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第2章 两次技术革命时期的科学技术

全面发展的物理学

近代发生的以蒸汽机的发明、电力技术的发展和应用为标志的两次技术革命,是人类发展史上从未有过的广泛而深刻的技术革命。它为自然科学的大发展提供了新的材料和实验工具,科学研究的领域大大扩展了。

物理学方面,除了热力学和电磁学取得了实质性的重大成就外,流体力学、光学、声学也得克拉尼研究声学的图形实验。到了相应的发展。这一时期,对原子、电子的认识为现代核物理学的发展奠定了基础。——两次技术革命时期,物理学取得的成就最为突出。

丹尼尔·伯努利与流体动力学

丹尼尔·伯努利(1700~1782)是瑞士物理学家、数学家、医学家。著名的伯努利家族中最杰出的一位。伯努利的贡献涉及到医学、力学、数学,而以流体动力学最为著名。流体动力学这个学科就是由他命名的。他著有《流体动力学》一书。

伯努利用流体的压强、密度和流速作为描写流体运动的基本物理量,写出了流体动力学的基本方程,后人称之为伯努利方程;提出了“流速增加、压强降低”的伯努利原理,他还提出把气压看成气体分子对容器壁表面撞击而产生的效应,建立了分子运动论和热学的基本概念,并指出了压强和分子运动随温度增高而加强的事实。

从1728年起,他和欧拉还共同研究柔韧而有弹性链和梁的力学问题,包括这些物体的平衡曲线,还研究了弦和空气柱的振动。他曾因天文测量、地球引力、潮汐、磁学、洋流、船体航行的稳定、土星和木星的不规则运动和振动理论等成果而获奖。

声学先驱——克拉尼

声学是研究声波的产生、传播、接收作用等问题的科学。在近代物理学、电子学的推动下,声学发展十分迅速,已成为检测海洋、大气、地层的重要工具,在医学、生态学、固体物理学等领域有着广泛的应用。

克拉尼(1756~1827)是德国物理学家,对声学的基础理论做了开创性的工作,被誉为“现代声学之父”。克拉尼是最先用数学方法分析声波的人。1787年,他改进了伽利略的方法研究金属板的振动。他在金属板上撒上细沙代替灰尘,用小提琴弦代替锉子使金属板振动,则细沙停留在节线上,形成对称的美丽图案,即著名的克拉尼图形。该试验曾于1809年给拿破仑一世表演过。

物理课堂上的克拉尼图形实验克拉尼还利用教堂中的大风琴管,内装不同气体,测量管的振动频率,从而首次得出不同气体中的声速。他还研究过陨石,确认陨石是天外飞来的,甚至假定陨石是未知星球的样品。

摄氏温标和摄氏温度

摄氏温标是瑞典人摄尔西乌斯在1742年首先提出的一种经验温标,过去曾广泛使用过。摄氏温标以水沸点(标准大气压下水和水蒸气之间的平衡温度)为100度和冰点(标准大气压下冰和被空气饱和的水之间的平衡温度)为零度作为温标的两个固定点。摄氏温标采用玻璃汞温度计作为内插仪器,假定温度和汞柱的高度成正比,即把水沸点与冰点之间的汞柱的高度差等分为100格,1格对应1度。随着测温技术的发展,人们早就不使用玻璃汞温度计作为定义温标的内插仪器了。但是后来仍有人把水沸点定为100度,冰点定为零度的温标都称为摄氏温标。

温度的单位有了新的、更加精确和科学的定义后,考虑到人们长期以来的使用习惯,仍然保留摄氏温度这一名词,但它已有了新的意义。

开尔文温度

开尔文温度是以绝对零度作为计算起点的温度。即将水三相点的温度准确定义为273.16K后所得到的温度,过去也曾称为绝对温度。开尔文温度常用符号T表示;其单位为开尔文,定义为水三相点温度的1/273.16,常用符号K表示。开尔文温度和人们习惯使用的摄氏温度相差一个常数273.15。例如,用摄氏温度表示的水相点温度为0.01℃,而用开尔文温度表示则为273.16K。

开尔文温度与摄氏温度的区别只是计算温度的起点不同,即零点不同,彼此相差一个常数,可以相互换算。这两者之间的区别不能够与热力学温度和国际实用温标温度之间的区别相混淆,后两者间的区别是定义上的差别。热力学温度可以表示成开尔文温度;同样,国际实用温标温度也可以表示成开尔文温度。当然,它们也都可以表示成摄氏温度。

波动说的奠基人——杨

杨(1773~1829)是英国物理学家、考古学家、医生,光波动说的奠基人之一。学术成就:(1)发现眼睛中晶状体的聚焦作用和散光原因。(2)把光通过两孔(后改为两缝)后,在重叠处出现了明暗相同的条纹的双缝实验。他首先引入光波的干涉概念并论证了波动说,又用波动说解释了牛顿环的成因。(3)第一个测出了7种颜色光的波长。并从菲涅耳和阿喇戈的偏振光干涉实验提出光是横波。(4)提出光的红、黄、蓝三原色理论。(5)研究古埃及的石碑,为考古做出了贡献。著作有《关于声和光的实验与研究提纲》等。为了纪念他,把描述材料弹件的模景定义为杨氏模量。

杨氏实验和杨氏双缝实验

1801年,杨让光通过两个靠近的针孔投射到屏上,发现两束光被散开并重叠,出现了明暗相间的条纹。这就是物理学上著名的杨氏实验。后来,他又把针孔改成缝,后称杨氏双缝实验。他用这个实验首先引入干涉概念论证了波动说,又利用波动说解释了牛顿环的成因和薄膜的彩色。

杨氏波动说的形象描述。

晶体光学的奠基人——菲涅耳

菲涅耳(1788~1827)是法国物理学家。1806年毕业

于巴黎工艺学院。主要成就:(1)做了一些重要的衍射实验并总结了衍射理论。(2)以惠更斯原理和干涉原理为基础解释了衍射现象,并用定量形式建立了惠更斯一菲涅耳原理。(3)研制了很多光学实验仪器如双面镜干涉仪、波带片、菲涅耳透镜、圆孔衍射仪等。(4)与阿喇戈一起研究了偏振光的干涉现象,肯定了光是横波。(5)发现了圆偏振光和椭圆偏振光,用波动说解释了偏振面。(6)推导出了定量的反射定律和折射定律,即菲涅耳公式。(7)解释了马吕斯的反射光偏振现象和双折射现象,建立了晶体光学的基础。

光栅的发明者——夫琅和费

夫琅和费(1787~1826)是德国物理学家。他的父亲是玻璃工匠,靠自学钻研了数学和光学。主要成就有:(1)改进了分光系统,发现并研究了太阳光谱中的若干条暗线(现称为夫琅和费线),并用衍射原理测出它们的波长,将576条暗线排列成表。(2)测量了各种光学玻璃的折射率达到了前所未有的精度,解决了大块高质量光学玻璃制造的难题。(3)以几何光学为依据研制了消色差透镜,以取代盲目试验的方法。(4)首创利用牛顿环方法检查光学表面加工精度及透镜形状。(5)制造了大型折射望远镜。(6)第一个定量地研究了衍射光栅,制造了260条平行线组成的光栅来测量光的波长。1823年又用金刚石刀刻制了玻璃光栅,成为今天的通用光栅。他集工艺家与理论家与一身,把丰富的实践经验与理论结合起来,对光学和光谱学做出了贡献。