科学的制度化与职业化、电磁.ppt

第10讲科学的制度化与职业化,上讲回顾,实验传统的来源数理分析的实验演示从炼金术到化学培根科学,本讲目录,科学家社会角色的确立科学研究事业的组织化科学强国的兴衰,科学家社会角色的建立,Scientist一词最早出现在1833年，在剑桥召开的英国科学促进会的会议上，威廉休厄尔（William Whewell）提议仿照artist造新词。这个词的狭窄含义并不被当时像法拉第这样的科学家所认可近代科学革命以来，今天被我们称为“科学家”的那些人的社会角色是什么？如何谋生？在哪里工作？Man of ScienceNatural philosopher,今天的科学家在哪里？,大学政府设置的研究所企业设置的研究所,科学家的社会角色,1585年，意大利人加尔佐尼在威尼斯出版世界职业大全，除了医生是一个体面职业外，数学家、机械师、天文学家都只是一字带过不存在一个统一的科学界或科学家职业医生、天文学家、数学家、炼金术士、药剂师、金匠、园丁、政府官员不存在一套为了成为科学家而必须接受的教育和训练体系,科学家的社会角色,伽利略时代，“哲学家”是有地位的牛顿时代，“自然哲学家”有明显职业化倾向，涵盖皇家学会会员们的科学活动18世纪后期，“自然哲学家”多用来指代业余科学家1851年，查尔斯巴比奇说：“科学在英国不是一种职业，从事科学的人甚至几乎不被承认是一个阶层。”,当年的数理科学家,当年的数理科学家,当年的实验科学家,18世纪的科学家,18世纪的科学家,18世纪的科学家,1819世纪的科学家,1819世纪的科学家,1819世纪的科学家,科学活动制度化的几个阶段,作为汇集知识精英的大学，并不是近代科学的策源地。大学是保守势力的大本营，容不下科学革命家。科学革命的先驱者，大多散布在民间，从事各种各样的职业16001850年间，学会、学院是科学活动的中心，科学研究的业余化、非职业化1850年开始，大学重新成为科学精英的汇集之地，大学教授同时承担科研和教学双重任务，研究性大学出现20世纪，工业界、政府、基金会大量投入经费支持科学研究，科学的职业化彻底完成,科学活动的组织化,实验科学需要资金支持1617世纪的主要资助方式：宫廷资助1560年意大利人波尔塔（15351615）创立“自然秘密研究会”，不久指为巫术团体被取缔1603年在罗马成立林琴（Lincei，山猫、猞猁）学院，伽利略为重要成员，1630年因赞助人去世而解散1657年佛罗伦萨成立“实验（Cimento，齐曼托、西芒托）学社”，伽利略的学生托里拆利和维维安尼是发起人。1667年赞助人美第奇家族不再赞助，遂解散。,皇家学会,1718世纪的资助方式：国家介入，以皇家学会为例1640年代，哥白尼派的牧师威尔金斯（16141672）在伦敦组织“哲学学会”1660年，建筑师雷恩（16321723）倡议成立一个新的团体，并选威尔金斯为主席，但英王查理二世要求变成皇家科学组织1663年正式成立英国皇家学会，“以促进自然知识为宗旨”。本学会召集的日常会议的事务，是安排、考虑、审议和讨论哲学实验和观察报告。本学会不会承认任何古代和当代哲学家提出或提到的任何自然哲学原理的假说、体系或学说。,1665年，学会的机会刊物皇家学会哲学学报由学会秘书、商人奥尔登堡自费出版整体上体现典型的英国式经验主义风格，是培根精神的体现；名为皇家学会，实为民间组织 早期工艺师、商人较多，机械、航海技术等问题受到重视,巴黎科学院,巴黎科学院（1666）经路易十四批准成立，提供经费和津贴，外籍院士惠更斯的思想影响了法国科学院。同年出版科学通报16671672，巴黎科学院建成巴黎天文台，由意大利天文学家卡西尼（16251712）主持1699年法国科学院把科学分成六大门类，三个数学（地理、天文和数学），三个医学（解剖、化学和植物学）。,17世纪的其它科学社团,皇家出资建立了格林尼治天文台（1675），首任皇家天文学家弗拉姆斯特德（16461719），但皇家后期出钱不多。1635年巴黎皇家植物园柏林科学院（1700）在莱布尼兹（16461716）的努力下正式成立，自然科学与人文学科并重。成员主要来自法国，法文甚至成为正式语言。同时包括一个天文台,1819世纪,1724年圣彼得堡科学院，主要来自瑞士的学者，伯努利家族，欧拉。天文台1743年，富兰克林创立美国哲学会1747年瑞典天文台1753年英国基尤地区的皇家植物园1794年，巴黎皇家植物园改造成自然博物馆1795年，巴黎科学院(Academie Royale des Sciences de Paris)并入法兰西学院(Institut de France)，成为与文学、政治与道德科学并列的三大部门1812年，费城建立自然科学学院1850年，哈佛大学比较动物学博物馆,1819世纪研究机构的变迁,大学和传统研究机构向发展科学技术方向改造拿破仑充分认识到科学对于国家的战略意义，创办一批军事学校和工科学校1794年法国综合工艺学校（Ecole Polytechnique）1799年英国皇家研究院，为戴维、法拉第提供了研究场所，与此同时，一批机械学院诞生,1810年德国柏林大学建立，德语区的大学里重视自然科学，大学不仅是传授知识，而且生产知识，研究型大学来源于此。19世纪后期，德国建立了一批技术专科学校（Technische Hochschulen）1824年，李比希被亚历山大洪堡推荐到吉森大学任教，1826年在吉森建立化学实验室，学生参入其中，直接在实验教授化学。