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20 世纪初物理学革命前夜的科学巨人及其在力学领域的贡献

更新时间:2024-09-22 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

20世纪初,整个科学特别是物理学发生了巨大的革命性变化。而在这个变化的前夕,也就是19世纪下半叶到20世纪初的半个世纪中,出现了一门为这一变化做好准备的新型科学。由于这些物理学家对物理学的杰出贡献是如此著名,远远超过他们对力学的贡献,所以在他们的许多传记或介绍中,很少提到他们对物理学的贡献,而很少提到对力学的贡献。PmM物理好资源网(原物理ok网)

在当今社会,在分工日益细化的条件下,学力学的人不知道他们做过重要的力学研究,学物理的人不知道他们曾在力学领域辛勤耕耘,然而,仔细考察这些伟大科学家的经历,我们发现,他们的共同特点不仅在于他们有着深厚的力学功底,而且都为力学学科的发展做出了不可磨灭的开创性贡献,这里我们分别介绍其中来自英、法、德七位的力学大师,分别是麦克斯韦、基尔霍夫、赫兹、开尔文、瑞利、汤姆逊和迪昂。PmM物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦PmM物理好资源网(原物理ok网)

1831-1879PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦对力学的贡献至少有四个是基础性的,即光弹性、解决杆系统静不定结构的力法、线性粘弹性的本构关系和速度调节器的稳定性条件。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1850年,年仅19岁的麦克斯韦发表了一篇论文《弹性固体的平衡理论》,讨论了弹性力学中的几个特殊问题,如三角形上的力问题等,其中大多数解都已被其他学者解决。他用光弹法测得的结果验证了这些解,结果吻合得很好。因此,后人认为麦克斯韦是第一个真正用光弹法解决弹性力学应力场的人,他也是光弹仪的实际发明者。PmM物理好资源网(原物理ok网)

到 19 世纪末,光弹性方法迅速发展并成为测量应力的重要手段。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1864年,麦克斯韦总结了他对桁架研究的一般性结论,能够区分静定桁架和超静定桁架。对于静定桁架,麦克斯韦在前人工作的基础上,简化了用图解法计算桁架内力的方法。麦克斯韦从能量法中推导出了理解超静定结构的一般方法。约10年后,他的方法由O.莫尔(1835-1918)进一步阐述,并给出了标准形式,这就是目前常用的力法,又称麦克斯韦-莫尔法。PmM物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦在流变学中首次提出了应力-应变随时间变化的关系概念,并引入了现称为麦克斯韦粘弹性的应力-应变关系。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1712年英国人纽科门(1663-1729)发明了蒸汽机,但因为转速不能自由控制,所以使用并不多,仅用于矿井抽水,1782年前后英国人瓦特(1736-1819)发明离心调速器后,蒸汽机的使用才得以普及,离心调速器从18世纪一直到19世纪中叶都得到很好的应用。PmM物理好资源网(原物理ok网)

19世纪中叶以后,随着蒸汽机转速的提高,调速器开始变得不稳定。这一问题首先引起了麦克斯韦的注意,他于1868年对其进行了研究,得到了稳定性条件。1876年,俄国人维什涅格拉德斯基(1831-1895)再次研究了这一问题,得到了用一个含有物理参数的不等式表示的稳定性条件。这些工作是对动力系统稳定性的最早研究。PmM物理好资源网(原物理ok网)

此外,他还是数学上第一个定义矢量场旋度的人,并且对陀螺仪、光学、彩色摄影、原子结构等方面也做出了重要贡献。PmM物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦早期研究弹性力学和结构力学之后,兴趣转向光学和电磁学,因全面提出主宰电磁场的麦克斯韦方程组而出名。由于狭义相对论最初就是通过讨论主宰电磁场的麦克斯韦方程组而引入的,因此矛盾就产生了。巧合的是,麦克斯韦去世的那一年,正是相对论鼻祖爱因斯坦出生的那一年。PmM物理好资源网(原物理ok网)

