资源简介

编写说明
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《中学教学全书》是一部大型的供中学教师教学参考用的工具书。其中《物理卷》的编写宗旨，是为中学物理教师服务，也就是为第一线工作的物理教师在备课时提供参考资料。对教学经验丰富的教师来说，一般无需查阅参考资料，但由于受到记忆上的限制，有时还得查一查，比较一下，使自己在教学时表达得更清晰、简洁。对缺乏教学经验、上岗不久的教师来说，就迫切需要有一本教学工具书，以使备课更收实效。
本书由物理学史，概念、定律、定理，教学方法，实验四部分组成，每部分按力学、热学、电磁学、光学、原子物理学排列，采用条目形式编写，便于读者查阅。
参加本书编写的有（按四部分、各分支学科排列）：应兴国、陆瑞征；钱振华、许兆新、陆全康、王森、钟亭芳、沈葹；袁哲诚、陈延沛；冯容士。
参加本书审稿的有（按姓氏笔画为序）：张立、张瑞琨、张馥宝、贾起民、徐文柳、徐志超。
我们在编写过程中，得到不少专家、同行的关心和支持，并提出了不少建议，在此表示深切的谢意。由于时间仓促，水平有限，书中不妥之处，望专家、教师提出批评、指正。
编者
1996年3月
序言
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国家教育委员会副主任? 柳? 斌
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在过去的十年中，上海教育出版社陆续出版的各科教师手册曾在教育界，尤其普教界产生了较大影响。作为那一时期中小学教师学历补偿的参考读物，作为知识复苏阶段中小学教学的备课工具，那套手册曾立下了汗马功劳。然而，毕竟时光已流过十载，站在新世纪的大门口，耳畔是改革的猎猎旗声，这匹跋涉了十个春秋的汗马有点力不从心了，它需要梳理、调整、充实，才能肩负起造就一代高素质跨世纪人才的重任。基于这一历史的使命感，又是这些或多年从事师范教育，或在普教第一线积累了丰富经验，或长期置身于教材研究和编写工作中的同志们，再一次聚集起来，开始了对整套手册（中学九个分册，小学六个分册）的全面修订和编写。
要在较高的立点，对原有手册的知识内容作科学的梳理，这是修订的共识之一。
较高的立点无疑在各学科的前沿。了解、介绍、掌握学科最新发展动态，并藉此来审视以往手册中确定的知识重点、某些定论、甚或一个条目的表述方式，缺憾便一览无遗。以物理学科为例，当激光在世界前沿科学技术发展中越来越显示出支柱作用的时候，倘若我们对它仍只作一般的介绍就十分欠缺了。因此，修订既要消除缺憾，剔去陈旧，还必须为科学的不断发展留有余地。尽管在初等或中等教育的教学中不一定会涉及多么高深的理论，但唯有当教师对本学科的精神与发展了然于胸时，才能在学生的心中萌出哥德巴赫猜想。
对原有手册的知识结构作合理的调整时，要加强教学与社会联系的成分，这是修订的共识之二。
当前基础教育正从应试模式转到提高国民素质的轨道上来，把课本知识与社会实际联系起来，以加强学生的社会责任感和培养他们的动手能力，改变读死书的状态已成当务之急。调整原有手册中的知识结构正是以此为精神，并在量上体现出来，如化学学科增加了“化学与社会”、“化学与环境”等章节，语文学科则在写作部分增加了关于心理学、社会心态、社会与人等问题的论述，对文艺作品的分析也更注重社会氛围与人物的关系。事实上，这一调整与目前多套教材都强调素质教育，强调扩大知识面，强调调动非智力因素等是很合拍的。
留出一定的篇幅为教学法部分充实新的内容，肯定和介绍学科教学的新手段，这是修订的共识之三。
在国门大开的今天，各方面与国际接轨已势在必行，新的教学实验用具不断出现，电脑正在普及，科学的命题法和教学评估正使各级教学进入更好的循环，新的教学大纲又为第二课堂的开展保证了时间，有利于学生个性发展的兴趣活动又激发了学生第一课堂的学习积极性……我们有那么多的灵魂工程师在忙碌着、研究着、设计着，在手册修订之际，对这些先进的教学手段作一个总结、归纳，形成大家可仿可效的全新概念的学科教学法不是一件很有意义也很实在的事吗？
修订、编写工作历时三年，各个分卷即将陆续问世，大家曾想为它取个响亮的名字，转而又想，既然教育工作者被喻为布满枝头的绿叶，为着花的开放、果的成熟而甘于平凡，那么，就还是让它以最朴素的面貌静静地去到教师们的书案上吧。
编写说明
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《中学教学全书》是一部大型的供中学教师教学参考用的工具书。其中《物理卷》的编写宗旨，是为中学物理教师服务，也就是为第一线工作的物理教师在备课时提供参考资料。对教学经验丰富的教师来说，一般无需查阅参考资料，但由于受到记忆上的限制，有时还得查一查，比较一下，使自己在教学时表达得更清晰、简洁。对缺乏教学经验、上岗不久的教师来说，就迫切需要有一本教学工具书，以使备课更收实效。
本书由物理学史，概念、定律、定理，教学方法，实验四部分组成，每部分按力学、热学、电磁学、光学、原子物理学排列，采用条目形式编写，便于读者查阅。
参加本书编写的有（按四部分、各分支学科排列）：应兴国、陆瑞征；钱振华、许兆新、陆全康、王森、钟亭芳、沈葹；袁哲诚、陈延沛；冯容士。
参加本书审稿的有（按姓氏笔画为序）：张立、张瑞琨、张馥宝、贾起民、徐文柳、徐志超。
我们在编写过程中，得到不少专家、同行的关心和支持，并提出了不少建议，在此表示深切的谢意。由于时间仓促，水平有限，书中不妥之处，望专家、教师提出批评、指正。
编者
1996年3月
中学教学全书
物理卷
张瑞琨? 主编
上海教育出版社出版发行
（上海永福路123号）
（邮政编码：200031）
各地新华书店经销? 上海中华印刷厂印刷
开本850×1156 1／32? 印张23.75? 插页4
字数601，000? 1996年12月第1版
1996年12月第2次印刷? 印数 8201——13220本
ISBN? 7-5320－4855-1／G·4825
定价：（软精）28.00元
王冠之谜
相传亥尼洛国王做了一顶金王冠，他怀疑工匠用银子偷换了一部分金子，国王要阿基米德（Archimedes，前287—前212）鉴定它是不是纯金制的，且不能损坏王冠。阿基米德捧着这顶王冠整天苦苦思索。有一天，阿基米德去浴室洗澡。他跨入浴桶，随着身子浸入浴桶，一部分水就从桶边溢出。阿基米德看到这个现象，头脑中像闪过一道闪电，“我找到了！”他忘记了自己裸露着身子，从浴桶中一跃而出奔向街头，狂呼“攸勒加，攸勒加！”（找到了）在这一欢呼声中诞生了流体静力学。
阿基米德拿一块金块和一块重量相等的银块，分别放入一个盛满水的容器中，发现银块排出的水多得多。
于是阿基米德拿了与王冠重量相等的金块，放入盛满水的容器里，测出排出的水；再把王冠放入盛满水的容器里，看看排出的水是否一样，问题就解决了。根据各种历史记载，我们不能肯定工匠是不是老实，但阿基米德却从这个实验得出了著名的浮力定律。
首先，阿基米德在这个实验中提出了物质比重的概念，指出重量相等的金块、银块，排开水的体积是不同的。阿基米德还在《论浮体》一书中，通过严密的逻辑方法，证明了他的浮力定律。他的基本公设是：“液体按其本性，在其粒子均匀和连续分布的情况下，受挤压作用较小的粒子将被受挤压作用较大的粒子挤出去；这个液体中的个别粒子将受到它上面的粒子的垂直压力。”他从这个公设出发证明了：静止液体的表面是球形的，这个球心与地心相合；与液体有相同比重的物体将完全浸入液体中，但又不会深深地沉下去；比重比水小的物体将浮出水面，物体浸入水中的部分不足的重量将由露出部分的重量加以补偿，从而使浮体建立平衡。这样，与浸入水中部分的同体积水的重量才等于整个物体的重量。于是，阿基米德以下述两个推论的形式确立了自己的浮力定律：
“推论Ⅵ，比重比液体轻的物体浸入液体中时，将受到一个向上的力，这个力等于与该物体同体积的液体的重量超过该物体本身重量的部分；
推论Ⅶ，比重比液体重的物体浸入液体中时，将越来越下沉，直达到底部，它在液体中失去的重量，等于它同体积的液体的重量。”
总之，浸入液体中的物体所失去的重量，就等于它排开的液体的重量。这就是著名的阿基米德定律。
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亚里士多德的错误理论流传2000年
古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，前384—前322）第一个对古代科学的进展作了总结，第一个试图建立力学普遍定律。
亚里士多德不仅把机械运动看作是运动，还把静止物体性质的变化，物体尺寸的增加等等也看作是运动。他认为一切机械运动应分成两大类：天体的运动和一般的地面物体的运动。他认为第一类运动是沿圆形轨道的匀速运动，这些运动没有开始，也没有终结，是永恒的。造成这些运动的原因是某个起始的动力、某种精神力量（上帝）。因此，亚里士多德认为，天体的运动是完善的，天空中的一切现象都是完美无缺的：运动是圆周运动，天体的形状是严格的球形，它们的表面是光滑的等等。而在地面上则相反，一切现象都是不完善的，物体的运动也是不完善的，它总是有自己的开始和终了。
除此之外，亚里士多德还认为，除了下落运动以外，重物的运动总是“被迫的”，“一切运动的物体必定受某物驱动”。下落物体的运动是自然运动，运动的原因在于重物本身。亚里士多德假设，一切“被迫”运动，包括匀速直线运动，都是在力的作用下发生的。他还认为，此时力并不正比于加速度（像牛顿所确定的那样），而是正比于速度。这些就是亚里士多德力学的基本原理。
亚里士多德的力学的基本原理，在科学上是错误的。席卷西欧的文艺复兴运动，推翻了统治近2000年的以亚里士多德为代表的古希腊力学学说。伽利略关于自由落体、摆和碰撞等一系列杰出的实验研究，为牛顿的动力学理论的诞生打下了坚实的基础，由此，物理学向前迈出了一大步。
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天文学革命
自古以来，人们从日出日落、星移斗转等天象，自然地认为地球是宇宙的中心，日月星辰都围绕着地球运转。古希腊学者亚里士多德等人最先提出了“宇宙以地球为中心”的观点，到公元140年左右，亚历山大城的天文学家托勒密（Ptolemy，约90—168）在他的巨著《天文学大成》中，提出了较完整的宇宙以地球为中心的学说（即后人所称的“地心说”）。这一学说的要点是：①地球位于宇宙的中心，且静止不动。月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星等由近及远依次围绕着地球运转。②每个行星都在一个小圆轨道“本轮”上匀速转动，同时又在一个大圆轨道“均轮”上绕地球匀速转动。用本轮、均轮这两种圆周运动和其他一些规定，就可以解释当时所观测到的行星的视运动现象。