讨论班出现。科学家的培养体制开始形成，必须要有PHD。,大学的改造,1826年，慕尼黑大学建立。德国的科学研究以大学为中心开展。研究型大学是德国大学的特点。19世纪的最后25年，牛津和剑桥以及英国其它大学都设立了科学教授职位182628年成立伦敦大学1832年成立达勒姆大学，进行技工教育1760年开始，苏格兰的格拉斯哥大学和爱丁堡大学热衷研究科学，开尔文勋爵，布莱克,专业学会的建立,1766年伯明翰地区的太阴学会，博尔顿、瓦特、普利斯特列、老达尔文1788年林奈学会1807年伦敦地质学会1826年伦敦动物学会1821年英国皇家天文学会（赫舍尔）1841年伦敦化学会,科学促进会的建立,1822年德国自然科学家协会，该学会每年轮流在德国各个城市开展活动1830年，剑桥数学教授巴比奇出版论英国科学的衰退，指出科学研究在英国还没有成为一种特殊的职业，吸引人才的职业是法律，呼吁英国社会和政府关注科学发展。于是人们要求改革大学制度，大讨论的结果是，创办新的技工学校。1831年英国科学促进会。英国在19世纪在各地区成立了大量的学会，这个世纪结束时，有100多个，各自拥有100500个会员，与皇家学会规模相当，因此，英国的科学家队伍增长了100倍。,第一任书记Vernon Harcourt指出，学会的目的在于：为科学研究工作提供更强大的推动力和有计划的指导，使国民更加重视科学的目标，并排除一切阻碍科学进步的绊脚石，同时使国内国外科学家的交流日益增进。（梅森自然科学史418页）先生们，我们必须承认皇家学会已经不再像我们现在这样，用各种努力来促进自然科学的发展了。作为一个组织，皇家学会已经简直不工作了，也不想去指导别人的工作。（梅森419页）,皇家学会慢慢成为达官贵人的社交俱乐部，非科学家院士人数越来越多，到19世纪初年成了一半对一半。直到1847年，科学家才成为主体。1874年规定贵族不享受参加皇家学会的特权。1847年美国科学促进会（富兰克林）1870年法国科学促进会。法国的科学力量集中在巴黎，而外省缺乏,科学是有用的,国家鼓励科学院的学者们解决实际应用问题和经济问题。在法国科学院为例：1784年，编制法兰西地形图17461780年，编制法兰西矿物标本图集贝托莱主持纺织品染色技术拉瓦锡领导改进火药生产技术街道照明、城市下水道、度量衡,科学交流方式的发展,私人通信学会刊物1665年，巴黎创办了学者报（Le Journal des scavants），主要是书评伦敦创办了哲学学报（Philosophical Transactions），主要是学会秘书的书信摘录欧洲创办的科学期刊1668年，罗马意大利文献报1670年，莱比锡教师学报，莱布尼兹在此发表微积分运算的文章1673年，哥本哈根哥本哈根医学与哲学学报1684年，阿姆斯特丹文坛消息1702年，巴黎科学院出版历史与学术论文集，由历史与学术两部分组成，不定期出版,欧洲创办的科学期刊1710年，普鲁士科学院创办论文集17001770年，创办了400种刊物最保守的估计，16661790年，200种1770年，有影响的科学刊物25种，涵盖所有科学领域1800年，重要刊物50种左右，主要为普及读物19世纪，专业期刊大量出现,专业期刊的出现除天文、医学外，专业期刊以化学为最1790年，拉瓦锡创办化学年鉴（Annales de chimie）1778年，德国克雷尔创办化学杂志（Chemisches Journal）1790年，哈勒和莱比锡创办物理学杂志（Journal der Physik）1810年，法国尼姆出版理论和应用数学年鉴19世纪60年代，专科杂志超过500种：动物学（近百种）、地质学（80种）、博物学（75种）、植物学（65种）、化学（不到60种）、数学（45种）、物理学（30种）、天文学（20种）1869年，自然创刊，以业余读者为对象,科学强国的兴衰（1）,希腊的米利都雅典希腊化的亚里山大里亚的缪塞昂8世纪的巴格达的智慧馆文艺复兴时期的意大利16、17世纪的英国18世纪的法国19世纪的德国美国俄国,科学强国的兴衰（2）,英国科学体制：民间业余科学传统，科研机构遍布全国，科研社会化程度高，政府冷漠。道尔顿、戴维、杨、赖尔、焦耳、法拉第、麦克斯韦、达尔文法国科学体制：高度集中的科学管理体制，外省科研条件十分恶劣德国科学体制：面向工业发展科技，有机化学之父李比希，施旺、施莱登、微耳和、耐格里、魏斯曼，欧姆、楞次、赫尔姆荷兹。电力技术与内燃技术。,科学强国的兴衰（3）,美国科学体制：实用主义传统，解决实际问题，技术发明，菲奇、富尔顿、莫尔斯电码、爱迪生，吉布斯、迈克尔逊。20世纪二战之后，成为基础科学的大国俄国：罗巴切夫斯、门捷列夫,小结,到了19世纪末期，科学的体制化全面完成主要以国家的力量来支持系统的科学研究机构，科学家的社会角色明朗化学科分化的格局已经确立。科学就是分科之学。大学特别是研究型大学重新成为科技精英的汇集场所，成为科技知识的集中产出地科学与技术、科学技术与社会经济发展之间形成高度互动。科技水平已经能够作为国力盛衰的标志。,经典物理学的全面发展,光学的进展热学的成就电磁学的建立,本节教学目的和要求,1.了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学的推动作用；2.