1638年,意大利物理学家伽利略在《两种新科学的对话》中利用科学推理证明了重物体和轻物体下落的速度相同。他通过在比萨斜塔上做了两个不同质量的小球下落的实验来验证了他的观点,推翻了古希腊学者亚里士多德关于质量大的小球下落更快的观点。
1654年,德国马德堡市进行了一项轰动一时的实验,即马德堡半球实验。
牛顿于1687年在他的著作《自然哲学的数学原理》中首次提出了三大运动定律,这被认为是他最重要的成就之一。
在17世纪,伽利略提出了一个理想实验的观点,指出水平面上移动的物体如果没有受到摩擦力的影响,将会保持匀速直线运动。这一观点推翻了亚里士多德的观点,即力是维持物体运动的原因。同时代的法国物理学家笛卡特进一步指出,如果没有其他干扰因素,运动物体将会继续沿着一条直线以恒定速度运动,既不减速也不改变方向。
英国物理学家胡克对物理学的重要贡献之一是提出了胡克定律,该定律描述了弹簧的形变量与弹力之间的关系。根据胡克定律,弹簧的形变量与弹力成正比,但需要在一定的条件下才成立。
伽利略在他的著作《两种新科学的对话》中,于1638年详细研究了抛体运动,运用了观察、假设和数学推理的方法。
古希腊科学家托勒密代表着“地心说”,他是基于日常观察和经验提出这一理论。而波兰天文学家哥白尼大胆地提出了“日心说”,对地心说进行了反驳。
在17世纪,德国天文学家开普勒提出了开普勒三大定律,这些定律对于描述行星运动和太阳系的结构产生了深远影响。
1687年,牛顿正式发表了他的万有引力定律。随后,1798年,英国物理学家卡文迪许利用扭秤实验装置比较准确地测出了引力常量。
1846年,英国剑桥大学学生亚当斯和法国天文学家勒维烈(勒维耶)根据万有引力定律的计算和观测,发现了海王星。1930年,美国天文学家汤苞也利用相同的方法发现了冥王星。
在中国宋朝时期,火箭的发明被认为是现代火箭的先驱,其原理与现代火箭相似。然而,现代火箭的结构更加复杂,其最大速度取决于喷气速度和质量比,即火箭开始飞行时的质量与燃料燃尽时的质量比。俄国科学家齐奥尔科夫斯基被称为现代火箭之父,他最早提出了多级火箭和惯性导航的概念。多级火箭通常由三级火箭组成,而我国已经成为掌握载人航天技术的第三个国家。
1957年10月,苏联成功发射了第一颗人造地球卫星。1961年4月,苏联的“东方1号”宇宙飞船搭载着尤里·加加林成为了世界上第一位进入太空的宇航员。
量子力学和爱因斯坦提出的狭义相对论在20世纪初引入,它们表明经典力学无法完全描述微观粒子和高速运动物体的行为。
法国物理学家库仑利用扭秤实验于1785年发现了电荷之间的相互作用规律——库仑定律,并测出了静电力常量k的值。
在1752年,本杰明·富兰克林在费城进行了风筝实验,验证了闪电是一种放电形式,并将天电与地电相统一,同时还发明了避雷针。
1837年,英国物理学家法拉第首次提出了电场的概念,并提出了用电场线来描述电场。
1913年,美国物理学家密立根通过他的油滴实验成功精确测定了元电荷e的电荷量,并因此获得了诺贝尔奖。
欧姆(1787~1854)是一位德国物理学家,他在1826年通过实验得出了欧姆定律。
在1911年,荷兰科学家昂尼斯(或昂纳斯)发现了一个重要的现象,即在将大多数金属冷却到一定温度以下时,它们会表现出电阻急剧降低甚至变为零的超导现象。
在19世纪20年代,焦耳和楞次相继独立发现了电流通过导体时产生热效应的规律,这就是焦耳—楞次定律。
奥斯特在1820年发现了电流可以使周围的小磁针发生偏转,这一现象被称为电流磁效应。
法国物理学家安培在实验中发现了两根通有同向电流的平行导线相互吸引的现象,反向电流的平行导线则相互排斥。他提出了安培分子电流假说,并总结出了安培定律(右手螺旋定则),用以判断电流与磁场的相互关系。此外,他还提出了左手定则,用以判断通电导线在磁场中受到磁场力的方向。
洛伦兹是一位著名的荷兰物理学家,他提出了运动电荷会产生磁场,并且磁场会对运动电荷产生作用力的观点,这就是洛伦兹力的概念。
英国物理学家J.J.汤姆孙在他的研究中发现了电子,并且指出阴极射线实际上是高速移动的电子流。
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。这一仪器由物理学家约翰·汤姆孙的学生阿斯顿于1919年发明。
1932年,美国物理学家劳伦兹发明了回旋加速器,这种装置可以在实验室中产生大量高能粒子。回旋加速器的最大动能仅取决于磁场的强度和D形盒的直径。带电粒子在磁场中进行圆周运动的周期与高频电源的周期相同。然而,根据狭义相对论,当粒子的动能很大,速度接近光速时,粒子的质量随速度增加显著增大,这导致粒子在磁场中的回旋周期发生变化,使得进一步提高粒子的速度变得非常困难。
