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物17236刘永祥
毕业论文
题目：
对经典物理学的认识浅谈
学院：
物理与电子工程学院
专业：
物理学
毕业年限：
2014年6月
学生姓名：
刘永祥
学号：
201072010236
指导教师：
段文山
对经典物理学的认识浅谈
学生：
刘永祥指导老师：
段文山
2014届物理学10级物理
（1）班201072010236
摘要:
纵观物理学的发展历史，波澜壮阔。
最初的物理学，跟神学、哲学是分不开的，或者我们直接可以这样说：
物理学本身诞生于神学与哲学之中，其发展之趋势，也将会朝着更加“神秘”的方向，这在近代量子力学跟相对论理论里颇有体现。
而作为整个物理学科的基础，经典力学、经典电动力学以及经典的统计力学理论无疑又在整个物理学的发展之中起着基础性与支撑性的作用。
因此，作为一个从事中学物理基础性学科教学的人，对经典物理学的发展历史做一个全面透彻的了解与认识，对其自身专业素养的提高与基本物理思想的传播都有着最为基本的意义，也会对物理文化的传播与发展，有一定的积极意义。
本文以经典物理学的发展历史为切入点，在介绍其发展的同时又对各位先哲的经典理论作一再呈现，让我们再一次沉浸在深厚的物理文化氛围之中。
关键词：
经典物理学经典力学经典电动力学经典统计物理学
TheIntroductiontoUnderstandingoftheClassicalPhysics
Student:
LiuYongxiangTeacher:
DuanWenshan
TheClassof2014PhysicsPhysical
（1）ClassLevel10201072010236
Abstract:
Thephysicshasgonethroughaspecacularhistory.Initialphysicsisinseparablewiththeology,philosophy,orwecansaydirectly:
physicsitselfwasborninphilosophyandtheology,itsdevelopmenttrendalsowillbemoremysterious,inthemodernisembodiedinthetheoryofquantummechanicsandrelativity.Andasthebasisofthewholephysics,classicalmechanics,classicalelectrodynamicsandclassicalstatisticalmechanicstheoryinthedevelopmentofthewholephysicsundoubtedlyplaysafundamentalandsupportiverole.Therefore,foramanengagedinbasiccourseteachingofhighschoolphysics,makingacomprehensiveassessmentandunderstandingisgoodfortheimprovementoftheirownprofessionalcultivatedmannersand,thespreadofthedissemination,thedevelopmentofphysicsculture.Whichhascertainpositivemeaning.Inthispaperthedevelopmenthistoryofclassicalphysicsasthebreakthroughpoint,initsdevelopmentatthesametime,theclassicaltheoryoffellowthinkersofthepastagainandagain,letusonceagainimmersedinthedeepphysicalculture.