麦克斯韦发展了英国物理学家法拉第(-1867)提出的电磁场概念,用一组偏微分方程把电场与磁场联系起来,这组方程后来被称为麦克斯韦方程组电学应用物理学家,他利用这组方程证明了电荷和电子的振荡会产生电磁波。还提出光也是一种特殊的电磁波。这些观点后来都被实验所证实。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1850年,麦克斯韦以优异的成绩考入剑桥大学,1856年被任命为阿尔伯丁大学教授,1871年被聘为剑桥大学实验物理学教授,在剑桥大学期间,他建立了卡文迪什实验室,对20世纪的物理学研究产生了巨大的影响。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1857年,麦克斯韦在研究土星环时认为,如果环是固体或液体,在旋转过程中会因引力和惯性力的作用而破裂,只有由无数小粒子组成环才会稳定。麦克斯韦随后从微小粒子的角度讨论了气体,他认为分子不仅向各个方向运动,而且运动速度也不同,分子之间、与容器壁的碰撞完全是弹性的。负责解决这个问题的奥地利物理学家玻尔兹曼(1844-1906)也创立了麦克斯韦-玻尔兹曼气体动能理论,并认为温度是与分子运动平均速度有关的宏观物理量,从而对之前流行的热流热质理论给予了致命一击。PmM物理好资源网(原物理ok网)

玻尔兹曼还设想过,如果有两个容器,里面装满了相同温度的气体,中间有一扇小门相连,门上守着一个妖精,当运动缓慢的分子到达右边时,门就打开了,运动迅速的分子到达左边时,门就关闭了。门也是打开的,它们朝相反的方向运动,门就关闭了。这样,左边的容器就会越来越热,而右边的容器就会越来越冷。这是一个违背热力学第二定律的想法。这个妖精就叫麦克斯韦妖。PmM物理好资源网(原物理ok网)

德国物理学家基尔霍夫PmM物理好资源网(原物理ok网)

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1824-1887PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

基尔霍夫是欧拉之后约100年的德国律师之子。1842年,他进入柯尼斯堡大学,曾听过诺伊曼的讲座,被诺伊曼发现,并因其杰出的天赋被推荐为有前途的科学家。1848年,他获得博士学位,1854年在海德堡大学任教。PmM物理好资源网(原物理ok网)

他的主要成就是在物理学方面。他首次证明了电脉冲以光速传播;他首次发现了光谱与化学元素的关系,建立了光谱学,后人利用光谱学发现了几种新元素,并了解了太阳与其他元素的关系。他首次提出理想黑体,并进行了黑体辐射实验,后人认为这对量子力学影响很大。量子力学创始人普朗克曾是他的学生,在他的指导下进行实验,通过研究,提出了电路计算的规律,至今仍被称为基尔霍夫定律。PmM物理好资源网(原物理ok网)

基尔霍夫对固体力学最重要的贡献是建立了精确的板理论。1850年,基尔霍夫发表了一篇关于板问题的重要论文,纠正了前人在板问题边界条件方面的错误。霍夫利用虚位移原理推导出板的边界条件,指出解决平板问题只需要两个边界条件就足够了,而不需要三个边界条件。他正确地解决了圆板的振动问题。PmM物理好资源网(原物理ok网)

在制定板块问题方程时,他假设:PmM物理好资源网(原物理ok网)

1888年,英国人拉夫利用基尔霍夫关于平板问题的假设,推导出弹性薄壳的平衡方程,此假设至今仍被称为基尔霍夫-拉夫假设。PmM物理好资源网(原物理ok网)

