物理学史 简答题
1.谈谈你对中国古代物质观（or时空观、元气论）的认识。
答：物质观：中国古代物质观主要有：阴阳学说、五行思想和原子观点
阴阳学说：易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦。就是说宇宙的本质是“太极”，“太极”生出天地（“两仪”），再生出四时（春夏秋冬——“四象”），再生出天地山泽水火风雷（“八卦”）。
五行思想：世界万物是由“金”、“木”、“水”、“火”、“土”构成。两两相生相克，这种“生”与“克”的关系虽然能说明某些自然现象，但也被赋予了一些神秘性，对古代物理学的发展产生了消极的影响。
原子观点：名家和道家分别提出了类似原子的观点，但墨家学说中物质可以分割到一定程度后不可再分割，这就是局限之处。
2.为什么说亚里士多德是“伟大的、值得尊敬的与可笑的”？谈谈你的看法。
答：亚里士多德是归纳法的创始人之一；是主张进行有组织的研究的第一人；提出物理学名称的第一人，强调科学分类，这是是伟大的。
亚里士多德的研究很广泛，建立了一个庞大的理论体系，被称为“学术理论帝国”。他系统研究了逻辑学、政治学、论理学、文学、天文学、物理学、生物学等，著述甚丰，据说上千卷。在科学领域里起着奠基性的作用，是值得尊敬的。
亚里士多德认为：若物体不受力，运动即停止，力是运动的原因；物体越重，下落速度应该越大；地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮围绕它转。现在在我们看来是可笑的。
3.请简要分析伽利略的运动学研究方法。
答：伽利略采用了一个队近代科学的发展很有效率的程序，即
对对象的一般观察→提出工作假设→运用数学和逻辑的手段得出特殊推论→通过物理的或思想的实验对推论进行检验→对假设进行修正和推广，等等
伽利略是很重视观察的，因为从观察得到的感性经验会使人们认识到现象的特殊方面。在分析感性经验和借助于创造性想象的基础上，就可以提出工作假说。伽利略就是根据自然界单一效应的简单性的信念大胆假设自由落体是一种速度随时间成正比而增加的匀加速运动，他正是从假说入手讨论他所要研究的那种运动的定义和性质的。进而，在数学演绎阶段，从假设引出可检验的逻辑推论；在这里，数学成为他进行逻辑演绎和论证的有力工具。最后，通过特殊情况的实验，对由假设得出的结论进行检验。在完成上述步骤之后，就可以建立理论，并把它的成果向更大的广度和深度推进。
伽利略实质上使用了把实验和逻辑(数学)结合起来的方法，从而有力地推进了人类科学认识活动的进展。他所发现的许多最基本的定理，都是通过了实验和逻辑的双重证明的。值得指出的是，在伽利略的著作里所描述的实验都是理想化的，他所写出的实验数据都同理论结论精确的符合，这很可能是因为他对数据进行了筛选。这表明伽利略并没有被实验的表面现象所束缚，能够正确地对待和解释实验误差。
4.请结合牛顿的伟大综合，谈谈物理学方法的运用。
答：牛顿在科学方法上的贡献正如他在物理学特别是力学中的贡献一样，不只是创立了某一种或两种新方法，而是形成了一套研究事物的方法论体系，提出了几条方法论原理。在牛顿《自然哲学的数学原理》一书中集中体现了以下几种科学方法：
1．实验——理论——应用的方法。牛顿在《自然哲学的数学原理》序言中说：“哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些方法论证其他的现象。”科学史家I.B.Cohen正确地指出，牛顿“主要是将实际世界与其简化数学表示反复加以比较”。牛顿是从事实验和归纳实验材料的巨匠，也是将其理论应用于天体、流体、引力等实际问题的能手。
2．分析——综合方法。分析是从整体到部分（如微分、原子观点），综合是从部分到整体（如积分，也包括天与地的综合、三条运动定律的建立等）。牛顿在《自然哲学的数学原理》中说过：“在自然科学里，应该像在数学里一样，在研究困难的事物时，总是应当先用分析的方法，然后才用综合的方法¼¼。一般地说，从结果到原因，从特殊原因到普遍原因，一直论证到最普遍的原因为止，这就是分析的方法；而综合方法则假定原因已找到，并且已经把它们定为原理，再用这些原理去解释由它们发生的现象，并证明这些解释的正确性。”
3．归纳——演绎方法。上述分析——综合法与归纳——演绎法是相互结合的。牛顿从观察和实验出发。“用归纳法去从中作出普遍的结论”，即得到概念和规律，然后用演绎法推演出种种结论，再通过实验加以检验、解释和预测，这些预言的大部分都在后来得到证实。当时牛顿表述的定律他称为公理，即表明由归纳法得出的普遍结论，又可用演绎法去推演出其他结论。
4．物理——数学方法。牛顿将物理学范围中的概念和定律都“尽量用数学演出”。爱因斯坦说：“牛顿才第一个成功地找到了一个用公式清楚表述的基础，从这个基础出发他用数学的思维，逻辑地、定量地演绎范围很广的现象并且同经验相符合”，“只有微分定律的形式才能完全满足近代物理学家对因果性的要求，微分定律的明晰概念是牛顿最伟大的理智成就之一。”牛顿把他的书称为《自然哲学的数学原理》正好说明了这一点。