Keywords:
classicalphysics;classicalmechanics;classicalelectrodynamics;classicalstatisticalphysics
目录
摘要I
Abstract.II
引言1
1.经典力学的发展—由决定论主宰的物质世界2
1.1.亚里士多德的运动观2
1.2.伽利略—经典力学发展的助推剂3
1.3.牛顿的经典力学体系—决定论4
1.3.1.牛顿运动定律—经典力学的基本骨架4
1.3.2.决定论—经典物理对物质世界的完美描述5
1.3.3.分析力学—决定论思想的最完美体现6
2.经典电动力学的发展与主要理论6
2.1.早期的静电学与静磁学理论6
2.2.法拉第电磁感应定律—揭示了磁能生电的自然规律8
2.3.麦克斯韦方程组的建立—标志着经典电动力学理论的形成8
2.3.1.位移电流假说—揭示了电亦能生磁的自然规律9
2.3.2.麦克斯韦方程组10
2.3.3.一点说明:
经典电磁理论中仍然体现着决定论思想10
3.经典热力学与统计物理的发展与主要理论10
3.1.“热质说”与“热的运动说”—人类对热本源的争论11
3.2.热力学第一定律的建立与内容13
3.3.热力学第二定律的建立与内容—两种经典描述13
3.4.统计物理学的相关理论14
3.4.1.经典玻尔兹曼统计14
3.4.2.玻色—爱因斯坦统计15
3.4.3.费米—狄拉克统计15
3.5.熵增加原理—决定论思想在统计物理学中的体现15
结束语16
参考文献：
16
致谢18
引言：
经典物理学的产生与发展，对整个科学与技术领域都起到了一定的推动作用。
以前人们普遍认为，经典力学是整个物理学的基础，因为一切宏观的、低速运动的物体，几乎都可以用牛顿的力学规律来完全决定性地解释与描述，不仅是这样，就当时的某些微观领域，牛顿的经典力学规律也同样适用。
而经典电磁理论的建立，无疑彻底改变了人们的生活，电磁波的发现与利用，把我们的世界一下子带进了信息化时代。
至于经典统计力学，作为既古老而又经典的理论，其相关理论仍然支撑着物理学的相关领域，热力学理论，开创了人类对热机及能源的利用，统计物理的相关理论，一直是处理微观粒子必不可少的。
因此，对经典物理学的再认识，对于从事基础物理教学工作的人来说具有最基本的意义，也是对自己大学学习的一个简要总结。
作为一名中学物理教师，其不光要掌握扎实的专业知识与技能，更要对所教授学科的发展与文化有一个全面透彻的了解，因为教师的责任，与其说是“传道，授业，解惑”，还不如说是在传播着科学与文化。
中学阶段是一个人的黄金时期，我们对中学生的施教不应当只是“填鸭式”地灌输知识，而应让他们对一门学科的文化有所了解，因为通过对物理学科的的发展历史的了解，可以培养其对物理的热爱与崇尚，也会对所学科目有发自内心的真切感受，这将会对其后续大学阶段的学习与深造有一个很好的铺垫。
本文从一名中学物理教师的角度出发，一方面，介绍对整个物理学的发展都起着基础性作用的经典物理学的发展与相关问题，首先，在这部分我将介绍经典力学的发展及我对相关问题认识与看法，从亚里士多德（Aristotle）到伽利略（GailileoGalilei），再从伽利略到牛顿（Newton），通过对这三位科学先哲的生平与贡献的了解，发掘出经典力学的发展脉络，给读者一个清晰的印象；其次，我将对经典电动力学的发展概况进行探索，对经典电磁理论做一再呈现，让读者了解电磁学理论的对称美与严密性，而所有理论归结起来，就是完美的麦克斯韦（Maxwell）方程组；再有，我将对经典统计物理学做一简要介绍，让读者了解到统计物理学在整个科学发展史上（包括工业技术发展）的重要作用。
