資源簡介

編寫說明
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《中學教學全書》是一部大型的供中學教師教學參考用的工具書。其中《物理卷》的編寫宗旨，是為中學物理教師服務，也就是為第一線工作的物理教師在備課時提供參考資料。對教學經驗豐富的教師來說，一般無需查閱參考資料，但由于受到記憶上的限制，有時還得查一查，比較一下，使自己在教學時表達得更清晰、簡潔。對缺乏教學經驗、上崗不久的教師來說，就迫切需要有一本教學工具書，以使備課更收實效。
本書由物理學史，概念、定律、定理，教學方法，實驗四部分組成，每部分按力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學排列，采用條目形式編寫，便于讀者查閱。
參加本書編寫的有（按四部分、各分支學科排列）：應興國、陸瑞征；錢振華、許兆新、陸全康、王森、鐘亭芳、沈葹；袁哲誠、陳延沛；馮容士。
參加本書審稿的有（按姓氏筆畫為序）：張立、張瑞琨、張馥寶、賈起民、徐文柳、徐志超。
我們在編寫過程中，得到不少專家、同行的關心和支持，并提出了不少建議，在此表示深切的謝意。由于時間倉促，水平有限，書中不妥之處，望專家、教師提出批評、指正。
編者
1996年3月
序言
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國家教育委員會副主任? 柳? 斌
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在過去的十年中，上海教育出版社陸續出版的各科教師手冊曾在教育界，尤其普教界產生了較大影響。作為那一時期中小學教師學歷補償的參考讀物，作為知識復蘇階段中小學教學的備課工具，那套手冊曾立下了汗馬功勞。然而，畢竟時光已流過十載，站在新世紀的大門口，耳畔是改革的獵獵旗聲，這匹跋涉了十個春秋的汗馬有點力不從心了，它需要梳理、調整、充實，才能肩負起造就一代高素質跨世紀人才的重任。基于這一歷史的使命感，又是這些或多年從事師范教育，或在普教第一線積累了豐富經驗，或長期置身于教材研究和編寫工作中的同志們，再一次聚集起來，開始了對整套手冊（中學九個分冊，小學六個分冊）的全面修訂和編寫。
要在較高的立點，對原有手冊的知識內容作科學的梳理，這是修訂的共識之一。
較高的立點無疑在各學科的前沿。了解、介紹、掌握學科最新發展動態，并藉此來審視以往手冊中確定的知識重點、某些定論、甚或一個條目的表述方式，缺憾便一覽無遺。以物理學科為例，當激光在世界前沿科學技術發展中越來越顯示出支柱作用的時候，倘若我們對它仍只作一般的介紹就十分欠缺了。因此，修訂既要消除缺憾，剔去陳舊，還必須為科學的不斷發展留有余地。盡管在初等或中等教育的教學中不一定會涉及多么高深的理論，但唯有當教師對本學科的精神與發展了然于胸時，才能在學生的心中萌出哥德巴赫猜想。
對原有手冊的知識結構作合理的調整時，要加強教學與社會聯系的成分，這是修訂的共識之二。
當前基礎教育正從應試模式轉到提高國民素質的軌道上來，把課本知識與社會實際聯系起來，以加強學生的社會責任感和培養他們的動手能力，改變讀死書的狀態已成當務之急。調整原有手冊中的知識結構正是以此為精神，并在量上體現出來，如化學學科增加了“化學與社會”、“化學與環境”等章節，語文學科則在寫作部分增加了關于心理學、社會心態、社會與人等問題的論述，對文藝作品的分析也更注重社會氛圍與人物的關系。事實上，這一調整與目前多套教材都強調素質教育，強調擴大知識面，強調調動非智力因素等是很合拍的。
留出一定的篇幅為教學法部分充實新的內容，肯定和介紹學科教學的新手段，這是修訂的共識之三。
在國門大開的今天，各方面與國際接軌已勢在必行，新的教學實驗用具不斷出現，電腦正在普及，科學的命題法和教學評估正使各級教學進入更好的循環，新的教學大綱又為第二課堂的開展保證了時間，有利于學生個性發展的興趣活動又激發了學生第一課堂的學習積極性……我們有那么多的靈魂工程師在忙碌著、研究著、設計著，在手冊修訂之際，對這些先進的教學手段作一個總結、歸納，形成大家可仿可效的全新概念的學科教學法不是一件很有意義也很實在的事嗎？
修訂、編寫工作歷時三年，各個分卷即將陸續問世，大家曾想為它取個響亮的名字，轉而又想，既然教育工作者被喻為布滿枝頭的綠葉，為著花的開放、果的成熟而甘于平凡，那么，就還是讓它以最樸素的面貌靜靜地去到教師們的書案上吧。
編寫說明
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《中學教學全書》是一部大型的供中學教師教學參考用的工具書。其中《物理卷》的編寫宗旨，是為中學物理教師服務，也就是為第一線工作的物理教師在備課時提供參考資料。對教學經驗豐富的教師來說，一般無需查閱參考資料，但由于受到記憶上的限制，有時還得查一查，比較一下，使自己在教學時表達得更清晰、簡潔。對缺乏教學經驗、上崗不久的教師來說，就迫切需要有一本教學工具書，以使備課更收實效。
本書由物理學史，概念、定律、定理，教學方法，實驗四部分組成，每部分按力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學排列，采用條目形式編寫，便于讀者查閱。
參加本書編寫的有（按四部分、各分支學科排列）：應興國、陸瑞征；錢振華、許兆新、陸全康、王森、鐘亭芳、沈葹；袁哲誠、陳延沛；馮容士。
參加本書審稿的有（按姓氏筆畫為序）：張立、張瑞琨、張馥寶、賈起民、徐文柳、徐志超。
我們在編寫過程中，得到不少專家、同行的關心和支持，并提出了不少建議，在此表示深切的謝意。由于時間倉促，水平有限，書中不妥之處，望專家、教師提出批評、指正。
編者
1996年3月
中學教學全書
物理卷
張瑞琨? 主編
上海教育出版社出版發行
（上海永福路123號）
（郵政編碼：200031）
各地新華書店經銷? 上海中華印刷廠印刷
開本850×1156 1／32? 印張23.75? 插頁4
字數601，000? 1996年12月第1版
1996年12月第2次印刷? 印數 8201——13220本
ISBN? 7-5320－4855-1／G·4825
定價：（軟精）28.00元
王冠之謎
相傳亥尼洛國王做了一頂金王冠，他懷疑工匠用銀子偷換了一部分金子，國王要阿基米德（Archimedes，前287—前212）鑒定它是不是純金制的，且不能損壞王冠。阿基米德捧著這頂王冠整天苦苦思索。有一天，阿基米德去浴室洗澡。他跨入浴桶，隨著身子浸入浴桶，一部分水就從桶邊溢出。阿基米德看到這個現象，頭腦中像閃過一道閃電，“我找到了！”他忘記了自己裸露著身子，從浴桶中一躍而出奔向街頭，狂呼“攸勒加，攸勒加！”（找到了）在這一歡呼聲中誕生了流體靜力學。
阿基米德拿一塊金塊和一塊重量相等的銀塊，分別放入一個盛滿水的容器中，發現銀塊排出的水多得多。
于是阿基米德拿了與王冠重量相等的金塊，放入盛滿水的容器里，測出排出的水；再把王冠放入盛滿水的容器里，看看排出的水是否一樣，問題就解決了。根據各種歷史記載，我們不能肯定工匠是不是老實，但阿基米德卻從這個實驗得出了著名的浮力定律。
首先，阿基米德在這個實驗中提出了物質比重的概念，指出重量相等的金塊、銀塊，排開水的體積是不同的。阿基米德還在《論浮體》一書中，通過嚴密的邏輯方法，證明了他的浮力定律。他的基本公設是：“液體按其本性，在其粒子均勻和連續分布的情況下，受擠壓作用較小的粒子將被受擠壓作用較大的粒子擠出去；這個液體中的個別粒子將受到它上面的粒子的垂直壓力。”他從這個公設出發證明了：靜止液體的表面是球形的，這個球心與地心相合；與液體有相同比重的物體將完全浸入液體中，但又不會深深地沉下去；比重比水小的物體將浮出水面，物體浸入水中的部分不足的重量將由露出部分的重量加以補償，從而使浮體建立平衡。這樣，與浸入水中部分的同體積水的重量才等于整個物體的重量。于是，阿基米德以下述兩個推論的形式確立了自己的浮力定律：
“推論Ⅵ，比重比液體輕的物體浸入液體中時，將受到一個向上的力，這個力等于與該物體同體積的液體的重量超過該物體本身重量的部分；
推論Ⅶ，比重比液體重的物體浸入液體中時，將越來越下沉，直達到底部，它在液體中失去的重量，等于它同體積的液體的重量。”
總之，浸入液體中的物體所失去的重量，就等于它排開的液體的重量。這就是著名的阿基米德定律。
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亞里士多德的錯誤理論流傳2000年
古希臘哲學家亞里士多德（Aristotle，前384—前322）第一個對古代科學的進展作了總結，第一個試圖建立力學普遍定律。
亞里士多德不僅把機械運動看作是運動，還把靜止物體性質的變化，物體尺寸的增加等等也看作是運動。他認為一切機械運動應分成兩大類：天體的運動和一般的地面物體的運動。他認為第一類運動是沿圓形軌道的勻速運動，這些運動沒有開始，也沒有終結，是永恒的。造成這些運動的原因是某個起始的動力、某種精神力量（上帝）。因此，亞里士多德認為，天體的運動是完善的，天空中的一切現象都是完美無缺的：運動是圓周運動，天體的形狀是嚴格的球形，它們的表面是光滑的等等。而在地面上則相反，一切現象都是不完善的，物體的運動也是不完善的，它總是有自己的開始和終了。
除此之外，亞里士多德還認為，除了下落運動以外，重物的運動總是“被迫的”，“一切運動的物體必定受某物驅動”。下落物體的運動是自然運動，運動的原因在于重物本身。亞里士多德假設，一切“被迫”運動，包括勻速直線運動，都是在力的作用下發生的。他還認為，此時力并不正比于加速度（像牛頓所確定的那樣），而是正比于速度。這些就是亞里士多德力學的基本原理。
亞里士多德的力學的基本原理，在科學上是錯誤的。席卷西歐的文藝復興運動，推翻了統治近2000年的以亞里士多德為代表的古希臘力學學說。伽利略關于自由落體、擺和碰撞等一系列杰出的實驗研究，為牛頓的動力學理論的誕生打下了堅實的基礎，由此，物理學向前邁出了一大步。
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天文學革命
自古以來，人們從日出日落、星移斗轉等天象，自然地認為地球是宇宙的中心，日月星辰都圍繞著地球運轉。古希臘學者亞里士多德等人最先提出了“宇宙以地球為中心”的觀點，到公元140年左右，亞歷山大城的天文學家托勒密（Ptolemy，約90—168）在他的巨著《天文學大成》中，提出了較完整的宇宙以地球為中心的學說（即后人所稱的“地心說”）。這一學說的要點是：①地球位于宇宙的中心，且靜止不動。月球、水星、金星、太陽、火星、木星、土星等由近及遠依次圍繞著地球運轉。②每個行星都在一個小圓軌道“本輪”上勻速轉動，同時又在一個大圓軌道“均輪”上繞地球勻速轉動。用本輪、均輪這兩種圓周運動和其他一些規定，就可以解釋當時所觀測到的行星的視運動現象。