他发展了欧拉关于弹性杆的工作。他推导出了大挠度杆的一般平衡方程。他说:“当力作用在杆的两端时,这些方程和刚体绕定点运动的方程相同。”这种观点是基于这样的事实:在变形杆的每一点上,由单位切向量、法向量和次法线构成的单位三面体在沿曲线运动时也产生像刚体绕定点运动一样的转动。这就是所谓的基础。最简单的情况是当单摆和压缩杆超过临界变形时,两者的积分都是椭圆函数。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1876 年出版的基尔霍夫《理论力学讲义》是一本非常有影响力的理论力学教科书。它被多次重印,并被翻译成多种语言。这本书明确地将力学定义为运动的研究。运动的科学,即空间随时间的变化,就是物质。PmM物理好资源网(原物理ok网)

德国物理学家赫兹PmM物理好资源网(原物理ok网)

1857-1894PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

赫兹于1889年接替R.克劳修斯担任波恩大学物理学教授。1887年,赫兹用自己设计的振荡器首次通过实验证实了电磁波的存在,证明了JC麦克斯韦理论的正确性。他根据电磁波的各种特性(反射、衍射、折射、形成驻波等)证实了电磁波在空气中的传播速度等于光速,建立了电磁波与光波基本性质的等价性。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1886年至1887年,他研究了谐振电路理论、紫外光对放电的影响,发现了光电效应、阴极射线的性质等。赫兹多次获得意大利、法国、奥地利、德国等国科学院和学术组织的奖章和奖金,并当选为柏林科学院、剑桥哲学学会等七个主要学术组织的通讯院士。为了纪念他,人们就用赫兹作为振荡频率的单位。PmM物理好资源网(原物理ok网)

在整个赫兹的科学生涯中,他和他的老师亥姆霍兹一样,严格坚持力学是物理科学的共同基础,他在一篇文章中说:“所有物理学家都同意这种观点,即物理学的任务是把自然现象归结为简单的力学定律。”但与牛顿的经典力学不同,赫兹是被称为“无力力学”的运动学派的支持者,该学派认为,一切物理现象都是运动的重物体接触时产生的相互作用,而不是以力的概念作为解释的基础。PmM物理好资源网(原物理ok网)

赫兹在力学方面的研究成果主要体现在他1876年发表的学术著作《无力力学》和《力学原理》中,赫兹首次把力学定律看作是发展变化的事物,从而为突破近代力学的思想束缚做好了思想准备。PmM物理好资源网(原物理ok网)

早在1883年,长圆柱在集中力作用下的受力问题就得到了解决。1889年,赫兹解释了球形物体与圆柱形物体相互挤压问题的实验结果电学应用物理学家,得出的结论是,如果在挤压前在表面涂上一层烟灰,则接触面将呈椭圆形。他还对这一问题给出了理论上的解答,这一解答现在也被称为赫兹接触问题解。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1894年,赫兹把力学系统分为完全系统和非完全系统两大类,分别对应完全约束和非完全约束,此后开辟了非完全力学的研究。PmM物理好资源网(原物理ok网)

开尔文PmM物理好资源网(原物理ok网)

1824-1907PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

1892年,他被授予开尔文勋爵的头衔。W.汤姆森于1845年毕业于剑桥大学。1846年至1899年,他任格拉斯哥大学自然哲学教授。1904年起直至逝世,他一直任格拉斯哥大学校长。PmM物理好资源网(原物理ok网)

他在科学活动的早期,在弹性力学中解决了均匀各向同性无限弹性介质中集中力的解,这被称为开尔文解。在流体力学中,他证明了在理想流体条件下,流体中的涡量守恒定律,至今仍被称为开尔文定律。能量的概念虽然最早由托马斯·杨于1807年提出,但直到大力提倡和论证后才被科学界广泛接受。他认为,一切可见的物理和化学现象背后,都有一个看不见的共同原理在指导着它们,这就是“能量”()。PmM物理好资源网(原物理ok网)

他是热力学和气体动力学理论的创始人之一,国际单位制中的开尔文标度就是以他的名字命名的。1851年,他发表了一篇题为《热力学理论》的论文,给出了热力学第二定律的表述:不可能从单一热源中提取热量留学之路,并将其完全转化为有用功而不产生其他效应。因此,后人称他为热力学之父。PmM物理好资源网(原物理ok网)

