物理简史

物理学分支发展简史（力学）力学又称经典力学，是研究通常尺寸的物体在受力下的形变，以及速度远低于光速的运动过程的一门自然科学。

力学是物理学、天文学和许多工程学的基础，机械、建筑、航天器和船舰等的合理设计都必须以经典力学为基本依据。

机械运动是物质运动的最基本的形式。

机械运动亦即力学运动，是物质在时间、空间中的位置变化，包括移动、转动、流动、变形、振动、波动、扩散等。

而平衡或静止，则是其中的特殊情况。

物质运动的其他形式还有热运动、电磁运动、原子及其内部的运动和化学运动等。

力学的起源力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。

人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具，逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。

古希腊的阿基米德对杠杆平衡、物体重心位置、物体在水中受到的浮力等作了系统研究，确定它们的基本规律，初步奠定了静力学即平衡理论的基础。

古代人还从对日、月运行的观察和弓箭、车轮等的使用中，了解一些简单的运动规律，如匀速的移动和转动。

但是对力和运动之间的关系，只是在欧洲文艺复兴时期以后才逐渐有了正确的认识。

伽利略在实验研究和理论分析的基础上，最早阐明自由落体运动的规律，提出加速度的概念。

牛顿继承和发展前人的研究成果(特别是开普勒的行星运动三定律)，提出物体运动三定律。

伽利略、牛顿奠定了动力学的基础。

牛顿运动定律的建立标志着力学开始成为一门科学。

此后，力学的研究对象由单个的自由质点，转向受约束的质点和受约束的质点系。

这方面的标志是达朗贝尔提出的达朗贝尔原理，和拉格朗日建立的分析力学。

其后，欧拉又进一步把牛顿运动定律用于刚体和理想流体的运动方程，这看作是连续介质力学的开端。

运动定律和物性定律这两者的结合，促使弹性固体力学基本理论和粘性流体力学基本理论孪生于世，在这方面作出贡献的是纳维、柯西、泊松、斯托克斯等人。

弹性力学和流体力学基本方程的建立，使得力学逐渐脱离物理学而成为独立学科。

学科分类力学可粗分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。

力学也可按所研究对象区分为固体力学、流体力学和一般力学三个分支，流体包括液体和气体；固体力学和流体力学可统称为连续介质力学，它们通常都采用连续介质的模型。

固体力学和流体力学从力学分出后，余下的部分组成一般力学。

力学也可按研究时所采用的主要手段区分为三个方面：理论分析、实验研究和数值计算。

实验力学包括实验应力分析、水动力学实验和空气动力实验等。

着重用数值计算手段的计算力学，是广泛使用电子计算机后才出现的，其中有计算结构力学、计算流体力学等。

对一个具体的力学课题或研究项目，往往需要理论、实验和计算这三方面的相互配合。

力学在工程技术方面的应用结果形成工程力学或应用力学的各种分支，诸如土力学、岩石力学、爆炸力学复合材料力学、工业空气动力学、环境空气动力学等。

运动学的发展历史运动学是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，通常不考虑力和质量等因素的影响。

至于物体的运动和力的关系，则是动力学的研究课题。

运动学主要研究点和刚体的运动规律。

点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。

刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。

运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。

掌握了这两类运动，才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。

运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础，也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。

运动学在发展的初期，从属于动力学，随着动力学而发展。

古代，人们通过对地面物体和天体运动的观察，逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。

中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。

亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动，已有了速度的概念。

伽利略发现了等加速直线运动中，距离与时间二次方成正比的规律，建立了加速度的概念。

在对弹射体运动的研究中，他得出抛物线轨迹，并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则，伽利略为点的运动学奠定了基础。

在此基础上，惠更斯在对摆的运动和牛顿在对天体运动的研究中，各自独立地提出了离心力的概念，从而发现了向心加速度与速度的二次方成正比、同半径成反比的规律。

18世纪后期，由于天文学、造船业和机械业的发展和需要，欧拉用几何方法系统地研究了刚体的定轴转动和刚体的定点运动问题，提出了后人用他的姓氏命名的欧拉角的概念，建立了欧拉运动学方程和刚体有限转动位移定理，并由此得到刚体瞬时转动轴和瞬时角速度矢量的概念，深刻地揭示了这种复杂运动形式的基本运动特征。

所以欧拉可称为刚体运动学的奠基人。

此后，拉格朗日和汉密尔顿分别引入了广义坐标、广义速度和广义动量，为在多维位形空间和相空间中用几何方法描述多自由度质点系统的运动开辟了新的途径，促进了分析动力学的发展。

