几位大物理学家的力学贡献课件

l l提要提要 文章简略介绍从19世纪后半叶到20世纪初的七位著名的物理学家，即麦克斯韦、基尔霍夫、赫兹、开尔文、汤姆孙、瑞利和迪昂的贡献及其在力学领域中的出色研究工作，说明力学学科对近代科学的重要性。l l关键词关键词 近代物理 力学 著名物理学家 研究成果提要 文章简略介绍从19世纪后半叶到20世纪初的1 1l l2020世纪初，整个科学特别是物理学科经历了巨大世纪初，整个科学特别是物理学科经历了巨大的革命性的变化。在这一变化的前夜，的革命性的变化。在这一变化的前夜，1919世纪后世纪后半叶到半叶到2020世纪初的这半个多世纪里，出现了为这世纪初的这半个多世纪里，出现了为这一变化准备条件的许多科学巨人。由于这些物理一变化准备条件的许多科学巨人。由于这些物理学家在物理学上的杰出贡献名声很大，远远盖过学家在物理学上的杰出贡献名声很大，远远盖过了他们在力学上的贡献，所以在许多他们的传记了他们在力学上的贡献，所以在许多他们的传记或介绍中，大都不提到他们在力学上的贡献。在或介绍中，大都不提到他们在力学上的贡献。在当今社会分工越来越细的条件下，学力学的不知当今社会分工越来越细的条件下，学力学的不知道他们曾经做过重要的力学研究工作，学物理的道他们曾经做过重要的力学研究工作，学物理的也不知道他们在力学领域中的耕耘。不过，仔细也不知道他们在力学领域中的耕耘。不过，仔细考察这些大科学家的经历，我们发现他们共同的考察这些大科学家的经历，我们发现他们共同的特点不仅是在力学上有深厚的功底，并且在力学特点不仅是在力学上有深厚的功底，并且在力学学科发展上也留下了不可磨灭的开创性的贡献。学科发展上也留下了不可磨灭的开创性的贡献。这里我们就来介绍其中属于英、法、德的七位，这里我们就来介绍其中属于英、法、德的七位，即麦克斯韦、基尔霍夫、赫兹、开尔文、汤姆孙、即麦克斯韦、基尔霍夫、赫兹、开尔文、汤姆孙、瑞利和迪昂。瑞利和迪昂。20世纪初，整个科学特别是物理学科经历了巨大的革命性的变化。2 2英国物理学家麦克斯韦麦克斯韦James Clerk Maxwell1831183118791879 麦克斯韦在力学上的贡献至少有四项是奠基性的。即光弹性、求解杆系超静定结构的力法、线性粘弹性的本构关系和调速器的稳定性条件。英国物理学家麦克斯韦James Clerk Maxwell3 3光弹性l l在在18501850年，他还只有年，他还只有1919岁的时候，发表了一篇题岁的时候，发表了一篇题为弹性固体的平衡论的论文。文中讨论了若为弹性固体的平衡论的论文。文中讨论了若干个弹性力学的特殊问题，如三角形受力问题等，干个弹性力学的特殊问题，如三角形受力问题等，这些问题的精确解大半已为其他学者解出。他把这些问题的精确解大半已为其他学者解出。他把这些解与利用光弹性方法测得的结果进行验证，这些解与利用光弹性方法测得的结果进行验证，结果符合得很好。所以后人认为麦克斯韦是以光结果符合得很好。所以后人认为麦克斯韦是以光弹性方法实际求解弹性力学应力场的第一人，也弹性方法实际求解弹性力学应力场的第一人，也是光弹性仪器的实际发明者。是光弹性仪器的实际发明者。l l到到1919世纪末，光弹性方法迅速扩展成为测量应力世纪末，光弹性方法迅速扩展成为测量应力方法的重要手段。方法的重要手段。光弹性在1850年，他还只有19岁的时候，发表了一篇题为弹4 4结构力学l l1864年麦克斯韦总结他关于桁架研究的一般结论。他已经可以区分静定与超静定桁架。对于静定桁架，麦克斯韦在前人的基础上简化了用作图的方式去求桁架的内力。对于超静定桁架，拱和吊桥等结构，麦克斯韦从能量法导出了解超静定结构的一般方法。大约在10年之后，他的这个方法为莫尔(O.Mohr,18351918)加以整理，给出规范的形式，这就是目前通用的力法，又称为麦克斯韦莫尔方法。结构力学1864年麦克斯韦总结他关于桁架研究的一般结论。他已5 5粘弹性l麦克斯韦在流变学方面最早提出应力应变关系与时间有关的概念。并且引进了现今称为麦克斯韦粘弹性体的应力应变关系。粘弹性麦克斯韦在流变学方面最早提出应力应变关系与时间有关的概6 6调速器l l17121712年，英国人钮可曼（年，英国人钮可曼（Thomas Newcomen,Thomas Newcomen,1663166317291729）发明了蒸汽机发明了蒸汽机，但是由于速度无法但是由于速度无法自由控制自由控制，所以一直派不上大用场所以一直派不上大用场，只是在矿山只是在矿山抽水。到了大约抽水。到了大约17821782年，英国人瓦特（年，英国人瓦特（James James Watt,1736Watt,173618191819）发明了离心调速器，蒸汽机）发明了离心调速器，蒸汽机的使用才迅速得到推广。离心调速器从的使用才迅速得到推广。