到中世紀，托勒密的地心說被歐洲教會利用來作為上帝創造世界的理論支柱，由此取得了學術界的統治地位。在教會的嚴密統治下，人們在1000多年中未能掙脫“地心體系”的桎梏，直到波蘭天文學家哥白尼（N．Copernicus，1473—1543）對此提出挑戰。
1473年哥白尼誕生于波蘭東部的托倫城，就學于克拉科夫大學，后來又到意大利求學。1513年回到了自己的祖國，在波羅的海沿岸的弗隆浦爾克度過了大半生。
哥白尼在意大利求學時，就已懷疑托勒密的世界體系的正確性，且疑慮越來越大。
大約在1515年他寫了一篇論文，表示反對托勒密的學說，并探討了世界的日心體系。但是這篇論文沒有發表。哥白尼在生命快要終結之時，積40年研究成果，寫就了《天體運行論》一書。這書在他去世那年，即1543年正式出版。
該書中，哥白尼系統地提出了“日心說”。
他認為地球不是宇宙的中心，而是一顆普通的行星，太陽才是宇宙的中心。除此以外，哥白尼學說的主要內容有：①水星、金星、火星、木星、土星這5顆行星與地球一樣，都在圓形軌道上勻速繞太陽公轉；行星運動以一年為一個周期，這是地球每年繞太陽公轉一周的反映。②月球是地球的衛星，每月繞地球轉一周，同時跟地球一起繞太陽公轉。③地球每天自轉一周，地球的自轉造成日月星辰每天東升西落的現象。哥白尼的日心說比托勒密的地心說更能解釋當時所觀測到的天文現象，后來的觀測事實又不斷證實并發展了這一學說。
限于當時的科學水平，哥白尼學說也有一些缺點和錯誤：①把太陽當作宇宙的中心是不妥的，太陽只是太陽系的中心天體，而不是宇宙的中心。②行星的軌道應是橢圓而不是圓；同時，行星的運動不是勻速的。在哥白尼之后，意大利思想家布魯諾（G．Bruno，1548—1600）認為，太陽并不是宇宙的中心，他大膽提出了宇宙是無限的且不存在中心的正確見解。德國天文學家開普勒（J．Ke－pler，1571—1630）明確指出行星運動的軌道是橢圓，而太陽則位于這個橢圓的一個焦點上，從而解決了行星運動速度不均勻的問題。布魯諾和開普勒的這些見解都是對日心說的重要發展。
哥白尼著作的出版是科學史上的一次革命。在這以前，科學只是“神學的附庸”。現在，哥白尼竟然說出了不僅是反對亞里士多德，而且也是反對圣經的話來，這就從根本上動搖了宗教賴以統治的思想基礎，他給羅馬教廷帶來的沖擊是可以想象的。
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自由落體和斜面實驗
地面上重物的下落是人類最早觀測到的自然現象之一。千萬年來，人們根據自己的日常經驗都認為重物下落得快，輕物下落得慢。古希臘學者亞里士多德更把這上升到“理論”：重的物體落地快，輕的物體落地慢。
真正對自由落體運動進行科學研究的是意大利物理學家伽利略（G．Galilei，1564—1642）。他在比薩大學任教期間，多次對亞里士多德的觀點提出疑問，他巧妙地設計了一個“佯謬”：如果亞里士多德的論斷成立，即重物比輕物下落速度大，那么將一輕一重的兩個物體拴在一起下落，“快的會由于被慢的拖著而減速，慢的會由于被快的拖著而加速”，因而它將以比原來那個重物小的速度下落，但這兩個物體拴在一起要比原來那個重物更重些。這樣，伽利略就從亞里士多德的重物較輕物下落得快的論斷，導出了重物下落得更慢的結論。這表明“亞里士多德錯了”。伽利略認為，只有假定重力加速度與物體的重量無關，才能消除這個矛盾。
伽利略向亞里士多德的挑戰觸怒了許多學者、教授，于是產生了流傳廣泛的斜塔實驗故事。
比薩斜塔高179英尺，由于塔基問題，塔身發生傾斜，那正是理想的落體實驗場所。伽利略為了證明他的論斷，邀請了許多人到斜塔旁觀看，有他的支持者，也有他的反對者。伽利略一手拿著一個1磅重的鉛球，另一手拿著一個10磅重的鉛球，一步一步地登上斜塔。到了塔頂，他向下作了個手勢請觀眾注意，隨即雙手平舉兩個鉛球讓它們同時下落，最后“啪！”的一聲，兩個重量相差9倍的鉛球同時落地。伽利略勝利了。
這個實驗是否由伽利略操作，從當時的各種文獻記載（包括伽利略本人的著作）中都無法得到證實。但重要的是，斜塔實驗反映了當時的研究者們，對自由落體實驗已有很深入的認識：①自由落體的速度極快，為了體現重物、輕物下落速度不同造成下落距離不同，必須有相當的高度以形成這種差別。這就是自由落體實驗要在50多米高處的當地最高的建筑物上進行的緣故。②意大利各地的高塔不少，為什么流傳下來的卻是一個“斜塔實驗”？這可能是千百次失敗帶來的一個必然結果。由于伽利略當時名聲顯赫，崇拜者們就把斜塔實驗的功勞歸到他的頭上。不過，下面的“斜面實驗”確是伽利略親自設計和操作的。
在垂直方向觀測自由落體的落地，在當時的技術條件下是很困難的，因為即便在50多米高處下落的物體，到達地面也只要花3秒多鐘。為了仔細觀測重力作用下物體運動的特點，伽利略設計了一個能將運動時間“放大”的斜面實驗。他在一塊厚木板上刻一道槽，并將槽打磨得很光滑。再取一個堅硬、光滑并很圓的銅球，放在槽里滾動。抬高槽的一端，使槽傾斜，這樣，銅球就在一個斜面上滾動。實驗開始時，讓銅球放在槽頂沿著槽滾下，并記錄整個下滑時間。重復幾次，“以便使測得的時間準確到兩次測定的結果相差不超過一次脈搏的十分之一。進行這樣的操作，肯定了我們的觀察是可靠的以后，將球滾下的距離改為槽長的四分之一，測定滾下的時間，我們發現它準確地等于前者的一半。下一步，我們用另一些距離進行試驗，把全長所用的時間與全長的二分之一、三分之二、四分之三，或者其他任何分數所用的時間相比較。像這樣的實驗，我們重復了整整100次，結果總是經過的距離與時間的平方成比例，并且在各種不同坡度下進行實驗，結果也都如此……”伽利略在《兩種新科學的對話》中所記述的這段話，已道出了勻加速運動中經過的距離與時間的平方成比例的基本規律。
根據斜面實驗，伽利略還提出了慣性的概念。根據亞里士多德的物理學，保持物體勻速運動的是力的持久運動。但是，伽利略從小球在水平面上運動的實驗推測，如果沒有摩擦力等阻力的作用，小球將保持勻速運動。這就奠定了近代關于物質慣性的基礎。遺憾的是，伽利略沒有定義勻速運動是在一條直線上的運動，因而沒有最后完成慣性的近代定義。
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擺的研究
據說在1583年，年輕的伽利略在比薩教堂祈禱時，被那盞從教堂頂上懸掛下來的大油燈（長命燈）的來回擺動所吸引。他發現油燈的擺動很規則，那時還沒有能準確計量時間的鐘表，于是伽利略以他自己的“表”——即他的脈搏的跳動——來計算油燈擺動的時間。他發現，不論油燈的擺幅是大是小，擺動一個來回所需時間幾乎相同。發現單擺的擺動周期與振幅無關，這是伽利略對物理學的一個貢獻。后來他又通過更精確的實驗得出，擺的振動周期與擺長的平方根成正比。
荷蘭的惠更斯（C．Huygens，1629—1695）對擺的研究取得了最突出的成果，他的研究是與當時要解決精密鐘表的結構問題相聯系的。隨著航海事業的迅速發展，如何精確測定船舶位置成為一個極其重要的問題。除了用天文觀測的方法外，精確計時的方法也是一種常用的方法。長時間以來，人們知道要解決這個問題必需有兩只鐘，一只記錄本地時間，另一只則記錄零度子午線時間，且兩鐘都必須精確計時。當時，走時較準確的是擺鐘，為了設計更精確的擺鐘，首先要求制造一種擺動準確等時的擺，而不是像單擺那樣近似等時的擺。惠更斯找到的解決辦法是：擺動點的軌跡應是一段擺弧而不是一段圓弧。他發現可以通過懸絲在兩片擺線夾板之間運動來實現。
由于真正的擺并不是一個數學擺（一個質點懸掛在一條數學線上），而是一個繞著水平軸旋轉的物理擺。于是惠更斯著手研究如何用給定的物理擺去確定等時擺動的數學擺的長度。為此，他引進了慣性矩概念。他還發現了物理擺的懸掛點與擺動點的可互換性。
1658年，出版了《鐘表論》一書。1673年，惠更斯的《擺鐘》出版。書中，既研究了擺鐘本身，又進一步系統地研究了以擺鐘為基礎的各種各樣的理論。
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萬有引力理論的勝利
“萬有”引力概念起源于人類對地面上物體的重力現象和天空中星球的引力現象的認識。在古代和中世紀，重力被認為是位置的一種性質。亞里士多德認為，宇宙萬物都有各自的位置，某物體一旦脫離了原位，就要回復原位。石頭之所以落地，就是石頭要回復到它原來所在的位置——地面上去。哥白尼提出了“日心說”，設想太陽、月球和地球等行星各自都有自己的引力體系。在各星球上空的石頭都會落到離它最近的引力體系中去，因此，地球上的石頭要落向地面。
17世紀，萌發了從動力學角度來解釋天體運動的思想。英國御醫吉爾伯特（W．Gilbert，1544——1603）從磁球實驗，猜測太陽系的所有天體是通過磁力維系在一起的。開普勒受吉爾伯特影響，認為引力類似于磁力，太陽發出的磁力流（即引力）像輪輻一樣在黃道面上沿太陽旋轉方向轉動，從而推動行星圍繞太陽運動，引力的強度隨著與太陽距離的增大而減弱。法國數學家笛卡兒（R．Descartes，1596—1650）于1644年提出“旋渦”假說，認為宇宙間充滿著一種稀薄不可見的流質“以太”，它們圍繞各個天體形成大小、速度和密度均不相同的旋渦，帶動天體（如太陽）及其周圍的物體（如太陽系各個行星）繞轉，并形成一個指向中心的作用，從而表現引力作用。旋渦學說把天體運動歸結為動力學問題，是牛頓以前最有影響的引力理論。
引力理論最重要的發展就是把天上的引力與地面的重力聯系起來，從而把引力推到無處不存在的“萬有”的地步。英國物理學家胡克（R．Hooke，1635—1703）首先覺察到引力和重力本質相同。他曾經在山頂和礦井下進行實驗，試圖測定重力隨與地心距離的遠近而變化的規律；另一方面，他又提出引力隨與吸引中心距離的不同而變化的思想。胡克認為，“一旦知道這種關系，天文學家就容易解決天體運動的規律。”1680年初，胡克在給牛頓的信中甚至提出了引力反比于距離平方的猜測。1679年，英國天文學家哈雷（E．Halley，1656—1742）和倫恩（Ch．Wren，）按照開普勒第三定律，利用圓形軌道和勻速圓周運動的向心力公式，導出作用于行星的引力與它們到太陽的距離的平方成反比。但是，他們還不能證明行星在橢圓軌道中也是如此。1684年8月，哈雷從倫敦專程到劍橋大學向牛頓請教，牛頓（I．Newton，1642—1727）說他早已完成了這一證明，但一時找不到證明手稿。這年年底，牛頓將重新作出的證明寄給哈雷。在哈雷的熱情資助下，1687年出版了牛頓的名著《自然哲學的數學原理》，公布了他力學研究的全部成果，包括他對引力理論的研究。這一研究主要是在1665——1666年間進行的，這一時期由于瘟疫流行，劍橋大學停課，正在求學的牛頓回到故鄉，潛心研究引力理論。關于牛頓是從“蘋果落地”得到萬有引力啟發的傳說，也是指那段時間。