开尔文一生贡献颇多,包括电磁学、热力学、工程科学、电工仪表与测量、波、涡流和以太理论以及地球年龄的估算等。特别是他负责铺设大西洋海底电缆工程,研究信号在电缆中的传播,推导出信号传播速度与电缆长度的平方成正比减慢的规律。他还研制出能提高仪器测量灵敏度的镜面检流计、能自动记录电报信号的虹吸管和记录器;设计和制造了绝对静电计、开尔文电桥和检流计;建立了电磁量的精确单位标准,为现代电学单位标准奠定了基础。海底电缆的成功铺设,不仅使英国得以发展海底电报通信,而且他还是第一个获得液氮的人。PmM物理好资源网(原物理ok网)

开尔文于1890年至1895年任伦敦皇家学会会长。1896年,他被选为彼得堡科学院荣誉院士。PmM物理好资源网(原物理ok网)

此外,汤姆逊还是一位出色的教师和科研领袖,他还努力改进大学和中学的物理教学,撰写了几本优秀的教材,其中与泰特合著的《自然哲学教科书》是一本涵盖力学、热力学和物理学的基础教材,影响很大。PmM物理好资源网(原物理ok网)

英国科学家斯特拉特·瑞利PmM物理好资源网(原物理ok网)

第三男爵PmM物理好资源网(原物理ok网)

1842-1919PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

斯特雷泽恩·瑞利31岁继承了父亲的爵位,所以人们通常称他为瑞利勋爵。他1865年以全班第一名的成绩毕业于剑桥大学,1873年当选为皇家学院院士。1879年他接替麦克斯韦担任剑桥大学卡文迪许实验室主任。在卡文迪许实验室工作前后,他自费拥有了一间相当不错的实验室,他的许多重要发现都是在自己的实验室里完成的。PmM物理好资源网(原物理ok网)

瑞利最著名的研究工作是在化学领域。他测量了用各种方法制备的氮气,发现用空气制备的氮气密度更大。这项实验导致了稀有气体的发现。他于1904年获得诺贝尔化学奖。诺贝尔物理学奖。PmM物理好资源网(原物理ok网)

瑞利的主要研究兴趣在各种波方面。在电磁波方面,他推导出光随波长变化的色散方程,证实了以前认为天空呈现蓝色是因为光被大气尘埃散射的观点。瑞利还找到了对应于黑体辐射波长分布的方程。此外,他在声波、水波和地震波的研究中也取得了重要成就。在计算振动频率时,他提出了一种通过简化假设来使复杂问题变得简单的方法。这种方法后来被里兹于1909年改进为基于能量的近似计算方法,现在称为瑞利-里兹方法。PmM物理好资源网(原物理ok网)

1877年至1878年间,瑞利(1842-1919)出版了他最重要的著作《声学理论》。这本书分两卷出版,第一卷论述了弦、杆、薄片和板的振动,第二卷论述了气体和固体的声学,总结了他到当时为止在这方面的研究成果。1894年出版了更新版。他首次指出了弹性体中存在表面波,后来被称为瑞利波。这本书影响很大,它和洛夫的《弹性数学理论教程》一书一书论述了弹性动力学,另一书论述了弹性静力学,成为弹性力学领域两本相辅相成的经典著作。PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

英国物理学家汤姆森PmM物理好资源网(原物理ok网)

1856-1940PmM物理好资源网(原物理ok网)

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1876年,瑞利毕业于剑桥大学三一学院。1884年,瑞利出任卡文迪什实验室主任。汤姆逊最著名的工作是对阴极射线的研究,从而发现了电子,并测量了电子的荷质比。他得出结论:电子是带负电、比原子小的基本粒子。这项研究开辟了亚原子研究领域,迈出了原子物理研究的第一步。此外,他在气体电导率方面的开创性工作,使他获得了1906年的诺贝尔化学奖。1901年,他获诺贝尔物理学奖,1908年被封为爵士。PmM物理好资源网(原物理ok网)