到中世纪，托勒密的地心说被欧洲教会利用来作为上帝创造世界的理论支柱，由此取得了学术界的统治地位。在教会的严密统治下，人们在1000多年中未能挣脱“地心体系”的桎梏，直到波兰天文学家哥白尼（N．Copernicus，1473—1543）对此提出挑战。
1473年哥白尼诞生于波兰东部的托伦城，就学于克拉科夫大学，后来又到意大利求学。1513年回到了自己的祖国，在波罗的海沿岸的弗隆浦尔克度过了大半生。
哥白尼在意大利求学时，就已怀疑托勒密的世界体系的正确性，且疑虑越来越大。
大约在1515年他写了一篇论文，表示反对托勒密的学说，并探讨了世界的日心体系。但是这篇论文没有发表。哥白尼在生命快要终结之时，积40年研究成果，写就了《天体运行论》一书。这书在他去世那年，即1543年正式出版。
该书中，哥白尼系统地提出了“日心说”。
他认为地球不是宇宙的中心，而是一颗普通的行星，太阳才是宇宙的中心。除此以外，哥白尼学说的主要内容有：①水星、金星、火星、木星、土星这5颗行星与地球一样，都在圆形轨道上匀速绕太阳公转；行星运动以一年为一个周期，这是地球每年绕太阳公转一周的反映。②月球是地球的卫星，每月绕地球转一周，同时跟地球一起绕太阳公转。③地球每天自转一周，地球的自转造成日月星辰每天东升西落的现象。哥白尼的日心说比托勒密的地心说更能解释当时所观测到的天文现象，后来的观测事实又不断证实并发展了这一学说。
限于当时的科学水平，哥白尼学说也有一些缺点和错误：①把太阳当作宇宙的中心是不妥的，太阳只是太阳系的中心天体，而不是宇宙的中心。②行星的轨道应是椭圆而不是圆；同时，行星的运动不是匀速的。在哥白尼之后，意大利思想家布鲁诺（G．Bruno，1548—1600）认为，太阳并不是宇宙的中心，他大胆提出了宇宙是无限的且不存在中心的正确见解。德国天文学家开普勒（J．Ke－pler，1571—1630）明确指出行星运动的轨道是椭圆，而太阳则位于这个椭圆的一个焦点上，从而解决了行星运动速度不均匀的问题。布鲁诺和开普勒的这些见解都是对日心说的重要发展。
哥白尼著作的出版是科学史上的一次革命。在这以前，科学只是“神学的附庸”。现在，哥白尼竟然说出了不仅是反对亚里士多德，而且也是反对圣经的话来，这就从根本上动摇了宗教赖以统治的思想基础，他给罗马教廷带来的冲击是可以想象的。
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自由落体和斜面实验
地面上重物的下落是人类最早观测到的自然现象之一。千万年来，人们根据自己的日常经验都认为重物下落得快，轻物下落得慢。古希腊学者亚里士多德更把这上升到“理论”：重的物体落地快，轻的物体落地慢。
真正对自由落体运动进行科学研究的是意大利物理学家伽利略（G．Galilei，1564—1642）。他在比萨大学任教期间，多次对亚里士多德的观点提出疑问，他巧妙地设计了一个“佯谬”：如果亚里士多德的论断成立，即重物比轻物下落速度大，那么将一轻一重的两个物体拴在一起下落，“快的会由于被慢的拖着而减速，慢的会由于被快的拖着而加速”，因而它将以比原来那个重物小的速度下落，但这两个物体拴在一起要比原来那个重物更重些。这样，伽利略就从亚里士多德的重物较轻物下落得快的论断，导出了重物下落得更慢的结论。这表明“亚里士多德错了”。伽利略认为，只有假定重力加速度与物体的重量无关，才能消除这个矛盾。
伽利略向亚里士多德的挑战触怒了许多学者、教授，于是产生了流传广泛的斜塔实验故事。
比萨斜塔高179英尺，由于塔基问题，塔身发生倾斜，那正是理想的落体实验场所。伽利略为了证明他的论断，邀请了许多人到斜塔旁观看，有他的支持者，也有他的反对者。伽利略一手拿着一个1磅重的铅球，另一手拿着一个10磅重的铅球，一步一步地登上斜塔。到了塔顶，他向下作了个手势请观众注意，随即双手平举两个铅球让它们同时下落，最后“啪！”的一声，两个重量相差9倍的铅球同时落地。伽利略胜利了。
这个实验是否由伽利略操作，从当时的各种文献记载（包括伽利略本人的著作）中都无法得到证实。但重要的是，斜塔实验反映了当时的研究者们，对自由落体实验已有很深入的认识：①自由落体的速度极快，为了体现重物、轻物下落速度不同造成下落距离不同，必须有相当的高度以形成这种差别。这就是自由落体实验要在50多米高处的当地最高的建筑物上进行的缘故。②意大利各地的高塔不少，为什么流传下来的却是一个“斜塔实验”？这可能是千百次失败带来的一个必然结果。由于伽利略当时名声显赫，崇拜者们就把斜塔实验的功劳归到他的头上。不过，下面的“斜面实验”确是伽利略亲自设计和操作的。
在垂直方向观测自由落体的落地，在当时的技术条件下是很困难的，因为即便在50多米高处下落的物体，到达地面也只要花3秒多钟。为了仔细观测重力作用下物体运动的特点，伽利略设计了一个能将运动时间“放大”的斜面实验。他在一块厚木板上刻一道槽，并将槽打磨得很光滑。再取一个坚硬、光滑并很圆的铜球，放在槽里滚动。抬高槽的一端，使槽倾斜，这样，铜球就在一个斜面上滚动。实验开始时，让铜球放在槽顶沿着槽滚下，并记录整个下滑时间。重复几次，“以便使测得的时间准确到两次测定的结果相差不超过一次脉搏的十分之一。进行这样的操作，肯定了我们的观察是可靠的以后，将球滚下的距离改为槽长的四分之一，测定滚下的时间，我们发现它准确地等于前者的一半。下一步，我们用另一些距离进行试验，把全长所用的时间与全长的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分数所用的时间相比较。像这样的实验，我们重复了整整100次，结果总是经过的距离与时间的平方成比例，并且在各种不同坡度下进行实验，结果也都如此……”伽利略在《两种新科学的对话》中所记述的这段话，已道出了匀加速运动中经过的距离与时间的平方成比例的基本规律。
根据斜面实验，伽利略还提出了惯性的概念。根据亚里士多德的物理学，保持物体匀速运动的是力的持久运动。但是，伽利略从小球在水平面上运动的实验推测，如果没有摩擦力等阻力的作用，小球将保持匀速运动。这就奠定了近代关于物质惯性的基础。遗憾的是，伽利略没有定义匀速运动是在一条直线上的运动，因而没有最后完成惯性的近代定义。
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摆的研究
据说在1583年，年轻的伽利略在比萨教堂祈祷时，被那盏从教堂顶上悬挂下来的大油灯（长命灯）的来回摆动所吸引。他发现油灯的摆动很规则，那时还没有能准确计量时间的钟表，于是伽利略以他自己的“表”——即他的脉搏的跳动——来计算油灯摆动的时间。他发现，不论油灯的摆幅是大是小，摆动一个来回所需时间几乎相同。发现单摆的摆动周期与振幅无关，这是伽利略对物理学的一个贡献。后来他又通过更精确的实验得出，摆的振动周期与摆长的平方根成正比。
荷兰的惠更斯（C．Huygens，1629—1695）对摆的研究取得了最突出的成果，他的研究是与当时要解决精密钟表的结构问题相联系的。随着航海事业的迅速发展，如何精确测定船舶位置成为一个极其重要的问题。除了用天文观测的方法外，精确计时的方法也是一种常用的方法。长时间以来，人们知道要解决这个问题必需有两只钟，一只记录本地时间，另一只则记录零度子午线时间，且两钟都必须精确计时。当时，走时较准确的是摆钟，为了设计更精确的摆钟，首先要求制造一种摆动准确等时的摆，而不是像单摆那样近似等时的摆。惠更斯找到的解决办法是：摆动点的轨迹应是一段摆弧而不是一段圆弧。他发现可以通过悬丝在两片摆线夹板之间运动来实现。
由于真正的摆并不是一个数学摆（一个质点悬挂在一条数学线上），而是一个绕着水平轴旋转的物理摆。于是惠更斯着手研究如何用给定的物理摆去确定等时摆动的数学摆的长度。为此，他引进了惯性矩概念。他还发现了物理摆的悬挂点与摆动点的可互换性。
1658年，出版了《钟表论》一书。1673年，惠更斯的《摆钟》出版。书中，既研究了摆钟本身，又进一步系统地研究了以摆钟为基础的各种各样的理论。
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万有引力理论的胜利
“万有”引力概念起源于人类对地面上物体的重力现象和天空中星球的引力现象的认识。在古代和中世纪，重力被认为是位置的一种性质。亚里士多德认为，宇宙万物都有各自的位置，某物体一旦脱离了原位，就要回复原位。石头之所以落地，就是石头要回复到它原来所在的位置——地面上去。哥白尼提出了“日心说”，设想太阳、月球和地球等行星各自都有自己的引力体系。在各星球上空的石头都会落到离它最近的引力体系中去，因此，地球上的石头要落向地面。
17世纪，萌发了从动力学角度来解释天体运动的思想。英国御医吉尔伯特（W．Gilbert，1544——1603）从磁球实验，猜测太阳系的所有天体是通过磁力维系在一起的。开普勒受吉尔伯特影响，认为引力类似于磁力，太阳发出的磁力流（即引力）像轮辐一样在黄道面上沿太阳旋转方向转动，从而推动行星围绕太阳运动，引力的强度随着与太阳距离的增大而减弱。法国数学家笛卡儿（R．Descartes，1596—1650）于1644年提出“旋涡”假说，认为宇宙间充满着一种稀薄不可见的流质“以太”，它们围绕各个天体形成大小、速度和密度均不相同的旋涡，带动天体（如太阳）及其周围的物体（如太阳系各个行星）绕转，并形成一个指向中心的作用，从而表现引力作用。旋涡学说把天体运动归结为动力学问题，是牛顿以前最有影响的引力理论。
引力理论最重要的发展就是把天上的引力与地面的重力联系起来，从而把引力推到无处不存在的“万有”的地步。英国物理学家胡克（R．Hooke，1635—1703）首先觉察到引力和重力本质相同。他曾经在山顶和矿井下进行实验，试图测定重力随与地心距离的远近而变化的规律；另一方面，他又提出引力随与吸引中心距离的不同而变化的思想。胡克认为，“一旦知道这种关系，天文学家就容易解决天体运动的规律。”1680年初，胡克在给牛顿的信中甚至提出了引力反比于距离平方的猜测。1679年，英国天文学家哈雷（E．Halley，1656—1742）和伦恩（Ch．Wren，）按照开普勒第三定律，利用圆形轨道和匀速圆周运动的向心力公式，导出作用于行星的引力与它们到太阳的距离的平方成反比。但是，他们还不能证明行星在椭圆轨道中也是如此。1684年8月，哈雷从伦敦专程到剑桥大学向牛顿请教，牛顿（I．Newton，1642—1727）说他早已完成了这一证明，但一时找不到证明手稿。这年年底，牛顿将重新作出的证明寄给哈雷。在哈雷的热情资助下，1687年出版了牛顿的名著《自然哲学的数学原理》，公布了他力学研究的全部成果，包括他对引力理论的研究。这一研究主要是在1665——1666年间进行的，这一时期由于瘟疫流行，剑桥大学停课，正在求学的牛顿回到故乡，潜心研究引力理论。关于牛顿是从“苹果落地”得到万有引力启发的传说，也是指那段时间。