地球上的重力與天體間的引力是不是一回事？從牛頓的一份手稿來看，他已經把重力問題引向空間。手稿中說：“就在這一年，我開始想到把重力引伸到月球的軌道上，并且在弄清怎樣估計圓形物在球體中旋轉時壓于球面的力量之后，我就從開普勒關于行星公轉的周期的平方與其軌道半徑的立方成比例的定律中，推得推動行星在軌道上運行的力量必定和它們到旋轉中心的距離的平方成反比例。于是我把推動月球在軌道上運行的力和地面上的重力加以比較，發現它們差不多密合。”這是牛頓在1665——1666年間想到的問題，可是牛頓遲遲不發表有關引力的理論。其可能是他使用的地球大小的數據不精確，于是得出的推動月球在軌道上運行的力和重力不符；也可能是計算時遇到許多困難。因為討論行星和太陽時，它們相距甚遠，天體都可看作是質點。月球和地球之間距離沒有那么大，就不能簡單地把它們當作質點。此外，以蘋果的大小和它與地球的距離相比，地球是巨大無比的，要計算地球各部分對蘋果的引力總和很困難。哈雷向牛頓求教有關彗星運動問題，促使牛頓重新考慮引力理論。1685年牛頓證明一個由具有引力的物質組成的球吸引它體外的物體時，和所有質量都集中在中心時一樣。理論上允許把太陽、月球、地球都當作一個個質點，問題便大大簡化。突破這一障礙后，牛頓把天體間的力和地球吸引物體墜落的力聯系起來，重新回到重力和月球的老問題上來。他采用了有關地球的新數據，證明地面上物體的墜落和月球沿閉合軌道運行出于同一原因，并把這一結論推廣到所有的行星運動中去，提出了著名的萬有引力定律。
牛頓所完成的萬有引力定律，經過科學實踐的檢驗得到了普遍承認。著名物理學家周培源把這一檢驗過程歸結為三點：第一，萬有引力理論應能解釋舊理論所能解釋的一切現象；第二，新理論還應能解釋已經發現的但卻是舊理論所不能解釋的現象；第三，也是最關鍵的一點，它還應能預言一些新現象，并且能為爾后的實驗或觀測所證實。
關于地球的形狀，是對牛頓理論的第一個重大考驗。在運用萬有引力定律解釋歲差現象時，牛頓指出每一行星由于自身的旋轉運動，赤道部分應該隆起，星體應為兩極扁平的球體。里切爾在卡因島觀察到的擺鐘變慢的現象，被牛頓看作是赤道處引力場變小，即地球是個扁球體的證據。因此，赤道隆起部分將一部分接近太陽和月亮，另一部分遠離太陽和月亮，它們受到的引力作用也不同，使太陽和月亮的引力攝動作用不通過地球中心，從而使地球的軸作一種緩慢的圓錐運動，造成了二分點的歲差現象，牛頓近似地估算出地球的扁率為1／230。18世紀30年代，當牛頓的學說傳到法國，立即受到巴黎天文臺臺長卡西尼（J．Cassini，1677—1756）等人的激烈反對，他們根據笛卡兒的旋渦假說和錯誤的緯度長度的測量，認為地球是兩極凸出的長橢球體。
為了得到更準確的大地測量結果，法國科學院于1735和1736年先后派出兩個測量遠征隊，分赴赤道地區的秘魯和高緯度的拉普蘭德，在兩地的經度圈上測量等角的一段弧長。測量結果基本上證實了牛頓的結論。拉普蘭德隊的領隊莫泊丟（Maupertuis）和成員克雷洛（Clairault）后來都成為牛頓學說的支持者。
第二個支持來自哈雷彗星的研究。在牛頓之前，彗星被看作是一種神秘的現象。牛頓卻斷言，行星的運動規律同樣適用于彗星。哈雷根據牛頓的引力理論，對1682年出現的大彗星（即后來命名的哈雷彗星）的軌道運動進行了計算，指出它就是1531年、1607年已出現過的同一顆彗星，并預言它將在1758年再次出現。1743年克雷洛計算了遙遠的行星（木星和土星）對這顆彗星的攝動作用，指出它將推遲于1759年4月經過近日點。這個預言果然得到了證實。
引力常數的測定，是地面上的實驗對萬有引力定律提供的直接證明。1798年，英國物理學家卡文迪許（H．Cavendish，1731—1810）把兩個小鉛球系在一根直桿的兩端，用一根細線從中間吊起，然后用兩個大鉛球靠近小鉛球，通過細線的扭曲測量了大球與小球之間的引力作用，從而得出引力恒量值，并計算了地球的質量和密度。
對牛頓萬有引力理論最有力的支持，來自海王星的發現。18世紀末到19世紀初，發現人們對天王星的運動的觀測和理論結果之間存在著明顯的偏差。英國青年大學生亞當斯（J．C．Adams，1819—1892）在1843—1845年，法國天文學家勒威耶（U．J．J．Lever－rier，1811—1877）于1845年，各自獨立地根據牛頓理論進行了計算，預言了天王星軌道外的一個未知行星的質量、軌道和位置。勒威耶將他的計算結果寫信告訴了柏林天文臺的伽勒（J．G．Galle，1812—1910），伽勒于1846年9月23日夜間在預定的地點發現了一顆新的行星，這就是對天王星的運行產生規則的攝動作用的海王星。它的發現，被認為是牛頓引力理論的偉大勝利，因為像這種以新理論來精確地預言一顆未知行星的存在，并為1年后的天文觀測所證實的事例，在天文學發展史上是前所未有的。萬有引力理論取得輝煌勝利時，牛頓已離開人世100多年。由此可見，科學真理經得起時間的考驗。
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牛頓力學三定律的建立
1687年牛頓《自然哲學的數學原理》的出版，標志著經典力學體系的建立。這部巨著分為兩大部分，第一部分包括“定義和注釋”與“運動的基本定理或定律”兩編，第二部分是這些基本定律的應用編。
在“運動的基本定理或定律”中，牛頓寫下了機械運動的3個基本定律。他說：“每個物體繼續保持其靜止或沿一直線作等速運動的狀態，除非有力加于其上迫使它改變這種狀態。（拋射體，只要不因空氣阻力而被減速，或因重力而被向下拉落，就永遠保持在它的運動之中。一個陀螺，其各部分由于內聚力的作用而不斷離開其各自的直線運動，除非受空氣阻力而減速，它決不會停止轉動。行星和彗星這些較大的物體，由于在較自由的空間中所受的阻力較小，也能在更長的時間內保持它們的前進和環繞運動。）
“運動的改變和所加的動力成正比，并且發生在所加力的那個直線方向上。（如果任何一個力產生一個運動，那么加倍的力就產生加倍的運動，三倍的力就產生三倍的運動，不管這個力是一下子一起加上去的，還是相繼地逐漸加上去的。如果一個物體原先是在運動的，那么由該力所產生的那個運動——由于它總是沿著產生它的力的方向——和原先的運動，就看它們的方向一致或者相反而相加或相減；當它們的方向彼此傾斜時，它們就傾斜地聯合起來，從而產生一個由兩個方向合成的新的運動。）
“每一個作用總是有一個相等的反作用和它相對抗；或者說，兩物體彼此之間的相互作用永遠相等，并且各自指向其對方。（任何東西拉引或推壓另一個東西時，同樣也要被另一個東西所拉引或推壓。如果你用手指推壓一塊石頭，那么手指也要被石頭所推壓。如果有一匹馬拉引一塊系于繩上的石頭，那么這匹馬——如果我可以這樣說——將為相等的力朝后拉向石頭；因為這條拉緊的繩，同樣有使自己松弛或伸直的傾向，就將以同樣的程度把馬拉向石頭和把石頭拉向馬，并且它阻止其中一個的前進和推動另一個的前進在程度上也是一樣的。如果一個物體撞在另一個物體上，并且由于它的力的作用而改變后者的運動，那么這物體的運動也將——由于相互推壓的相等——發生一個相等而指向相反方向的變化。這些作用所引起的那些相等的變化，不是物體速度的變化相等，而是物體運動的變化相等；這就是說，如果這些物體不為任何其他障礙物所阻。這是因為運動的變化相等，那些指向相反方向的速度的變化便和物體的質量成反比。）”
牛頓運動三定律中的第一、第二定律，是在伽利略的工作基礎上總結出來的。但是，伽利略沒有明確地提出質量概念，而牛頓從幾個不同的角度論述了質量問題，還用數學推導和實驗測量來說明質量和重量成正比。伽利略在研究速度變化問題時，已包含了加速度概念。牛頓用自己創建的無限小運算，將加速度作為速度對時間的微商來處理，也就是從任何原點到質點位置的矢徑對時間的兩次微商。這比伽利略的思想更前進了一步。
牛頓運動三定律的建立，為經典力學奠定了基礎。人們往往就把經典力學稱為“牛頓力學”。
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牛頓力學的新發展
17世紀以伽利略—牛頓為代表的科學革命的勝利，促進了18世紀30年代工業革命的到來。而工業革命帶來的生產力的大發展，又促使社會對力學、物理學和工程技術提出新的、更高的要求。
在這樣的背景下，力學理論不斷向實用化、普遍化、數學化方向發展。總的說來，經典力學理論在牛頓以后大體是平行地沿著矢量力學和分析力學兩個方向發展的。前者發展成為當時工程力學的各個分支，后者發展成為理論物理學的各分支。
矢量力學的發展：牛頓力學的矢量處理方法以及運用第二定律的二階運動微分方程求解，對于質點動力學問題是比較有效的。但質點越多，受力（包括眾多的約束力）越多，運動越復雜，計算就越繁瑣，上述方法往往也無能為力。為了克服這些困難，逐漸發展了動量、動量矩和動能三大定理以及它們在特殊條件下（如封閉體系）的三個守恒定律。利用守恒定律，一般只要知道過程的始末狀態，可以忽略體系中十分復雜的相互作用力和約束力，能簡單、方便地解決問題。這就構成了今天經典力學中的整個矢量力學體系，它包括如下三大部分：①剛體力學。研究剛體在受力狀態下的運動。按運動狀態的不同，又可分為剛體靜力學和剛體動力學兩大分支。②流體力學。按研究對象的不同，可分為水靜力學、水動力學和空氣動力學三大分支。水動力學是船舶外型、水壩水渠、輸水或輸油管道設計的理論基礎。空氣動力學是飛機、導彈等一切飛行體設計的理論基礎。隨著飛行體速度的不斷提高，又產生了高速（超聲速）空氣動力學和高超聲速（是聲速的幾倍乃至十幾倍）空氣動力學。③變形體力學。研究物體在受力狀態下既有運動、又有形變的情況。變形體力學又分為彈性力學和塑性力學。此外流體力學和變形體力學合稱為連續介質力學。