汤姆逊担任卡文迪什实验室主任期间,在现代实验物理学方面取得了巨大进展,他的继任者是20世纪原子物理学泰斗卢瑟福(E.,1871-1937),他的助手中有7人获得诺贝尔奖。PmM物理好资源网(原物理ok网)

与本文介绍的其他著名物理学家不同,汤姆森本人在力学领域并没有取得什么著名的成就。但他写了一本对整个物理学界影响深远的力学著作:《物理学中的动力学及其在化学中的应用》PmM物理好资源网(原物理ok网)

(Try,1888年伦敦出版)。这本书是作者根据1886年卡文迪什实验室的讲义写成的,虽然不能说是一本完全讲力学的书,但它确实为经典力学在现代物理和化学中的应用提供了很好的介绍,是一部承上启下的重要著作。PmM物理好资源网(原物理ok网)

作者在前言中说道:“建立两个物理现象之间的联系有两种模式;最明显、最有趣的一种是从现象的可靠理论出发,逐一探询和追踪它们之间联系的每一步。这只在有限的情况下才有可能,以致在一般情况下我们被迫诉诸另一种模型,这种模型不需要对所讨论现象的机制有详细的了解;我们要揭示的是,无论我们如何解释它们,它们一定是有关联的,即一个必须与另一个相联系。”作者说,本书的目的就是应用动力学一般原理所发展出来的方法来达到这个目的。PmM物理好资源网(原物理ok网)

正是作者创立的这套基于动力学的方法,武装了他的众多学生,使他们进入原子物理学领域并做出了重要贡献,其中尤为有影响力的是曾在他指导下进行研究的泰勒(G.I.,1886-1975),是20世纪杰出的力学家之一。PmM物理好资源网(原物理ok网)

法国物理学家迪昂PmM物理好资源网(原物理ok网)

皮尔——PmM物理好资源网(原物理ok网)

1861~1916PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

迪翁的遭遇是悲惨的,他的博士论文不但得不到当时学术权威的认可,连他自己也失去了教书的资格,而朗格在分析力学中运用的方法,则产生了后来被后人称为“化学势”的概念,迪昂的成就是对物理学和化学的一大贡献,完成了物理学和化学的统一。PmM物理好资源网(原物理ok网)

然而,迪翁始终没有获得物理学博士学位。他失去了物理学博士论文获批的机会,因为他坚持“化学势”的概念,这得罪了当时的法国化学权威贝特洛。两年后,迪翁不得不用基本相同的题目,避而不谈贝特洛的“领地”——热力学,申请数学博士学位,才通过了答辩。迪翁被禁止在巴黎大学任教和从事科学研究。PmM物理好资源网(原物理ok网)

迪昂的学术生涯实质上是流亡,但他的思想却是不朽的,直到他去世多年后才得到认可,他1884年那篇未被接受的博士论文不仅对热力学势的系统应用具有重大意义,而且在此基础上的一系列研究也使他与范霍夫、奥斯特瓦尔德、阿伦尼乌斯和勒夏特列一起成为现代物理化学的奠基人。PmM物理好资源网(原物理ok网)

迪翁对流体力学和弹性力学的贡献体现在他 1891 年出版的《水力学、弹性力学和声学》(两卷本)、1896 年出版的《变形体力学》和 1903-1904 年出版的《变形体力学》中。两卷本的《水力学》一书出版。这些书对力学的发展产生了重大影响。它包含了一些关于纳维-斯托克斯流体和粘性流体中波的行为的突破性发现。他是非线性弹性和严格数学弹性理论的先驱。PmM物理好资源网(原物理ok网)

迪恒是近代科学哲学和科学史的先驱之一。PmM物理好资源网(原物理ok网)