地球上的重力与天体间的引力是不是一回事？从牛顿的一份手稿来看，他已经把重力问题引向空间。手稿中说：“就在这一年，我开始想到把重力引伸到月球的轨道上，并且在弄清怎样估计圆形物在球体中旋转时压于球面的力量之后，我就从开普勒关于行星公转的周期的平方与其轨道半径的立方成比例的定律中，推得推动行星在轨道上运行的力量必定和它们到旋转中心的距离的平方成反比例。于是我把推动月球在轨道上运行的力和地面上的重力加以比较，发现它们差不多密合。”这是牛顿在1665——1666年间想到的问题，可是牛顿迟迟不发表有关引力的理论。其可能是他使用的地球大小的数据不精确，于是得出的推动月球在轨道上运行的力和重力不符；也可能是计算时遇到许多困难。因为讨论行星和太阳时，它们相距甚远，天体都可看作是质点。月球和地球之间距离没有那么大，就不能简单地把它们当作质点。此外，以苹果的大小和它与地球的距离相比，地球是巨大无比的，要计算地球各部分对苹果的引力总和很困难。哈雷向牛顿求教有关彗星运动问题，促使牛顿重新考虑引力理论。1685年牛顿证明一个由具有引力的物质组成的球吸引它体外的物体时，和所有质量都集中在中心时一样。理论上允许把太阳、月球、地球都当作一个个质点，问题便大大简化。突破这一障碍后，牛顿把天体间的力和地球吸引物体坠落的力联系起来，重新回到重力和月球的老问题上来。他采用了有关地球的新数据，证明地面上物体的坠落和月球沿闭合轨道运行出于同一原因，并把这一结论推广到所有的行星运动中去，提出了著名的万有引力定律。
牛顿所完成的万有引力定律，经过科学实践的检验得到了普遍承认。著名物理学家周培源把这一检验过程归结为三点：第一，万有引力理论应能解释旧理论所能解释的一切现象；第二，新理论还应能解释已经发现的但却是旧理论所不能解释的现象；第三，也是最关键的一点，它还应能预言一些新现象，并且能为尔后的实验或观测所证实。
关于地球的形状，是对牛顿理论的第一个重大考验。在运用万有引力定律解释岁差现象时，牛顿指出每一行星由于自身的旋转运动，赤道部分应该隆起，星体应为两极扁平的球体。里切尔在卡因岛观察到的摆钟变慢的现象，被牛顿看作是赤道处引力场变小，即地球是个扁球体的证据。因此，赤道隆起部分将一部分接近太阳和月亮，另一部分远离太阳和月亮，它们受到的引力作用也不同，使太阳和月亮的引力摄动作用不通过地球中心，从而使地球的轴作一种缓慢的圆锥运动，造成了二分点的岁差现象，牛顿近似地估算出地球的扁率为1／230。18世纪30年代，当牛顿的学说传到法国，立即受到巴黎天文台台长卡西尼（J．Cassini，1677—1756）等人的激烈反对，他们根据笛卡儿的旋涡假说和错误的纬度长度的测量，认为地球是两极凸出的长椭球体。
为了得到更准确的大地测量结果，法国科学院于1735和1736年先后派出两个测量远征队，分赴赤道地区的秘鲁和高纬度的拉普兰德，在两地的经度圈上测量等角的一段弧长。测量结果基本上证实了牛顿的结论。拉普兰德队的领队莫泊丢（Maupertuis）和成员克雷洛（Clairault）后来都成为牛顿学说的支持者。
第二个支持来自哈雷彗星的研究。在牛顿之前，彗星被看作是一种神秘的现象。牛顿却断言，行星的运动规律同样适用于彗星。哈雷根据牛顿的引力理论，对1682年出现的大彗星（即后来命名的哈雷彗星）的轨道运动进行了计算，指出它就是1531年、1607年已出现过的同一颗彗星，并预言它将在1758年再次出现。1743年克雷洛计算了遥远的行星（木星和土星）对这颗彗星的摄动作用，指出它将推迟于1759年4月经过近日点。这个预言果然得到了证实。
引力常数的测定，是地面上的实验对万有引力定律提供的直接证明。1798年，英国物理学家卡文迪许（H．Cavendish，1731—1810）把两个小铅球系在一根直杆的两端，用一根细线从中间吊起，然后用两个大铅球靠近小铅球，通过细线的扭曲测量了大球与小球之间的引力作用，从而得出引力恒量值，并计算了地球的质量和密度。
对牛顿万有引力理论最有力的支持，来自海王星的发现。18世纪末到19世纪初，发现人们对天王星的运动的观测和理论结果之间存在着明显的偏差。英国青年大学生亚当斯（J．C．Adams，1819—1892）在1843—1845年，法国天文学家勒威耶（U．J．J．Lever－rier，1811—1877）于1845年，各自独立地根据牛顿理论进行了计算，预言了天王星轨道外的一个未知行星的质量、轨道和位置。勒威耶将他的计算结果写信告诉了柏林天文台的伽勒（J．G．Galle，1812—1910），伽勒于1846年9月23日夜间在预定的地点发现了一颗新的行星，这就是对天王星的运行产生规则的摄动作用的海王星。它的发现，被认为是牛顿引力理论的伟大胜利，因为像这种以新理论来精确地预言一颗未知行星的存在，并为1年后的天文观测所证实的事例，在天文学发展史上是前所未有的。万有引力理论取得辉煌胜利时，牛顿已离开人世100多年。由此可见，科学真理经得起时间的考验。
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牛顿力学三定律的建立
1687年牛顿《自然哲学的数学原理》的出版，标志着经典力学体系的建立。这部巨著分为两大部分，第一部分包括“定义和注释”与“运动的基本定理或定律”两编，第二部分是这些基本定律的应用编。
在“运动的基本定理或定律”中，牛顿写下了机械运动的3个基本定律。他说：“每个物体继续保持其静止或沿一直线作等速运动的状态，除非有力加于其上迫使它改变这种状态。（抛射体，只要不因空气阻力而被减速，或因重力而被向下拉落，就永远保持在它的运动之中。一个陀螺，其各部分由于内聚力的作用而不断离开其各自的直线运动，除非受空气阻力而减速，它决不会停止转动。行星和彗星这些较大的物体，由于在较自由的空间中所受的阻力较小，也能在更长的时间内保持它们的前进和环绕运动。）
“运动的改变和所加的动力成正比，并且发生在所加力的那个直线方向上。（如果任何一个力产生一个运动，那么加倍的力就产生加倍的运动，三倍的力就产生三倍的运动，不管这个力是一下子一起加上去的，还是相继地逐渐加上去的。如果一个物体原先是在运动的，那么由该力所产生的那个运动——由于它总是沿着产生它的力的方向——和原先的运动，就看它们的方向一致或者相反而相加或相减；当它们的方向彼此倾斜时，它们就倾斜地联合起来，从而产生一个由两个方向合成的新的运动。）
“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方。（任何东西拉引或推压另一个东西时，同样也要被另一个东西所拉引或推压。如果你用手指推压一块石头，那么手指也要被石头所推压。如果有一匹马拉引一块系于绳上的石头，那么这匹马——如果我可以这样说——将为相等的力朝后拉向石头；因为这条拉紧的绳，同样有使自己松弛或伸直的倾向，就将以同样的程度把马拉向石头和把石头拉向马，并且它阻止其中一个的前进和推动另一个的前进在程度上也是一样的。如果一个物体撞在另一个物体上，并且由于它的力的作用而改变后者的运动，那么这物体的运动也将——由于相互推压的相等——发生一个相等而指向相反方向的变化。这些作用所引起的那些相等的变化，不是物体速度的变化相等，而是物体运动的变化相等；这就是说，如果这些物体不为任何其他障碍物所阻。这是因为运动的变化相等，那些指向相反方向的速度的变化便和物体的质量成反比。）”
牛顿运动三定律中的第一、第二定律，是在伽利略的工作基础上总结出来的。但是，伽利略没有明确地提出质量概念，而牛顿从几个不同的角度论述了质量问题，还用数学推导和实验测量来说明质量和重量成正比。伽利略在研究速度变化问题时，已包含了加速度概念。牛顿用自己创建的无限小运算，将加速度作为速度对时间的微商来处理，也就是从任何原点到质点位置的矢径对时间的两次微商。这比伽利略的思想更前进了一步。
牛顿运动三定律的建立，为经典力学奠定了基础。人们往往就把经典力学称为“牛顿力学”。
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牛顿力学的新发展
17世纪以伽利略—牛顿为代表的科学革命的胜利，促进了18世纪30年代工业革命的到来。而工业革命带来的生产力的大发展，又促使社会对力学、物理学和工程技术提出新的、更高的要求。
在这样的背景下，力学理论不断向实用化、普遍化、数学化方向发展。总的说来，经典力学理论在牛顿以后大体是平行地沿着矢量力学和分析力学两个方向发展的。前者发展成为当时工程力学的各个分支，后者发展成为理论物理学的各分支。
矢量力学的发展：牛顿力学的矢量处理方法以及运用第二定律的二阶运动微分方程求解，对于质点动力学问题是比较有效的。但质点越多，受力（包括众多的约束力）越多，运动越复杂，计算就越繁琐，上述方法往往也无能为力。为了克服这些困难，逐渐发展了动量、动量矩和动能三大定理以及它们在特殊条件下（如封闭体系）的三个守恒定律。利用守恒定律，一般只要知道过程的始末状态，可以忽略体系中十分复杂的相互作用力和约束力，能简单、方便地解决问题。这就构成了今天经典力学中的整个矢量力学体系，它包括如下三大部分：①刚体力学。研究刚体在受力状态下的运动。按运动状态的不同，又可分为刚体静力学和刚体动力学两大分支。②流体力学。按研究对象的不同，可分为水静力学、水动力学和空气动力学三大分支。水动力学是船舶外型、水坝水渠、输水或输油管道设计的理论基础。空气动力学是飞机、导弹等一切飞行体设计的理论基础。随着飞行体速度的不断提高，又产生了高速（超声速）空气动力学和高超声速（是声速的几倍乃至十几倍）空气动力学。③变形体力学。研究物体在受力状态下既有运动、又有形变的情况。变形体力学又分为弹性力学和塑性力学。此外流体力学和变形体力学合称为连续介质力学。