离心调速器从1818世纪一世纪一直到直到1919世纪中叶都使用得很好。到了世纪中叶都使用得很好。到了1919世纪中叶世纪中叶以后，由于蒸汽机的速度提高了，就出现了调速以后，由于蒸汽机的速度提高了，就出现了调速器不稳定的情况。这个问题最早引起麦克斯韦的器不稳定的情况。这个问题最早引起麦克斯韦的注意，在注意，在18681868年曾经研究过这个问题年曾经研究过这个问题,并得到了一并得到了一个稳定性的条件；在个稳定性的条件；在18761876年俄国人维式涅格拉德年俄国人维式涅格拉德斯基（斯基（1831183118951895）又研究了这个问题，得到了）又研究了这个问题，得到了以包含物理参数的不等式表示的稳定性条件。这以包含物理参数的不等式表示的稳定性条件。这些工作是关于动力系统运动稳定性的最早的研些工作是关于动力系统运动稳定性的最早的研究。究。调速器1712年，英国人钮可曼（Thomas Newcome7 7麦克斯韦方程组l l此外他在数学上最早定义了向量场的旋度，他对此外他在数学上最早定义了向量场的旋度，他对陀螺仪、光学、彩色摄影、原子结构等方面也有陀螺仪、光学、彩色摄影、原子结构等方面也有重要的贡献。重要的贡献。l l麦克斯威在早期作了弹性力学与结构力学的研究麦克斯威在早期作了弹性力学与结构力学的研究之后，兴趣转向了光学、电磁学，他以综合提出之后，兴趣转向了光学、电磁学，他以综合提出控制电磁场的麦克斯韦方程而出名。由于狭义相控制电磁场的麦克斯韦方程而出名。由于狭义相对论早先就是首先对控制电磁场的麦克斯韦方程对论早先就是首先对控制电磁场的麦克斯韦方程讨论引出矛盾才出现的。巧合的是麦克斯韦逝世讨论引出矛盾才出现的。巧合的是麦克斯韦逝世的那一年恰好相对论的提出者爱因斯坦出生。的那一年恰好相对论的提出者爱因斯坦出生。麦克斯韦方程组此外他在数学上最早定义了向量场的旋度，他对陀螺8 8l l麦克斯韦发展了英国物理学家法拉第(Michael Faraday 17911867)关于电磁场的概念，用一组偏微分方程把电场与磁场连接在一起。这组方程后来被称为麦克斯韦方程组。他用这组方程证明了电荷的振荡会产生电磁波。并且提出光也是一种特殊的电磁波。这些看法后来都被实验所证实。麦克斯韦发展了英国物理学家法拉第(Michael Farad9 9卡文迪什实验室主任l l麦克斯韦1850年以优异的成绩考入剑桥大学。1856年在阿尔伯丁被任命为教授，1871年接受剑桥大学实验物理学教授的聘任。在剑桥期间组建了卡文迪什实验室。该实验室对20世纪的物理研究产生了巨大的影响。卡文迪什实验室主任麦克斯韦1850年以优异的成绩考入剑桥大学1010统计物理l l麦克斯韦在麦克斯韦在18571857年对土星的光环进行研究时，他年对土星的光环进行研究时，他认为，如果光环是固体或液体的话，就会由于旋认为，如果光环是固体或液体的话，就会由于旋转时所受的引力和惯性力而破裂。只有光环是由转时所受的引力和惯性力而破裂。只有光环是由无数小颗粒组成才会稳定的观点。随后麦克斯韦无数小颗粒组成才会稳定的观点。随后麦克斯韦从微小颗粒的观点讨论气体，他考虑到分子不仅从微小颗粒的观点讨论气体，他考虑到分子不仅在各个方向上运动，而且在不同速度上运动，分在各个方向上运动，而且在不同速度上运动，分子之间以及和器壁的碰撞是完全弹性的。由此和子之间以及和器壁的碰撞是完全弹性的。由此和当时也讨论这个问题的奥地利物理学家玻耳兹曼当时也讨论这个问题的奥地利物理学家玻耳兹曼（Ludwig BoltzmannLudwig Boltzmann，1844-1906)1844-1906)同时创建了麦同时创建了麦克斯韦玻耳兹曼气体分子运动论。他并且认为克斯韦玻耳兹曼气体分子运动论。他并且认为温度是分子运动的平均速度有关的宏观物理量，温度是分子运动的平均速度有关的宏观物理量，从而给以前流行的热质说的热流动的说法最后的从而给以前流行的热质说的热流动的说法最后的打击。打击。统计物理麦克斯韦在1857年对土星的光环进行研究时，他认为，1111麦克斯韦妖l l玻耳兹曼还设想，如果有两个盛有相同温度气体的容器，有一个小门连接起来，有一个妖精把门，当运动慢的分子到右边门就打开，运动快的分子到左边，门也打开，它们向相反的方向运动，门就关闭。这样左边的容器就会愈来愈热，右边的容器会愈来愈冷。这是违背热力学第二定律的一种设想。这个妖精被称为麦克斯韦妖。麦克斯韦妖玻耳兹曼还设想，如果有两个盛有相同温度气体的容器，1212德国物理学家基尔霍夫基尔霍夫Gustav Robert Kirchhoff18241887 l l是德国一位律师的儿子，大约是在欧拉之后100年的人物。1842年他进入哥尼斯堡大学，他曾听过牛曼（L.Neumann）的课并被后者发现其卓越才能，推荐为最有希望的科学家。1848年获博士学位，1854年在海德堡大学执教。