另一方面，我将联系中学物理教师这一具体职位，讨论一名物理教师应当怎样教授物理这一学科才能更好地起到传播文化的作用。
即作为一个从事物理教学的人来说，不光要掌握相关的专业知识，有一个扎实的专业素养，更重要的是，要对他所教授学科的文化发展有一个深层次的理解与把握，把学生领进科学的大门。
所谓一门学科的文化内涵，就是其发展历史与相关人物的主要观点，因此在这部分，我将联系具体教学实例，来进行一定的阐述。
1.经典力学的发展—由决定论主宰的物质世界
1.1.亚里士多德的运动观
亚里士多德（Aristotle）被誉为古希腊百科全书式的哲学家，其基本的哲学思想几乎涵盖了自然科学的各个领域。
他把万物看成是由四种元素——土、水、空气及火组成，四种元素各有其自然位置，任何物体都有返回其自然位置而运动的性质：
火向上运动，地向下运动，它们在到达其自然位置后归于静止。
它们的本性要求它们这样运动。
因此他把运动分成自然运动和强迫运动：
重物下落是自然运动，天上星辰围绕地心作圆周运动，也是自然运动；而要让物体作强迫运动，必需有推动者，即有施力者。
力一旦去除，运动即停止，即“力是维持物体运动的原因”。
既然重物下落是物体的自然属性，物体越重，趋向自然位置的倾向性也就越大，所以下落速度也越大。
于是，从亚里士多德的教义出发，就必然得到物体下落速度与物体重量成正比的结论。
下面就让我们对其思想做一全方位的回顾。
对于运动和力，因为“马拉车，马行则车动，马停则车止”。
亚里士多德说：
“力是维持物体运动的原因”。
另外，亚里士多德认为较重物体的下落速度会比较轻物体的快，因为“将一块石头跟一根羽毛同时从高处抛下，石头总是比羽毛先落地”。
纵观亚里士多德的运动观，我们发现其大多都是错误的，但科学就是这样，科学的发展就是一个不断纠错的过程，且当时的技术与思想的落后，根据生活经验提出观点也应当是无可厚非的。
亚里士多德是伟大的，他的许多成就都为世人所传唱，同时大家也牢牢的记住了他所犯的错误。
对他在物理学和自然科学发展中的作用和影响以及其局限性，应进行历史的分析。
对物理学的发展来说，亚里士多德初步提出以物质独立的自然学科，重视对近身事物的具体观察，强调思维逻辑的作用，首先引用运动及其与时间、空间、与周围物体的关系及物质本原为研究对象以形成一门用数学方法考察具体物理定律，从而引起众多的讨论与研究等等；这些都在一定程度上为欧洲文艺复兴以后物理科学在实验基础上的奠定起了某些先导的作用。
这一成就不应被抹杀。
1.2.伽利略—经典力学发展的助推剂
伽利略（GailileoGalilei）对经典力学的贡献的精髓，几乎都是建立在对亚里士多德错误观点批判的基础之上的。
他把物理学牢固地建立在观察与实验的基础上，恢复与发展了亚里士多德重视逻辑推理和运用数学工具的传统以后，物理学在西欧的社会生产力蓬勃发展的条件下得到了迅速的发展。
伽利略抛弃了亚里士多把运动分为自然运动和强迫运动的观点，采用数学方法来定量地分析运动，对位移、距离和时间的概念给予确切的数学表达形式，运用笛卡儿创立的坐标系来定量的描述运动，认为应该依据运动的基本特征量速度对运动进行分类，由此，把运动分为匀速运动和变速运动两种，并引入加速度的概念。
伽利略首先运用从一个理想实验得出的佯缪入手，对亚里士多德落体学说提出了反驳。
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，当我们把两块石头拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖着而减慢，下落慢的会被下落快的拖着而加快，结果整个系统的下落速度应该小于8。
但是两块石头拴在一起，加起来比大石头还要重，因此重物体的下落速度比轻物体都小。