分析力學的發展：即使有三大運動定理或三大守恒定律在一定條件下的簡化，矢量力學對于多質點、多約束、非常見坐標系和運動參照系等種種越來越復雜的問題，不論是描寫力或描寫運動，都遇到越來越大的困難。18、19世紀的力學家和數學家從哲學上、物理學上和數學上進行了大量的探索，這種探索是從以下四方面來進行的：①為尋找一種比牛頓定律更廣泛適用、更簡便的普遍原理，出現了虛功原理、達朗貝爾原理、最小作用原理、哈密頓原理等等。②用廣泛適用于各種運動形式的“能量”與“功函數”這兩種標量函數（以后發展為拉氏函數L和哈密頓函數H）來代替力和動量這樣的幾何矢量。③為對系統進行整體研究，便從虛功原理、最小作用原理發展為數學上的變分方法，并且引入了廣義坐標和純代數方法等，形成了一套獨特有效的“分析方法”。④分析力學的基本理論體系表現為微分形式與積分形式兩種可以相互推導的等價形式。微分形式就是從虛功原理、達朗貝爾原理得到拉格朗日的所謂“力學普遍方程”，進而到拉氏方程。積分形式，即從莫泊丟原始的最小作用原理發展為哈密頓原理。英國數學家哈密頓（W．Hamilton，1805—1865）自己則稱之為“穩定作用原理”。因為“事實上偽裝節約的數量常常在那里浪費消耗”，“而且自然界有很多現象作用是極大的或穩定的”。
分析力學不僅用統一的方法解決了各種力學問題，而且其意義遠遠超出了經典力學范圍。人們發現，能量觀點和拉氏方程、哈氏原理及正則方程，完全適用于其他形式的物質運動，無論在電動力學、統計物理、相對論還是量子力學、量子場論乃至基本粒子領域內，它們也是分析問題的基本工具或出發點，分析力學就成了我們跨入理論物理學和現代物理學的入門課程。
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牛頓的重大貢獻
牛頓的科學成果對爾后200多年自然科學的發展產生了重大影響，他的偉大集中體現在三項發現中。
（1）發現萬有引力定律。在牛頓之前，人們已經知道世界上存在兩種“力”：地面上的物體都受到重力的作用，天上的月球和地球之間以及行星和太陽之間都存在引力。這兩種力究竟是性質不同的兩種力，還是同一種力的不同表現？牛頓經過21年的研究探索終于提出了萬有引力定律，宣告了天上地下的萬物都遵循同一規律運動，徹底否定了宗教勢力宣揚的天上地下不同的思想，這是人類認識史上的一次飛躍。
（2）發明微積分。在牛頓之前，法國笛卡兒通過引進坐標系，建立了解析幾何。笛卡兒引進了變量，這就改變了古希臘以來數學中常量占統治地位的局面。
牛頓在笛卡兒幾何變量的基礎上，經過精心定義引入了“極限”概念。兩個相互依賴的物理量，當它們逐漸變小時（牛頓稱之為“流數”），其比率也在逐漸變化，當自變量達到無限小值時，這個比率就達到一個極限值（牛頓稱為“流率”，即今天的“導數”或“微商”）。牛頓把這種變量數學稱之為“流數術”，這就是微積分的最早的一種形式。牛頓把變量引進運動學之后，解決了困擾當時科學家的兩大難題：在變速運動中，已知路程如何求速度，已知速度怎樣計算路程。
牛頓和與他同時代的德國數學家萊布尼茲分別獨立地發明的微積分，將常量數學發展為變量數學，給人類研究變化著的世界萬物提供了有力的工具。難怪恩格斯會作出這樣的評價：“在一切理論成就中，未必再有什么像微積分的發明那樣，被看作是人類精神的最高勝利了。”
（3）發現光譜。牛頓發現白光是由折射率不同的黃、橙、紅、綠、靛、藍、紫七種色光組成的。牛頓的發現奠定了光譜學的基礎，而現代光譜學則是人們研究物質結構的有力工具。牛頓將這一發現用來改進望遠鏡，制成了消色差望遠鏡，由此奠定了現代大型光學天文望遠鏡的基礎。
牛頓取得的巨大成就，是近代科學發展史上的里程碑。然而這位科學巨匠自己卻說：“如果我所見到的比笛卡兒要遠一些，那是我站在巨人的肩上的緣故。”這句臨終贈言，也道出了牛頓之所以成為歷史偉人的奧秘所在：善于學習和繼承前人的科學遺產，并在繼承的基礎上創新。
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測溫技術的發展與溫度計的發明
第一臺測量溫度的科學儀器是伽利略于1593年發明的，該測溫器是一個頸部極細的玻璃長頸瓶，瓶中裝有一半帶顏色的水，并把它倒過來放在碗里，碗里也盛有帶同樣顏色的水。隨著溫度的變化，瓶中所包含的空氣便收縮或膨脹，頸中的水柱就會上升或下降。
1631年公布了法國化學家詹·雷伊（J．Rey）對伽利略測溫器的改進，他將測溫器的長頸瓶再倒過來（即正擺），用水的膨脹來表示冷熱程度。但管子未封口，因水的蒸發會產生誤差。在雷伊之后約25年，意大利佛羅倫薩的院士們用蠟封了管口，在玻璃泡里裝上酒精，并把刻度附在玻璃管上，這樣的結構已接近后來的溫度計。1659年巴黎天文學家博里奧（I．Boullian）制造了第一支用水銀作測溫質的溫度計。
以后，溫度計的制作和改進主要從兩方面進行：第一，為了定出溫標，需要確定“定點”，導致人們對冰和其他物質的熔解和凝固溫度的研究，發現了在一定條件下，這些溫度是恒定不變的。第二，需找出合適的測溫質，從而促進了對物體熱膨脹的研究。
德國格里凱選擇馬德堡初冬和盛夏的溫度為定點，佛羅倫薩院士們選嚴寒時下雨或結冰的氣溫與牛或鹿的體溫為定點，他們還發現冰的熔點是不變的。1688年，道倫斯（Dolence）提出用冰凍時的溫度和黃油熔解的溫度為定點溫度。
1702年，阿蒙頓（G．Amontons）改進了伽里略測溫器，他將一個球連接到一個U形管上，管中裝有水銀，并保持球內空氣的容積不變，用U形管兩臂水銀面的高度差來測量球內空氣的溫度，他用水的沸點和冰的熔點作為定點。
第一支實用溫度計是遷居荷蘭的吹制玻璃的工匠華倫海特（G．D．Fahrenheit，1686—1736）制成的。1709年開始制作酒精溫度計，1714年得知阿蒙頓在水銀熱膨脹方面的研究后，轉向制作水銀溫度計，并創造了凈化水銀的方法，使水銀能在溫度計中普遍使用。他把冰、水、氨水和鹽的混合平衡溫度定為0°F，冰的熔點定為32°F，而人體的溫度為96°F。1724年后他又把水的沸點定為212°F。他發現每種液體都有一個固定的沸點，且隨大氣壓變化而變化。這一發現對精密的計溫學是個很大的貢獻。華倫海特把0°F和212°F作為基本點的刻度法至今還在美國和美洲采用，稱為“華氏溫標”。
法國勒奧默（R．A．E．Reaumur，1757）長期致力于酒精溫度計的研究。發現酒精（和1／5的水混合）的體積若在水的冰點時為1000單位，則到達水的沸點時將變為1080單位。1730年制作的酒精溫度計取水的冰點為零度（0°R）、水的沸點為80°R，在這兩個定點中間分成80等分。勒氏溫標曾較多地在德國采用。
1742年瑞典天文學家攝爾修斯（A．Celsius，1701—1744）用水銀作測溫質，采用百分刻度法，以水的沸點為0℃，冰的熔點為100℃。8年后把兩定點對調，確立了攝氏溫標。應該指出，上面所說的攝氏溫標只是舊攝氏溫標，今天科學界和計量界所說的攝氏溫標是以熱力學第二定律來定義的，和攝爾修斯的定義完全不同，只在某些范圍內有相似的取值。
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熱質說的興衰
“熱”是什么？自古以來就有不同看法。15世紀以后，熱的本性問題又引起科學家的注意，培根從摩擦生熱等現象中得出“熱是一種膨脹的、被約束的而在其斗爭中作用于物體的較小粒子之上的運動”。玻意耳指出熱是物體各部分發生的強烈而雜亂的運動。笛卡兒把熱看作是物質粒子的一種旋轉運動。胡克用顯微鏡觀察了火花，認為熱并不是什么其他的東西，而是物體各個部分的非常活躍和極其猛烈的運動。牛頓也認為熱不是一種物質，而是組成物體的微粒的機械運動。18世紀，羅蒙諾索夫根據摩擦（或敲擊）生熱，物體受熱而熔化，及物體的發芽、腐爛過程都受熱而加快、受冷而減慢等現象，得出熱的根源在于物質的運動的結論。
上述這些熱的唯動論雖然是正確的，但尚缺乏足夠的實驗根據，還不能成為科學理論而被普遍接受。隨著古希臘原子論思想的復興，熱是某種特殊物質實體的觀點也得到流傳，伽桑狄認為運動著的原子是構成萬物的最原始的不可再分的世界要素，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的，這個觀念把人們引向“熱質說”。最終在18世紀，認為熱是某種特殊物質——熱質的觀點占了上風。
“熱質”這個名詞是拉瓦錫等人于1787年提出來的。拉瓦錫和拉普拉斯等人認為熱是滲透到物體空隙中的所謂“熱質”構成的，拉瓦錫甚至把“熱質”引入化學元素表中，熱質被看作是一種不可稱衡的“無重流體”，它的粒子彼此排斥而為普通物體的粒子所吸引。波爾哈夫認為熱的本源是鉆在物體細孔中、具有高度可塑性和貫穿性的物質粒子，它沒有重量，彼此相斥，且彌漫于全宇宙。
布萊克是熱質說的重要倡導者，他在研究熱量在幾個物體之間的轉移時發現其總量不變，這個規律很容易用熱是一種實物來說明。他仿照化學中盛行一時的燃素說對熱的本性作了錯誤的解釋，以為熱也是一種沒有重量、可以在物體中自由流動的物質。
熱質說簡單、容易地解釋了當時發現的大部分熱現象：物體溫度的變化是吸收或放出熱質引起的；熱傳導是熱質的流動；對流是載有熱質的物體的流動；輻射是熱質的傳播；熱膨脹是熱質粒子間的排斥；物質狀態變化時的“潛熱”是物質與熱質發生“化學反應”的結果；摩擦（或碰撞）生熱是由于“潛熱”被擠壓出來以及物質比熱變小的結果。在熱質說觀點指導下，瓦特改進了蒸汽機，傅里葉建立了熱傳導理論，卡諾從熱質傳遞的物理圖象及熱質守恒規律得到了卡諾定理，等等。但是在18世紀末，熱質說受到嚴重的挑戰。
1798年，美國物理學家本杰明·湯普遜（B．Thompson，即倫福德伯爵，1753—1814）在德國慕尼黑進行炮膛鉆孔時，發現鉆孔所產生的熱現象和熱質說的推論相反。根據熱質說，銳利的鉆頭比鈍鉆頭應能更有效地切削炮筒的金屬，從中放出更多的和金屬結合的熱質。但是，實際上鈍鉆頭放出的熱質更多。一個簡直不能切削的鈍鉆頭，在馬匹的拖動下轉動，過了2小時45分鐘，竟使18磅左右的水沸騰。倫福德從一系列鉆孔實驗中得出：“在這些實驗中被激發出來的熱，除了把它看作‘運動’以外，似乎很難把它看作為其他任何東西。”
1799年，英國科學家戴維（Davy，Humphrey，1778—1829）用鐘表機件使放在真空中的兩塊冰相互摩擦，整個實驗儀器都保持在-2℃以下，結果冰熔化了，得到的是2℃的水。這一實驗無法用熱質說說明，因為沒有什么東西能向冰提供熱質，冰的熔化只能是摩擦形成的。由此戴維斷言“熱質是不存在的”。
倫福德和戴維實驗雖然有力地駁斥了熱質說，支持了熱的運動說，但由于那時尚未形成能量轉換觀點，熱質說仍然流行。直到19世紀中葉，還不斷有人從熱質說觀點反對焦耳的研究結果。直至19世紀40年代，建立了能量守恒和轉化定律，熱質說才徹底被拋棄。
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能量守恒定律的確立