分析力学的发展：即使有三大运动定理或三大守恒定律在一定条件下的简化，矢量力学对于多质点、多约束、非常见坐标系和运动参照系等种种越来越复杂的问题，不论是描写力或描写运动，都遇到越来越大的困难。18、19世纪的力学家和数学家从哲学上、物理学上和数学上进行了大量的探索，这种探索是从以下四方面来进行的：①为寻找一种比牛顿定律更广泛适用、更简便的普遍原理，出现了虚功原理、达朗贝尔原理、最小作用原理、哈密顿原理等等。②用广泛适用于各种运动形式的“能量”与“功函数”这两种标量函数（以后发展为拉氏函数L和哈密顿函数H）来代替力和动量这样的几何矢量。③为对系统进行整体研究，便从虚功原理、最小作用原理发展为数学上的变分方法，并且引入了广义坐标和纯代数方法等，形成了一套独特有效的“分析方法”。④分析力学的基本理论体系表现为微分形式与积分形式两种可以相互推导的等价形式。微分形式就是从虚功原理、达朗贝尔原理得到拉格朗日的所谓“力学普遍方程”，进而到拉氏方程。积分形式，即从莫泊丢原始的最小作用原理发展为哈密顿原理。英国数学家哈密顿（W．Hamilton，1805—1865）自己则称之为“稳定作用原理”。因为“事实上伪装节约的数量常常在那里浪费消耗”，“而且自然界有很多现象作用是极大的或稳定的”。
分析力学不仅用统一的方法解决了各种力学问题，而且其意义远远超出了经典力学范围。人们发现，能量观点和拉氏方程、哈氏原理及正则方程，完全适用于其他形式的物质运动，无论在电动力学、统计物理、相对论还是量子力学、量子场论乃至基本粒子领域内，它们也是分析问题的基本工具或出发点，分析力学就成了我们跨入理论物理学和现代物理学的入门课程。
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牛顿的重大贡献
牛顿的科学成果对尔后200多年自然科学的发展产生了重大影响，他的伟大集中体现在三项发现中。
（1）发现万有引力定律。在牛顿之前，人们已经知道世界上存在两种“力”：地面上的物体都受到重力的作用，天上的月球和地球之间以及行星和太阳之间都存在引力。这两种力究竟是性质不同的两种力，还是同一种力的不同表现？牛顿经过21年的研究探索终于提出了万有引力定律，宣告了天上地下的万物都遵循同一规律运动，彻底否定了宗教势力宣扬的天上地下不同的思想，这是人类认识史上的一次飞跃。
（2）发明微积分。在牛顿之前，法国笛卡儿通过引进坐标系，建立了解析几何。笛卡儿引进了变量，这就改变了古希腊以来数学中常量占统治地位的局面。
牛顿在笛卡儿几何变量的基础上，经过精心定义引入了“极限”概念。两个相互依赖的物理量，当它们逐渐变小时（牛顿称之为“流数”），其比率也在逐渐变化，当自变量达到无限小值时，这个比率就达到一个极限值（牛顿称为“流率”，即今天的“导数”或“微商”）。牛顿把这种变量数学称之为“流数术”，这就是微积分的最早的一种形式。牛顿把变量引进运动学之后，解决了困扰当时科学家的两大难题：在变速运动中，已知路程如何求速度，已知速度怎样计算路程。
牛顿和与他同时代的德国数学家莱布尼兹分别独立地发明的微积分，将常量数学发展为变量数学，给人类研究变化着的世界万物提供了有力的工具。难怪恩格斯会作出这样的评价：“在一切理论成就中，未必再有什么像微积分的发明那样，被看作是人类精神的最高胜利了。”
（3）发现光谱。牛顿发现白光是由折射率不同的黄、橙、红、绿、靛、蓝、紫七种色光组成的。牛顿的发现奠定了光谱学的基础，而现代光谱学则是人们研究物质结构的有力工具。牛顿将这一发现用来改进望远镜，制成了消色差望远镜，由此奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。
牛顿取得的巨大成就，是近代科学发展史上的里程碑。然而这位科学巨匠自己却说：“如果我所见到的比笛卡儿要远一些，那是我站在巨人的肩上的缘故。”这句临终赠言，也道出了牛顿之所以成为历史伟人的奥秘所在：善于学习和继承前人的科学遗产，并在继承的基础上创新。
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测温技术的发展与温度计的发明
第一台测量温度的科学仪器是伽利略于1593年发明的，该测温器是一个颈部极细的玻璃长颈瓶，瓶中装有一半带颜色的水，并把它倒过来放在碗里，碗里也盛有带同样颜色的水。随着温度的变化，瓶中所包含的空气便收缩或膨胀，颈中的水柱就会上升或下降。
1631年公布了法国化学家詹·雷伊（J．Rey）对伽利略测温器的改进，他将测温器的长颈瓶再倒过来（即正摆），用水的膨胀来表示冷热程度。但管子未封口，因水的蒸发会产生误差。在雷伊之后约25年，意大利佛罗伦萨的院士们用蜡封了管口，在玻璃泡里装上酒精，并把刻度附在玻璃管上，这样的结构已接近后来的温度计。1659年巴黎天文学家博里奥（I．Boullian）制造了第一支用水银作测温质的温度计。
以后，温度计的制作和改进主要从两方面进行：第一，为了定出温标，需要确定“定点”，导致人们对冰和其他物质的熔解和凝固温度的研究，发现了在一定条件下，这些温度是恒定不变的。第二，需找出合适的测温质，从而促进了对物体热膨胀的研究。
德国格里凯选择马德堡初冬和盛夏的温度为定点，佛罗伦萨院士们选严寒时下雨或结冰的气温与牛或鹿的体温为定点，他们还发现冰的熔点是不变的。1688年，道伦斯（Dolence）提出用冰冻时的温度和黄油熔解的温度为定点温度。
1702年，阿蒙顿（G．Amontons）改进了伽里略测温器，他将一个球连接到一个U形管上，管中装有水银，并保持球内空气的容积不变，用U形管两臂水银面的高度差来测量球内空气的温度，他用水的沸点和冰的熔点作为定点。
第一支实用温度计是迁居荷兰的吹制玻璃的工匠华伦海特（G．D．Fahrenheit，1686—1736）制成的。1709年开始制作酒精温度计，1714年得知阿蒙顿在水银热膨胀方面的研究后，转向制作水银温度计，并创造了净化水银的方法，使水银能在温度计中普遍使用。他把冰、水、氨水和盐的混合平衡温度定为0°F，冰的熔点定为32°F，而人体的温度为96°F。1724年后他又把水的沸点定为212°F。他发现每种液体都有一个固定的沸点，且随大气压变化而变化。这一发现对精密的计温学是个很大的贡献。华伦海特把0°F和212°F作为基本点的刻度法至今还在美国和美洲采用，称为“华氏温标”。
法国勒奥默（R．A．E．Reaumur，1757）长期致力于酒精温度计的研究。发现酒精（和1／5的水混合）的体积若在水的冰点时为1000单位，则到达水的沸点时将变为1080单位。1730年制作的酒精温度计取水的冰点为零度（0°R）、水的沸点为80°R，在这两个定点中间分成80等分。勒氏温标曾较多地在德国采用。
1742年瑞典天文学家摄尔修斯（A．Celsius，1701—1744）用水银作测温质，采用百分刻度法，以水的沸点为0℃，冰的熔点为100℃。8年后把两定点对调，确立了摄氏温标。应该指出，上面所说的摄氏温标只是旧摄氏温标，今天科学界和计量界所说的摄氏温标是以热力学第二定律来定义的，和摄尔修斯的定义完全不同，只在某些范围内有相似的取值。
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热质说的兴衰
“热”是什么？自古以来就有不同看法。15世纪以后，热的本性问题又引起科学家的注意，培根从摩擦生热等现象中得出“热是一种膨胀的、被约束的而在其斗争中作用于物体的较小粒子之上的运动”。玻意耳指出热是物体各部分发生的强烈而杂乱的运动。笛卡儿把热看作是物质粒子的一种旋转运动。胡克用显微镜观察了火花，认为热并不是什么其他的东西，而是物体各个部分的非常活跃和极其猛烈的运动。牛顿也认为热不是一种物质，而是组成物体的微粒的机械运动。18世纪，罗蒙诺索夫根据摩擦（或敲击）生热，物体受热而熔化，及物体的发芽、腐烂过程都受热而加快、受冷而减慢等现象，得出热的根源在于物质的运动的结论。
上述这些热的唯动论虽然是正确的，但尚缺乏足够的实验根据，还不能成为科学理论而被普遍接受。随着古希腊原子论思想的复兴，热是某种特殊物质实体的观点也得到流传，伽桑狄认为运动着的原子是构成万物的最原始的不可再分的世界要素，热和冷也都是由特殊的“热原子”和“冷原子”引起的，这个观念把人们引向“热质说”。最终在18世纪，认为热是某种特殊物质——热质的观点占了上风。
“热质”这个名词是拉瓦锡等人于1787年提出来的。拉瓦锡和拉普拉斯等人认为热是渗透到物体空隙中的所谓“热质”构成的，拉瓦锡甚至把“热质”引入化学元素表中，热质被看作是一种不可称衡的“无重流体”，它的粒子彼此排斥而为普通物体的粒子所吸引。波尔哈夫认为热的本源是钻在物体细孔中、具有高度可塑性和贯穿性的物质粒子，它没有重量，彼此相斥，且弥漫于全宇宙。
布莱克是热质说的重要倡导者，他在研究热量在几个物体之间的转移时发现其总量不变，这个规律很容易用热是一种实物来说明。他仿照化学中盛行一时的燃素说对热的本性作了错误的解释，以为热也是一种没有重量、可以在物体中自由流动的物质。
热质说简单、容易地解释了当时发现的大部分热现象：物体温度的变化是吸收或放出热质引起的；热传导是热质的流动；对流是载有热质的物体的流动；辐射是热质的传播；热膨胀是热质粒子间的排斥；物质状态变化时的“潜热”是物质与热质发生“化学反应”的结果；摩擦（或碰撞）生热是由于“潜热”被挤压出来以及物质比热变小的结果。在热质说观点指导下，瓦特改进了蒸汽机，傅里叶建立了热传导理论，卡诺从热质传递的物理图象及热质守恒规律得到了卡诺定理，等等。但是在18世纪末，热质说受到严重的挑战。
1798年，美国物理学家本杰明·汤普逊（B．Thompson，即伦福德伯爵，1753—1814）在德国慕尼黑进行炮膛钻孔时，发现钻孔所产生的热现象和热质说的推论相反。根据热质说，锐利的钻头比钝钻头应能更有效地切削炮筒的金属，从中放出更多的和金属结合的热质。但是，实际上钝钻头放出的热质更多。一个简直不能切削的钝钻头，在马匹的拖动下转动，过了2小时45分钟，竟使18磅左右的水沸腾。伦福德从一系列钻孔实验中得出：“在这些实验中被激发出来的热，除了把它看作‘运动’以外，似乎很难把它看作为其他任何东西。”
1799年，英国科学家戴维（Davy，Humphrey，1778—1829）用钟表机件使放在真空中的两块冰相互摩擦，整个实验仪器都保持在-2℃以下，结果冰熔化了，得到的是2℃的水。这一实验无法用热质说说明，因为没有什么东西能向冰提供热质，冰的熔化只能是摩擦形成的。由此戴维断言“热质是不存在的”。
伦福德和戴维实验虽然有力地驳斥了热质说，支持了热的运动说，但由于那时尚未形成能量转换观点，热质说仍然流行。直到19世纪中叶，还不断有人从热质说观点反对焦耳的研究结果。直至19世纪40年代，建立了能量守恒和转化定律，热质说才彻底被抛弃。
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能量守恒定律的确立