把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉；3.理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点掌握热力学第二定律的自然观意义；4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重要地位和作用。,光学的进展,1.几何光学：1621年荷兰斯涅尔发现光的折射定律2.波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论3.光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质的运动形式波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。微粒说在18世纪占据统治地位。4.波动说的胜利：19世纪初英国托马斯杨的双缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了“干涉现象”和“衍射现象”。法国的菲涅尔以数学形式证明了波动说。,菲涅尔,托马斯杨,菲涅尔的波带法,衍射现象,折射定律,干涉现象,波动说与微粒说的交锋,惠更斯与光的波动说,波动说,二、热学的成就,2.1热的本质在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。拉瓦锡在1789年的初等化学概论中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。,热质说,拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。这种物质实体热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。,热机：从技术到理论,蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。这一局面因卡诺于1824年出版关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察一书而改变。,Sadi Nicolas Lonard Carnot,卡诺(1796-1832)出身于法国望族。1814年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队服役，1820年退役后专心从事物理学理论研究。他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总统。,热机的效率,瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-95%都被浪费掉。卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。,热质守恒,卡诺在关于火的动力一书中是立足于热质说来考察热机效率的。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。,卡诺循环：理想热机,卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。,热力学的奠基人,卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。但是不幸的是他在36岁就死于霍乱。,热动说,伦福德(1753-1814)纠正了热是一种无质流体的说法。伦福德出身于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。,热质,伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。,机械运动转化为热,伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数值偏高。1799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。,热运动说的处境,伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。,2.2能量守恒定律的发现,能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。(2)十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。,2.2能量守恒定律的发现,德国人迈尔（1814-1878）作为随船医生在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。1841年他完成关于无机界各种力的意见一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了李比希主编的化学和药学年鉴上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。,2.2能量守恒定律的发现,英国的焦耳擅长实验。他对所有他想得到的有热量产生过程进行热测量。