德国物理学家基尔霍夫Gustav Robert Kirch1313物理学上的贡献l l他的主要成就在物理学方面。他第一个证明电脉冲是以光速传播的；最早发现光谱与化学元素的关系建立了光谱学，后人由此发现了若干新元素并且借以了解太阳与别的恒星的元素构成；最早提出理想黑体并进行了黑体辐射的实验，后人认为是对量子力学产生有很大的影响，量子力学的奠基人普朗克是他的学生，在他指导下进行过研究；他提出电路计算的规则，至今被称为基尔霍夫定律。物理学上的贡献他的主要成就在物理学方面。他第一个证明电脉冲是1414基尔霍夫假设l l基尔霍夫在固体力学中最重要的贡献是提出了精确的板的理论。基尔霍夫在1850年发表了平板问题的重要论文，文章纠正了以往关于平板问题边界条件的错误。基尔霍夫采用虚位移原理推导板的边界条件，指出对于求解平板问题不需要三个边条件而只要两个边界条件便够了。他正确地求解了圆板的振动问题。基尔霍夫假设基尔霍夫在固体力学中最重要的贡献是提出了精确的板1515l l在建立平板问题的方程时，他假定：在建立平板问题的方程时，他假定：1 1）变形时垂）变形时垂直于中面的直线仍保持为直线，变形后还垂直于直于中面的直线仍保持为直线，变形后还垂直于中面，中面，2 2）中面的元素在变形时不伸长。这个简化）中面的元素在变形时不伸长。这个简化平板问题的假设现今仍在使用，被称为直法线假平板问题的假设现今仍在使用，被称为直法线假设也称为基尔霍夫假设。设也称为基尔霍夫假设。l l18881888年，英国人乐甫利用基尔霍夫对平板问题的年，英国人乐甫利用基尔霍夫对平板问题的假设导出了弹性薄壳的平衡方程，至今这个假设假设导出了弹性薄壳的平衡方程，至今这个假设被人称为基尔霍夫被人称为基尔霍夫乐甫假设。乐甫假设。在建立平板问题的方程时，他假定：1）变形时垂直于中面的直线仍1616弹性杆动力学比拟l l他在弹性杆方面发展了欧拉的工作。他导出了大挠度杆的一般平衡方程。他说：“当力作用在杆端时，这些方程与刚体绕固定点运动的方程相同。”这个看法是基于在变形后杆的每一点，由单位切向量、法向量、次法线所组成的单位三面体，沿曲线弧上运动时，也产生如同刚体绕固定点运动的转动。所以他得到的方程为弹性杆动力学比拟他在弹性杆方面发展了欧拉的工作。他导出了大挠1717l l其中A，B为截面的两个主弯曲刚度，C为扭转刚度，p,q为曲率沿主方向上的投影，r为挠率。杆上的切力，为分布力矩。几位大物理学家的力学贡献课件1818l l这就是所谓基尔霍夫动力学比拟。最简单的一个情形便是单摆与受压杆在超过临界变形的情形，二者的积分都是椭圆函数。l l基尔霍夫在1876年出版的理论力学讲义是理论力学方面的一本影响很大的教材，后来被多次再版并被翻译为多种文字。书中比较明确地定义力学是关于运动的科学，运动，即随时间的空间变化，也就是物质。这就是所谓基尔霍夫动力学比拟。最简单的一个情形便是单摆与受压1919德国物理学家赫兹赫兹Heinrich Rudolf Hertz18571894l l在在18891889年继年继R.R.克劳修斯任波恩大学物理学克劳修斯任波恩大学物理学教授。教授。18871887年赫兹用自己设计的振荡器第年赫兹用自己设计的振荡器第一次通过实验证实了电磁波的存在，证明一次通过实验证实了电磁波的存在，证明了了J.C.J.C.麦克斯韦理论的正确性，后又研究麦克斯韦理论的正确性，后又研究电磁波的各种性质（反射、衍射、折射、电磁波的各种性质（反射、衍射、折射、形成驻波等），证实了电磁波在空气中的形成驻波等），证实了电磁波在空气中的传播速度等于光速，确立了电磁波和光波传播速度等于光速，确立了电磁波和光波基本特性的等同性。基本特性的等同性。1886188618871887年，研究年，研究了共振回路理论、紫外光对放电的影响、了共振回路理论、紫外光对放电的影响、阴极射线的性质等。赫兹曾多次获得意、阴极射线的性质等。赫兹曾多次获得意、法、奥、德等国科学院和学术团体的奖章法、奥、德等国科学院和学术团体的奖章和奖金，并被选为柏林科学院、剑桥哲学和奖金，并被选为柏林科学院、剑桥哲学学会等学会等7 7个主要学术组织的通讯会员。为纪个主要学术组织的通讯会员。为纪念他，人们以赫兹作为振荡频率的单位。念他，人们以赫兹作为振荡频率的单位。德国物理学家赫兹Heinrich Rudolf Hertz2020l l纵观赫兹一生的科学历程，像他的老师亥姆霍兹纵观赫兹一生的科学历程，像他的老师亥姆霍兹一样，他是严格地坚持将力学作为物理科学的共一样，他是严格地坚持将力学作为物理科学的共同基础，他在一篇文章中说：同基础，他在一篇文章中说：“所有物理学家都所有物理学家都同意这样的观点，即物理同意这样的观点，即物理 学的任务在于把自然现学的任务在于把自然现象归结为简单的力学定律。