中国古代和古希腊的哲学家早已提出“运动不灭”思想。对能量守恒原理的具体认识是从力学研究开始的。伽利略通过斜面和摆的研究，意识到物体下落过程中所获得的速度能够使它重新跳回原来的高度，但不会更高。1669年，惠更斯通过完全弹性碰撞的研究，认识到各个物体的质量与速度平方的乘积的总和，在碰撞前、后保持不变。1686年，莱布尼茨根据落体定律在机械运动范围内引进“活力”概念，把mv2看作运动的量度，指出利用这个量可以表明自然界里运动的不灭性。约翰·伯努利一再谈到“活力守恒”。丹尼尔·伯努利把机械能守恒用于流体运动。18世纪后半叶，欧勒已经认识到质点在有心力作用下运动，当质点和吸引中心达到一个确定的距离时，其活力都是相同的。
永动机之不可能实现是导致能量守恒原理建立的重要线索。随着动力学的发展，人们逐渐形成了“功”和“能”的概念。18世纪末、19世纪初以来，各种自然现象之间的普遍联系与转化相继被发现：
伦福德、戴维的实验支持了机械运动与热之间的转化，卡诺关于热机效率的研究已接触到热功当量的概念。拉瓦锡于18世纪已经了解到化学反应中的热现象的重要性。
1821年德国物理学家塞贝克（T．Seebeck）发现两种不同金属的接点处加热会产生电动势，如果电路闭合，则有电流通过。
1842年楞次开始研究电流的热效应，他发现放出的热量与电流强度的平方、导线的电阻和通电时间成正比，它是电流转化为热的一条规律，也就是今天所说的焦耳-楞次定律。
到19世纪40年代，建立能量守恒原理的基础已具备，最后的确立由迈尔、焦耳和亥姆霍兹完成。
（1）迈尔的工作。罗伯特·迈尔（R．Mayer，1814—1878）是德国医生，在一艘驶往印尼爪哇的船上，迈尔给病员放血时发现：静脉血的颜色不像生活在温带的人那样暗淡，而是像动脉血那样新鲜。他想到食物中含有化学能，它像机械能一样可以转化为热。在热带高温情况下，机体只需吸收食物中较少热量，所以机体中食物的“燃烧”过程减弱了，静脉血中留下较多的氧，从而它像动脉血那样“新鲜”。1842年迈尔从“无不生有，有不变无”、“原因等于结果”等哲学观点出发，表达了物理、化学过程中能量守恒思想。迈尔把“力的不可破灭性”称为“第一个性质”，而把“原因具有取不同形式的能力”称为“第二个性质”，他说：“把两个性质合并起来，可以说，原因（在量上）是不可消灭的，而（在质上）是可以转化的东西”。这就是说“力”是一种原因，它是不可消灭的但却是可以转化的。迈尔还提出建立不同“力”之间数值上的当量关系的必要性：“例如我们应确定，为把该物体重量相等的另一物体从0°加热到1°，应该把这个重物升到一定高度。”他根据当时有的气体比热的实验资料得出：“物体从365米高的地方下落相当于把同等重量的水从0°加热到1°，即1千卡=365千克米。”
（2）亥姆霍兹的贡献。德国生理学家、物理学家赫尔曼·亥姆霍兹（H．L．F．vonHelmholtz，1821—1894）是从生理学问题开始对能量守恒原理进行研究的。他于1847年在《论力的守恒》一文中论述了能量守恒和转化的基本思想，他提出“在质点间的吸引力和排斥力作用下，质点的所有运动中，如果吸引力和排斥力的强度只与距离有关，那么张力（指位能）在量上的损失始终等于活力（指动能）的增加，反之张力的增量始终等于活力的损失，因而，所有活力和张力之和始终是一个常数。”亥姆霍兹把所有的能量形式都归结为“活力”或“张力”，他研究了能量守恒原理在其他物理过程中的应用，指出无摩擦的力学过程，引力作用下的运动，不可压缩的液体和气体的运动，理想弹性体的运动都属于这一类例子。存在摩擦或吸收作用时，如果发生活力损失，那就会转化为其他形式的力，首先是热。亥姆霍兹详细分析了电磁现象，得出了在静电、静磁相互作用中的能量表示，还从电容器的能量表达式得出了电容器放电时在连接导线里所放出的热量的数值。亥姆霍兹指出把力的守恒原理应用于生物机体中所进行的过程是可能的。
（3）焦耳的实验研究。自学成才的英国物理学家焦耳（J．P．Joule，1818—1889）关于热功当量的测定，是确立能量守恒原理的实验基础。从1840年开始，焦耳多次进行通电导体发热的实验。把通电金属丝浸没在水中，测算水的热量的变化情况，结果发现通电导体产生的热量与电流强度的平方、导体的电阻和通电时间的乘积成正比。比楞次早一年得到了电流的热效应定律。接着，焦耳根据电路中的热损耗和电动机所作的机械功的关系，明确提出了功和热量等价性的概念。1843年8月，在一次学术报告会上，焦耳作了题为“论磁电的热效应和热的机械值”的报告。报告中描述了4个实验，其中一个是在磁场中让电磁体在水里旋转，分别测量运动线圈中感应电流所产生的热量和维持电磁体旋转所作的功。发现热量和机械功之间存在着恒定的比例关系。焦耳从这里测得了第一个热功当量值：1千卡热量相当于460千克米的机械功。
当时许多物理学家对测出的热功当量值持怀疑甚至反对的态度。焦耳以极大毅力，用不同方法，长时间反复实验以期证明。1843年，焦耳通过摩擦测得热功当量值为424.9千克米／千卡。1844年通过对压缩空气做功和空气温度升高的关系的实验，测得热功当量值为443.8千克米／千卡。尤其在1847年，焦耳精心地设计了一个著名的热功当量测定装置，也就是用下降重物带动叶桨旋转的方法，搅拌水或其他液体产生热量。这样得到的热功当量值是428.9千克米／千卡。从1849到1878年，焦耳反复做了400多次实验，所得的热功当量值几乎都是423.9千克米／千卡，这和现在的公认值427千克米／千卡相比，只小了0.7％。焦耳用惊人的耐心和巧夺天工的技术，在当时的实验条件下，测得的热功当量能够在几十年时间里不作较大的修正，这在物理学史上也是罕见的。难怪威廉·汤姆孙称赞说：“焦耳具有从观察到的极细微的效应中作出重大结论的胆识，具有从实验中逼出精度来的高度技巧，他得到了人们充分的赏识和钦佩。”
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自然界厌恶真空
人们早就知道，只要抽去水管里的空气，形成真空，水就会沿着水管往上流。亚里土多德为了解释抽水现象，说了一句“名言”：“自然界厌恶真空”。这句话的意思是：大自然是不让真空存在的，一旦出现真空就让水来填补，于是，水就被抽上去了。真空出现在哪里，水就跟到那里。
但是，从古罗马以来，人们就注意到一个现象：用来输送水的虹吸管，当它们跨越高10米以上的山坡时，水就输送不上去；在超过10米深的矿井里，水泵怎么也抽不上水来。大自然为什么只能填补10米以下的真空，而不能填补11米、12米以上的真空呢？伽利略注意到空气有重量，他的学生托里拆利（E．Torricelli，1608—1647）从这一事实出发，把真空问题的研究推进了一大步。托里拆利认为，既然空气有重量就会产生压力。正是空气的压力把水往上压，压到10米高时，水柱的重量正好等于作用在它上面的空气压力，水就再也压不上去。托里拆利说：“我们是浸沉在空气海洋的底部中生活，毫无疑问，根据实验可知空气是有重量的。”
为了证实他的观点，托里拆利用水银代替水来作试验。水银的流动性与水差不多，但由于它的比重是水的13.6倍，原先要用10米高水柱显示的结果，现在只要用不到1米高的水银柱就行了。托里拆利让人制作了一根1米长的玻璃管，一端封闭，一端开口。先将水银灌满玻璃管，然后用手指堵住开口的一端，再将管子倒过来放进一只盛满水银的瓷槽里。当他放开按住管口的手指时，管里的水银很快下降，当水银降到距槽里的水银面76厘米高时，就不再降低。换算一下就可得出，76厘米高水银柱产生的压强，正好等于10米水柱的压强。这个实验形象地显示了由大气压力所产生的压强恰好等于76厘米高的水银柱的压强。以后，托里拆利发明的这个实验装置就成为测量大气压强的气压计。自从有了气象预报后，气压单位曾长期沿用厘米（或毫米）水银柱高来表示。
大气压力究竟有多大？这方面最为生动的事例发生在德国。1650年，德国工程师格里克（O．vonGuericke，1602——1686）发明了抽气泵，这样，人们就能较容易地获得真空。1654年，格里克进行了有名的“马德堡半球实验”。他制造了两个直径为14英寸的铜半球，每个半球上铸有铜环，其中一个半球上装有可供抽气的带活塞开关的孔。将两个半球合在一起，然后抽去球中的空气，这样，周围的大气就紧紧把两个半球压在一起。格里克在德国东南雷根斯堡的一个广场上，请皇帝来观看他的大气压实验。表演时全城轰动，百姓倾城而出。两个铜环上各用8匹强壮的马来拉，尽管马夫卖力地驱赶马匹，但仍然拉不开铜球。把铜球从马背上解下来，打开抽气开关放进空气后，只要轻轻一拉，两个铜半球就分开了。这是第一次用演示实验生动地表明了大气压的存在。
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气体定律的发现
关于气体定律的研究，实际上是关于“自然界厌恶真空”这场争论的继续，英国的罗伯特·玻意耳（R．Boyle，1627—1691）最先开展气体力学的研究。
1659年，玻意耳作了一系列关于空气压力和稀薄空气的实验。1662年，玻意耳把一定量的空气用水银封入短端封闭的U形玻璃管中，发现这部分空气能够与开口端中高得多的水银柱相平衡。玻意耳的经验思维，错过了发现开口端水银柱的高度与闭口端空气体积之间的规律性联系。他的合作者卡尔德、汤立蒙从玻意耳的数据中发现了气体的体积与压强成反比的关系。玻意耳承认了这个结论，并进一步在小于大气压的情况下用实验加以证明，从而在历史上建立了运动现象之外的第一个定量的自然规律。
1676年，法国物理学家埃德米·马略特（E．Mariotte，1620—1684）也独立地发现了“玻意耳定律”，并发表了“关于空气本质的实验”的论文，因此这定律有时也叫玻意耳-马略特定律。
1702年，法国阿蒙顿对伽利略空气温度计作了改进。他利用连在U形管一端的玻璃球中的空气作测温质，使球内空气的容积保持一定，温度的数值则由长臂内水银柱的高度表示。实际上，阿蒙顿已建立了气压的变化与温度变化的关系，相当于给出后来发现的盖·吕萨克定律的实验证明，即
许多人用实验来测定不同气体的热膨胀系数α，其结果很不一致。从1801年起，法国化学家、物理学家盖·吕萨克（L．J．Gay－Lussac，1778—1850）对气体物理性质进行了系统的研究，很快就发现，任何气体在压强不变的情况下，热膨胀系数均不变。1802年，他发现在压强恒定的条件下，理想气体从冰点升高到水的沸点时，如果用百分温度计作标准（摄氏温标），温度每升高1℃，气体的体积就增大了原来体积的0.00375倍，近似于1／267。这就是盖·吕萨克定律。
