1、2017 年 5 月物理学科文化墙设计程风明 整理墨子中的光学问题战国（公元前 475 年公元前 221 年）时期，墨家最伟大的成就是在光学方面。墨子中以 8 条文字连续地记述了光学问题。它们依次是：影子生成的道理；光线与影的关系；光线直线行进实验；光 反射特性；从物体与光源的相对地位关系确定影子的大小；平面镜的 反射现象；凹面镜的反射现象；凸面镜的反射现象。墨子中以小 孔成像的实验论述光是沿直线传播的，这是我国古代独特的光学成就。19光的色散太阳发出的光，照亮了地球，使万物生辉。17 世纪以前，人们一直认为白色是最单纯的颜色。直到 1666 年，英国物理学家牛顿（1643 年1727 年）用
2、玻璃三棱镜分解了太阳光，这才揭开了光的颜色之谜。彩虹就是太阳光在传播中遇到空气中的水滴，经反射、折射后产生的现象。伏打电池1800 年 3 月 20 日，伏打（1745 年1827 年）写信给那时伦敦皇家学会会长约瑟夫班克斯，在这封信中他描述了伏打电池。伏打写了这封值得纪念的信以后 6 个星期，第一个伏打电池在英国被尼科尔逊和卡莱斯勒爵士制成。在伏打之前，人们只能应用摩擦发电机， 运用旋转以发电，再将电存放在莱顿瓶中，以供使用。这种方式相当麻烦，所得的电量也受限制。伏打电池的发明改进了这些缺点，为人们获得稳定的持续的电流提供了一个方法，使得电的取得变得非常方便。电气所带来的文明，伏打电池是一个
3、重要的起步，他带动了后续电气相关研究的蓬勃发展。欧姆定律欧姆（1787 年1854 年），德国物理学家，对电流跟电阻和电压之间的关系进行了大量实验研究，并于 1826 年归纳出了今天所称的欧姆定律。1827 年欧姆出版了他的著作伽伐尼电路：数学研究。在这本书中，包括了欧姆定律的理论推导。电磁波1820 年奥斯特发现了电流的磁效应，1831 年法拉第发现了电磁感应现象，1865 年麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组来揭秘电与磁， 1888 年赫兹通过实验证明了电磁波的存在，后来，马可尼利用电磁波进行通信，最终于 1901 年实现了跨越大西洋的无线电通信。“实践理论实践应用”，这就是物理学的魅力所在。杠
4、杆原理阿基米德（公元前 287 年公元前 212 年）在他的板的平衡中论证了杠杆原理动力动力臂=阻力阻力臂。他对杠杆效率的评价反映在他的（据说）警句中：“给我一个可依靠的支点，我就能把地球撬动。”阿基米德原理阿基米德（公元前 287 年公元前 212 年）在他的浮体一书中，建立了以他的名字命名的重要的原理阿基米德原理，即： 浸在液体中的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体所受的重力。叙拉古国王艾希罗曾请阿基米德鉴别皇冠是否用纯金制成的。你能帮阿基米德鉴别一下吗？你能想到几种方法？自由落体运动落体的运动是司空见惯的，但人类对它的认识却经历了差不多两千年的时间。是什么因素决定一个物体下落
5、的快慢呢?亚里士多德（公元前 384 年公元前 322 年）认为物体下落的快慢是由他们的重量决定的。他的这一论断符合人们的常识，以至于其后两千年的时间里，大家都奉为经典。16 世纪末，意大利比萨大学的青年学者伽利略（1564 年1642 年）对亚里士多德的论断表示了怀疑。根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为 8，小石头的下落速度为 4，当我们把两块石头捆在一起时，大石头会被小石头拖着而减慢，结果整个系统的下落速度应该小于 8；但两块石头捆在一起，总的重量比大石头还要重，因此整个系统下落的速度要比 8 还大。这样，就从“重物比轻物落得快”的
6、前提推断出了互相矛盾的结论，这使亚里士多德的理论陷入了困境。为了摆脱这种困境，伽利略认为只有一种可能：重物与轻物应该下落得同样快。伽利略理想斜面实验著名物理学家伽利略（1564 年1642 年）曾设计过如图所示的斜面实验，让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动，小球将“冲” 上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上到原来的高度。减小第二个斜面的倾角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度，但这时它要运动得远些。继续减小第二个斜面的倾角，球达到同一高度时就会离得更远。于是他问道：若将第二个斜面放平，球会到达多远的位置？结论显然是：球将永远运动下去，却不再需要什么力去推动。这就是说，力不是维持物体运动的原因
7、。牛顿运动定律动力学的奠基者是英国科学家牛顿（1643 年1727 年）。他在1687 年出版的自然哲学的数学原理中提出了三条运动定律，后人把它们总称为牛顿运动定律。它们是整个动力学的核心。牛顿第一定律：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。牛顿第二定律：物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比、跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。牛顿第三定律：两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。人们对宇宙的认识公元 140 年前后，古希腊天文学家托勒密（约 90 年168 年） 发表了他的巨著天文学大成，在总结前人工作的基础上系统地