象归结为简单的力学定律。”但与牛顿的古典力但与牛顿的古典力学不学不 同，赫兹是被称为同，赫兹是被称为“无力力学无力力学”运动学流派运动学流派的拥护者，这一流派认为，一切物理现象都是运的拥护者，这一流派认为，一切物理现象都是运动着的重物在接触时的相互作用，而不是用力的动着的重物在接触时的相互作用，而不是用力的概念作为解释的依据。赫兹对力学的研究成果，概念作为解释的依据。赫兹对力学的研究成果，主要体现在他的学术著作无力的力学及主要体现在他的学术著作无力的力学及18761876年出版的力学原理等书中。赫兹最早将力学年出版的力学原理等书中。赫兹最早将力学定律看作是发展着和变化着的事物，从而为突破定律看作是发展着和变化着的事物，从而为突破近代力学的思想束缚作出了思想上的准备。近代力学的思想束缚作出了思想上的准备。纵观赫兹一生的科学历程，像他的老师亥姆霍兹一样，他是严格地坚2121l l1883年初解决了长圆柱受集中力的解。1889年，赫兹说明了用球形物体与圆柱形物体相互挤压问题的实验结果。结论是如果挤压前在表面上涂以烟炱则表现接触面的轮廓为椭圆。他同时给出了这个问题的理论解。这个解现在人们还称为赫兹接触问题解。l l1894年赫兹将力学系统区分为完整系统与非完整系统两类，对应于完整约束与非完整约束。后来开辟了非完整力学的研究。1883年初解决了长圆柱受集中力的解。1889年，赫兹说明了2222英国科学家汤姆孙汤姆孙（William Thomson 即Kelvin,18241907）l l1892年受封为开尔文勋爵。W.汤姆孙1845年毕业于剑桥大学。18461899年任格拉斯哥大学自然哲学教授。1904年任格拉斯哥大学校长直至逝世。英国科学家汤姆孙（William Thomson 即Kel2323l l在他的科学活动的早期在弹性力学中求解了在均在他的科学活动的早期在弹性力学中求解了在均匀各向同性无限弹性介质中受一集中力的解，这匀各向同性无限弹性介质中受一集中力的解，这个解称为开尔文解。在流体力学中，他证明了在个解称为开尔文解。在流体力学中，他证明了在理想流体条件下，流体内部的涡量守恒定理，这理想流体条件下，流体内部的涡量守恒定理，这个定理至今被称为开尔文定理。能量的概念虽然个定理至今被称为开尔文定理。能量的概念虽然是由托马斯是由托马斯 杨于杨于18071807年早就提出的，只有经过年早就提出的，只有经过KelvinKelvin大力提倡和论证之后才为科学界普遍接受，大力提倡和论证之后才为科学界普遍接受，他认为他认为所有看得見的物理所有看得見的物理与化学现象与化学现象，其背，其背后后有有一一个个看不見的共通原則在引看不見的共通原則在引导着导着，这就是这就是“能量能量”(Energy)”(Energy)。在他的科学活动的早期在弹性力学中求解了在均匀各向同性无限弹性2424l l他是热力学和气体动理论的创始人之一。国际单位制中热力学温度单位中的开（尔文）氏温标即为纪念他而命名。他在1851年发表题为热动力理论的论文，给出热力学第二定律的Kelvin表述：我们不可能从單一热源取热，使它完全变为有用功而不产生其他影响。所以后人称他为热力学之父。他是热力学和气体动理论的创始人之一。国际单位制中热力学温度单2525l l开尔文一生贡献甚多，涉及电磁学，热力学，工开尔文一生贡献甚多，涉及电磁学，热力学，工程科学，电工仪表与测量，波动、涡流和以太学程科学，电工仪表与测量，波动、涡流和以太学说、地球年龄的估计等，尤其是他负责敷设了大说、地球年龄的估计等，尤其是他负责敷设了大西洋海底电缆工程。在这项工程实施中，他研究西洋海底电缆工程。在这项工程实施中，他研究了电缆中信号传播的情况，导出了信号传播速度了电缆中信号传播的情况，导出了信号传播速度减慢与电缆长度平方成正比的规律。他还研制成减慢与电缆长度平方成正比的规律。他还研制成可提高仪器测量灵敏度的镜式检流计、可自动记可提高仪器测量灵敏度的镜式检流计、可自动记录电报信号的虹吸记录器；设计制作了绝对静电录电报信号的虹吸记录器；设计制作了绝对静电计、开尔文电桥、圈转电流计等；建立了电磁量计、开尔文电桥、圈转电流计等；建立了电磁量的精确单位标准，为近代电学单位标准奠定了基的精确单位标准，为近代电学单位标准奠定了基础。海底电缆的敷设成功不仅使英国在海底电报础。海底电缆的敷设成功不仅使英国在海底电报通信上居世界领先地位，还对现代大型工程的建通信上居世界领先地位，还对现代大型工程的建设起了重要推动作用。他最早获得液态氮。设起了重要推动作用。他最早获得液态氮。开尔文一生贡献甚多，涉及电磁学，热力学，工程科学，电工仪表与2626l l开尔文18901895年任英国皇家学会会长。1896年当选为彼得堡科学院名誉院士。此外，汤姆孙还是一位卓越的教师和科研事业领导人，他还努力促进大学与中学物理教学的提高，写出了几本出色的教材。