1840年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正比焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：41,450,000尔格的功产生1卡的热量。为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为4.18焦耳/卡。,成果无处发表,当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家学会都拒绝发表他的文章。1847年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时几乎没有听众，只有一位23岁的年青人威廉汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。1849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文，他的成果终于获得完全承认。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。,能量守恒定律的发现,对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国生理学家和物理学家赫姆霍兹（1821-1894）则立足于力学基础之上，追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定律的确立者。,论“力”的守恒,1847年赫姆霍兹独立完成论“力”的守恒一文，并于7月23日在柏林物理学会的年会上宣读1854年赫姆霍兹在自然力的相互作用一文中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为力的守恒原理”。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。以1850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。,意义,能量守恒与转化定律被认为是物理学的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯），恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。该定律的发现标志着近代物理学第二次理论大综合。,2.3热力学第一、第二定律的建立,热力学第一定律的建立热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无关。在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。,第一定律的克劳修斯表述,1850年4月克劳修斯在物理和化学年鉴上发表了论热的动力和可由此推导热学本身的定律提出热力学第一定律表述：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。”,第一定律的开尔文表述,1851年开尔文发表以焦耳先生的单位热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热的动力学理论一文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：“物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量”。这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。,热力学第二定律的建立,热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。,第二定律的克氏表述,在1854年物理和化学年鉴上发表的论机械热理论第二基本定律的一个改变形式一文中，克劳修斯给出了通常所说的热力学第二定律的“克氏表述”：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化。”,熵,1865年4月克劳修斯在关于热的动力理论的主要方程的各种应用的方便形式中提出了一个与变化途径无关的状态函数S。定义dS=dQ/T，S表示物体的热转变含量，并用了一个与能量的德文字（Energie）相近的从希腊文转写过来的词Entropie来命名S。1923年普朗克到南京东南大学作热力学第二定律方面的讲学，胡复刚为之翻译，首次把Entropie译作熵。,“克氏表述”的精练形式,在1865年的论文中，克劳修斯把热力学第二定律表述为：对于可逆过程而言，熵等于0；对于不可逆过程而言，熵总是大于0。1875年在热的动力理论中又提出了热力学第二定律“克氏表述”的更为精炼的形式：“热不可能自发地从一冷体传到一热体”。,“宇宙热寂说”,1867年在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生联合会议上，克劳修斯他把整个宇宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出：(1)宇宙的总能量是一个常数；(2)宇宙的熵趋向某一个极大值。