早在1787年，法国查理（J．A．C．Charles，1746—1823）先于盖·吕萨克提出气体的压力和体积随温度升高而增大和膨胀的定律，所以后来就将气体体积随温度膨胀的定律叫做查理定律。
1802年，道尔顿发现了混合气体的总压力等于每一单独成分的分压力之和，这就是道尔顿分压定律。
盖·吕萨克将他所发现的气体定律与玻意耳—马略特定律结合起来，得到如下的状态方程
式中C为常数。
法国物理学家勒尼奥（H．V．Renault）于1842年以更高的精度证实
pV＝RT。
这就是现代形式的理想气体方程。
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气体动理论的建立
17世纪，物质原子论的思想得到复兴，热与物体内部粒子运动有关的思想也被不少学者以不同形式提出。
1638年，法国学者伽桑狄（P．Gassendi，1592——1655）假设各种物质都由大量在各个方向运动的坚硬粒子所组成，各种不同物质粒子的不同形状使它们以不同形式结合，并表现出不同的特性。他用这个假说解释了物质三态的区别。伽桑狄的论述重新引起人们对原子论的注视，17世纪持“热是运动”着法的科学家，大多接受了古代原子论观点并利用它对气体进行研究。
1738年，瑞士物理学家丹尼尔·伯努利（DanielBernoulli，1700—1782）指出气体的压强是气体粒子与器壁碰撞的结果，并导出玻意耳定律。他还讨论了气体压强随温度的变化，指出任何体积固定的气体压强的增大，都意味着气体粒子作更剧烈的运动。伯努利的气体模型，无疑是走向气体动理论的重要一步。
18世纪40年代，俄罗斯学者罗蒙诺索夫（M．B．ЛOЦOHOCOъ，1711—1765）提出热是由物质内部看不见的微小粒子的运动产生的，这种运动是杂乱无规则的。热的传递是由于高温物体中的微粒把运动传给低温物体中的微粒所造成的。
那时，人们对粒子、原子、分子之间的区别还没有科学的认识。19世纪初，随着化学原子论的确立，意大利物理学家阿伏伽德罗于1811年引入“分子”概念。英国物理学家瓦特斯顿（J．J．Water-ston）在1845—1846年间首次提出“弹性球分子模型”。1856年，德国物理学家柯尼希（A．K．Kr nig）提出了理想气体模型：分子是弹性小球，在没有相互作用时作匀速直线运动，只在碰撞时才有相互作用。并导出
数，V为容器体积。他的论文引起了普遍重视，大大推进了气体动理论的研究。
作为一种物理学理论的气体动理论的建立和完善，是与克劳修斯、麦克斯韦和玻耳兹曼的工作分不开的。
克劳修斯（R．Clausius，1822——1888）在研究热力学第二定律的同时，从微观上对气体动理论进行了探讨。他以分子对器壁的碰撞说明气体压强的形成，在推导气体压强公式时引进统计概念，得到了压强
nmv2，这里v2是分子运动速率平方平均值。克劳修斯还提出了理想气体分子运动模型，指出分子本身的体积与气体所占的整个体积相比是无限小的；分子每次碰撞所经历的时间比起两次碰撞间的时间间隔来是无限小的；分子力的作用是无限小的。若上述条件不满足，理想气体定律就不适用。
克劳修斯的另一个重要贡献是1858年引进了气体分子的平均自由程概念，解决了气体扩散速度的疑难问题。
1859年，英国物理学家麦克斯韦（J．C．Maxwell，1831——1879）发现了分子热运动的无规性，且在几率概念的基础上运用严格的统计方法导出了麦克斯韦速度（速率）分布律。
奥地利物理学家玻耳兹曼（L．Boltzmann，1844——1906）把分子运动论的理论研究推向了高峰。1868——1871年间他把麦克斯韦速度分布律推广到外力场作用的情况，得出了粒子按能量分布的规律——玻耳兹曼分布律。进而得出气体分子在重力场中按高度分布的规律，据此能很好说明大气的密度和压强随高度的变化。至此，气体动理论已能解释当时在气象、化学、物理学领域的研究中所发现的与气体运动有关的种种现象。
玻耳兹曼的另一伟大贡献是沟通了从微观着手建立的气体动理论与从宏观的热机运动规律抽象出来的热力学。1872年，建立了非平衡态分布函数的运动方程——玻耳兹曼积分—微分方程；建立了H定理。1877年，把熵S和系统的热力学几率ω联系起来，得出S∝lnω。1900年，普朗克引进了玻耳兹曼常数k，使S＝klnω。通过这个关系，玻耳兹曼把分子的力学过程和系统的热力学过程统一了起来。
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从布朗运动到佩兰实验
1827年，英国植物学家罗伯特·布朗（R．Brown，1773—1858）用显微镜观察到水中的花粉或其他微粒在不停地作无规则运动，这种运动后来被称作“布朗运动”。这种奇怪现象究竟意味着什么？首先，它不是一种生物现象，因为不仅悬浮于水中的花粉颗粒，而且其他非生物微粒（例如矿物颜料的微粒）也作这样的杂乱运动。其次，也不可能是因加热不均匀而在液体中形成的一种液流。直到19世纪70年代，才用液体分子的热运动给予正确的解释。
1905年，爱因斯坦和奥地利物理学家斯莫路霍夫斯基（M．vonSmoluchowski）发表了对布朗运动的理论研究结果。证明布朗粒子的运动是由于液体分子从四面八方对它们的撞击引起的，这种撞击的不规则性和偶然性，使来自不同方向的作用一般地说并不互相完全抵消，由于布朗粒子非常小（线度仅10-4cm），周围分子不均匀碰撞所产生的不平衡力的作用足以使它发生运动。
通常，每个布朗粒子在液体中所受分子的碰撞约1021次／秒，因此，粒子的瞬时运动是无法观测的，人们只能每隔一定时间（如20秒，30秒）记录一次它的位置。设每次观察相隔的时间为t，从理论上可以求出布朗粒子在t时间内的位移在X轴上的投影x的方均值
这是爱因斯坦关于布朗运动理论的一个重要公式，人们称之为爱因斯坦公式。
1908年，法国物理学家佩兰（J．B．Perrin，1870—1942）用实验证实了爱因斯坦公式，并由此求得了阿伏伽德罗常数。佩兰利用与大气分子的垂直分布相类似的一种胶态粒子，这种粒子在密度比它小的液体中，不会全部沉淀到容器底部，而是永久保持悬浮状态。这些粒子的大小足以用显微镜观察到，因此能够对处于液体中不同高度的单位体积内的粒子进行计数。佩兰发现单位体积内的粒子数，随高度升高而减少，与大气中单位体积的分子数随高度而变化的规律相同。此外又观察到粒子是处于不断运动之中，即所谓“布朗运动”。佩兰推论胶态粒子的性质和“气体”分子类似，而这种粒子大到肉眼能观察并能计数。假如能配制成一种胶体悬浮液，其中所有粒子都完全相同，并能测定每个粒子的质量m，以及真实地描述粒子的竖直分布状况，那么，数出悬浮液中已知两个高度处单位体积的粒子数目，就能求得阿伏伽德罗常数NA。佩兰最后求得的NA为6.5×1023～7.2×1023。
佩兰实验的成功是对气体动理论的极大支持。在此之前，分子运动论及其代表人物玻耳兹曼遭到了马赫、奥斯特瓦尔德等权威人士的围攻，玻耳兹曼由于疾病的折磨以及论战的压力，最后于1906年自杀。佩兰用实验证实分子运动的客观存在后，奥斯特瓦尔德立即放弃了自己的观点。从此，确立了气体动理论在物理学中的地位。
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蒸汽机的发明与改进
16、17世纪时，煤作为燃料被广泛应用，刺激了煤矿开采，为解决矿井的排水问题，需要利用蒸汽动力。达·芬奇等人都先后设计、研制了蒸汽动力装置。
1698年，英国矿山技师塞维里（Th．Savery，1650—1715）制造了一具蒸汽水泵，这是一个人工操作、利用蒸汽压力排出管中水的简单装置。
1690年，法国普平（D．Papin，1647—1712）在德国制成第一个有活塞和汽缸的实验性蒸汽机。
英国铁匠纽可门（Th．Newcomen，1663——1729）根据塞维里和普平的设计，发明了蒸汽机，并于1712年有效地应用于矿井排水和农田灌溉。这是一个用一只活塞的封闭圆筒式汽缸，活塞借一根杆系于一根横杆的一头，横杆的另一头连着排水泵。它和塞维里机都存在耗煤量大、效率低，只能作往复直线运动的缺点，限制了蒸汽动力的应用。
真正能产生巨大工业效果的蒸汽机是18世纪70—80年代由瓦特发明的。詹姆斯·瓦特（J．Watt，1736—1819）原为格拉斯哥大学的仪器修理技工，1759年开始进行一系列有关蒸汽力量的试验。1763年在布莱克帮助下发现纽可门机有相当大的热量浪费，原因是活塞每一次被冷却时，汽缸同时被冷却，事后又需重新加热。根据布莱克的比热和“潜热”理论，瓦特计算了各种引擎的耗热量，证明小引擎的耗热量最大。为了克服蒸汽的消耗，瓦特在汽缸外单独加一个冷凝器，专供废汽冷却，而主汽缸始终保持着高温。瓦特经多次失败，终于在1769年制成一台“单动式蒸汽机”，1782年又研制了动力大、能使所带动的机器作旋转动作的蒸汽机，后来又增加了飞轮和离心调速装置，蒸汽机便达到了近代水平。
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卡诺循环与热机理论
19世纪初，蒸汽机在工业、交通运输中的作用越来越重要，但关于控制蒸汽机把热转变为机械运动的各种因素的理论却未形成。法国军事工程师萨迪·卡诺（S．Carnot，1796—1832）于1824年出版了《关于火的动力的思考》一书，总结了他早期的研究成果。卡诺以找出热机不完善性的原因作为研究的出发点，阐明从热机中获得动力的条件就能够改进热机的效率。卡诺分析了蒸汽机的基本结构和工作过程，撇开一切次要因素，由理想循环入手，以普遍理论的形式，作出关于消耗热而得到机械功的结论。他指出，热机必须在高温热源和低温热源之间工作，“凡是有温度差的地方就能够产生动力；反之，凡能够消耗这个力的地方就能够形成温度差，就可能破坏热质的平衡。”他构造了在加热器与冷凝器之间的一个理想循环：汽缸与加热器相连，汽缸内的工作物质水和饱和蒸汽就与加热器的温度相同，汽缸内的蒸汽如此缓慢地膨胀着，以致在整个过程中，蒸汽和水都处于热平衡。然后使汽缸与加热器隔绝，蒸汽绝热膨胀到温度降至与冷凝器的温度相同为止。然后活塞缓慢压缩蒸汽，经过一段时间后汽缸与冷凝器脱离，作绝热压缩直到回复原来的状态。这是由两个等温过程和两个绝热过程组成的循环，即后来所称的“卡诺循环”。
卡诺根据热质守恒思想和永动机不可能制成的原理，进一步证明了在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切实际热机，其效率都不会大于在同样的热源之间工作的可逆卡诺热机的效率。卡诺由此推断：理想的可逆卡诺热机的效率有一个极大值，这个极大值仅由加热器和冷凝器的温度决定，一切实际热机的效率都低于这个极值。