其中与台特合著的自然哲学教材是一本涉及力学与热学以及物理的基础教材，影响很大。英国能够在20世纪前30年在原子物理学领域保持重要的领先地位，汤姆孙的有力指导和优秀教学能力起了相当作用。开尔文18901895年任英国皇家学会会长。1896年当选2727英国科学家斯特拉特斯特拉特瑞利瑞利John William Strut Rayleigh18421919 l l在在3131岁的时候继承了父亲的爵位，岁的时候继承了父亲的爵位，因此人们通常称他为瑞利勋爵。因此人们通常称他为瑞利勋爵。18651865年以全班第一名的优异成绩毕年以全班第一名的优异成绩毕业于剑桥大学，业于剑桥大学，18731873年被选入皇家年被选入皇家学会，学会，18791879年他继麦克思威尔任剑年他继麦克思威尔任剑桥大学卡文迪什实验室主任。他在桥大学卡文迪什实验室主任。他在卡文迪什实验室工作的前后，他自卡文迪什实验室工作的前后，他自己有一个相当好的自费实验室。他己有一个相当好的自费实验室。他的许多重要发现是在他自己的实验的许多重要发现是在他自己的实验室中完成的。室中完成的。英国科学家斯特拉特瑞利John William Stru2828稀有气体的发现l l瑞利最为著名的研究工作是在化学方面，他从各种不同的途径制备的氮经过测量发现从空气中制备的密度要大。这个实验导致了稀有气体的发现。并为此而得到了1904年的诺贝尔物理奖。稀有气体的发现瑞利最为著名的研究工作是在化学方面，他从各种不2929波动研究l l瑞利研究工作的主要兴趣集中在各种波动上。在瑞利研究工作的主要兴趣集中在各种波动上。在电磁波方面，他得到了光的色散随波长变化的方电磁波方面，他得到了光的色散随波长变化的方程，并且证实了前人关于天空呈现蓝色是由于光程，并且证实了前人关于天空呈现蓝色是由于光被大气尘埃散射的观点。瑞利还求出了对应于黑被大气尘埃散射的观点。瑞利还求出了对应于黑体辐射波长分布的方程。此外他在研究声波、水体辐射波长分布的方程。此外他在研究声波、水波与地震波上都取得了重要的成果。在计算振动波与地震波上都取得了重要的成果。在计算振动频率中他提出了一种靠简化假定、将复杂问题化频率中他提出了一种靠简化假定、将复杂问题化为单自由度问题的方法，此方法后来于为单自由度问题的方法，此方法后来于19091909年由年由李兹加以改进成为基于能量的近似计算方法，现李兹加以改进成为基于能量的近似计算方法，现在被称为瑞利李兹法。在被称为瑞利李兹法。波动研究瑞利研究工作的主要兴趣集中在各种波动上。在电磁波方面3030声学理论l l1877187718781878年间，瑞利（年间，瑞利（John William Strut John William Strut Rayleigh,1842Rayleigh,184219191919）发表了他的最重要的著作）发表了他的最重要的著作声学理论。这本书分两册出版，上册是关于声学理论。这本书分两册出版，上册是关于弦、杆、薄和板的振动，下册是关于气体和固体弦、杆、薄和板的振动，下册是关于气体和固体声学的讨论，总结了至他为止的这方面的研究结声学的讨论，总结了至他为止的这方面的研究结果。果。18941894年又出版了增订版。他第一次指出弹性年又出版了增订版。他第一次指出弹性体的表面波的存在，后人称为瑞利波。这本著作体的表面波的存在，后人称为瑞利波。这本著作影响很大，它与乐甫的弹性的数学理论教程，影响很大，它与乐甫的弹性的数学理论教程，一本是关于弹性动力学的，一本是关于弹性静力一本是关于弹性动力学的，一本是关于弹性静力学的，成为弹性力学方面的互为补充的两本经典学的，成为弹性力学方面的互为补充的两本经典著作。著作。声学理论18771878年间，瑞利（John Willia3131英国物理学家汤姆孙英国物理学家汤姆孙Joseph John ThomsonJoseph John Thomson，1856-19401856-1940l l他他18761876年毕业于剑桥大学三一学年毕业于剑桥大学三一学院。院。18841884年即瑞利任卡文提什实年即瑞利任卡文提什实验室主任。汤姆孙最出名的工作验室主任。汤姆孙最出名的工作是研究阴极射线，从而发现了电是研究阴极射线，从而发现了电子。并且测量了电子的荷质比。子。并且测量了电子的荷质比。断定电子是带负电的比原子小的断定电子是带负电的比原子小的基本粒子。由于这项研究开辟了基本粒子。由于这项研究开辟了亚原子领域的研究，为原子物理亚原子领域的研究，为原子物理研究走出了第一步。另外他在气研究走出了第一步。另外他在气体导电方面开创性的工作使他获体导电方面开创性的工作使他获得了得了19061906年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。