牛顿的方法论原理集中表述在《自然哲学的数学原理》第三篇“哲学中的推理法则”中的四条法则中。概括起来，这四条法则可以称之为简单性原理（法则1），因果性原理（法则2），普遍性原理（法则3）否证法原理（法则4，无反例证明者即成立）。有人还主张把牛顿在下一段话的思想称之为结构性原理：“自然哲学的目的在于发现自然界的结构的作用，并且尽可能把它们归结为一些普遍的法规和一般的定律——用观察和实验来建立这些法则，从而导出事物的原因和结果。”
5.为什么说19世纪末物理学面临的“危机”引发了近代物理学革命？
答：物理学面临的“危机”是一场伟大的革命。实验上一系列新发现，跟经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾，暴露了经典物理理论中的隐患，指出了经典物理学的局限性。物理学只有从观念上、从基本假设上、以及从理论体系上来一番彻底的变革，才能适应新的形势。由于这些变革，物理学面临大发展的局面：
（1）电子的发现，打破了原子不可分的传统观念，开辟了原子物理学的崭新领域；
（2）放射性的发现，导致了放射学的研究，为原子核物理学做好必要的准备；
（3）以太漂移的探索，使以太理论处于重重矛盾之中，为从根本上抛开以太存在的假设、创立狭义相对论提供了重要依据；
（4）黑体辐射的研究导致了普朗克辐射定律，由此提出了量子假说，为量子理论的建立打响了第一炮。
6.请以物理学发展过程中著名的思想实验为例，进行分析归纳思想实验的特点，说明思想实验的作用。
答：物理学的各个分支中，产生了一些著名的思想实验。例如，在力学中，马赫对“牛顿旋转水桶”的思想实验，否定了牛顿的绝对时空和绝对运动。在量子力学中，有证明粒子波动性的单电子衍射实验，能量势阱等思想实验，证明测不准关系的理想显微镜实验，电子束单缝衍射实验。在相对论中，有证明同时性相对性的“爱因斯坦列车”“光子火箭”的思想实验等等。可以说没有思想实验，物理学的发展是困难的，它的理论体系建立不起来。
物理学中的思想实验具有以下基本特点：
1、具有实验的可操作性 。思想实验不是实际进行的实验，但是之所以被称为实验，是因为这种思维活动是按照实验的格式而展开，是可操作的。
2、具有严密的逻辑性。在思想实验进行过程中，逻辑推理是他的基本指向。
3、具有高度的创造性。物理学家思想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性。因此，其探索是前无先例的，带有高度的创造性。
思想实验对物理学的发展具有积极作用，主要表现如下：
1、强烈的质疑批判作用。运用思想实验，往往从传统的理论质疑入手，从而生动准确地揭露旧理论的缺陷，批驳旧理论的错误。
2、深刻的认识创新作用。思想实验的运用，能够深化人们的认识，开拓新的研究方向，推进物理学的发展。
一、力学：
1．1638年，意大利物理学家伽利略在《两种新科学的对话》中用科学推理论证重物体不会比轻物体下落得快；他研究自由落体运动程序如下：
提出假说：自由落体运动是一种对时间均匀变化的最简单的变速运动；
数学推理：由初速度为零、末速度为v的匀变速运动平均速度 和 得出 ；再应用 从上式中消去v，导出 即 。
实验验证：由于自由落体下落的时间太短，直接验证有困难，伽利略用铜球在阻力很小的斜面上滚下，上百次实验表明： ；换用不同质量的小球沿同一斜面运动，位移与时间平方的比值不变，说明不同质量的小球沿同一斜面做匀变速直线运动的情况相同；不断增大斜面倾角，重复上述实验，得出该比值随斜面倾角的增大而增大，说明小球做匀变速运动的加速度随斜面倾角的增大而变大。
合理外推：把结论外推到斜面倾角为90°的情况，小球的运动成为自由落体，伽利略认为这时小球仍保持匀变速运动的性质。（用外推法得出的结论不一定都正确，还需经过实验验证）
注：伽利略对自由落体的研究，开创了研究自然规律的一种科学方法。（回忆理想斜面实验）
2．1683年，英国科学家牛顿在《自然哲学的数学原理》著作中提出了三条运动定律。
3．17世纪，伽利略通过理想实验法指出：在水平面上运动的物体若没有摩擦，将保持这个速度一直运动下去；同时代的法国物理学家笛卡儿进一步指出：如果没有其它原因，运动物体将继续以同速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。
4．20世纪初建立的量子力学和爱因斯坦提出的狭义相对论表明经典力学不适用于微观粒子和高速运动物体。
5．17世纪，德国天文学家开普勒提出开普勒三定律；牛顿于1687年正式发表万有引力定律；1798年英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置比较准确地测出了引力常量（体现放大和转换的思想）；1846年，科学家应用万有引力定律，计算并观测到海王星。