中國古代和古希臘的哲學家早已提出“運動不滅”思想。對能量守恒原理的具體認識是從力學研究開始的。伽利略通過斜面和擺的研究，意識到物體下落過程中所獲得的速度能夠使它重新跳回原來的高度，但不會更高。1669年，惠更斯通過完全彈性碰撞的研究，認識到各個物體的質量與速度平方的乘積的總和，在碰撞前、后保持不變。1686年，萊布尼茨根據落體定律在機械運動范圍內引進“活力”概念，把mv2看作運動的量度，指出利用這個量可以表明自然界里運動的不滅性。約翰·伯努利一再談到“活力守恒”。丹尼爾·伯努利把機械能守恒用于流體運動。18世紀后半葉，歐勒已經認識到質點在有心力作用下運動，當質點和吸引中心達到一個確定的距離時，其活力都是相同的。
永動機之不可能實現是導致能量守恒原理建立的重要線索。隨著動力學的發展，人們逐漸形成了“功”和“能”的概念。18世紀末、19世紀初以來，各種自然現象之間的普遍聯系與轉化相繼被發現：
倫福德、戴維的實驗支持了機械運動與熱之間的轉化，卡諾關于熱機效率的研究已接觸到熱功當量的概念。拉瓦錫于18世紀已經了解到化學反應中的熱現象的重要性。
1821年德國物理學家塞貝克（T．Seebeck）發現兩種不同金屬的接點處加熱會產生電動勢，如果電路閉合，則有電流通過。
1842年楞次開始研究電流的熱效應，他發現放出的熱量與電流強度的平方、導線的電阻和通電時間成正比，它是電流轉化為熱的一條規律，也就是今天所說的焦耳-楞次定律。
到19世紀40年代，建立能量守恒原理的基礎已具備，最后的確立由邁爾、焦耳和亥姆霍茲完成。
（1）邁爾的工作。羅伯特·邁爾（R．Mayer，1814—1878）是德國醫生，在一艘駛往印尼爪哇的船上，邁爾給病員放血時發現：靜脈血的顏色不像生活在溫帶的人那樣暗淡，而是像動脈血那樣新鮮。他想到食物中含有化學能，它像機械能一樣可以轉化為熱。在熱帶高溫情況下，機體只需吸收食物中較少熱量，所以機體中食物的“燃燒”過程減弱了，靜脈血中留下較多的氧，從而它像動脈血那樣“新鮮”。1842年邁爾從“無不生有，有不變無”、“原因等于結果”等哲學觀點出發，表達了物理、化學過程中能量守恒思想。邁爾把“力的不可破滅性”稱為“第一個性質”，而把“原因具有取不同形式的能力”稱為“第二個性質”，他說：“把兩個性質合并起來，可以說，原因（在量上）是不可消滅的，而（在質上）是可以轉化的東西”。這就是說“力”是一種原因，它是不可消滅的但卻是可以轉化的。邁爾還提出建立不同“力”之間數值上的當量關系的必要性：“例如我們應確定，為把該物體重量相等的另一物體從0°加熱到1°，應該把這個重物升到一定高度。”他根據當時有的氣體比熱的實驗資料得出：“物體從365米高的地方下落相當于把同等重量的水從0°加熱到1°，即1千卡=365千克米。”
（2）亥姆霍茲的貢獻。德國生理學家、物理學家赫爾曼·亥姆霍茲（H．L．F．vonHelmholtz，1821—1894）是從生理學問題開始對能量守恒原理進行研究的。他于1847年在《論力的守恒》一文中論述了能量守恒和轉化的基本思想，他提出“在質點間的吸引力和排斥力作用下，質點的所有運動中，如果吸引力和排斥力的強度只與距離有關，那么張力（指位能）在量上的損失始終等于活力（指動能）的增加，反之張力的增量始終等于活力的損失，因而，所有活力和張力之和始終是一個常數。”亥姆霍茲把所有的能量形式都歸結為“活力”或“張力”，他研究了能量守恒原理在其他物理過程中的應用，指出無摩擦的力學過程，引力作用下的運動，不可壓縮的液體和氣體的運動，理想彈性體的運動都屬于這一類例子。存在摩擦或吸收作用時，如果發生活力損失，那就會轉化為其他形式的力，首先是熱。亥姆霍茲詳細分析了電磁現象，得出了在靜電、靜磁相互作用中的能量表示，還從電容器的能量表達式得出了電容器放電時在連接導線里所放出的熱量的數值。亥姆霍茲指出把力的守恒原理應用于生物機體中所進行的過程是可能的。
（3）焦耳的實驗研究。自學成才的英國物理學家焦耳（J．P．Joule，1818—1889）關于熱功當量的測定，是確立能量守恒原理的實驗基礎。從1840年開始，焦耳多次進行通電導體發熱的實驗。把通電金屬絲浸沒在水中，測算水的熱量的變化情況，結果發現通電導體產生的熱量與電流強度的平方、導體的電阻和通電時間的乘積成正比。比楞次早一年得到了電流的熱效應定律。接著，焦耳根據電路中的熱損耗和電動機所作的機械功的關系，明確提出了功和熱量等價性的概念。1843年8月，在一次學術報告會上，焦耳作了題為“論磁電的熱效應和熱的機械值”的報告。報告中描述了4個實驗，其中一個是在磁場中讓電磁體在水里旋轉，分別測量運動線圈中感應電流所產生的熱量和維持電磁體旋轉所作的功。發現熱量和機械功之間存在著恒定的比例關系。焦耳從這里測得了第一個熱功當量值：1千卡熱量相當于460千克米的機械功。
當時許多物理學家對測出的熱功當量值持懷疑甚至反對的態度。焦耳以極大毅力，用不同方法，長時間反復實驗以期證明。1843年，焦耳通過摩擦測得熱功當量值為424.9千克米／千卡。1844年通過對壓縮空氣做功和空氣溫度升高的關系的實驗，測得熱功當量值為443.8千克米／千卡。尤其在1847年，焦耳精心地設計了一個著名的熱功當量測定裝置，也就是用下降重物帶動葉槳旋轉的方法，攪拌水或其他液體產生熱量。這樣得到的熱功當量值是428.9千克米／千卡。從1849到1878年，焦耳反復做了400多次實驗，所得的熱功當量值幾乎都是423.9千克米／千卡，這和現在的公認值427千克米／千卡相比，只小了0.7％。焦耳用驚人的耐心和巧奪天工的技術，在當時的實驗條件下，測得的熱功當量能夠在幾十年時間里不作較大的修正，這在物理學史上也是罕見的。難怪威廉·湯姆孫稱贊說：“焦耳具有從觀察到的極細微的效應中作出重大結論的膽識，具有從實驗中逼出精度來的高度技巧，他得到了人們充分的賞識和欽佩。”
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自然界厭惡真空
人們早就知道，只要抽去水管里的空氣，形成真空，水就會沿著水管往上流。亞里土多德為了解釋抽水現象，說了一句“名言”：“自然界厭惡真空”。這句話的意思是：大自然是不讓真空存在的，一旦出現真空就讓水來填補，于是，水就被抽上去了。真空出現在哪里，水就跟到那里。
但是，從古羅馬以來，人們就注意到一個現象：用來輸送水的虹吸管，當它們跨越高10米以上的山坡時，水就輸送不上去；在超過10米深的礦井里，水泵怎么也抽不上水來。大自然為什么只能填補10米以下的真空，而不能填補11米、12米以上的真空呢？伽利略注意到空氣有重量，他的學生托里拆利（E．Torricelli，1608—1647）從這一事實出發，把真空問題的研究推進了一大步。托里拆利認為，既然空氣有重量就會產生壓力。正是空氣的壓力把水往上壓，壓到10米高時，水柱的重量正好等于作用在它上面的空氣壓力，水就再也壓不上去。托里拆利說：“我們是浸沉在空氣海洋的底部中生活，毫無疑問，根據實驗可知空氣是有重量的。”
為了證實他的觀點，托里拆利用水銀代替水來作試驗。水銀的流動性與水差不多，但由于它的比重是水的13.6倍，原先要用10米高水柱顯示的結果，現在只要用不到1米高的水銀柱就行了。托里拆利讓人制作了一根1米長的玻璃管，一端封閉，一端開口。先將水銀灌滿玻璃管，然后用手指堵住開口的一端，再將管子倒過來放進一只盛滿水銀的瓷槽里。當他放開按住管口的手指時，管里的水銀很快下降，當水銀降到距槽里的水銀面76厘米高時，就不再降低。換算一下就可得出，76厘米高水銀柱產生的壓強，正好等于10米水柱的壓強。這個實驗形象地顯示了由大氣壓力所產生的壓強恰好等于76厘米高的水銀柱的壓強。以后，托里拆利發明的這個實驗裝置就成為測量大氣壓強的氣壓計。自從有了氣象預報后，氣壓單位曾長期沿用厘米（或毫米）水銀柱高來表示。
大氣壓力究竟有多大？這方面最為生動的事例發生在德國。1650年，德國工程師格里克（O．vonGuericke，1602——1686）發明了抽氣泵，這樣，人們就能較容易地獲得真空。1654年，格里克進行了有名的“馬德堡半球實驗”。他制造了兩個直徑為14英寸的銅半球，每個半球上鑄有銅環，其中一個半球上裝有可供抽氣的帶活塞開關的孔。將兩個半球合在一起，然后抽去球中的空氣，這樣，周圍的大氣就緊緊把兩個半球壓在一起。格里克在德國東南雷根斯堡的一個廣場上，請皇帝來觀看他的大氣壓實驗。表演時全城轟動，百姓傾城而出。兩個銅環上各用8匹強壯的馬來拉，盡管馬夫賣力地驅趕馬匹，但仍然拉不開銅球。把銅球從馬背上解下來，打開抽氣開關放進空氣后，只要輕輕一拉，兩個銅半球就分開了。這是第一次用演示實驗生動地表明了大氣壓的存在。
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氣體定律的發現
關于氣體定律的研究，實際上是關于“自然界厭惡真空”這場爭論的繼續，英國的羅伯特·玻意耳（R．Boyle，1627—1691）最先開展氣體力學的研究。
1659年，玻意耳作了一系列關于空氣壓力和稀薄空氣的實驗。1662年，玻意耳把一定量的空氣用水銀封入短端封閉的U形玻璃管中，發現這部分空氣能夠與開口端中高得多的水銀柱相平衡。玻意耳的經驗思維，錯過了發現開口端水銀柱的高度與閉口端空氣體積之間的規律性聯系。他的合作者卡爾德、湯立蒙從玻意耳的數據中發現了氣體的體積與壓強成反比的關系。玻意耳承認了這個結論，并進一步在小于大氣壓的情況下用實驗加以證明，從而在歷史上建立了運動現象之外的第一個定量的自然規律。
1676年，法國物理學家埃德米·馬略特（E．Mariotte，1620—1684）也獨立地發現了“玻意耳定律”，并發表了“關于空氣本質的實驗”的論文，因此這定律有時也叫玻意耳-馬略特定律。
1702年，法國阿蒙頓對伽利略空氣溫度計作了改進。他利用連在U形管一端的玻璃球中的空氣作測溫質，使球內空氣的容積保持一定，溫度的數值則由長臂內水銀柱的高度表示。實際上，阿蒙頓已建立了氣壓的變化與溫度變化的關系，相當于給出后來發現的蓋·呂薩克定律的實驗證明，即
許多人用實驗來測定不同氣體的熱膨脹系數α，其結果很不一致。從1801年起，法國化學家、物理學家蓋·呂薩克（L．J．Gay－Lussac，1778—1850）對氣體物理性質進行了系統的研究，很快就發現，任何氣體在壓強不變的情況下，熱膨脹系數均不變。1802年，他發現在壓強恒定的條件下，理想氣體從冰點升高到水的沸點時，如果用百分溫度計作標準（攝氏溫標），溫度每升高1℃，氣體的體積就增大了原來體積的0.00375倍，近似于1／267。這就是蓋·呂薩克定律。