19081908年被授予爵士称号年被授予爵士称号 英国物理学家汤姆孙Joseph John Thomson，3232l l汤姆孙在主持卡文提什实验室期间，大大推进了近代实验物理。他的继任者是20世纪原子物理大师卢瑟福（E.Rutherford,1871-1937）。他的助手中有七位获得了诺贝尔奖。汤姆孙在主持卡文提什实验室期间，大大推进了近代实验物理。他的3333动力学在物理与化学中的应用l l与这里介绍的其他著名物理学家所不同的是，汤与这里介绍的其他著名物理学家所不同的是，汤姆孙本人没有在力学领域中作出过出名的成果。姆孙本人没有在力学领域中作出过出名的成果。不过他却写过一本对整个物理界影响深远的力学不过他却写过一本对整个物理界影响深远的力学书：动力学在物理与化学中的应用书：动力学在物理与化学中的应用（Applications of Dynamics to Physics and Applications of Dynamics to Physics and ChemistryChemistry，18881888年伦敦出版）。这本书是作者年伦敦出版）。这本书是作者在在18861886年在卡文提什实验室讲义基础上写成的。年在卡文提什实验室讲义基础上写成的。它虽然不能说是一本完全是力学方面的著作，但它虽然不能说是一本完全是力学方面的著作，但是对经典力学应用于近代物理和化学却是一本承是对经典力学应用于近代物理和化学却是一本承前启后的重要著作。前启后的重要著作。动力学在物理与化学中的应用与这里介绍的其他著名物理学家所3434l l作者在序言中说：作者在序言中说：“建立两种物理现象之间的联建立两种物理现象之间的联系有两种模式；其中最明显和最有兴趣的是从现系有两种模式；其中最明显和最有兴趣的是从现象的可靠的理论出发去询问和追踪它们之间联系象的可靠的理论出发去询问和追踪它们之间联系的每一步。这只有在有限数目的情形是可能的，的每一步。这只有在有限数目的情形是可能的，因此，在一般情形下我们不得不被迫借助于另一因此，在一般情形下我们不得不被迫借助于另一模式，它在方法上并不要求对所产生现象的机理模式，它在方法上并不要求对所产生现象的机理有详尽的知识，我们要揭示的是，不管怎样解释有详尽的知识，我们要揭示的是，不管怎样解释它们，它们必是相关的，即存在一个必然联系到它们，它们必是相关的，即存在一个必然联系到另一个。另一个。”作者说，书中就是要应用一般动力学作者说，书中就是要应用一般动力学原则发展的方法以达到这一目的。原则发展的方法以达到这一目的。作者在序言中说：“建立两种物理现象之间的联系有两种模式；其中3535l l正是作者建立的这一套基于动力学的方法，武装了他的许多学生，他们进入原子物理的领域都作出重要的贡献。其中特别影响他的博士研究生，泰勒(G.I.Taylor,1886-1975)是20世纪卓越的力学家之一。泰勒泰勒(G.I.Taylor,1886-(G.I.Taylor,1886-1975)1975)正是作者建立的这一套基于动力学的方法，武装了他的许多学生，他3636法国物理学家迪昂迪昂Pirre-Maurice-Marie Duhem18611916l l遭遇很悲惨，不但因为博士论文遭遇很悲惨，不但因为博士论文不被当时的学术权威承认，还因不被当时的学术权威承认，还因此失掉了教习资格。此失掉了教习资格。18841884年法国年法国物理学家迪昂物理学家迪昂(Pierre Duhem)(Pierre Duhem)在在热力学上进行热力学上进行“公理化公理化”研究，研究，用类似拉格朗日用类似拉格朗日(J.Lagrange)(J.Lagrange)在在分析力学中所采用的方法，结果分析力学中所采用的方法，结果得到了后人称为得到了后人称为“化学势化学势”的概的概念，迪昂这项成就是对物理学、念，迪昂这项成就是对物理学、化学的巨大贡献，从一个全新的化学的巨大贡献，从一个全新的角度完成了物理和化学的统一。角度完成了物理和化学的统一。法国物理学家迪昂Pirre-Maurice-Marie D3737l l但是，迪昂从来没有得到过物理学博士学位。他但是，迪昂从来没有得到过物理学博士学位。他就是因为坚持就是因为坚持“化学势化学势”的概念而丢掉了物理学的概念而丢掉了物理学博士论文被通过的机会，因为这个概念触犯了当博士论文被通过的机会，因为这个概念触犯了当时的法国化学权威贝特洛（时的法国化学权威贝特洛（M.BethelotM.Bethelot）。两年）。两年后，迪昂不得不用基本相同的论题，避开提及热后，迪昂不得不用基本相同的论题，避开提及热力学这个贝特洛的力学这个贝特洛的“领地领地”，申请数学博士，才，申请数学博士，才通过了答辩。得罪了学术权威贝特洛，贝特洛禁通过了答辩。得罪了学术权威贝特洛，贝特洛禁止迪昂在巴黎的大学里从事教学和科学研究工作。