这样，就从重物体比轻物体下落得快的假设，推出了重物体比轻物体下落得慢的结论，从而在逻辑上证明了亚里士多德的学说是错误的。
伽利略著名的斜面实验检验自由落体运动符合他所提出的匀加速运动的定义。
自由落体下落的时间太短，当时用实验直接验证自由落体是匀加速运动仍有困难，伽利略采用了间接验证的方法，他让一个铜球从阻力很小的斜面上滚下，做了上百次的实验，小球在斜面上运动的加速度要比它竖直下落时的加速度小得多，所以时间容易测量些。
实验结果表明，光滑斜面的倾角保持不变，从不同位置让小球滚下，小球通过的位移跟所用时间的平方之比是不变的即位移与时间的平方呈正比。
由此证明了小球沿光滑斜面向下的运动是匀变速直线运动，换用不同质量的小球重复上述实验，位移跟所用时间的平方的比值仍不变，这说明不同质量的小球沿同一倾角的斜面所做的匀变速直线运动的情况是相同的，即加速度与物体的重量无关。
伽利略把观察和实验作为科学研究的坚实基础。
他在研究工作中，采取了下面一个对近代科学发展很有效的研究方法：
对现象的一般观察→提出工作假想→运用数学和逻辑的手段得出特殊结论→通过物理的或理想的实验对推论进行验证→对假设进行修正和推广。
伽利略所创设的实验方法、严格的逻辑与数学推理方法，对后世新科学思想的发展有着深刻的影响。
1.3.牛顿的经典力学体系—决定论
1.3.1.牛顿运动定律—经典力学的基本骨架
牛顿作为经典力学的创设者，他自称“自己是站在了巨人的肩上”，牛顿三大力学定律以及万有引力定律的问世，标志着经典力学的大厦已经完全构成。
牛顿第一定律（惯性定律），“物体在不受外力或所受外力之和为零时总保持静止或匀速直线运动状态”，看似简单的一段话，其产生却经历了一个曲折的过程。
亚里士多德“力是维持物体运动的原因”是最早关于力和运动的描述，之后伽利略通过磨擦力的提出纠正了这一错误观点，指出“力不是维持物体运动之原因，而是改变物体运动状态之原因”，牛顿在此基础之上，进一步地总结概括，得出了牛顿第一定律，不能否认是科学史上的一大进步和成就。
从牛顿第一定律我们可以看到，力是改变物体运动状态的根源，物体本来的运动状态是和谐的，要么静止，要么保持匀速运动状态，是力改变了物体本来的运动状态，致使我们现在物质世界的运动形式复杂多变。
不得不说，牛顿第一定律是对力和运动关系最为科学的揭示。
牛顿第二定律进一步将动力学理论做了推进，“物体的加速度跟所受合力成正比，跟其质量成反比，即：
（1）
在揭示动力学规律这一方面，或许我们可以将牛顿第二定律表述为“物体所受合外力等于其动量对时间的变化率，即：
（2）
（2）式在表现动力学规律方面或许更为直观，因为动量（P）是描述运动学的物理量，而合外力（F）是力学的一个基本量，将力学与运动学联系起来，此公式达到了近乎完美的境地。
牛顿第三定律所揭示的，是自然界最为平常的“相互作用力”，力既是物体间的一种相互作用，那么势必就有“作用力”与“反作用力”，在揭示力“是物体间的一种相互作用”这一规律上，其既简单又具体。
在中学阶段，我们简单地说“力是物体间的一种相互作用”或许对于刚要入门的中学生来说要理解其要义并非易事，但只要说出作用力与反作用力，学生的脑子里一下子就有了具体而实在的东西，因此，牛顿第三定律无疑是整个力学的基础。
说起牛顿，我们自然不能忘了其“万有引力定律”，从苹果落地到万有引力定律的提出，牛顿的一生不可谓不是传奇。
万有引力定律揭示了自然界一种最为基本的相互作用，即其指出：
自然界的一切物体之间都存在着相互吸引之作用，引力大小遵从平方反比律。
即:
（3）
我们说万有引力定律的提出本身是一种伟大，是因为它让我们认识到，我们生活在这个宇宙之中，并不是独立的，而是互相发生着作用，而我们之所以意识不到这种作用，是因为引力之大小本身是由质量之大小决定的，这就是：
地月系之中，月球虽大但其仍围绕着地球运动，太阳系之中，诸行星围绕太阳运动而不会逃逸，而我们却怎么也无法将一个轻小物体吸引住的根源。