早在1787年，法國查理（J．A．C．Charles，1746—1823）先于蓋·呂薩克提出氣體的壓力和體積隨溫度升高而增大和膨脹的定律，所以后來就將氣體體積隨溫度膨脹的定律叫做查理定律。
1802年，道爾頓發現了混合氣體的總壓力等于每一單獨成分的分壓力之和，這就是道爾頓分壓定律。
蓋·呂薩克將他所發現的氣體定律與玻意耳—馬略特定律結合起來，得到如下的狀態方程
式中C為常數。
法國物理學家勒尼奧（H．V．Renault）于1842年以更高的精度證實
pV＝RT。
這就是現代形式的理想氣體方程。
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氣體動理論的建立
17世紀，物質原子論的思想得到復興，熱與物體內部粒子運動有關的思想也被不少學者以不同形式提出。
1638年，法國學者伽桑狄（P．Gassendi，1592——1655）假設各種物質都由大量在各個方向運動的堅硬粒子所組成，各種不同物質粒子的不同形狀使它們以不同形式結合，并表現出不同的特性。他用這個假說解釋了物質三態的區別。伽桑狄的論述重新引起人們對原子論的注視，17世紀持“熱是運動”著法的科學家，大多接受了古代原子論觀點并利用它對氣體進行研究。
1738年，瑞士物理學家丹尼爾·伯努利（DanielBernoulli，1700—1782）指出氣體的壓強是氣體粒子與器壁碰撞的結果，并導出玻意耳定律。他還討論了氣體壓強隨溫度的變化，指出任何體積固定的氣體壓強的增大，都意味著氣體粒子作更劇烈的運動。伯努利的氣體模型，無疑是走向氣體動理論的重要一步。
18世紀40年代，俄羅斯學者羅蒙諾索夫（M．B．ЛOЦOHOCOъ，1711—1765）提出熱是由物質內部看不見的微小粒子的運動產生的，這種運動是雜亂無規則的。熱的傳遞是由于高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒所造成的。
那時，人們對粒子、原子、分子之間的區別還沒有科學的認識。19世紀初，隨著化學原子論的確立，意大利物理學家阿伏伽德羅于1811年引入“分子”概念。英國物理學家瓦特斯頓（J．J．Water-ston）在1845—1846年間首次提出“彈性球分子模型”。1856年，德國物理學家柯尼希（A．K．Kr nig）提出了理想氣體模型：分子是彈性小球，在沒有相互作用時作勻速直線運動，只在碰撞時才有相互作用。并導出
數，V為容器體積。他的論文引起了普遍重視，大大推進了氣體動理論的研究。
作為一種物理學理論的氣體動理論的建立和完善，是與克勞修斯、麥克斯韋和玻耳茲曼的工作分不開的。
克勞修斯（R．Clausius，1822——1888）在研究熱力學第二定律的同時，從微觀上對氣體動理論進行了探討。他以分子對器壁的碰撞說明氣體壓強的形成，在推導氣體壓強公式時引進統計概念，得到了壓強
nmv2，這里v2是分子運動速率平方平均值。克勞修斯還提出了理想氣體分子運動模型，指出分子本身的體積與氣體所占的整個體積相比是無限小的；分子每次碰撞所經歷的時間比起兩次碰撞間的時間間隔來是無限小的；分子力的作用是無限小的。若上述條件不滿足，理想氣體定律就不適用。
克勞修斯的另一個重要貢獻是1858年引進了氣體分子的平均自由程概念，解決了氣體擴散速度的疑難問題。
1859年，英國物理學家麥克斯韋（J．C．Maxwell，1831——1879）發現了分子熱運動的無規性，且在幾率概念的基礎上運用嚴格的統計方法導出了麥克斯韋速度（速率）分布律。
奧地利物理學家玻耳茲曼（L．Boltzmann，1844——1906）把分子運動論的理論研究推向了高峰。1868——1871年間他把麥克斯韋速度分布律推廣到外力場作用的情況，得出了粒子按能量分布的規律——玻耳茲曼分布律。進而得出氣體分子在重力場中按高度分布的規律，據此能很好說明大氣的密度和壓強隨高度的變化。至此，氣體動理論已能解釋當時在氣象、化學、物理學領域的研究中所發現的與氣體運動有關的種種現象。
玻耳茲曼的另一偉大貢獻是溝通了從微觀著手建立的氣體動理論與從宏觀的熱機運動規律抽象出來的熱力學。1872年，建立了非平衡態分布函數的運動方程——玻耳茲曼積分—微分方程；建立了H定理。1877年，把熵S和系統的熱力學幾率ω聯系起來，得出S∝lnω。1900年，普朗克引進了玻耳茲曼常數k，使S＝klnω。通過這個關系，玻耳茲曼把分子的力學過程和系統的熱力學過程統一了起來。
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從布朗運動到佩蘭實驗
1827年，英國植物學家羅伯特·布朗（R．Brown，1773—1858）用顯微鏡觀察到水中的花粉或其他微粒在不停地作無規則運動，這種運動后來被稱作“布朗運動”。這種奇怪現象究竟意味著什么？首先，它不是一種生物現象，因為不僅懸浮于水中的花粉顆粒，而且其他非生物微粒（例如礦物顏料的微粒）也作這樣的雜亂運動。其次，也不可能是因加熱不均勻而在液體中形成的一種液流。直到19世紀70年代，才用液體分子的熱運動給予正確的解釋。
1905年，愛因斯坦和奧地利物理學家斯莫路霍夫斯基（M．vonSmoluchowski）發表了對布朗運動的理論研究結果。證明布朗粒子的運動是由于液體分子從四面八方對它們的撞擊引起的，這種撞擊的不規則性和偶然性，使來自不同方向的作用一般地說并不互相完全抵消，由于布朗粒子非常小（線度僅10-4cm），周圍分子不均勻碰撞所產生的不平衡力的作用足以使它發生運動。
通常，每個布朗粒子在液體中所受分子的碰撞約1021次／秒，因此，粒子的瞬時運動是無法觀測的，人們只能每隔一定時間（如20秒，30秒）記錄一次它的位置。設每次觀察相隔的時間為t，從理論上可以求出布朗粒子在t時間內的位移在X軸上的投影x的方均值
這是愛因斯坦關于布朗運動理論的一個重要公式，人們稱之為愛因斯坦公式。
1908年，法國物理學家佩蘭（J．B．Perrin，1870—1942）用實驗證實了愛因斯坦公式，并由此求得了阿伏伽德羅常數。佩蘭利用與大氣分子的垂直分布相類似的一種膠態粒子，這種粒子在密度比它小的液體中，不會全部沉淀到容器底部，而是永久保持懸浮狀態。這些粒子的大小足以用顯微鏡觀察到，因此能夠對處于液體中不同高度的單位體積內的粒子進行計數。佩蘭發現單位體積內的粒子數，隨高度升高而減少，與大氣中單位體積的分子數隨高度而變化的規律相同。此外又觀察到粒子是處于不斷運動之中，即所謂“布朗運動”。佩蘭推論膠態粒子的性質和“氣體”分子類似，而這種粒子大到肉眼能觀察并能計數。假如能配制成一種膠體懸浮液，其中所有粒子都完全相同，并能測定每個粒子的質量m，以及真實地描述粒子的豎直分布狀況，那么，數出懸浮液中已知兩個高度處單位體積的粒子數目，就能求得阿伏伽德羅常數NA。佩蘭最后求得的NA為6.5×1023～7.2×1023。
佩蘭實驗的成功是對氣體動理論的極大支持。在此之前，分子運動論及其代表人物玻耳茲曼遭到了馬赫、奧斯特瓦爾德等權威人士的圍攻，玻耳茲曼由于疾病的折磨以及論戰的壓力，最后于1906年自殺。佩蘭用實驗證實分子運動的客觀存在后，奧斯特瓦爾德立即放棄了自己的觀點。從此，確立了氣體動理論在物理學中的地位。
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蒸汽機的發明與改進
16、17世紀時，煤作為燃料被廣泛應用，刺激了煤礦開采，為解決礦井的排水問題，需要利用蒸汽動力。達·芬奇等人都先后設計、研制了蒸汽動力裝置。
1698年，英國礦山技師塞維里（Th．Savery，1650—1715）制造了一具蒸汽水泵，這是一個人工操作、利用蒸汽壓力排出管中水的簡單裝置。
1690年，法國普平（D．Papin，1647—1712）在德國制成第一個有活塞和汽缸的實驗性蒸汽機。
英國鐵匠紐可門（Th．Newcomen，1663——1729）根據塞維里和普平的設計，發明了蒸汽機，并于1712年有效地應用于礦井排水和農田灌溉。這是一個用一只活塞的封閉圓筒式汽缸，活塞借一根桿系于一根橫桿的一頭，橫桿的另一頭連著排水泵。它和塞維里機都存在耗煤量大、效率低，只能作往復直線運動的缺點，限制了蒸汽動力的應用。
真正能產生巨大工業效果的蒸汽機是18世紀70—80年代由瓦特發明的。詹姆斯·瓦特（J．Watt，1736—1819）原為格拉斯哥大學的儀器修理技工，1759年開始進行一系列有關蒸汽力量的試驗。1763年在布萊克幫助下發現紐可門機有相當大的熱量浪費，原因是活塞每一次被冷卻時，汽缸同時被冷卻，事后又需重新加熱。根據布萊克的比熱和“潛熱”理論，瓦特計算了各種引擎的耗熱量，證明小引擎的耗熱量最大。為了克服蒸汽的消耗，瓦特在汽缸外單獨加一個冷凝器，專供廢汽冷卻，而主汽缸始終保持著高溫。瓦特經多次失敗，終于在1769年制成一臺“單動式蒸汽機”，1782年又研制了動力大、能使所帶動的機器作旋轉動作的蒸汽機，后來又增加了飛輪和離心調速裝置，蒸汽機便達到了近代水平。
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卡諾循環與熱機理論
19世紀初，蒸汽機在工業、交通運輸中的作用越來越重要，但關于控制蒸汽機把熱轉變為機械運動的各種因素的理論卻未形成。法國軍事工程師薩迪·卡諾（S．Carnot，1796—1832）于1824年出版了《關于火的動力的思考》一書，總結了他早期的研究成果。卡諾以找出熱機不完善性的原因作為研究的出發點，闡明從熱機中獲得動力的條件就能夠改進熱機的效率。卡諾分析了蒸汽機的基本結構和工作過程，撇開一切次要因素，由理想循環入手，以普遍理論的形式，作出關于消耗熱而得到機械功的結論。他指出，熱機必須在高溫熱源和低溫熱源之間工作，“凡是有溫度差的地方就能夠產生動力；反之，凡能夠消耗這個力的地方就能夠形成溫度差，就可能破壞熱質的平衡。”他構造了在加熱器與冷凝器之間的一個理想循環：汽缸與加熱器相連，汽缸內的工作物質水和飽和蒸汽就與加熱器的溫度相同，汽缸內的蒸汽如此緩慢地膨脹著，以致在整個過程中，蒸汽和水都處于熱平衡。然后使汽缸與加熱器隔絕，蒸汽絕熱膨脹到溫度降至與冷凝器的溫度相同為止。然后活塞緩慢壓縮蒸汽，經過一段時間后汽缸與冷凝器脫離，作絕熱壓縮直到回復原來的狀態。這是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程組成的循環，即后來所稱的“卡諾循環”。