止迪昂在巴黎的大学里从事教学和科学研究工作。迪昂的学术生涯简直就是流放，但他的思想是不迪昂的学术生涯简直就是流放，但他的思想是不朽的，直到他去世多年，他的思想才被人们认识。朽的，直到他去世多年，他的思想才被人们认识。他的他的18841884年的未被接受的博士论文不仅对热力学年的未被接受的博士论文不仅对热力学势的系统应用具有重大的历史意义，而且以此为势的系统应用具有重大的历史意义，而且以此为起点的一系列研究，也使他与范霍夫、奥斯特瓦起点的一系列研究，也使他与范霍夫、奥斯特瓦尔德、阿累尼乌斯、勒尔德、阿累尼乌斯、勒 夏特利埃一起成为现代物夏特利埃一起成为现代物理化学的奠基人。理化学的奠基人。但是，迪昂从来没有得到过物理学博士学位。他就是因为坚持“化学3838流体力学l l迪昂在流体力学和弹性学上的贡献。集中反映在迪昂在流体力学和弹性学上的贡献。集中反映在18911891年，他出版的水力学、弹性、声学年，他出版的水力学、弹性、声学(两两卷卷)的讲义，的讲义，18961896年出版的变形体力学，年出版的变形体力学，1903190419031904年以两卷本出版的水力学研究中。年以两卷本出版的水力学研究中。这些书对力学的发展产生了重大影响。它包含了这些书对力学的发展产生了重大影响。它包含了关于纳维尔关于纳维尔斯托克斯流体的一些开创性的探索斯托克斯流体的一些开创性的探索成果，以及波在粘滞流体中的传播、考虑到稳定成果，以及波在粘滞流体中的传播、考虑到稳定性和可压缩性的流体等课题的研究。他是非线性性和可压缩性的流体等课题的研究。他是非线性弹性力学和严格数学弹性理论的开拓者弹性力学和严格数学弹性理论的开拓者流体力学迪昂在流体力学和弹性学上的贡献。集中反映在1891年3939科学史的开拓者l l迪昂是现代科学哲学和科学史的开创者之一。迪昂是现代科学哲学和科学史的开创者之一。l l迪昂迪昂19021902年出版的化学化合与混合：论观念的年出版的化学化合与混合：论观念的进化和进化和19031903年出版的力学的进化中，特别年出版的力学的进化中，特别是后者的第一编是自然哲学思想发展，说明各种是后者的第一编是自然哲学思想发展，说明各种观念是如何受到赞成、发展、又是如何被抛弃的，观念是如何受到赞成、发展、又是如何被抛弃的，另一些观念是如何受到如何偏爱、变化，以及在另一些观念是如何受到如何偏爱、变化，以及在转变中得以保留的。第二编是转变中得以保留的。第二编是1919世纪末的力学物世纪末的力学物理学的概观。迪昂当时已经看到，物理学急剧的、理学的概观。迪昂当时已经看到，物理学急剧的、持续的、激动人心的成长已摇撼了古典力学的根持续的、激动人心的成长已摇撼了古典力学的根基和古典物理学家的一些信念；由于纠缠到新的基和古典物理学家的一些信念；由于纠缠到新的问题，力学赖以建立的基础的可靠性受到怀疑，问题，力学赖以建立的基础的可靠性受到怀疑，它再次向新的领域进军。它再次向新的领域进军。科学史的开拓者迪昂是现代科学哲学和科学史的开创者之一。4040l l迪昂实际上是单枪匹马地发现了中世纪的科学的迪昂实际上是单枪匹马地发现了中世纪的科学的历史，他对历史，他对1717世纪物理学和古代物理学的发展史世纪物理学和古代物理学的发展史也作出了有深远意义的和独创性的研究。他运用也作出了有深远意义的和独创性的研究。他运用大量的原始资料证明，科学的发展总是连续的，大量的原始资料证明，科学的发展总是连续的，从而是进化的，伽利略的思想也是由许多早期的从而是进化的，伽利略的思想也是由许多早期的科学工作进化而来的，并不象伽利略本人和其他科学工作进化而来的，并不象伽利略本人和其他人认为的那样是最早的。为了充分说明这些观点，人认为的那样是最早的。为了充分说明这些观点，迪昂由静力学起源的研究开始了他的考察，结果迪昂由静力学起源的研究开始了他的考察，结果形成了两卷专题著作静力学的起源形成了两卷专题著作静力学的起源(19051906(19051906年年)。迪昂在书中追溯了静平衡原理从。迪昂在书中追溯了静平衡原理从古希腊到拉格朗日的发展，他洞察到，近代科学古希腊到拉格朗日的发展，他洞察到，近代科学诞生于公元诞生于公元12001200年左右的中世纪，有的部分成果年左右的中世纪，有的部分成果被被1515和和1616世纪的一群数学家抄袭，他们把这些作世纪的一群数学家抄袭，他们把这些作为他们自己的贡献加以发表。迪昂谴责这种智力为他们自己的贡献加以发表。迪昂谴责这种智力上的腐败现象，他强调指出，传统对于真正的科上的腐败现象，他强调指出，传统对于真正的科学进步是必不可少的。学进步是必不可少的。迪昂实际上是单枪匹马地发现了中世纪的科学的历史，他对17世纪4141几点思考几点思考l l1.1.传统对于真正的科学进步是必不可少的。近代传统对于真正的科学进步是必不可少的。