经典力学的产生与发展，无疑推动了人类文明的进程。
从亚里士多德到伽利略，从伽利略到牛顿，每一位科学家的诞生与陨落，都是自然科学史上的一次“风暴”，其对科学的贡献，我们应铭记之。
1.3.2.决定论—经典物理对物质世界的完美描述
牛顿的经典力学体系，透露出来的便是决定论的思想。
经典物理学认为，物质世界是可以由牛顿的运动规律完全描述的，物质世界是完美、和谐的，只要给定了初始条件（边界条件和历史条件）以及确定了物体所满足的动力学方程，物体在以后任何时刻的状态都是确定的。
这并不像量子论中的不确定性，当给定了粒子的波函数后与初始条件之后，起后来的运动状态并不确定，而是有多种可能的解，这些解由力学量的特征值与特征方程所确定。
牛顿第一定律所体现的，正是“决定论”的思想。
即当物体在“不受外力或所受合外力为零”时，物体要么静止，要么做匀速直线运动。
即若物体本来是静止的，则在以后任何时刻都静止，若其是运动的，则一直运动，它所勾勒出的，是一种完美的景象。
牛顿第二定律是经典物理学中物质运动所满足的基本动力学方程，
（4）
上式中若给定初始条件（边界条件和历史条件）
的值，则质点的运动状态在以后的任何时刻完全确定。
1.3.3.分析力学—决定论思想的最完美体现
决定论的思想在哈密顿的分析力学中有着更为突出的体现。
分析力学注重用完全的数学方程来描述物质的运动。
为了寻求力学体系的的运动规律，哈密顿提出可以从具有相同、并为约束所许可的许多条可能的运动轨道即S（S为体系的自由度数）维空间曲线中，挑出一条真实轨道，为此，可以采用变分法的方法来挑选这一真实轨道。
（5）
既然可以从许多约束所许可的轨道中，选出真实轨道，当然也就确定了力学
体系沿着这条真实轨道运动式的运动规律了。
上式即为保守力系作用下的体系哈密顿原理的数学表达式，保守力系作用下
的体系哈密顿原理表述为：
保守的、完整的力学体系在相同时间内，由某一初位形到另一已知位形的
一切可能运动中，真实运动的主函数具有确定值，即对于真实运动来讲，主函数的变分等于零。
—决定论。
2.经典电动力学的发展与主要理论
2.1.早期的静电学与静磁学理论
由于电磁现象本身比较抽象，早期人类对电磁现象的认识，总是将其区别开来，即最初人类认为电现象与磁现象是互无关系的。
人类最先对电现象的认识，莫过于发现了静电荷的“同性相斥，异性相吸”的基本规律。
从摩擦起电到此规律的发现，全然是对实践的总结。
直到库仑定律的提出，对电现象的认识才介入到了理论的阶段。
库仑定律本身具有与牛顿的万有引力定律相同的数学形式，两定律所不同的，是万有引力定律中的“力”是引力，而库仑定律中的“力”既有引力又有斥力。
两定律均具有平方反比的形式，正说明了物理规律的数学美。
（6）
对静电学具有全面认识的，或者说打开静电学理论大门的，是静电场的高斯（Gauss）定理。
下面我们就来具体认识一下高斯定理。
（7）
或
（8）
上式便是高斯定理的数学形式。
用物理语言来描述，便是“空间闭合区域里的电通量是该区域内包含电荷的代数和”，高斯定理揭示了“电荷是电场的源，即电场由电荷激发产生”。
高斯定理在揭示电场的有源性这一方面，无疑是一个伟大的成就。
在静电学理论中，其重要性不亚于高斯定理的一个理论，应是静电势的拉普拉斯（Laplace）方程：
（9）
式中
为静电势，它是一个标量函数，拉普拉斯方程揭示了静电场的无旋性，至此，静电场的基本规律已全部把握，即人们得出：
静电场是一个有源无旋场。
由于静磁场与静电场规律的相似性，人们同样得出了静磁场的相关方程，这里不再赘述。
值得注意的是，静磁场是一个“有旋无源场”。
2.2.法拉第电磁感应定律—揭示了磁能生电的自然规律
最初的人们，认为电磁现象是毫无关系的，是彼此孤立的的两类现象。