卡諾根據熱質守恒思想和永動機不可能制成的原理，進一步證明了在相同溫度的高溫熱源和相同溫度的低溫熱源之間工作的一切實際熱機，其效率都不會大于在同樣的熱源之間工作的可逆卡諾熱機的效率。卡諾由此推斷：理想的可逆卡諾熱機的效率有一個極大值，這個極大值僅由加熱器和冷凝器的溫度決定，一切實際熱機的效率都低于這個極值。
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卡諾的研究具有多方面的意義。他的工作為提高熱機效率指明了方向；他的結論已經包含了熱力學第二定律的基本思想，只是熱質觀念的阻礙，他未能完全探究到問題的最終答案。由于卡諾英年早逝，他的工作很快被人遺忘。后來，由于法國工程師克拉珀瓏（B．P．E．Clapeyron，1799—1864）在1834年的重新研究和發展，卡諾的理論才為人們所注意。克拉珀瓏將卡諾循環在一種“壓（力）-容（積）圖”上表示出來，并證明卡諾熱機在一次循環中所做的功，其數值恰好等于循環曲線所圍的面積。克拉珀瓏的工作為卡諾理論的進一步發展創造了條件。
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熱力學的誕生
在發現了能量守恒和轉化定律，并且對熱的本質的認識也有了改變之后，人們對熱現象的研究主要表現在下述兩個方面：
首先，雖然科學家們已經認識到熱是一種運動，但并沒有詳細研究熱運動。他們只是根據能量守恒定律來考慮熱能轉化為功的本領，他們研究熱運動能量的特點（與力學、電學的等等其他形式的能量相比較）和運動的熱形式轉化成其他形式的特點。由此，導致了物理學的一個專門分支——熱力學的建立。建立熱力學的功勞主要歸于德國物理學家克勞修斯（R．Clausius，1822—1888）和英國物理學家威廉·湯姆孫（即開爾文）（W．Thomson，L．Kelvin，1824－1907）。
還在1850年，即發現能量守恒定律后不久，克勞修斯寫就了一篇論文，在論文中描述了他基于熱是運動的概念對熱機的工作原理所進行的研究。克勞修斯認為，當熱機工作時，并不是把從加熱器獲得的全部熱量都交給了冷卻器，而是有一部分熱量轉化為熱機所作的功。
一般說來，當給予某個物體一定熱量△Q后，該物體將對外作功△A，同時使自己的內能改變△U，因為它的溫度、體積和整個狀態都發生了改變。能量U稱為物體的內能。考慮到能量守恒和轉化定律，可以寫成△Q=△A+△U。這意味著，賦予物體的熱量被用于增加它的內能和對外作功。克勞修斯把這一原理稱之為熱的力學理論的基本原理。后來它被稱為“熱力學第一定律。
在研究熱機的工作原理時，克勞修斯同意卡諾的看法，即為了使熱機工作，必須有加熱器、冷卻器和工作物質。他與卡諾的區別在于，他認為從加熱器獲取的能量中有一部分交給了冷卻器，這是白白浪費的。但是，克勞修斯指出，雖然卡諾是從對熱的本性的錯誤認識出發的，但他仍然得出了一個正確的結論，即任何熱機的效率都一定小于卡諾可逆機的效率，后者只與加熱器和冷卻器的溫度有關（卡諾原理）。
但卡諾對這一原理的證明是錯誤的，因為他的依據是存在熱質。克勞修斯指出，只要依據人們以前未曾注意到的熱的某種一般特性就可以證明卡諾原理。這一特性在于，熱“通過由熱體往冷體的過渡而始終趨向于溫差下降”。克勞修斯把這一原理稱之謂“熱的力學理論的第二個基本原理”。
稍晚，克勞修斯又給出了上述原理的稍有不同的另一種說法：必須有某種補償，熱才能從較冷的物體過渡到較熱的物體；也就是說，這種過渡必定伴隨著其他物體的某些變化的發生，例如它們的狀態、體積、溫度的改變。這個一般原理后來被稱為“熱力學第二定律”。
幾乎與克勞修斯同時得出類似結論的還有英國物理學家威廉·湯姆孫。用現代語言來說，湯姆遜的表達形式如下：僅僅依靠將單一物體冷卻到低于周圍物體中最冷物體的溫度來連續地獲取功是不可能的。
后來人們又給出了熱力學第二定律的其他一些表達形式。這些表達形式都是等效的，我們在這里只指出其中的一種表達式：制造第二類永動機是不可能的。所謂第二類永動機就是能從周圍物體汲取能量而不斷作功，即只依靠使周圍物體冷卻而作功的設備。
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蒸汽機與產業革命
自從1782年瓦特發明了現代蒸汽機的原型機，直到1800年才實現蒸汽機的工業化生產，因為在這18年里，需解決工藝方面的問題和大規模投產的資金問題。首先要解決的工藝問題是漏氣問題。瓦特利用加工炮筒的鏜床解決了加工氣缸的精度要求。其次，蒸汽機輸出的是動力，要使被它帶動的工具機作功，還必須解決蒸汽機的往復運動與工具機輪子的旋轉運動間的連接問題，這被瓦特發明的曲軸解決了。由于泄密，別人搶先登記了專利，瓦特便另外發明了行星輪裝置予以解決。至此，瓦特完成了從動力機到工具機的生產技術體系。
要大規模生產蒸汽機，必須投入大量的資金，瓦特就去求助企業家羅巴克和布爾頓。布爾頓把瓦特請到自己工廠里，建立布爾頓—瓦特商會，專門制造蒸汽機，并在一家工廠里試用成功。從1785年開始，蒸汽機投入生產。
經過不斷改進的瓦特蒸汽機與其他蒸汽機相比，提高工效5倍，節約燃料75％，且能與任何工具機連接。蒸汽機的出現大大改變了工業生產的面貌。1807年美國工程師富爾頓（R．Fulton，1765—1815）利用英國制造的蒸汽機建造了“克萊門梭”號輪船，定期航行于哈得遜河上。這種以蒸汽為動力的輪船不僅跑得快、載得重，而且改變了帆船“靠天行船”的被動局面，促進了航運事業的發展。到19世紀30年代，以輪船為主的內河航運、近海甚至遠洋航運事業都很發達。在陸上運輸方面，1825年英國工程師史蒂文遜（G．Stephenson，1765—1848）鋪設了英國第一條鐵路。短時間內，鐵路就覆蓋了歐洲與美國。
1760—1840年期間，由于廣泛使用蒸汽機，在英國出現了從以農業和手工業生產為主的封建主義經濟向以工業和機器生產為主的資本主義經濟發展的產業革命。這一革命不僅深刻地改變了社會的物質生產狀況，而且產生了社會變革（城市的興起，工人階級和資產階級的出現，科學技術得到廣泛應用等等），使英國全面進入了資本主義社會。英國的產業革命又波及歐洲大陸，先是比利時，后是法國、德國都實現了工業化。20世紀初，美國也實現了工業化。日本通過明治維新的變革，也實現了工業化。
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從低溫物理到高溫超導
18世紀時，由于化學工業的發展對氣體的液化不斷提出新的要求。從18世紀末到19世紀中葉，通過降溫和壓縮的辦法先后實現了氨、氯氣、硫化氫、二氧化硫、乙炔、二氧化碳等氣體的液化。到1854年，除了氫、氧、氮等幾種氣體外，當時已知的其他氣體都能被液化。而用增加壓力的辦法企圖使氫、氧、氮等幾種氣體液化的一切實驗都失敗了，從而使這些氣體獲得了“永久氣體”的稱號。
1863年，英國化學家安德魯斯（Andrews）發現了“臨界溫度”。1869年，他又指出所謂“永久氣體”只不過是臨界溫度很低的氣體，只要找到能獲得更低溫度的方法，它們也是可以被液化的。這就為“永久氣體”的液化指明了正確的方向。
1852年，焦耳和威廉·湯姆孫在研究氣體的內能與體積變化的關系時，發現了“焦耳—湯姆孫效應”，即充分預冷的高壓氣體，通過多孔塞在低壓空間絕熱膨脹后，一般要發生溫度變化。這就為獲得低溫提供了一個新的途徑。1875—1880年，德國工程師林德（K．Linde，1842——1934）根據焦耳—湯姆孫效應，采用“循環對流冷卻”的方法，制成了氣體壓縮式致冷機，發展了氣體液化技術，并導致氧、氮和氫液化的成功。
1908年，荷蘭物理學家昂納斯（H．K．Onnes，1853—1926）在萊頓大學他所建立的低溫實驗室里實現了1.15K的低溫，將剛發現不久的氦氣液化，從而消除了最后一種“永久氣體”。1911年，昂納斯用液氦冷卻水銀，當溫度下降到-269℃左右時，發現水銀的電阻完全消失，這種現象就稱為“超導電性”（簡稱超導）。為了證實電阻達到零，他們將一個鉛環放在磁場中，使之冷卻到超導轉變溫度以下，然后突然撤去磁場，結果發現鉛環中的感生電流能持續流動下去。1933年，荷蘭邁斯納（K．W．Meissner，1891—1959）又發現，處于正常態的物體在外磁場中，其內部存在有磁力線，但當它冷卻到超導轉變溫度以下時，磁力線立即被排斥出去，這就是超導體的完全抗磁性，亦稱“邁斯納效應”。
由于超導電性在工業和科技領域展現的誘人前景，人們對超導材料情有獨鐘。但是，長期以來從正常狀態轉變為超導態的臨界溫度太低，大大限制了超導的應用。這就促使人們尋找高臨界溫度的超導（即“高溫超導”）材料。“低溫”超導材料主要是多種金屬的合金，如鈮鋯合金、鈮鈦合金、鈮錫合金。1986年1月，瑞士蘇黎世IBM研究實驗室的科學家用鋇—鑭—銅氧化物獲得了-243℃的超導轉變溫度，從而掀起了世界性的高溫超導研究熱潮。目前，高溫超導材料的應用正朝著大電流應用（強電應用），電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用三個主要方向發展。超導造福人類的時代即將來臨。
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靜電和靜磁研究
16世紀英國御醫吉爾伯特（W．Gilbert，1544—1603）比較系統地研究了靜電現象。他認為“隨便用一種金屬制成一個指示器……很小心地把它放在支架的尖端上……在這個指示器的一端，移近一個輕輕摩擦過的琥珀或者光滑的（或磨過的）寶石，這指示器就會立即轉動。”吉爾伯特的工作停留在定性的階段，進展不快。
18世紀后期，貝內特發明驗電器，這種儀器一直沿用到現在。它可以近似地測量一個物體上所帶的電量。另外，庫侖發明了扭秤，用它來測量靜電力，推導出庫侖定律，并將這一定律推廣到磁力測量上。
科學家使用了驗電器和扭秤以后，靜電現象的研究工作就從定性走上了定量的道路。
古代對自然界出現的各種電現象，不了解它們內在的聯系，認為它們是各不相干的。如摩擦起電被認為是由于一種“流體”而引起的；生物電被歸結為肌肉的力量。有些現象實在無法解釋，只能求助于神的力量。如地中海航行者認為，在暴風雨天氣中，出現在船的桅桿上的光輝是保護神愛爾摩在顯靈。隨著人類對電現象的探索，逐漸發現自然界中許多電現象出于同一根源。據說1751年，法國有位科學家在研究電鯰放電現象時，不小心被魚放電擊昏。待清醒后感到其與摸萊頓瓶受到的電擊一樣，他猜測這兩者可能是同一種自然現象。1752年，美國社會活動家富蘭克林（B．Franklin，1706—1790）用風箏將雷電引了下來，把“天電”收集到萊頓瓶中，從而弄明白“天電”和“地電”原來是一回事。
