì)，熱質(zhì)說才讓位于熱是能的一種形式的觀念。今天已成為熱力學(xué)的基本課題—一熱的定量測定，直到19世紀(jì)才開始。蘇格蘭的約瑟夫布萊克(JosephBlack，1728—1799)在溫度和熱量之間，畫出一條明顯的界限；他引入了卡路里、比熱、熱容量、熔解熱和潛熱等術(shù)語。他的研究是按照熱質(zhì)說進(jìn)行的，并使熱質(zhì)說幾乎得到完全普遍的承認(rèn)。與此同時(shí)，熱的唯動(dòng)說還沒有完全被放棄。丹尼爾。伯努利(Danier Bernouli，1700—1782)的《流體動(dòng)力學(xué)》(1738)與當(dāng)時(shí)流行的觀點(diǎn)相反，它把熱歸結(jié)為分子的相互排斥。他利用數(shù)學(xué)推理，成功地推導(dǎo)了波義耳和馬略特定律，論證了壓強(qiáng)和分子速度的平方成比例，證實(shí)了阿蒙頓實(shí)驗(yàn)：當(dāng)密閉的定量氣體的溫度增加某—數(shù)值時(shí)，氣體壓強(qiáng)的增加和密度成比例。可是當(dāng)時(shí)熱質(zhì)說占優(yōu)勢，擁護(hù)者中包括權(quán)威拉瓦錫，他甚至把卡路里納入化學(xué)元素表。拉瓦錫、皮埃爾西蒙和拉普拉斯由于用冰量熱器進(jìn)行測量，從而對量熱術(shù)作出了貢獻(xiàn)。18世紀(jì)末，美國人本杰明湯姆遜即倫福德(Bejamin Thomp—son，即Rumford，1753—1814)批判了熱質(zhì)說。為此，他對摩擦所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行了廣泛的測量。焦耳從這些測量數(shù)據(jù)中，推導(dǎo)出熱功當(dāng)量的數(shù)值。倫福德證明，加熱金屬球時(shí)，其重量不變。他推論，如果熱全然是一種物質(zhì)，那么無論如何，它必是沒有重量的一種物質(zhì)。漢弗萊戴維支持倫福德對熱質(zhì)說的批判，他認(rèn)為熱素是不存在的，熱現(xiàn)象的直接原因是運(yùn)動(dòng)。直至19世紀(jì)前10年，熱質(zhì)說和熱的唯動(dòng)說的爭論仍未停止，熱質(zhì)說仍占優(yōu)勢。提出“卡諾循環(huán)”概念的卡諾在研究熱機(jī)效率問題時(shí)還用熱素的撞擊來解釋熱機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。但后來(1S27—1830年左右)他終于放棄了熱質(zhì)論，認(rèn)為熱是動(dòng)力(能量)，是改變丁形式的運(yùn)動(dòng)。直至克勞修斯證明理想氣體的絕對溫度是由分子的平均動(dòng)能所決定，焦耳確立了熱功當(dāng)量，以及能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的提出，才牢固地確立了熱的唯動(dòng)說。能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的確立 古人已經(jīng)有過運(yùn)動(dòng)不滅的猜測。18世紀(jì)末葉以來，人們相繼發(fā)現(xiàn)了許多不同物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式相互轉(zhuǎn)化的事例。人們早就知道摩擦這樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以轉(zhuǎn)化為熱運(yùn)動(dòng)，而蒸汽技術(shù)則是把熱運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用。1800年人們發(fā)現(xiàn)電解水可以得到氫和氧，知道了電運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生化學(xué)