直到奥斯特发现了电流的磁效应，人们才初步认识到电、磁原来是可以相互感生的。
奥斯特为证实自己的发现，做了大量的实验。
他将一个小磁针置于通电导线附近，发现了小磁针的偏转，由此他断定，电磁现象之间是有联系的。
后来人们进一步证实了他的观点。
进一步揭示电磁现象之间联系规律的，是法拉第（Maxwell），法拉第是一位伟大的科学家，他发现的电磁感应定律是电动力学史上料不起的成就。
下面我们来共同看看其发现过程。
在法拉第发现电磁感应现象之前，他也有着许多的错误的指导思想。
法拉第就曾经这样认为：
既然磁铁可以使邻居的铁矿感应上磁，静电荷也可以使临近的导体中感应出电荷，那么电流也可以使临近的线圈中感应出电流。
虽然这种指导思想的错误，但是他本着磁能生电的信念，在他发现电磁感应现象的六年前的日记中就写下了他伟大光辉的思想：
“磁能转化电”。
并且开始使用了“感应”这个词。
科学实验总是这样，只有经历了无数次的失败才能换来最后的成功。
法拉第在经历了多次失败之后，不断改进实验思想跟实验设施，终于得出了惊世骇俗的电磁感应定律，用数学公式可表示为：
（10）
或
（11）
即：
“感应电动势的大小等于磁通量对时间的变化率。
”电磁感应定律的发现，彻底开启了将电磁现象联系起来的的大门。
也为后来经典麦克斯韦（Maxwell）理论的创设奠定了基础。
2.3.麦克斯韦方程组的建立—标志着经典电动力学理论的形成
麦克斯韦（Maxwell）经典的电磁理论，基本涵盖了整个电动力学的全部内容，他将所有的电磁学规律用简单的几个数学方程来表示，既对称又美观，那么，我们就来具体了解一下麦克斯韦方程建立的过程。
2.3.1.位移电流假说—揭示了电亦能生磁的自然规律
由法拉第电磁感应定律我们知道，变化的磁场可以激发电场，那么变化的电场能否激发磁场呢？
答案是肯定的，这便是麦克斯韦的位移电流假说。
在恒定电流中我们知道，电位移矢量的散度是等于零的，即电流恒定分布于闭合回路之中，只要电路一断开，电流分布马上消失，这是我们熟知的事实。
（12）
但对于交变电流，我们据电荷守恒定律，很容易得到：
（13）
上式试电荷守恒定律的微分形式，是一般普遍的规律，对于恒定电流情况，也同样适用。
根据磁场相关理论，我们又知道：
（14）
两边取散度，得到：
（16）
上式与电荷守恒定律发生矛盾，即其只有在恒定电流之情况下才成立，那么，谁对谁错？
当然是电荷守恒定律正确了，那么，我们就需要对（12）式进行改进。
麦克斯韦假定，两带电机极板间存在着“位移电流”
它和电流
一起构成闭合回路，既满足：
（17）
并假设
和
一样产生磁效应，则（12）式可修正为：
（18）
此式两边再取散度，都等于零，理论上不再有矛盾。
再根据相关理论，我们就可以得到位移电流的表达式为：
（19）
上式的正确性已由无数的实验事实所证实，已成为经典电磁场的基本理论。
2.3.2.麦克斯韦方程组
至此，我们已基本构建了经典电磁理论的基本框架，麦克斯韦总结概括了相关理论，得出了麦克斯韦方程组。
微分形式：
（20）
积分形式：
（21）
上式便是麦克斯韦（Maxwell）方程组的微分与积分形式，乃经典电动力学理论的核心部分。
麦克斯韦方程组的建立，也就标志着经典电动力学理论的完成。
2.3.3.一点说明:
经典电磁理论中仍然体现着决定论思想
决定论的思想贯穿着整个经典物理学的始末，在经典的电磁理论之中亦有体现。
在电磁场理论中，牛顿的经典力学规律任然是用，或者说，经典电动力学理论本身是建立在牛顿的经典力学基础之上的。
对于带电粒子来说，牛顿运动定律任然适用。
自然，经典电动力学任然是决定论的。
3.经典热力学与统计物理的发展与主要理论
经典热力学的发展历是人类对热的本质及能量转换规律
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