8、确立了“地心说”理论。托勒密的地心说公元 1543 年，波兰天文学家哥白尼（1473 年1543 年）在临终时发表了一部具有历史意义的著作天体运行论，完整地提出了“日心说”理论。但“日心说”理论危及到了教会的统治，罗马教廷于公元 1616 年把天体运行论列为禁书。哥白尼的日心说德国天文学家开普勒（1571 年1630 年）用了 20 年的时间研究了丹麦天文学家第谷（1546 年1601 年）用尽毕生时间所观测的行星记录，发现行星绕太阳运行的轨道不是圆，而是椭圆。开普勒分别于 1609 年和 1619 年发表了他发现的行星运动的规律，后人称为开普勒行星运动定律。万有引力定律自然界中任何两个物体都
9、相互吸引，引力的方向在它们的连线上，引力的大小与物体的质量 m1 和m2 的乘积成正比，与它们之间距离r 的二次方成反比。这就是万有引力定律。它于 1687 年发表在牛顿（1643 年1727 年）的传世之作自然哲学的数学原理中。万有引力定律清楚地向人们揭示，复杂运动的后面隐藏着简洁的科学规律。它明确地向人们宣告，天上和地上的物体都遵循着完全相同的科学法则。科学史上哈雷彗星、海王星、冥王星的发现，都是应用万有引力定律取得重大成就的例子。经典物理学晴空的两朵乌云迈克尔逊-莫雷实验原理图黑体辐射空腔示意图19 世纪的最后一天，在英国皇家学会的新年庆祝会上，著名物理学家威廉汤姆生（开尔文爵士，182
10、4 年1907 年）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。但是，他还讲到：“在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，”。威廉汤姆生在 1900 年 4月曾发表过题为19 世纪热和光的动力学理论上空的乌云的文章。他所说的第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。物理学发展的历史表明，正是这两朵小小的乌云，终于酿成了一场大风暴。威廉汤姆生所说的第一朵乌云，导致相对论
11、的产生；第二朵乌云，导致了量子论的出现。这“两朵乌云”恰恰是世纪之交物理学革命的导火线，发展起了全新的物理学理论。第五届索尔维会议合影后排左起：A.皮卡尔德（A.Piccard）E.亨利厄特（E.Henriot）P.埃伦费斯特（P.Ehrenfest）Ed.赫尔岑（Ed.Herzen） Th.德唐德（Th.de Donder）E.薛定谔（E. Schrdinger） E.费尔夏费尔特（E.Verschaffelt）W.泡利（W.Pauli）W.海森堡（W.Heisenberg）R.H.富勒（R.H.Fowler） L.布里渊（L.Brillonin）中排左起：P.德拜（P.Debye）M.克努
12、森（M.Knudsen） W.L.布拉格（W.L.Bragg）H.A.克莱默（H.A.Kramers） P.A.M.狄拉克（P.A.M.Dirac）A.H.康普顿（A.H.Compton） L.德布罗意（L.de Broglie）M.波恩（M.Born）N.波尔（N.Bohr）前排左起：I.朗繆尔（I.Langmuir）M.普朗克（M.Planck） M.居里夫人（Mme Curie）H.A.洛仑兹（H.A.Lorentz） A.爱因斯坦（A.Einstein）P.朗之万（P.Langevin）Ch.E.古伊（ch.E.Guye）C.T.R.威尔逊（C.T.R.Wilson）O.W.理查森（O
13、.W.Richardson）索尔维会议是 20 世纪初一位比利时的实业家欧内斯特索尔维创立的物理、化学领域讨论的会议。1911 年，第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开，以后每 3 年举行一届。1927 年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了，因为阿尔伯特爱因斯坦与尼尔斯玻尔两人的大辩论，这次索尔维峰会被冠之以“最著名”的称号。一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”则成了这次会议的见证， 数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物。照片的前排，坐着的都是当时老一辈的科学巨匠，中间那位是爱因斯坦， 他其实应该算一个“跨辈份”的人物。左起第三位那个白头发老太太
14、就是居里夫人，她是这张照片里唯一的女性。在爱因斯坦和居里夫人当中那位老者是真正的元老级人物洛伦兹，电动力学里的洛伦兹力公式，是与麦克斯韦方程组同等重要的基本原理，爱因斯坦狭义相对论里的“洛伦兹变换”也是他最先提出的。左起第二位则是量子论的奠基者普朗克，他在解释黑体辐射问题时第一次提出了“量子”的概念。这一排里还有提出原子结合能理论的郎之万、发明云雾室的威尔逊等，个个堪称德高望重。第二排右起第一人是与爱因斯坦齐名的“哥本哈根学派”领袖尼尔斯玻尔， 玻尔第一个提出量子化的氢原子模型，后来又提出过互补原理和哲学上的对应原理，他与爱因斯坦的世纪大辩论更是为人们津津乐道。玻尔旁边是德国大物理学家玻恩，他
15、提出了量子力学的概率解释。再往左，是法国“革命王子”德布罗意， 他提出了物质波的概念，确立了物质的波粒二象性，为量子力学的建立扫清了道路。德布罗意左边，是因发现了原子的康普顿效应而著称的美国物理学家康普顿。再左边，则是英国杰出的理论物理学家狄拉克，他提出了量子力学的一般形式以及表象理论，率先预言了反物质的存在，创立了量子电动力学。这一排里，还有发明粒子回旋加速器的布拉格等。第三排右起第三人，就是量子力学的矩阵形式的创立者海森堡，测不准原理也是他提出来的。他的左边，是他的大学同学兼挚友泡利，泡利是“泡利不相容原理”和微观粒子自旋理论（泡利矩阵）的创始者。两人同在索末菲门下学习时， 经常不按老师的要求循序渐进，而是自搞一套，老师竟也完全同意并鼓励他们这样做。右起第六人，就是量子力学的波动形式的创立者薛定谔，量子力学里薛定谔方程，就像经典力学里的牛顿运动方程一样重要。薛定谔还是最早提出生物遗传密码的人。以上这些人物，是二十世纪物理科学的最杰