英国物理学家法拉第于1831年发现了电磁感应定律,揭示了磁场产生电流的条件和规律。
物理学家楞次于1834年提出了著名的楞次定律,该定律确定了感应电流的方向。
在1835年,美国科学家亨利发现了自感现象,即电流变化在电路本身引起感应电动势的现象。这一发现被广泛应用于诸如日光灯等设备的工作原理中。另外,为了消除自感现象的影响,双绕线法制精密电阻也被应用到了相关领域。
1827年,英国植物学家布朗观察到水中花粉微粒不断地做无规律运动的现象,这一现象后来被称为布朗运动。
19世纪中叶,德国医生迈尔、英国物理学家焦耳和德国学者亥姆霍兹最终确立了能量守恒定律。
1850年,克劳修斯提出了热力学第二定律的定性表述,即热不可能自发地从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,这被称为克劳修斯表述。次年,开尔文提出了另一种表述,即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,这被称为开尔文表述。
在1848年,开尔文提出了热力学温标,并指出绝对零度(-273.15℃)是温度的最低限。热力学温标和摄氏温度之间的转换关系为T=t+273.15 K。
根据热力学第三定律,当物体的温度接近绝对零度时,其熵将趋于零。
在17世纪,荷兰物理学家惠更斯确定了单摆周期的公式,称2秒周期的单摆为秒摆。
惠更斯于1690年提出了机械波的波动现象规律——惠更斯原理。
多普勒(1803~1853)是奥地利物理学家,他最初发现了多普勒效应,即当波源和观察者相对运动时,观察者会感觉到频率发生变化。当波源和观察者相互接近时,频率增大;相互远离时,频率减小。
英国物理学家麦克斯韦在1864年发表了《电磁场的动力学理论》的论文,其中提出了电磁场理论,并预言了电磁波的存在。麦克斯韦指出光是一种电磁波,并为光的电磁理论奠定了基础。据其理论,电磁波属于横波。
赫兹在1887年通过实验证实了电磁波的存在,并确定了电磁波的传播速度等于光速。
1894年,意大利的马可尼和俄国的波波夫分别发明了无线电报,开启了无线电通信的全新时代。
1800年,英国物理学家赫歇耳发现了红外线。随后,1801年,德国物理学家里特发现了紫外线。再后来,1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线(伦琴射线),并拍摄下了他夫人手的X射线照片,这是世界上第一张X射线的人体照片。
荷兰数学家斯涅耳在1621年找到了入射角与折射角之间的规律,这就是著名的折射定律。
英国物理学家托马斯·扬在1801年成功地观察到了光的干涉现象,这一发现在当时引起了广泛的关注,并且对后来的光学研究产生了深远的影响。
法国科学家菲涅尔和泊松在1818年计算并进行了实验观察,发现了光在圆板上的衍射现象,这就是著名的泊松亮斑。
英国物理学家麦克斯韦在1864年预言了电磁波的存在,并指出光是一种电磁波。
1887年,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,证明了光是一种电磁波。
1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论,其基本原理包括:
在不同的惯性参考系中,所有物理定律都是相同的,这就是相对性原理。
光速不变原理是指在不同的惯性参考系中,光在真空中的速度始终是不变的,即为常数c。
爱因斯坦提出了相对论中的一个重要结论——质能方程式E=mc2,这个方程揭示了质量和能量之间的等价关系。
公元前468~前376年,我国的墨翟及其弟子创作了一部名为《墨经》的著作,其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,成为世界上最早的光学著作。
1849年,法国物理学家斐索首次成功在地面上测量了光速。随后,许多科学家采用了更精密的方法进行光速的测定,其中包括美国物理学家迈克尔逊使用旋转棱镜法进行的测量。
17世纪形成了两种关于光的学说:一种是牛顿主张的微粒说,认为光是由光源发出的一种物质微粒。另一种是惠更斯提出的波动说,认为光是一种在空间中传播的波动。然而,这两种学说都无法完全解释当时观察到的所有光现象。
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德国物理学家迈克逊和美国物理学家莫雷进行过有关光速的实验,这个实验与相对论(即高速运动世界)有关。
做热辐射实验可以帮助我们理解量子论在微观世界中的应用。