这就是后来引起很多争议的“宇宙热寂说”的正式提出。,第二类永动机不存在,在1856年的论动力的起源和转变中，开尔文把热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第二定律的永动机称作第二类永动机。热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机是不存在的。,热力学第三定律,热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关，1848年汤姆逊提出绝对零度可能是温度下限的观点，1906年德国人斯特提出任何物体都不可能冷却到绝对零度。,电磁学的建立,3.1从静电到动电的研究：18世纪静电学研究最重要的成就是美国富兰克林提出的关于单电流体的一元论，并用著名风筝实验加以证明；18世纪末电学从静电研究向流电研究发展，意大利伽伐尼发现动物电流、伏打在电堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理论。,3.2奥斯特的发现,1819年丹麦物理学家奥斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次课堂实验中发现：让一个罗盘靠近通电导线，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的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。,3.3 法拉第的电磁学研究,法拉第（Michael Faraday 1791-1867）是一名铁匠的儿子。早年做装订工学徒（1805年），使他有机会接触许多书，常翻大英百科全书中的电学文章和拉瓦锡的化学教程等。,戴维的助手、实验天才,1813年22岁的法拉第成为戴维的助手，任务是刷洗瓶子。实验室里的法拉第渐渐表现出他的天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。比如法拉第能熟练制备三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因此而失明。,让磁力产生电流？,法拉第在1821年就设计了一个实验装置，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流。,读不到电流,实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。他用安培(Ampre,Andr 1775-1836)发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在 第二个线圈中读不到电流。,没有轻易放过的现象,在多次无效的尝试之后，一次在关闭第一线圈的电流的一刹那，第二线圈的电流计指针颤动了一下。据说十年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理论，就对之未加考虑。但法拉第没有轻易放过这一现象。,电磁感应,经过反复实验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。,磁力线,法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。,磁感应发电机,一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作原理是一样的。,3.4麦克斯韦的数学升华,法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像，成功地用力线模型解释了电磁现象。但是由于他是自学成才，不熟悉数学，因此不可能给他的理论给以数学表示。是数学天才麦克斯韦完成了这项工作，并且补充了更多的内容，从而奠定了电磁场理论的基础。,麦克斯韦,麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879）出生于苏格兰望族，是家中的独子。他从小就有数学方面的天分，但是被同学们称为傻瓜。十五岁时他把如何绘制卵形线的方法写成论文送到皇家学会宣读。1850年进剑桥大学。,论法拉第的力线,麦克斯韦接受开尔文的忠告，通读了法拉第的论文集电学实验研究，他认识到关键在于在少数简单的观念的基础上把其中交错混乱的电磁学解释明白。1856年2月他发表了电磁学的第一篇论文论法拉第的力线，文章的目标首先放在用数学表示法拉第的见解上。,论物理的力线,1862年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇论文论物理的力线。这篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，从而巩固了电磁理论的基础。在该文中麦克斯韦论述了传递电作用的媒质具有什么样的结构，在媒质中产生什么样的张力和运动，怎样表示观测到的电磁现象等问题。,磁力管,按照法拉第的思想，整个空间都充满了由磁力线构成的磁力管，各磁力管都具有横向扩展和纵向收缩的性质。