19世纪末以来，为了适应不同生产需要、完成不同动作的各种机器相继出现并广泛使用，于是，机构学应运而生。

机构学的任务是分析机构的运动规律，根据需要实现的运动设计新的机构和进行机构的综合。

现代仪器和自动化技术的发展又促进机构学的进一步发展，提出了各种平面和空间机构运动分析和综合的问题，作为机构学的理论基础，运动学已逐渐脱离动力学而成为经典力学中一个独立的分支。

电学的发展简史有关电的记载可追溯到公元前6世纪。

早在公元前585年，希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体，后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。

在以后的2000年中，这些现象被看成与磁石吸铁一样，属于物质具有的性质，此外没有什么其他重大的发现。

18世纪电的研究迅速发展起来。

1729年，英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别：金属可导电，丝绸不导电，并且他第一次使人体带电。

格雷的实验引起法国迪费的注意。

1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电，因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。

他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”，琥珀上产生的电与树脂产生的相同，叫做“树脂的”。

他得到：带相同电的物体互相排斥；带不同电的物体彼此吸引。

1745年，荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。

莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件，它对于电知识的传播起到了重要的作用。

差不多同时，美国的富兰克林做了许多有意义的工作，使得人们对电的认识更加丰富。

1747年他根据实验提出：在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，但不能创造；任何孤立物体的电总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒定律。

他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。

18世纪后期开始了电荷相互作用的定量研究。

1776年，普里斯特利发现带电金属容器内表面没有电荷，猜测电力与万有引力有相似的规律。

1769年，鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验，第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。

1773年，卡文迪什推算出电力与距离的二次方成反比，他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。

1785年，库仑设计了精巧的扭秤实验，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比。

库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。

1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电，发展了静电学的解析理论。

18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池，在这之前，电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行，而它们只能提供短暂的电流。

1780年，意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。

他进一步的实验发现，若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉，则当两种金属相碰时，蛙腿也会发生抽动。

1792年，伏打对此进行了仔细研究之后，认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。

电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的，而肌肉提供了这种溶液。

基于这一思想，1799年，他制造了第一个能产生持续电流的化学电池，其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体，叫做伏打电堆。

此后，各种化学电源蓬勃发展起来。

1822年塞贝克进一步发现，将铜线和一根别种金属(铋)线连成回路，并维持两个接头的不同温度，也可获得微弱而持续的电流，这就是热电效应。

磁学的早期发展有些天然铁矿石在采出时就呈现永磁性，古人称它为“慈石”，意为慈爱的石头，隐含了它能吸铁的特性。

这名词后来逐渐演化为“磁石”，俗称“吸铁石”。

在中国的《管子》一书中已有磁石和磁石引铁的记载，欧美的有关科技文献常把磁石吸铁的记载远溯到古希腊的泰勒斯时期，但这是根据亚里士多德的转述。

根据这些记述可以认为，西方关于磁的最早记述始于公元前500年左右。

指南针是中国古代的四大发明之一，这在中国已是历史常识了。

从磁石引铁的发现到指南针的发明和应用要经过一系列的观察、实验和工艺改进，这是一个相当长的历史时期。

法国物理学家库仑于1785年确立了静电荷间相互作用力的规律——库仑定律之后，又对磁极进行了类似的实验而证明：同样的定律也适用于磁极之间的相互作用。

丹麦物理学家奥斯特在1820年发现，一条通过电流的导线会使其近处静悬着的磁针偏转，显示出电流在其周围的空间产生了磁场，这是证明电和磁现象密切结合的第一个实验结果。

紧接着，法国物理学家安培等的实验和理论分析，阐明了载着电流的线圈所产生的磁场，以及电流线圈间相互作用着的磁力。

奥斯特发现电流的磁场后不久，有些物理学家就想到是否有些物质(如铁)所表现的宏观磁性也来源于电流。

那时还未发现电子，但关于物质构造的原子论已有不小的发展。

安培首先提出，铁之所以显现强磁性是因为组成铁块的分子内存在着永恒的电流环，这种电流没有像导体中电流所受到的那种阻力，并且电流环可因外来磁场的作用而自由地改变方向。

这种电流在后来的文献中被称为“安培电流”或分子电流。

继安培之后，韦伯对物质磁性的理论又作了不少发展。

虽然这些理论离现代理论尚远，但在今天对磁性物质的本质作初步描述时，仍基本上根据安培的概念。

除了古时已知道的磁铁矿和铁外，人们在两千多年中还没有发现其他具有强磁性的物质。

发现钴(1733)和镍(1754)后不久就知道它们也像铁那样具有强磁性。

至于一般的物质在较强磁场作用下能否多少表现一点磁性，则直到法拉第在老年时期才有系统的观察。

英国工程师斯特金于1824年创制了电磁体，故那时实验室可有较强的磁场设备，但法拉第在需要高度稳定的磁场时仍用了大的永磁体。