物理学的过去现在与未来

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1、物理学的过去、现在与未来主讲 昭通师专物理系 卢巧 一、物理学的学科特点:n物理学是一门实验科学。它的根基是实 验，一切理论都要以实验作为惟一的检验 者。n物理学是一门严密的理论科学，以物理 概念为基石，以物理规律为主干，建立了 经典物理学与现代物理学及其各分支的严 密的逻辑体系。n物理学是一门定量的精密科学，它与数 学密切结合。物理学是一门基础科学，是其他自然科学和各种工 程 技术、国民经济、特别是现代新技术革命的基础。物理学是一门带有方法论性质的科学。 物理学同时具备以上五个特点，这正是物理学作为一 门 成熟的、精确的基础自然科学的标志。换句话说，物理学的学科结构中要有：实验基础 、 逻辑

2、体系、数学表述、思想方法、应用价值这五种基 成 分。n物理学的分支物理学经典物理现代物理力学 热学 电磁学 光学相对论 量子论 非线性二、物理学的发展历程时间 t关 键 概 念 的 发 展力学 电磁学热学相对论量子论1600 1700 1800 1900n三、物理学的分野(在古代将天上星空区 域与地上的国州互相对应，称作分野。 “ 分野”是指划分的范围或界限）n（1）实验n（2）唯象理论n（3）理论构架n（4）数学以经典力学的发展为例，理解物理学的分野。 （三个代表人物：第谷、开普勒、牛顿）第谷 牛顿开普勒n第谷（丹麦科学家）n 经过20年的天文观测，第谷发现了许 多新的天文现象，如黄赤交角的

3、变化、月 球运行的二均差，并重新测量了岁差数值 （每年51）。n 第谷对天文学的贡献是不可磨灭的， 他所做的观测精度之高，是他同时代的人 望尘莫及的。第谷编制的一部恒星表相当 准确，至今仍然有使用价值。第谷用过的望远镜第谷在天文台工作n在第谷的工作基础上，开普勒经过大量的 计算，编制成鲁道夫星表，表中列出 了1005颗恒星的位置。n 这个星表比其他星表要精确得多，因 此直到十八世纪中叶，鲁道夫星表仍 然被天文学家和航海家们视为珍宝，它的 形式几乎没有改变地保留到今天。n开普勒（Johannes Kepler，n1571-1630），德国天文学家。n1600年，开普勒到布拉格担任n第谷的助手。1

4、601年第谷去世n后，他继承了第谷的事业，利n用第谷多年积累的观测资料，n仔细分析研究，发现了行星沿n椭圆轨道运行，并且提出行星n运动三定律（即开普勒定律），n为牛顿发现万有引力定律打下n了基础。开普勒第一定律（椭圆定律）开普勒第二定律（等面积定律）开普勒第三定律（和谐定律）n牛顿n 在整个科学史上，牛顿被认为是最伟大 的科学家，因为他是一个真正集实验科学 家、理论科学家和数学家三位一体的人物。牛顿的理论贡献最辉煌的成就是万有引 力定律的发现。他认为太阳吸引行星，行星 吸引行星，以及吸引地面上一切物体的力都 是具有相同性质的力，还用微积分证明了开 普勒定律中太阳对行星的作用力是吸引力。n 牛顿

5、还通过了大量实验，证明了任何两 物体之间都存在着吸引力，总结出了万有引 力定律。n 牛顿的理论贡献得益于数学。在同一时 期哈雷和胡克等科学家都在探索天体运动奥 秘，其中以胡克较为突出，他早就意识到引 力的平方反比定律，但他缺乏象牛顿那样的 数学才能，不能得出定量的表示。n经典力学n从第谷开始（主要是观测）实验领域（1）n开普勒唯象理论（从现象开始）（2）n牛顿变成了理论构架（与数学有密切关系） （3）n电磁学n从库仑开始实验领域（1）n安培、法拉第发展了唯象理论（2）n麦克斯韦方程式（完全解释了电磁现象）n赫兹预言了电磁波的存在理论构架（3 ）n三、物理学各个时期的特点、代表人物、 研究方法等

6、n1、古代物理学时期（公元前8世纪至公元 15世纪 ）n（1）古代物理学的特点n 物理现象虽被发现和记录下来，但 未形成系统的理论。n 受神学的支配很强。n 天才的臆测建立在笼统的直觉观察 之中。 n在研究方法上主要是表面的观察、直觉 的猜测和形式逻辑的演绎。n在知识水平上基本上是现象的描述、经 验的肤浅的总结和思辨性的猜测。n在内容上主要有物质本原的探索、天体 的运动、静力学和光学等有关知识，其中 静力学发展较为完善；在发展速度上比较 缓慢，社会功能不明显 。n（2）代表人物n 亚里士多德(公元前384-公元前322）:马其 顿国王私人医生的儿子，18岁进入柏拉图学院 ，约在公元前342 年