好比旋转着的液体，由于收到离心力的作用，相对转轴横向扩展，在纵向收缩。麦克斯韦设想，磁力管内充满以太，而且都在作旋转运动，整个空间就被这样的以太漩涡充满。,麦克斯韦的“机械”电磁场模型,但是这样挤得满满的以太漩涡自身不能很好地同时在同一方向旋转，因此麦克斯韦设想各漩涡之间夹有像滚珠轴承那样的粒子。在这样的模型中，磁场强度相当于漩涡的角速度；电场强度相当于漩涡发生形变时所产生的弹性力；电流强度相当于滚珠轴承粒子的流动。,位移电流,在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流的概念：即由轴承粒子的位移产生的电流。从位移电流概念出发能导出重要的结论。麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播速度几乎等于当时测得的真空中的光速。于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起电磁现象的情形一样，是以太的横向振动。,电磁场的动力学理论,麦克斯韦在1864年发表了第三篇电磁学论文，对他的理论进行了重新构造。给出了现在叫做麦克斯韦方程组的电磁场偏微分方程组。在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称为电磁场理论。麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特征的媒质状态的变化来理解电磁作用。,电磁通论,1873年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成之作电磁通论。他在该书的第一章中写道：这本书的立场是把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒质的力学状态引起的来研究。在麦克斯韦看来，所谓电磁场就是以太的某种力学状态。,麦克斯韦的理论表明：,电与磁不能孤立地存在，哪里有电，哪里就有磁；哪里有磁，哪里就有电。电粒子的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固定的速度c向外辐射电磁波。麦克斯韦进一步预言光由电粒子振荡产生，所以也是一种电磁辐射。电粒子可以以任何速度振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光只不过是其中的一部分。,意义,麦克斯韦电磁理论作为宏观电磁学的完整理论，第一次揭示了光、电、磁的统一性，是近代以来物理学第三次理论大综合，标志着经典物理学已发展到巅峰。,麦克斯韦速率分布函数,麦克斯韦,预言的证实,他的预言在不久的将来（1888）得到了证实，但是麦克斯韦因为患有癌症，不到五十岁（1879）就去世了。如果他有正常人的寿数，是能够活着看到自己的一个一个科学预言被证实。,他作出的比他知道的还要好,然而他也会看到他为了解释电磁波在空间传播而精心构建的以太理论被证明是不必要的。他的电磁场方程组不依赖他对以太的解释。麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几乎推翻了整个“经典物理学”，而麦克斯韦方程组仍保持不变，同过去一样仍旧适用。,思考题,1.资本主义工厂大工业的建立对近代物理学的发展产生了怎样的推动作用？2.怎样看待光的微粒说与光的波动说之争？3.热力学第二定律的涵义是什么？该定律在自然观上有何意义？4.如何理解电磁学的建立在物理学史和技术史上的地位和作用？,本节主要参考书,1.美弗卡约里著物理学史（广西师范大学出版社）2.美乔治伽莫夫物理学发展史（商务印书馆）3.李建珊科技文化的起源与发展第七章（南开大学出版社）4.德劳厄著物理学史（商务印书馆）,第六节：数学的全面繁荣,一、解析几何的创立二、微积分的诞生三、概率论的建立四、非欧几何学的出现,本节教学目的和要求,1.了解近代资本主义大工业的建立对近代数学的推动作用；2.了解解析几何的创立在数学史上的划时代意义；3.全面认识微积分的发展线索，重点了解牛顿和莱布尼兹各自建立微积分的过程和特点；4.深入把握非欧几何学的创立过程，着重理解科学发展的内在逻辑。,近代变量数学发展线索,解析几何 非欧几何-拓扑学 微积分（牛顿、莱布尼兹）-分析类的分支 概率统计,变量数学的兴起,数学中的转折点是笛卡儿的变数.有了变数，运动进入了数学，有了变数，辩证法进入了数学有了变数，微分和积分也就立刻成为必要的了 在一切理论成就中，未必再有什么像17世纪下半叶微积分的发现那样被看作人类精神的最高胜利了，如果在某个地方我们看到人类精神的纯粹的和唯一的功绩，那正是在这里。恩格斯,一、解析几何的创立,在17世纪，数学科学发生了根本性的转折，这种转折实质上是由社会生产力的急速发展所引起的。数学根本性的转折之一是解析几何的诞生。解析几何的创始人是笛卡儿和费马.他们都对欧氏几何的局限性表示不满:古代的几何过于抽象,过多地依赖于图形.他们代数也批评代数过于受法则和公式的约束,缺乏直观.同时,他们都认识到几何学提供了有关真实世界的知识和真理,而代数学能用来对抽象的未知量进行推理,代数学是一门潜在的方法科学.因此,把代数学和几何学中一切精华的东西结合起来,可以取长补短.这样一来,一门新的科学诞生了。