在迪昂1902年出版的《化学化合物和混合物:论思想的演变》和1903年出版的《力学的演变》中,后者的前半部分,特别是前半部分,讲的是自然哲学思想的发展,解释了各种思想是如何受到各种影响的,一些思想是如何得到支持、发展和抛弃的,而另一些思想又是如何在过渡中受到青睐、改变和保留的。后半部分是对19世纪末力学物理学的概述。迪昂已经看到,物理学的迅速、持续和令人兴奋的增长动摇了经典力学的基础和一些古典物理学家的信念;随着它对新问题的纠缠,力学所依据的基础的可靠性受到质疑,它又一次面临着经典力学的挑战,只能进入新的领域。PmM物理好资源网(原物理ok网)

迪昂实际上单枪匹马地发现了中世纪科学史,同时还对17世纪物理学的发展和古代物理学做出了深远而独创的研究,他用大量的原始数据证明了科学的发展总是连续的因而是进化的,而伽利略的思想是从许多早期的科学著作中发展而来的,并不是如伽利略本人和其他人所认为的那样最早的。PmM物理好资源网(原物理ok网)

为了充分阐述这些思想,迪翁从研究静力学的起源开始了他的研究,并最终写了两卷专著《静力学的起源》(1905-1906 年)。在书中,迪翁追溯了静力学平衡的原理。从古希腊的发展到拉格朗日,他看到现代科学诞生于公元 1200 年左右的中世纪,而一些成果被 15 和 16 世纪的一群数学家剽窃,并声称这是他们自己的贡献。迪翁谴责这种思想腐败,强调传统对于真正的科学进步是必不可少的。PmM物理好资源网(原物理ok网)

电学应用物理学家PmM物理好资源网(原物理ok网)

一些想法PmM物理好资源网(原物理ok网)

1、传统对于真正的科学进步至关重要。现代物理学和科学的革命性变化不是凭空而来的,都是在继承传统经典力学的基础上发展起来的,他们首先是一个力学专家,这些物理学大师对经典力学的深厚造诣为他们进入现代物理学奠定了基础。他们的经验表明,在培养新一代人时,牢固树立掌握已有科学知识是多么重要,他们都讲授力学,并留下了有影响的教科书,这一点就清楚地表明了这一点。PmM物理好资源网(原物理ok网)

2、他们之所以具有深厚的力学功底和卓越的成就,与他们对力学重要性的认识有关。他们从方法论的角度理解力学的作用。赫兹认为:“所有物理学家都同意开尔文认为‘我的目标是表明如何构造一个力学模型,这个模型能够解释我们所考虑的任何物理现象。’所要求的条件都会得到满足。在我建立起一个事物的力学模型之前,我永远不会满足。如果我成功地建立了一个模型,我就能理解它;否则,我就无法理解它。”迪翁从哲学的角度论证了必须重视力学的知识传统。正是基于这种对力学重要性的深刻认识,他们才采取行动,在力学上打下了坚实的基础,并做出了卓越的贡献。PmM物理好资源网(原物理ok网)

3、力学这门学科不仅在近代工业革命中起到了理论指导作用,而且在近代科学革命中也起到了先导作用,如果说这些大师们进入近代物理学领域,靠的就是他们的经典力学基础的话,那么我们今天要想在新的科技领域大显身手,也必须要有扎实的经典力学和近代力学基础,如今这些大师们已经离我们远去一百多年了,在本世纪,力学这门学科也有了长足的发展,如果想在近代科技上做出重大贡献,就尤其要打下扎实的力学基础,包括近一百年来力学的重要发展。PmM物理好资源网(原物理ok网)

4、目前有些学校在考虑教学计划或设置专业时,认为基础不重要,不断压缩基础课中的力学课时,在设置专业方面,说要尽量现代化,脱离那些传统的专业,好像是“创新”一样。这些大师的经历给了我们很好的教训,没有基础,没有掌握已有的知识,所谓的创新不过是空中楼阁,了解这些大师的历史,是有现实意义的。PmM物理好资源网(原物理ok网)

这些学者的历史本身就是很好的教材。PmM物理好资源网(原物理ok网)

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