近代物理学和科学的革命性的变化，不是凭空产生的，物理学和科学的革命性的变化，不是凭空产生的，它是在继承传统经典力学的基础上发展起来的。它是在继承传统经典力学的基础上发展起来的。这些物理学的大师们深厚的经典力学的功底，为这些物理学的大师们深厚的经典力学的功底，为他们进入近代物理打下了基础。并且他们在经典他们进入近代物理打下了基础。并且他们在经典力学中，就已经有过重要的创新。他们的经历说力学中，就已经有过重要的创新。他们的经历说明了，在培养一代新人中，使他们牢固掌握已有明了，在培养一代新人中，使他们牢固掌握已有的科学知识是多么重要。他们都是从事过力学教的科学知识是多么重要。他们都是从事过力学教学，而且留有影响很大的教材，就是明证。学，而且留有影响很大的教材，就是明证。几点思考1.传统对于真正的科学进步是必不可少的。近代物理学和4242l l2.2.他们所以能够有深厚的力学基础和卓越的业绩。他们所以能够有深厚的力学基础和卓越的业绩。和他们对力学学科的重要性的认识有关。他们从和他们对力学学科的重要性的认识有关。他们从方法论的高度来了解力学的作用。赫兹认为：方法论的高度来了解力学的作用。赫兹认为：“所有物理学家都同意这样的观点，即物理学的任所有物理学家都同意这样的观点，即物理学的任务在于把自然现象归结为简单的力学定律。务在于把自然现象归结为简单的力学定律。”开开尔文认为：尔文认为：“我的目标就是要证明，如何建造一我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所需要的条件。在我没有物理现象中，都将满足所需要的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型，不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解它。我就能理解它，否则我就不能理解它。”迪昂则迪昂则从哲学角度论证需要重视力学的知识传统。正是从哲学角度论证需要重视力学的知识传统。正是基于对力学重要性的这种深刻认识，推动他们在基于对力学重要性的这种深刻认识，推动他们在行动上去牢固打好力学基础并且作出卓越贡献。行动上去牢固打好力学基础并且作出卓越贡献。2.他们所以能够有深厚的力学基础和卓越的业绩。和他们对力学学4343l l3.3.力学学科不仅在近代产业革命中发挥了理论指力学学科不仅在近代产业革命中发挥了理论指导的作用，而且在近代科学革命中也起了先导作导的作用，而且在近代科学革命中也起了先导作用。如果说，这些大师们在进入近代物理领域时，用。如果说，这些大师们在进入近代物理领域时，有赖于他们的经典力学基础，那么，我们今天要有赖于他们的经典力学基础，那么，我们今天要在新的科学技术领域中一显身手，也必须有坚实在新的科学技术领域中一显身手，也必须有坚实的经典力学与近代力学的基础。现在这些大师们的经典力学与近代力学的基础。现在这些大师们已经远离我们一百多年，在这一百多年里，力学已经远离我们一百多年，在这一百多年里，力学学科也已经有了长足的发展。要想在现代科学技学科也已经有了长足的发展。要想在现代科学技术中作出有分量的工作，尤其应当打好力学基础，术中作出有分量的工作，尤其应当打好力学基础，其中包括力学在这一百多年内的重要发展。其中包括力学在这一百多年内的重要发展。3.力学学科不仅在近代产业革命中发挥了理论指导的作用，而且在4444l l4.4.当前有一些学校在考虑教学计划或专业设置时，当前有一些学校在考虑教学计划或专业设置时，认为基础是无关重要的，不断压缩基础课中力学认为基础是无关重要的，不断压缩基础课中力学的学时。在专业设置上，说什么尽量要现代化，的学时。在专业设置上，说什么尽量要现代化，要脱离那些传统的专业。这样做，似乎就是要脱离那些传统的专业。这样做，似乎就是“创创新新”。这些大师们的经历给我们上了很好的一课，。这些大师们的经历给我们上了很好的一课，失掉了基础，不能把握已有的知识，所谓的创新失掉了基础，不能把握已有的知识，所谓的创新只不过是空中楼阁而已。了解这些大师们的历史只不过是空中楼阁而已。了解这些大师们的历史是有现实意义的。是有现实意义的。l l这些学者的历史，本身就是很好的教材。这些学者的历史，本身就是很好的教材。4.当前有一些学校在考虑教学计划或专业设置时，认为基础是无关4545参考文献参考文献l l武际可，力学史，重庆出版社，2000年l lI.阿西莫夫，古今科学名人词典，科学出版社，1988l lConcise Dictionary of Scientific Biography，Charles Scribners Sons，1981参考文献4646精品课件精品课件！精品课件！4747精品课件精品课件！精品课件！4848谢谢大家谢谢大家4949