,一、解析几何的创立,解析几何学是由法国的费马（16011665）和笛卡尔（15961650）各自独立创立的。费马把代数学运用于几何学，采用在一个坐标系中以一系列的数字表示一条曲线轨迹的方法。费马的成就在其去世后才发表。,费马,笛卡尔,笛卡儿的理论,笛卡儿的解析几何学成就体现在其1637年发表的方法论中，以两个思想为基础:一个是坐标思想；另一个是方程与曲线的思想，即两个未知数表示的某个代数方程可以看成平面上的一条曲线；反之，一条曲线可以用曲线上任意点（x,y）坐标之间的方程关系来表示。笛卡儿对几何问题应用了代数方法:研究几何轨迹问题，提出在由两条直线构成的平面坐标系里的几何图形都可以转化成一个二元方程，这样平面几何学的问题就都可以用代数学的方法加以处理。解析几何的精华在于把几何曲线用代数方程来表示,同时又用代数的研究方法来研究几何。,殊途同归,费马从代数方程出发来寻找其轨迹，笛卡尔则从轨迹出发来寻找其代数方程，是数学发展的殊途同归。过去的数学只能描写一些确定的、不变化的量，解析几何学使得变量的描述成为可能，这是数学发展史上的一次质的飞跃。,解析几何出现后不久，微积分也被发现了。可以说，微积分不仅是数学的伟大发现，也为近代科学开辟了光明的道路；微积分不仅是17世纪的伟大发现，而且是世界人类文明史上最为光辉灿烂的发现。,二、微积分的诞生,十六、十七世纪科学和生产中面临的大量重要问题，促进了微积分的诞生与发展。微积分的来源是科学发展对数学要求的必然：速度、距离、重心；切线、长度、面积、体积；极值问题等等。,速度切线,微分,距离体积,积分,二、微积分的诞生,微积分发展的历史足迹,古希腊时代伟大的数学家、力学家阿基米德，我国古代著名数学家刘徽，祖冲之、祖暅父子等为积分思想的形成和发展做出了重要的贡献，他们的工作领先了欧洲数学家的工作一千多年。16，17世纪是微积分思想发展最为活跃的时期，其杰出的代表有伽利略、开普勒、卡瓦列里、费马、巴罗，等。他们的工作为牛顿、莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz 1646-1716，)创立微积分理论奠定了基础。,牛顿的微积分,牛顿在17世纪60年代创立了微积分，他称之为流数术，其基本原理是把数学中的量看作是由连续轨迹运动产生的，不再看作是由无穷小元素构成的。牛顿使用了无穷小增量，但对这个概念没有给出明确的规定和严格的数学的证明。,微分与积分:无穷级数的形式 微积分的应用,牛顿求积分:二项式定理,牛顿的微积分,莱布尼兹的微积分,莱布尼兹于1684年发表了微积分成果，他称之为求差的方法和求和的方法。其基本思想是把一条曲线下面的面积分割成许多小矩形，矩形与曲线之间微小的直角三角形的两边分别是曲线的相邻两点的纵坐标和横坐标之差，当这两个差无限减小时，曲线上相邻两点便无限接近。连接这样的两点就得出曲线在该点的切线，就是求差的方法。求差的反面就是求和。,莱布尼兹的微积分,微积分发明权之争,牛顿和莱布尼兹关于微积分发明权之争导致英国数学家与大陆数学家之间的对峙，学术上形成门户之见，严重地妨碍了科学的进步，应引以为鉴。牛顿和莱布尼兹的方法都是建立在一个未加严格定义的无穷小增量的基础之上，尽管该方法在应用中非常有效，但其数学基础并不牢固，直到19世纪法国柯西（17891857）和德国维尔斯特拉斯（18151897）等人给出“极限”概念，才为微积分奠定了严格的基础。,柯西,维尔斯特拉斯,微积分的伟大意义,1、微积分改变了数学的研究对象、方式和方法，带来了数学空前和持久的繁荣昌盛！显示了数学内部的辨证统一的深刻哲理。2、推动了科学技术的发展。有了微积分，它就成为了物理学的基本语言。其他如力学、天文学、化学等学科都得到了无限的推动力。3、对人类物质文明作出了巨大贡献。数学方法的应用和更新，通过其他学科对人类的进步产生了前所未有的作用。,三、概率论的建立,概率论的建立首先是费马和他同时代的帕斯卡的功绩，他们通过对游戏和赌博中掷骰子的考察，从大量的偶然性事件中寻求其统计上的必然性，从而创立了概率论。,四、非欧几何学的出现,为了消除欧氏几何学第五公设的“疵点”，英国高斯、俄国人罗巴切夫斯基、匈牙利人波耶、德国人黎曼分别创立了非欧几何学，打破了欧氏几何的一统天下，拓宽和深化了人们对空间的认识。,公理体系,一组公理体系应当具有以下三个性质：（1）完备性：就是说使整个学说中要用的一切事物都完全可归结到公理，使之不存在任何默许的其他假定。（2）相容性：从公理不能推出两个互相矛盾的定理。（3）独立性：任何一个公理都不是另一个公理的推论。,欧氏几何的公理体系出现在欧几里德的集合原本中，在2200年之后，希尔伯特在几何基础加以完善。其间，许多数学家作了许多公理体系的完备性工作。然而，令人放心不下的是该公理体系中的第五公理，即平行公理的独立性问题。因为人们发现即使欧几里德本人也尽量避免使用它。所以人们开始从三个方面研究平行公理。（1）试图给出新的平行线定义以绕开这个困难；（2）试图用比平行公理缺点更少的其他公理取代它；（等价或包含）（3）试图用其他公里推出它。第三个问题得到的最多的研究，但是毫无结果。,第五公设的证明：非欧几何的萌芽,在公设、公理基础上建立起来的欧几里德几何学被公认为是数学严格性的典范。但是数学家们同时也感到欧氏几何中存在着某种瑕疵。其中最让数学家们感到不大舒服的是第五公设。第五公