在電的本質問題上，起初流行一種所謂“二流體論”，認為電有兩種，一種是摩擦玻璃棒所得的“玻璃電”；另一種是摩擦琥珀所得的“琥珀電”。后來富蘭克林對此提出異議，他認為電只有一種，即所謂“單流體學說”。
經過長期對自然現象的觀察和研究，人們對靜電現象有了一定程度的認識。但是對電的本質問題，一直到研究物質結構后，才算比較清楚。
對磁現象進行較系統研究的也是吉爾伯特。他在40歲左右開始研究磁石和琥珀的性質。《磁學》是他的一部名著。伽利略和開普勒對這部著作有較高的評價。吉爾伯特詳細地研究了磁石的吸引和排斥，指向南北的性質，磁偏角和磁傾角等。吉爾伯特認為磁石指向南北的原因是地球本身，地球就是一塊大磁石。他用天然磁石加工成球形，模擬地球，并且用許多小磁針放在上面，它們的指向跟在地面上不同位置的指南針的指向相仿。
吉爾伯特提出把磁針排列的方向用粉筆畫在球形磁石上，就形成一些子午圈，它們會聚到磁石上兩個相反的端點，稱為“磁極”。他又說：小地球的力向四面八方延伸……每當鐵或其他磁體在它影響所及的范圍內出現時，就受到吸引，而且越靠近磁體，吸引力就越大。這實際上已邁向“場”的概念。
吉爾伯特還對琥珀吸引物體的性質作了研究，提出了“電吸引”這個名詞，并對磁力和電力作一比較。他認為兩者是不同的。磁石總能吸引磁石或鐵，琥珀要摩擦后才能吸引物體；磁石只能吸引少數幾種物質，而帶電體能吸引多種物質；磁石有兩個區域吸引磁體，帶電體吸引物體時，朝著一個中心區域。
對靜電現象進行深入研究并總結出科學定律的是法國物理學家庫侖（Ch．－A．deCoulomb，1736—1806）。1784年，庫侖參照米切爾在1750年使用的扭秤和自己對扭力的知識，設計了一臺庫侖扭秤，用它作了一系列實驗。庫侖首先確定電荷之間的排斥力遵循反平方律，然后再推廣到電荷之間的吸引力。庫侖得到的反平方律的誤差是4％，就是排斥力反比于r2.04，吸引力反比于r1.96。特別值得一提的是，在當時沒有公認的測量電量方法的情況下，庫侖根據對稱性，采用一個巧妙的方法來比較不等量電荷之間的效果。庫侖認識到兩個大小相同的金屬球，一個帶電，一個不帶電，兩者互相接觸后，各自帶原來電量的一半。庫侖用這個辦法依次得到了帶有原來電量的二分之一、四分之一、八分之一、十六分之一等等的電荷。庫侖證明，如果其中一個球帶電量減少一半，那么兩球的作用力就減小到原來的二分之一；如果兩個球帶電量都減少一半，那么兩球的作用力就減小到原來的四分之一。庫侖概括了反平方律以及力和電量的關系，得出公式
式中K是常數，q1、q2分別是兩球的電量，r是兩球的中心間距。這就是著名的“庫侖定律”。在庫侖前后，還有好幾個物理學家曾從事反平方律的研究，有的方法更巧妙，結果更好。例如卡文迪許早于庫侖在1773年得出反平方律，誤差只有2％。但是庫侖第一個明確得出電作用力和兩個帶電體電量之間的定量關系。
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電源的發明
自然界存在著磁的載體——磁鐵，這給磁學研究帶來很大方便；然而，自然界卻不存在電的載體（帶電粒子除外），必須通過人工方法才能獲得較大量而又較穩定的電荷及電流，這就是人們不斷探索各種起電方法和發明各種電源的原因。
大約在1660年，德國的格里凱發明了第一臺能產生大量電荷的摩擦起電機。他將一個足球大小的硫磺球支在一根軸上，讓它自由轉動，并用手掌在球面上摩擦，從而獲得越來越多的電荷。
法國皇家花園的管家迪費1733年發現絕緣的金屬也可以通過摩擦的辦法起電。他否定了吉爾伯特、格雷等人的關于一切物體可以分為“電的”和“非電的”的論斷，認為所有物體都可以摩擦起電。他甚至極其勇敢地以自己的身體，即所謂“非電的”身體來作帶電實驗。他讓助手把自己用絕緣絲懸吊在天花板上，使自己的身上帶電，當助手靠近他時，迪費感到針刺般的電擊痛，并產生火花放電及噼噼啪啪的聲響。這表明人體這種“非電的”物體也可以帶電。迪費還改進了驗電器，用金箔代替金屬棒，并用它對帶電的玻璃棒及琥珀進行試驗，發現不同的材料經摩擦后所產生的電是不同的。迪費將玻璃上產生的電命名為“玻璃電”，將琥珀上產生的電命名為“樹脂電”。為解釋這兩種不同的電，提出了二元電液理論。
荷蘭萊頓大學的物理學教授穆申布魯克（P．vanMusschen－broke，1692—1761）研究了電在空氣中消失的現象。為了尋找一種保存電的方法，穆申布魯克于1745年做了這樣一個實驗：將一支槍管懸掛在空中，用起電機與槍管相連，槍管中引出一根銅線，銅線浸入一個盛有水的玻璃瓶中。他讓助手一只手握著玻璃瓶，自己在一旁使勁搖動起電機。這時助手的另一只手不小心觸到槍管上，猛然感到一陣強烈的電擊，高喊了起來。于是，穆申布魯克與助手互換了一下，結果他也產生了同樣的“恐怖感覺”。由此得出結論：把帶電體放在玻璃瓶內可以把電保存下來。當時還搞不清楚起保存作用的究竟是玻璃瓶，還是瓶子里的水？后人就把這種能蓄電的瓶子稱作“萊頓瓶”。萊頓瓶的發明，為科學界提供了一種貯存電的有效的方法，為進一步深入研究電的現象提供了一種新的強有力的手段。
1786年9月20日，意大利波洛尼亞的一位解剖學教授伽伐尼（L．A．Galvani，1737—1798）和他的兩個助手正在作青蛙解剖實驗，隨手將青蛙放在解剖桌上，這時一名助手不慎將手中的解剖刀的刀尖觸到了一只蛙腿的神經上，頓時青蛙的四條腿猛烈地發生痙攣。站在旁邊的另一名助手同時看到放在一旁的起電機跳起了一個大火花。伽伐尼重復了這個實驗，觀察到同樣的現象。之后，伽伐尼又以嚴謹的科學態度，選擇各種不同的條件，在不同的日子里重復了這類實驗，結果青蛙腿都發生痙攣。由此得出，動物體本身內部存在著一種“動物電”。只要用一種以上的金屬與之接觸，這種電就能激發出來，猶如萊頓瓶放電一樣，從而引起了動物體肌肉的運動。而且這種動物電與普通的摩擦電是一樣的電，只是起因不同而已。伽伐尼還據此制成了伽伐尼電池。伽伐尼的發現驚動了當時歐洲的學術界，意大利巴維亞大學的自然哲學教授伏打（C．A．Volta，1745—1827）大為贊賞，稱伽伐尼的發現“在物理學和化學史上，是足以稱得上劃時代的偉大發現之一。”
伽伐尼提出的“動物電”被不少人接受，因為那時人們自然地聯想到海洋中那些帶電的魚，諸如電鰻，電 ，似乎別的動物體內也貯藏著這種動物電，但是伽伐尼的觀點也受到一部分學者的挑戰。伏打就不同意伽伐尼關于動物電的觀點，1792年他先用實驗證明伽伐尼電的本質是兩種不同金屬與濕的動物體連接在一起而引起的，蛙腿只是起到驗電器的作用。之后，伏打花了3年時間，用各種金屬搭配做了許多實驗。他在一次實驗中將許多金屬排列成一個序列，其次序如鋅、錫、鉛、銅、銀、金、……等，這就是著名的“伏打序列”。他發現只要按這個序列，將前面的金屬緊接著下一種金屬搭配起來，相互接觸，那么前面一種金屬就帶正電，后面一種金屬則帶負電，無一例外。1800年，伏打據此制成了有名的“伏打電堆”：他用30片、40片、60片甚至更多的銅片，讓每1片銅片與1片錫片接觸，形成銅片與錫片兩兩成組。然后，在一組組的金屬片中充入水，或導電性能比純水更好的食鹽水、堿水，或填上一層用這些液體浸透的紙或皮革，就能產生相當多的電荷。伏打不僅用這個電堆產生了同萊頓瓶里一樣的電，而且證明了它明顯地具有反復產生的性能，把電堆的兩端用金屬導線連接起來可以獲得持續的電流。伏打的成就深得各界的贊賞。伏打電堆的發明，使人們第一次獲得穩定而持續的電流，這就為科學家從研究靜電現象到研究動電現象提供了堅實的技術基礎。
歐姆定律的提出
1820年7月奧斯特發現了電流的磁效應，只經過4個月，安培就建立了安培定律。德國物理學家歐姆（G．S．Ohm，1787—1854）則從另一方面進行探索，研究導線中的電流遵循的規律。他受到熱流規律（一根導熱杯中兩點間的熱流大小正比于這兩點的溫度差）的啟發，推想導線中兩點之間的電流大小也許正比于這兩點之間的某種驅動力。歐姆把這種未知的驅動力稱作“驗電力”，也就是現在所說的“電勢差”或“電壓”。歐姆在這個設想的基礎上，作了一系列實驗，不過實驗遇到了不少困難。起初，歐姆采用伏打電堆作電源，因工作不穩定，效果不理想。后來改用溫差電池，才獲得了穩定的電流。第二個困難是電流大小的測量。歐姆原來利用電流的熱效應，通過熱脹冷縮方法來測量電流的大小，但是沒有取得理想的效果。后來他巧妙地利用電流的磁效應，設計了一個電流扭秤，才有效地解決了這個問題。歐姆用一根金絲懸掛一根水平放置的磁針，待測的通電導線放在磁針的下面，并和磁針平行，用鉍—銅溫差電池作電源。歐姆反復作了多次實驗，得到了如下關系：
式中a、b是常數，分別和電源的電動勢和內電阻相對應；X是磁針偏轉角，和導線中電流強度相對應；x是導線長度，和外電路的電阻相對應。這是歐姆定律的最早形式，發表在1826年德國《化學和物理學雜志》上，論文題目是“金屬導電定律的測定”。1827年5月，歐姆寫成《伽伐尼電路的數學論述》一書，把這個規律總結成下述形式：
S=γE，
式中S就是導線中的電流強度，γ就是電導率，E就是電壓，這就是歐姆定律，后來人們把它整理成
U=IR。
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電流磁效應的發現
從18世紀30年代以來，關于閃電改變鋼鐵物件磁性的現象已屢見報導。1751年，富蘭克林發現萊頓瓶放電能使鋼針磁化。19世紀初，戴維觀察到磁鐵能夠吸引或排斥電極的碳棒之間的弧光，并使弧光平動地繞轉。這些都是電和磁之間相互聯系的早期發現。但是，由于吉爾伯特和庫侖都斷言電和磁之間不可能有什么關系，妨礙了人們對這類現象作深入的研究。而丹麥物理學家奧斯特（H．Ch．Oersted，1777—1851）關于電流的磁效應的發現，揭開了這兩種現象的內在聯系，使電磁學的研究進入一個迅速發展的時期。
奧斯特受到德國哲學家康德關于自然力都源于共同的基本力，以及基本力向其他各種力轉化思想的影響，相信電、磁、光、熱和機械運動等自然現象之間存在著內在聯系。富蘭克林的發現更使他堅信電與磁的轉化不是不可能的，關鍵是要找到轉化的具體條件。
奧斯特從自己和前人沿著電流方向尋找磁效應的失敗中，想到這一效應可能像電流通過導線時所產生的熱和光那樣是向四周散射的，是一種側向作用，所以應當把磁針放在導線的上下、左右進行觀察。1820年4月在一次關于電和磁的講課快結束時，他抱著試試看的心情把很細的鉑絲與玻璃罩中的磁針都沿磁子午線方向放置，然后接通伽伐尼電池，發現?

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