6．我国宋朝发明的火箭与现代火箭原理相同，但现代火箭结构复杂，其所能达到的最大速度主要取决于喷气速度和质量比（火箭开始飞行的质量与燃料燃尽时的质量比）；多级火箭一般都是三级火箭，我国已成为掌握载人航天技术的第三个国家。
7．17世纪荷兰物理学家惠更斯确定了单摆的周期公式。周期是2s的单摆叫秒摆。
8．奥地利物理学家多普勒（1803-1853）首先发现由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象——多普勒效应。（相互接近，f增大；相互远离，f减少）
二、热学：
1．1827年英国植物学家布朗发现悬浮在水中的花粉微粒不停地做无规则运动的现象——布朗运动。
2．19世纪中叶，由德国医生迈尔、英国物理学家焦尔、德国学者亥姆霍兹最后确定能量守恒定律。
3．1850年，克劳修斯提出热力学第二定律的定性表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，称为克劳修斯表述。次年开尔文提出另一种表述：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用的功而不产生其他影响，称为开尔文表述。
4．1848年 开尔文提出热力学温标，指出绝对零度（-273.15℃）是温度的下限。T=t+273.15K
热力学第三定律：热力学零度不可达到。
三、电磁学：
1．1785年法国物理学家库仑利用扭秤实验发现了电荷之间的相互作用规律——库仑定律。（转化）
2．1752年，富兰克林在费城通过风筝实验验证闪电是电的一种形式，把天电与地电统一起来，并发明避雷针。
3．1826年德国物理学家欧姆（1787-1854）通过实验得出欧姆定律。
4．1911年荷兰科学家昂尼斯发现大多数金属在温度降到某一值时，都会出现电阻突然降为零的现象——超导现象。
5．1841～1842年 焦耳和楞次先后各自独立发现电流通过导体时产生热效应的规律，称为焦耳——楞次定律。
6．1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流可以使周围的磁针偏转的效应，称为电流的磁效应。
安培发现两根通有同向电流的平行导线相吸，反向电流的平行导线则相斥；同时提出了安培分子电流假说。
荷兰物理学家洛仑兹提出运动电荷产生了磁场和磁场对运动电荷有作用力（洛仑兹力）的观点。
7．汤姆生的学生阿斯顿设计的质谱仪可用来测量带电粒子的质量和分析同位素。
1932年美国物理学家劳伦兹发明了回旋加速器能在实验室中产生大量的高能粒子。（最大动能仅取决于磁场和D形盒直径。带电粒子圆周运动周期与高频电源的周期相同；但当粒子动能很大，速率接近光速时，根据狭义相对论，粒子质量随速率显著增大，粒子在磁场中的回旋周期发生变化，进一步提高粒子的速率很困难。
8．1831年英国物理学家法拉第发现了由磁场产生电流的条件和规律——电磁感应现象；
1834年楞次发表确定感应电流方向的定律。
9．1832年亨利发现自感现象，即在研究感应电流的同时，发现因电流变化而在电路本身引起感应电动势的现象。日光灯的工作原理即为其应用之一。双绕线法制精密电阻为消除其影响应用之一。
10．1864年英国物理学家麦克斯韦发表《电磁场的动力学理论》的论文，提出了电磁场的基本方程组，后称为麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，指出光是一种电磁波，为光的电磁理论奠定了基础。电磁波是一种横波（注意第二册P243的图）。
1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在并测定了电磁波的传播速度等于光速。
四、光学：
1．公元前468-前376，我国的墨翟及其弟子在《墨经》中记载了光的直线传播、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，为世界上最早的光学著作。
2．1849年法国物理学家斐索首先在地面上测出了光速，以后又有许多科学家采用了更精密的方法测定光速，如美国物理学家迈克尔逊的旋转棱镜法。（注意其测量方法）
3．1621年荷兰数学家斯涅耳找到了入射角与折射角之间的规律——折射定律。
4．关于光的本质：17世纪明确地形成了两种学说：一种是牛顿主张的微粒说，认为光是光源发出的一种物质微粒；另一种是荷兰物理学家惠更斯提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波。这两种学说都不能解释当时观察到的全部光现象。
1801年，英国物理学家托马斯•杨成功地观察到了光的干涉现象
1818年，法国科学家菲涅尔和泊松计算并实验观察到光的圆板衍射——泊松亮斑。
1864年英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，指出光是一种电磁波，1887年由赫兹证实。