在19世纪末和20世纪初期,物理学领域出现了三大重要发现:X射线的发现、电子的发现以及放射性同位素的发现。
1900年,德国物理学家普朗克提出了能量子假说,解释了物体的热辐射规律。他的假说认为当物质发射或吸收能量时,这些能量不是连续的,而是以离散的单位存在,即能量子。
激光被誉为20世纪的“世纪之光”。它的发明引发了无数领域的革命性变革,包括医疗、通讯、制造和科学研究等。
在1900年,德国物理学家普朗克提出了一个关于物体热辐射规律的理论,该理论表明电磁波的发射和吸收并非连续进行,而是以一份一份的方式进行,这一理论将物理学引入了量子世界。爱因斯坦在受到这一理论启发后于1905年提出了光子说,成功地解释了光电效应的规律,并因此获得了诺贝尔物理奖。
1923年,美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时发现了康普顿效应,这一实验结果证实了光的粒子性,并进一步说明了动量守恒定律和能量守恒定律同时适用于微观粒子。
1913年,丹麦物理学家玻尔提出了原子结构假说,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。
法国物理学家德布罗意在1924年大胆预言,实物粒子在特定条件下会表现出波动性。
1927年,美国和英国的物理学家发现了电子束在金属晶体上产生的衍射图案。与光学显微镜相比,电子显微镜的衍射现象影响要小得多,因此大大提高了分辨能力。此外,质子显微镜的分辨能力更高。
1858年,德国科学家普里克发现了一种神奇的射线——阴极射线(也被称为高速运动的电子流)。
1906年,英国物理学家汤姆生发现了电子,并因此荣获诺贝尔物理学奖。
1913年,美国物理学家密立根通过油滴实验成功测定了元电荷e的电荷量,并因此获得了诺贝尔奖。
在1897年,英国物理学家汤姆生利用阴极射线管发现了电子,这一发现证明了原子是可以分裂的,并且具有复杂的内部结构。同时,他提出了原子的“葡萄干布丁”模型。
在1910年代初期,英国物理学家卢瑟福和他的助手们进行了一系列α粒子散射实验,并由此提出了原子核的核式结构模型。据实验结果估计,原子核的直径大约在10~15m数量级范围内。卢瑟福在1919年成功地利用α粒子轰击氮核,实现了对原子核的首次人工转变,同时也发现了质子的存在。他还预言原子核内可能存在另一种粒子。卢瑟福的学生查德威克在1932年通过对α粒子轰击铍核的实验中成功地发现了这种粒子,从而人们认识到原子核由质子和中子组成。
1885年,瑞士的中学数学教师巴尔末总结了氢原子光谱的波长规律,提出了巴尔末系。
1913年,丹麦物理学家波尔首次提出了氢原子能级的表达式。
1907年,法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射现象,这项发现揭示了原子核内部的复杂结构。天然放射现象包括两种衰变(α、β)和三种射线(α、β、γ)。在这些射线中,γ射线是衰变后新核处于激发态时向低能级跃迁辐射出的。衰变速度与原子的物理和化学状态无关。
贝克勒尔的建议下,玛丽-居里夫妇在1896年发现了两种放射性更强的新元素——钋(Po)和镭(Ra)。
1919年,卢瑟福通过用α粒子轰击氮核,首次实现了人工改变原子核的实验,从而发现了质子,并预测原子核内还存在着另一种粒子——中子。
1928年,英国物理学家查德威克在进行α粒子轰击铍核的实验时,意外发现了中子,为此后原子核物理研究做出了重大贡献,并因此获得了诺贝尔物理奖。
在1934年,夫妇居里通过用α粒子轰击铝箔的实验,发现了正电子和人工放射性同位素。
1938年12月,德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼用中子击打铀核,结果引发了铀核的裂变。
在1942年,美国科学家费米和西拉德等人领导下,成功建成了第一个裂变反应堆。这个反应堆由浓缩铀棒、控制棒、中子减速剂、水泥防护层和热交换器等组成。
1952年,美国成功引爆了世界上第一颗氢弹,这是一种聚变反应,也被称为热核反应。人们认为,通过利用强激光产生的高压来照射小颗粒核燃料,或许可以实现人工控制核聚变的一个可能途径。
正电子于1932年被发现,而夸克模型则是在1964年提出的。
粒子可以分为三大类:费米子、玻色子和胶子。媒介子是一种玻色子,它们负责传递各种相互作用,例如光子传递电磁相互作用。
轻子是一类不参与强相互作用的微观粒子,例如电子和中微子。
强子是一类参与强相互作用的粒子,包括重子(如质子、中子和超子)和介子。它们由更基本的粒子夸克组成,夸克可能带有元电荷。