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第一節(jié)   科學的基本知識

一、熱力學三定律

熱是最普遍的能量傳遞形式。氣體溫度是大量氣體分子熱運動的宏觀表現(xiàn)，固體的熱傳導是物質(zhì)原子在平衡位置附近機械振動時的能量傳遞，熱輻射是物體內(nèi)部帶電粒子熱運動時引起的電磁輻射。所以，熱、電磁、光等現(xiàn)象和機械運動都是能量的不同形式，可以相互轉(zhuǎn)化，并且遵循能量守恒定律。

熱力學第一定律，是能量守恒定律最普遍的形式。在歷史上，焦耳發(fā)現(xiàn)了熱功當量和I氈流的熱效應。開爾文給出了熱力學第一定律的數(shù)學公式。這一定律表明，熱力學系統(tǒng)如不吸收外部熱量卻對外做功，須消耗內(nèi)能；不可能造出既不需外界能量又不消耗系統(tǒng)內(nèi)能的永動機。這個定律所表示的關系可推廣到電磁、化學等形式的能量轉(zhuǎn)化過程中，可被理解為廣義的能量守恒與轉(zhuǎn)化定律，是自然界最基本的定律之一。

熱力學第二定律：在卡諾研究蒸汽機效率的基礎上，克勞修斯提出，熱不可能獨立地、沒有補償?shù)貜牡蜏匚矬w傳向高溫物體；在一個孤立系統(tǒng)內(nèi)，熱總是從高溫物體傳向低溫物體的，而不是相反。開爾文提供了另外一種表述：不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響。這兩種表述包含的共同結(jié)論是：熱機不可能把從高溫熱源中吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為有用功，總要把一部分傳給低溫熱源。根據(jù)這個定律，任何熱機的效率都不可能達到100％。

熱力學第三定律：在科學家研究固體、液體、分子和原子的自由能的基礎上，能斯特提出，在溫度達到絕對零度(一273攝氏度)時，物質(zhì)系統(tǒng)(分子或原子)無規(guī)則的熱運動將停止。盡管人可以用制冷技術降低物體的溫度，但絕對零度實際上是不可能達到的。

二、電磁理論

近代科學家發(fā)現(xiàn)磁極之間的斥力遵循平方反比定律，發(fā)明了儲存電荷的萊頓瓶。庫侖在此基礎上發(fā)現(xiàn)：兩個點電荷之間的作用力大小與它們的電量乘積成正比，與距離成反比，作用力在兩點連線上。庫侖定律形式上同萬有引力定律相同。

伽伐尼發(fā)表了《論肌肉運動中的電作用》一文，伏特對此作出了正確解釋，發(fā)現(xiàn)了電流，并發(fā)明了最早的電池，導致了電學研究的革命。奧斯特在做物理實驗時偶然發(fā)現(xiàn)電可以轉(zhuǎn)化為磁。法拉第、亨利則發(fā)現(xiàn)：磁也可以轉(zhuǎn)化為電，即電磁感應現(xiàn)象。

1872年，麥克斯韋提出一組(共4條)方程式，概括了電場、磁場本身，以及電轉(zhuǎn)化為磁、磁轉(zhuǎn)化為電所滿足的數(shù)學關系，并導出電磁場的波動方程，還預言光是電磁波。他的理論成為描述電磁運動的基本理論。

三、相對論

相對論是愛因斯坦創(chuàng)立的物理學理論，描述物體的高速運動和相關的時空性質(zhì)，包括狹義相對論和廣義相對論。

狹義相對論假定：光的傳播不需媒介，真空中的光速在一切慣性坐標中均是一個常數(shù)(c)。在此基礎上進一步認為：一切客觀物體的運動規(guī)律，在各個不同的慣性坐標中均有相同的形式。也就是說，不存在以最簡單數(shù)學形式描述物理運動的特殊的慣性坐標。宇宙中不存在特殊的慣性坐標的假說，被稱為“相對性原理”，愛因斯坦的理論也因此被稱為相對論。根據(jù)狹義相對論，運動的尺子要縮短，運動的鐘會變慢，光速是物質(zhì)運動的極限，兩個事件的同時發(fā)生是相對的。在物體運動速度遠小于光速的情況下，相對論力學也就變成了牛頓力學。在此基礎上，愛因斯坦提出，物體運動速度趨近光速時，質(zhì)量會趨向無窮大(質(zhì)一速關系式)。電子運動實驗證實了這一點。愛因斯坦還提出了質(zhì)能關系式。質(zhì)能關系式表明，質(zhì)量的虧損伴隨著巨大能量的產(chǎn)生，這也得到了原子核物理學實驗的驗證。

愛因斯坦從牛頓第二定律中的慣性質(zhì)量和萬有引力定律中的引力質(zhì)量兩者相等的事實出發(fā)，提出著名的等效原理和廣義協(xié)變原理，建立了新的引力理論——廣義相對論。根據(jù)等效原理，一個加速度為a的非慣性系等效于含有均勻引力場的慣性系，也就是說，在一個加速系統(tǒng)中所看到的運動與存在引力場的慣性系統(tǒng)中所看到的運動完全相同。比如，地球引力場中自由下落的人的感覺與太空中的失重情況相同，這也得到宇航員的親身驗證。根據(jù)廣義協(xié)變原理，無論在慣性系中還是在非慣性系中，物理規(guī)律都有相同的數(shù)學形式。這樣，相對性原理由慣性系推廣到非慣性系，狹義相對論就變成了廣義相對論。

根據(jù)廣義相對論，時空的性質(zhì)不但取決于物質(zhì)的運動，而且也取決于物質(zhì)在空間的幾何分布。物質(zhì)和運動在決定時空性質(zhì)方面有等價性。在引力場中，空間不再平直，而是彎曲的。物質(zhì)密度高的地方引力場強度大，時空也彎曲得厲害，其中時間的彎曲是指時間流逝的節(jié)奏。根據(jù)牛頓的理論，月球圍繞地球運動的軌道是一個橢圓，維持這種運動的是萬有引力。根據(jù)愛因斯坦的理論，由于地球的質(zhì)量使其周圍的空間彎曲，月球不過是在彎曲了的空間中沿最短路徑運動而已?！拔镔|(zhì)告訴時空怎樣彎曲，時空告訴物質(zhì)怎樣運動?！蔽镔|(zhì)、運動和時空三者之間有不解之緣。相對論不但引起了物理學革命，也深刻影響了人類的時空觀。