1895年，德国物理学家伦琴发现X射线（伦琴射线），并为他夫人的手拍下世界上第一张X射线的人体照片。
1900年，德国物理学家普朗克为解释物体热辐射规律提出电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份的，把物理学带进了量子世界；受其启发1905年爱因斯坦提出光子说，成功地解释了光电效应规律。（量子力学的说明在第三册P56）
1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时——康普顿效应，证实了光的粒子性。（说明动量守恒定律和能量守恒定律同时适用于微观粒子）
光具有波粒二象性，光是电磁波、概率波、横波（光的偏振说明光是一种横波）。
光的电磁说中要注意电磁波谱（第三册P31）,还要注意原子光谱（涉及光谱分析第三册P50）
5．1913年，丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，成功地解释和预言了氢原子的辐射电磁波谱，为量子力学的发展奠定了基础。（明确其局限性）
6．1924年，法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现出波动性；1927年美英两国物理学家得到了电子束在金属晶体上的衍射图案。电子显微镜与光学显微镜相比，衍射现象影响小很多，大大地提高了分辨能力，质子显微镜的分辨本能更高。（第三册P54）
五、原子物理学：
1．1897年，汤姆生利用阴极射线管发现了电子，说明原子可分，有复杂内部结构，并提出原子的枣糕模型。
2．1909年-1911年，英国物理学家卢瑟福和助手们进行了α粒子散射实验，并提出了原子的核式结构模型。由实验结果估计原子核直径数量级为10 -15 m 。
3．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象，说明原子核也有复杂的内部结构。
天然放射现象有两种衰变（α、β），三种射线（α、β、γ），其中γ射线是衰变后新核处于激发态，向低能级跃迁时辐射出的。衰变的快慢（半衰期）与原子所处的物理和化学状态无关。
4．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子。
预言原子核内还有另一种粒子，被其学生查德威克于1932年在α粒子轰击铍核时发现，由此人们认识到原子核由质子和中子组成。
5．1939年12月德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼用中子轰击铀核时，铀核发生裂变。1942年 在费米、西拉德等人领导下，美国建成第一个裂变反应堆（由浓缩铀棒、控制棒、减速剂、水泥防护层等组成）。
6．1952年美国爆炸了世界上第一颗氢弹（聚变反应、热核反应）。人工控制核聚变的一个可能途径是利用强激光产生的高压照射小颗粒核燃料。
7．现代粒子物理：
1932年发现了正电子，1964年提出夸克模型；
粒子分为三大类：媒介子，传递各种相互作用的粒子如光子；
轻子，不参与强相互作用的粒子如电子、中微子；
强子，参与强相互作用的粒子如质子、中子；强子由更基本的粒子夸克组成，夸克带电量可能为元电荷.
2.19世纪末，电学兴起，这提供了破坏原子的方法。在低压气体下放电，原子被分为带电的两部分。1897年，美国的汤姆逊在研究该两部分电荷时，发现其一带负电（称为电子），而另一个较重要的部分则带正电。
3. 奥斯特发现电流磁效应之后，欧姆开始研究导线中电流本身遵循什么规律。他受到热流规律（一根导热杆中两点间的热流大小正比于这两点的温度差）的启发，推想导线中两点之间的电流大小也许正比于这两点之间的某种驱动力。欧姆把这种未知的驱动力称作“验电力”，也就是现在所说的电势差或电压。欧姆在这个设想的基础上，作了一系列实验，不过实验遇到了不少困难。起初，欧姆采用伏打电堆作电源，效果不理想。后来采用刚发明不久的温差电池作电源，才获得了稳定的电流。第二个困难是电流大小的测量。欧姆原来利用电流的热效应，通过热胀冷缩方法来测量电流的大小，但是没有取得理想的效果。后来他巧妙地利用电流的磁效应，设计了一个电流扭秤，才有效地解决了这个问题。欧姆用一根扭丝悬挂一根水平放置的磁针，待测的通电导线放在磁针的下面，并和磁针平行，用铋-铜温差电池作电源。欧姆反复作了多次实验，得到了欧姆定律的最早的形式，发表在1826年德国《化学和物理学杂志》上，论文题目是《金属导电定律的测定》。
1827年出版了他最著名的著作《伽伐尼电路的数学论述》，文中列出了公式，明确指出伽伐尼电路中电流的大小与总电压成正比，与电路的总电阻成反比，式中S为导体中的电流强度(I)，A为导体两端的电压(U)，L为导体的电阻(R)，可见，这就是今天的部分电路欧姆定律公式。
4.
以上都不会