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卡诺的研究具有多方面的意义。他的工作为提高热机效率指明了方向；他的结论已经包含了热力学第二定律的基本思想，只是热质观念的阻碍，他未能完全探究到问题的最终答案。由于卡诺英年早逝，他的工作很快被人遗忘。后来，由于法国工程师克拉珀珑（B．P．E．Clapeyron，1799—1864）在1834年的重新研究和发展，卡诺的理论才为人们所注意。克拉珀珑将卡诺循环在一种“压（力）-容（积）图”上表示出来，并证明卡诺热机在一次循环中所做的功，其数值恰好等于循环曲线所围的面积。克拉珀珑的工作为卡诺理论的进一步发展创造了条件。
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热力学的诞生
在发现了能量守恒和转化定律，并且对热的本质的认识也有了改变之后，人们对热现象的研究主要表现在下述两个方面：
首先，虽然科学家们已经认识到热是一种运动，但并没有详细研究热运动。他们只是根据能量守恒定律来考虑热能转化为功的本领，他们研究热运动能量的特点（与力学、电学的等等其他形式的能量相比较）和运动的热形式转化成其他形式的特点。由此，导致了物理学的一个专门分支——热力学的建立。建立热力学的功劳主要归于德国物理学家克劳修斯（R．Clausius，1822—1888）和英国物理学家威廉·汤姆孙（即开尔文）（W．Thomson，L．Kelvin，1824－1907）。
还在1850年，即发现能量守恒定律后不久，克劳修斯写就了一篇论文，在论文中描述了他基于热是运动的概念对热机的工作原理所进行的研究。克劳修斯认为，当热机工作时，并不是把从加热器获得的全部热量都交给了冷却器，而是有一部分热量转化为热机所作的功。
一般说来，当给予某个物体一定热量△Q后，该物体将对外作功△A，同时使自己的内能改变△U，因为它的温度、体积和整个状态都发生了改变。能量U称为物体的内能。考虑到能量守恒和转化定律，可以写成△Q=△A+△U。这意味着，赋予物体的热量被用于增加它的内能和对外作功。克劳修斯把这一原理称之为热的力学理论的基本原理。后来它被称为“热力学第一定律。
在研究热机的工作原理时，克劳修斯同意卡诺的看法，即为了使热机工作，必须有加热器、冷却器和工作物质。他与卡诺的区别在于，他认为从加热器获取的能量中有一部分交给了冷却器，这是白白浪费的。但是，克劳修斯指出，虽然卡诺是从对热的本性的错误认识出发的，但他仍然得出了一个正确的结论，即任何热机的效率都一定小于卡诺可逆机的效率，后者只与加热器和冷却器的温度有关（卡诺原理）。
但卡诺对这一原理的证明是错误的，因为他的依据是存在热质。克劳修斯指出，只要依据人们以前未曾注意到的热的某种一般特性就可以证明卡诺原理。这一特性在于，热“通过由热体往冷体的过渡而始终趋向于温差下降”。克劳修斯把这一原理称之谓“热的力学理论的第二个基本原理”。
稍晚，克劳修斯又给出了上述原理的稍有不同的另一种说法：必须有某种补偿，热才能从较冷的物体过渡到较热的物体；也就是说，这种过渡必定伴随着其他物体的某些变化的发生，例如它们的状态、体积、温度的改变。这个一般原理后来被称为“热力学第二定律”。
几乎与克劳修斯同时得出类似结论的还有英国物理学家威廉·汤姆孙。用现代语言来说，汤姆逊的表达形式如下：仅仅依靠将单一物体冷却到低于周围物体中最冷物体的温度来连续地获取功是不可能的。
后来人们又给出了热力学第二定律的其他一些表达形式。这些表达形式都是等效的，我们在这里只指出其中的一种表达式：制造第二类永动机是不可能的。所谓第二类永动机就是能从周围物体汲取能量而不断作功，即只依靠使周围物体冷却而作功的设备。
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蒸汽机与产业革命
自从1782年瓦特发明了现代蒸汽机的原型机，直到1800年才实现蒸汽机的工业化生产，因为在这18年里，需解决工艺方面的问题和大规模投产的资金问题。首先要解决的工艺问题是漏气问题。瓦特利用加工炮筒的镗床解决了加工气缸的精度要求。其次，蒸汽机输出的是动力，要使被它带动的工具机作功，还必须解决蒸汽机的往复运动与工具机轮子的旋转运动间的连接问题，这被瓦特发明的曲轴解决了。由于泄密，别人抢先登记了专利，瓦特便另外发明了行星轮装置予以解决。至此，瓦特完成了从动力机到工具机的生产技术体系。
要大规模生产蒸汽机，必须投入大量的资金，瓦特就去求助企业家罗巴克和布尔顿。布尔顿把瓦特请到自己工厂里，建立布尔顿—瓦特商会，专门制造蒸汽机，并在一家工厂里试用成功。从1785年开始，蒸汽机投入生产。
经过不断改进的瓦特蒸汽机与其他蒸汽机相比，提高工效5倍，节约燃料75％，且能与任何工具机连接。蒸汽机的出现大大改变了工业生产的面貌。1807年美国工程师富尔顿（R．Fulton，1765—1815）利用英国制造的蒸汽机建造了“克莱门梭”号轮船，定期航行于哈得逊河上。这种以蒸汽为动力的轮船不仅跑得快、载得重，而且改变了帆船“靠天行船”的被动局面，促进了航运事业的发展。到19世纪30年代，以轮船为主的内河航运、近海甚至远洋航运事业都很发达。在陆上运输方面，1825年英国工程师史蒂文逊（G．Stephenson，1765—1848）铺设了英国第一条铁路。短时间内，铁路就覆盖了欧洲与美国。
1760—1840年期间，由于广泛使用蒸汽机，在英国出现了从以农业和手工业生产为主的封建主义经济向以工业和机器生产为主的资本主义经济发展的产业革命。这一革命不仅深刻地改变了社会的物质生产状况，而且产生了社会变革（城市的兴起，工人阶级和资产阶级的出现，科学技术得到广泛应用等等），使英国全面进入了资本主义社会。英国的产业革命又波及欧洲大陆，先是比利时，后是法国、德国都实现了工业化。20世纪初，美国也实现了工业化。日本通过明治维新的变革，也实现了工业化。
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从低温物理到高温超导
18世纪时，由于化学工业的发展对气体的液化不断提出新的要求。从18世纪末到19世纪中叶，通过降温和压缩的办法先后实现了氨、氯气、硫化氢、二氧化硫、乙炔、二氧化碳等气体的液化。到1854年，除了氢、氧、氮等几种气体外，当时已知的其他气体都能被液化。而用增加压力的办法企图使氢、氧、氮等几种气体液化的一切实验都失败了，从而使这些气体获得了“永久气体”的称号。
1863年，英国化学家安德鲁斯（Andrews）发现了“临界温度”。1869年，他又指出所谓“永久气体”只不过是临界温度很低的气体，只要找到能获得更低温度的方法，它们也是可以被液化的。这就为“永久气体”的液化指明了正确的方向。
1852年，焦耳和威廉·汤姆孙在研究气体的内能与体积变化的关系时，发现了“焦耳—汤姆孙效应”，即充分预冷的高压气体，通过多孔塞在低压空间绝热膨胀后，一般要发生温度变化。这就为获得低温提供了一个新的途径。1875—1880年，德国工程师林德（K．Linde，1842——1934）根据焦耳—汤姆孙效应，采用“循环对流冷却”的方法，制成了气体压缩式致冷机，发展了气体液化技术，并导致氧、氮和氢液化的成功。
1908年，荷兰物理学家昂纳斯（H．K．Onnes，1853—1926）在莱顿大学他所建立的低温实验室里实现了1.15K的低温，将刚发现不久的氦气液化，从而消除了最后一种“永久气体”。1911年，昂纳斯用液氦冷却水银，当温度下降到-269℃左右时，发现水银的电阻完全消失，这种现象就称为“超导电性”（简称超导）。为了证实电阻达到零，他们将一个铅环放在磁场中，使之冷却到超导转变温度以下，然后突然撤去磁场，结果发现铅环中的感生电流能持续流动下去。1933年，荷兰迈斯纳（K．W．Meissner，1891—1959）又发现，处于正常态的物体在外磁场中，其内部存在有磁力线，但当它冷却到超导转变温度以下时，磁力线立即被排斥出去，这就是超导体的完全抗磁性，亦称“迈斯纳效应”。
由于超导电性在工业和科技领域展现的诱人前景，人们对超导材料情有独钟。但是，长期以来从正常状态转变为超导态的临界温度太低，大大限制了超导的应用。这就促使人们寻找高临界温度的超导（即“高温超导”）材料。“低温”超导材料主要是多种金属的合金，如铌锆合金、铌钛合金、铌锡合金。1986年1月，瑞士苏黎世IBM研究实验室的科学家用钡—镧—铜氧化物获得了-243℃的超导转变温度，从而掀起了世界性的高温超导研究热潮。目前，高温超导材料的应用正朝着大电流应用（强电应用），电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用三个主要方向发展。超导造福人类的时代即将来临。
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静电和静磁研究
16世纪英国御医吉尔伯特（W．Gilbert，1544—1603）比较系统地研究了静电现象。他认为“随便用一种金属制成一个指示器……很小心地把它放在支架的尖端上……在这个指示器的一端，移近一个轻轻摩擦过的琥珀或者光滑的（或磨过的）宝石，这指示器就会立即转动。”吉尔伯特的工作停留在定性的阶段，进展不快。
18世纪后期，贝内特发明验电器，这种仪器一直沿用到现在。它可以近似地测量一个物体上所带的电量。另外，库仑发明了扭秤，用它来测量静电力，推导出库仑定律，并将这一定律推广到磁力测量上。
科学家使用了验电器和扭秤以后，静电现象的研究工作就从定性走上了定量的道路。
古代对自然界出现的各种电现象，不了解它们内在的联系，认为它们是各不相干的。如摩擦起电被认为是由于一种“流体”而引起的；生物电被归结为肌肉的力量。有些现象实在无法解释，只能求助于神的力量。如地中海航行者认为，在暴风雨天气中，出现在船的桅杆上的光辉是保护神爱尔摩在显灵。随着人类对电现象的探索，逐渐发现自然界中许多电现象出于同一根源。据说1751年，法国有位科学家在研究电鲶放电现象时，不小心被鱼放电击昏。待清醒后感到其与摸莱顿瓶受到的电击一样，他猜测这两者可能是同一种自然现象。1752年，美国社会活动家富兰克林（B．Franklin，1706—1790）用风筝将雷电引了下来，把“天电”收集到莱顿瓶中，从而弄明白“天电”和“地电”原来是一回事。
在电的本质问题上，起初流行一种所谓“二流体论”，认为电有两种，一种是摩擦玻璃棒所得的“玻璃电”；另一种是摩擦琥珀所得的“琥珀电”。后来富兰克林对此提出异议，他认为电只有一种，即所谓“单流体学说”。
经过长期对自然现象的观察和研究，人们对静电现象有了一定程度的认识。但是对电的本质问题，一直到研究物质结构后，才算比较清楚。
对磁现象进行较系统研究的也是吉尔伯特。他在40岁左右开始研究磁石和琥珀的性质。《磁学》是他的一部名著。伽利略和开普勒对这部著作有较高的评价。吉尔伯特详细地研究了磁石的吸引和排斥，指向南北的性质，磁偏角和磁倾角等。吉尔伯特认为磁石指向南北的原因是地球本身，地球就是一块大磁石。他用天然磁石加工成球形，模拟地球，并且用许多小磁针放在上面，它们的指向跟在地面上不同位置的指南针的指向相仿。
吉尔伯特提出把磁针排列的方向用粉笔画在球形磁石上，就形成一些子午圈，它们会聚到磁石上两个相反的端点，称为“磁极”。他又说：小地球的力向四面八方延伸……每当铁或其他磁体在它影响所及的范围内出现时，就受到吸引，而且越靠近磁体，吸引力就越大。这实际上已迈向“场”的概念。
吉尔伯特还对琥珀吸引物体的性质作了研究，提出了“电吸引”这个名词，并对磁力和电力作一比较。他认为两者是不同的。磁石总能吸引磁石或铁，琥珀要摩擦后才能吸引物体；磁石只能吸引少数几种物质，而带电体能吸引多种物质；磁石有两个区域吸引磁体，带电体吸引物体时，朝着一个中心区域。
对静电现象进行深入研究并总结出科学定律的是法国物理学家库仑（Ch．－A．deCoulomb，1736—1806）。1784年，库仑参照米切尔在1750年使用的扭秤和自己对扭力的知识，设计了一台库仑扭秤，用它作了一系列实验。库仑首先确定电荷之间的排斥力遵循反平方律，然后再推广到电荷之间的吸引力。库仑得到的反平方律的误差是4％，就是排斥力反比于r2.04，吸引力反比于r1.96。特别值得一提的是，在当时没有公认的测量电量方法的情况下，库仑根据对称性，采用一个巧妙的方法来比较不等量电荷之间的效果。库仑认识到两个大小相同的金属球，一个带电，一个不带电，两者互相接触后，各自带原来电量的一半。库仑用这个办法依次得到了带有原来电量的二分之一、四分之一、八分之一、十六分之一等等的电荷。库仑证明，如果其中一个球带电量减少一半，那么两球的作用力就减小到原来的二分之一；如果两个球带电量都减少一半，那么两球的作用力就减小到原来的四分之一。库仑概括了反平方律以及力和电量的关系，得出公式
式中K是常数，q1、q2分别是两球的电量，r是两球的中心间距。这就是著名的“库仑定律”。在库仑前后，还有好几个物理学家曾从事反平方律的研究，有的方法更巧妙，结果更好。例如卡文迪许早于库仑在1773年得出反平方律，误差只有2％。但是库仑第一个明确得出电作用力和两个带电体电量之间的定量关系。
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电源的发明
自然界存在着磁的载体——磁铁，这给磁学研究带来很大方便；然而，自然界却不存在电的载体（带电粒子除外），必须通过人工方法才能获得较大量而又较稳定的电荷及电流，这就是人们不断探索各种起电方法和发明各种电源的原因。
大约在1660年，德国的格里凯发明了第一台能产生大量电荷的摩擦起电机。他将一个足球大小的硫磺球支在一根轴上，让它自由转动，并用手掌在球面上摩擦，从而获得越来越多的电荷。
法国皇家花园的管家迪费1733年发现绝缘的金属也可以通过摩擦的办法起电。他否定了吉尔伯特、格雷等人的关于一切物体可以分为“电的”和“非电的”的论断，认为所有物体都可以摩擦起电。他甚至极其勇敢地以自己的身体，即所谓“非电的”身体来作带电实验。他让助手把自己用绝缘丝悬吊在天花板上，使自己的身上带电，当助手靠近他时，迪费感到针刺般的电击痛，并产生火花放电及噼噼啪啪的声响。这表明人体这种“非电的”物体也可以带电。迪费还改进了验电器，用金箔代替金属棒，并用它对带电的玻璃棒及琥珀进行试验，发现不同的材料经摩擦后所产生的电是不同的。迪费将玻璃上产生的电命名为“玻璃电”，将琥珀上产生的电命名为“树脂电”。为解释这两种不同的电，提出了二元电液理论。
荷兰莱顿大学的物理学教授穆申布鲁克（P．vanMusschen－broke，1692—1761）研究了电在空气中消失的现象。为了寻找一种保存电的方法，穆申布鲁克于1745年做了这样一个实验：将一支枪管悬挂在空中，用起电机与枪管相连，枪管中引出一根铜线，铜线浸入一个盛有水的玻璃瓶中。他让助手一只手握着玻璃瓶，自己在一旁使劲摇动起电机。这时助手的另一只手不小心触到枪管上，猛然感到一阵强烈的电击，高喊了起来。于是，穆申布鲁克与助手互换了一下，结果他也产生了同样的“恐怖感觉”。由此得出结论：把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。当时还搞不清楚起保存作用的究竟是玻璃瓶，还是瓶子里的水？后人就把这种能蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”。莱顿瓶的发明，为科学界提供了一种贮存电的有效的方法，为进一步深入研究电的现象提供了一种新的强有力的手段。
1786年9月20日，意大利波洛尼亚的一位解剖学教授伽伐尼（L．A．Galvani，1737—1798）和他的两个助手正在作青蛙解剖实验，随手将青蛙放在解剖桌上，这时一名助手不慎将手中的解剖刀的刀尖触到了一只蛙腿的神经上，顿时青蛙的四条腿猛烈地发生痉挛。站在旁边的另一名助手同时看到放在一旁的起电机跳起了一个大火花。伽伐尼重复了这个实验，观察到同样的现象。之后，伽伐尼又以严谨的科学态度，选择各种不同的条件，在不同的日子里重复了这类实验，结果青蛙腿都发生痉挛。由此得出，动物体本身内部存在着一种“动物电”。只要用一种以上的金属与之接触，这种电就能激发出来，犹如莱顿瓶放电一样，从而引起了动物体肌肉的运动。而且这种动物电与普通的摩擦电是一样的电，只是起因不同而已。伽伐尼还据此制成了伽伐尼电池。伽伐尼的发现惊动了当时欧洲的学术界，意大利巴维亚大学的自然哲学教授伏打（C．A．Volta，1745—1827）大为赞赏，称伽伐尼的发现“在物理学和化学史上，是足以称得上划时代的伟大发现之一。”
伽伐尼提出的“动物电”被不少人接受，因为那时人们自然地联想到海洋中那些带电的鱼，诸如电鳗，电 ，似乎别的动物体内也贮藏着这种动物电，但是伽伐尼的观点也受到一部分学者的挑战。伏打就不同意伽伐尼关于动物电的观点，1792年他先用实验证明伽伐尼电的本质是两种不同金属与湿的动物体连接在一起而引起的，蛙腿只是起到验电器的作用。之后，伏打花了3年时间，用各种金属搭配做了许多实验。他在一次实验中将许多金属排列成一个序列，其次序如锌、锡、铅、铜、银、金、……等，这就是著名的“伏打序列”。他发现只要按这个序列，将前面的金属紧接着下一种金属搭配起来，相互接触，那么前面一种金属就带正电，后面一种金属则带负电，无一例外。1800年，伏打据此制成了有名的“伏打电堆”：他用30片、40片、60片甚至更多的铜片，让每1片铜片与1片锡片接触，形成铜片与锡片两两成组。然后，在一组组的金属片中充入水，或导电性能比纯水更好的食盐水、碱水，或填上一层用这些液体浸透的纸或皮革，就能产生相当多的电荷。伏打不仅用这个电堆产生了同莱顿瓶里一样的电，而且证明了它明显地具有反复产生的性能，把电堆的两端用金属导线连接起来可以获得持续的电流。伏打的成就深得各界的赞赏。伏打电堆的发明，使人们第一次获得稳定而持续的电流，这就为科学家从研究静电现象到研究动电现象提供了坚实的技术基础。
欧姆定律的提出
1820年7月奥斯特发现了电流的磁效应，只经过4个月，安培就建立了安培定律。德国物理学家欧姆（G．S．Ohm，1787—1854）则从另一方面进行探索，研究导线中的电流遵循的规律。他受到热流规律（一根导热杯中两点间的热流大小正比于这两点的温度差）的启发，推想导线中两点之间的电流大小也许正比于这两点之间的某种驱动力。欧姆把这种未知的驱动力称作“验电力”，也就是现在所说的“电势差”或“电压”。欧姆在这个设想的基础上，作了一系列实验，不过实验遇到了不少困难。起初，欧姆采用伏打电堆作电源，因工作不稳定，效果不理想。后来改用温差电池，才获得了稳定的电流。第二个困难是电流大小的测量。欧姆原来利用电流的热效应，通过热胀冷缩方法来测量电流的大小，但是没有取得理想的效果。后来他巧妙地利用电流的磁效应，设计了一个电流扭秤，才有效地解决了这个问题。欧姆用一根金丝悬挂一根水平放置的磁针，待测的通电导线放在磁针的下面，并和磁针平行，用铋—铜温差电池作电源。欧姆反复作了多次实验，得到了如下关系：
式中a、b是常数，分别和电源的电动势和内电阻相对应；X是磁针偏转角，和导线中电流强度相对应；x是导线长度，和外电路的电阻相对应。这是欧姆定律的最早形式，发表在1826年德国《化学和物理学杂志》上，论文题目是“金属导电定律的测定”。1827年5月，欧姆写成《伽伐尼电路的数学论述》一书，把这个规律总结成下述形式：
S=γE，
式中S就是导线中的电流强度，γ就是电导率，E就是电压，这就是欧姆定律，后来人们把它整理成
U=IR。
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电流磁效应的发现
从18世纪30年代以来，关于闪电改变钢铁物件磁性的现象已屡见报导。1751年，富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化。19世纪初，戴维观察到磁铁能够吸引或排斥电极的碳棒之间的弧光，并使弧光平动地绕转。这些都是电和磁之间相互联系的早期发现。但是，由于吉尔伯特和库仑都断言电和磁之间不可能有什么关系，妨碍了人们对这类现象作深入的研究。而丹麦物理学家奥斯特（H．Ch．Oersted，1777—1851）关于电流的磁效应的发现，揭开了这两种现象的内在联系，使电磁学的研究进入一个迅速发展的时期。
奥斯特受到德国哲学家康德关于自然力都源于共同的基本力，以及基本力向其他各种力转化思想的影响，相信电、磁、光、热和机械运动等自然现象之间存在着内在联系。富兰克林的发现更使他坚信电与磁的转化不是不可能的，关键是要找到转化的具体条件。
奥斯特从自己和前人沿着电流方向寻找磁效应的失败中，想到这一效应可能像电流通过导线时所产生的热和光那样是向四周散射的，是一种侧向作用，所以应当把磁针放在导线的上下、左右进行观察。1820年4月在一次关于电和磁的讲课快结束时，他抱着试试看的心情把很细的铂丝与玻璃罩中的磁针都沿磁子午线方向放置，然后接通伽伐尼电池，发现?

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