7、，他成为亚力山大大帝的 私人教师。一生著作颇丰，在科学领域里起着 奠基性的作用。n n主要观点： （1）提出物理学名称的第一人，强调科学分类。 （2）若物体不受力，运动即停止。 （3）物体越重，下落速度应该越大。 （4）地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮应该 围绕它转。n亚氏观点从归纳日常生活出发，加上哲学思辩 ，后来发展为经院哲学，成为自然科学的障碍 。n某些大科学家“比起亚里士多德不过是小 学生。” 达尔文（3）中国古代的物理学 力学方面我国古代力学知识源远流长，积累丰富 。 早在2000多年以前的战国时期，在“墨经” 中， 记述了墨子。 (公元前478前392)等哲学家对力学方面的 一

8、些精辟见解，如“力，刑之所以奋也。”， 表达 了力是使人和物的“奋”即由静到动的根本 原 因。还对杠杆进行了研究，指出:“相衡，则 本 短标长。”说明了在称量重物时，要想与砝 码 平衡，就要调整重臂“本”和力臂“标”， 这一 记录比阿基米德早二百多年。我国科学家的 朴素的宇宙观，例东汉的张衡强调:“宇之 表 无极，宙之端无穷”。 n n电磁学方面n 在静电学方面，在西汉末年，(公元 前20年)就有记载，在磁学方面更有骄人 记录:n1) 4000年前，黄帝与蚩尤打仗，但蚩尤 作雾，黄帝则使用指南车来辨别方向，使 蚩尤大败。n2)郦道元在“水经注”中，写到秦始皇为 了防避刺客，用磁石建造阿房宫的北

9、阙门 ，若刺客身怀刀刃将被磁门吸住。n3)指南针比法人古约特早几百年。n天文学n 比较突出的是张衡(公元78年139年 )，生于河南南阳石桥镇，公元111年担任 了东汉主持天象观测、编订历法的太史令 ，发明了浑天仪、候风地动仪。国际天文 学组织用他的名字命名了一颗小行星和月 球上的一座环行山。n声学n 1979年出土了战国时期制造的曾侯已 编钟，说明了古代祖先对音节音律方面的 极高造诣，北京天坛的回音壁等，巧妙地 应用了声学原理，至今仍令人为之瞩目。n 中国是世界上科学发展最早的国家， 这是我们民族的骄傲。（4）古代物理学时期对于西方又可分为两个阶段 ：n古希腊-罗马阶段（公元前8世纪至公元5

10、纪） 。n主要有古希腊的原子论、阿基米德Archimedes ，公元前287-公元前212）的力学、托勒密 （Claudius Ptolemaeus,约90-168）的天文学等 。n中世纪阶段（公元5世纪至公元15世纪）主要 有 勒哈增（AL-Hazen,约965-1038）的光学、冲力说 等。2、经典物理学时期(17世纪初19世纪末) 这个时期资本主义生产促进了技术与科学的发 展，形成了比较完整的经典物理学体系。系统的 观 察实验和严密的数学推导相结合的方法，被引进 物 理学中，导致了17世纪主要在天文学和力学领域 中 的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着 近代 物理学的诞生。经过18

11、世纪的准备，物理学在19 世纪获得了迅速和重要的发展。终于在19世纪末 以 经典力学、热力学和统计物理学、经典 电磁场理论为支柱，使经典物理学的发展达到 了 它的顶峰。 （1）代表人物 伽利略伽利雷 (15641642) 是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学 家、哲学家、物理学家、数学家。也是近代实验物 理 学的开拓者，被誉为“近代科学之父”。 17岁进入 比 萨大学攻读医学，后来转攻数学，毕业后任大学教 授。他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格 斯 称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说 ， 创立新说的巨人之一”。n n伽利略在科学史上的地位n 伽利略的科学发现，不仅在物理学史

12、 上而且在整个科学史上都占有极其重要的 地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的 亚里士多德的错误观点，更创立了研究自 然科学的新方法。 n 伽利略在天文学方面的贡献：自制望远镜（1609年）为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为国际天文年。发现木星的4颗卫星发现太阳黑子定出太阳自转周期木星卫星 伽利略望远镜对科学方法的贡献 斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实 验 之一。从斜面实验看伽利略的研究方法：对现象的观察 提出假设（匀加速运动假设） 进行数学和逻辑的推理 实验验证s-t2 形成理论 开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合 。 提出了思想实验。“伽

13、利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思 想史 上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！” n伽利略被后人称为“现代物理之父”伽利略在解释其观察结论伽利略与斜塔晚年伽利略在被软禁期间，直到逝世前，一直未中断过 研究工作。1633年，69岁高龄时曾被罗马宗教裁判所判处终身监禁。但他仍致力于科研，于1638年又写出了 关于两门新科学对话一书。直到1979年，300多年后 ，教会才宣布为伽利略平反。罗马教庭对伽利略的审判 n伽利略的预见n “一门广博精深的科学已经启蒙，我 在这方面的工作只是它的开始，那些比我 更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到 各个遥远的角落。”n牛顿，(1643

14、年1月4日-1727年3月31日)n是英国伟大的数学家、物理学家、天文学 家和自然哲学家。1643年1月4日生于英格 兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村 ,1727年3月31日在伦敦病逝。n27岁，就担任了剑桥的数学教授。n1672年当选为英国皇家学会会员。 n1703年当选为英国皇家学会会长。n牛顿在科学上最卓越的贡献是：n微积分和经典力学的创建。 英国著名诗人Pope写道：Nature and natures law Lay hid in nightGod said : Let Newton beAnd all was light牛顿名言：我不知道在别人看来，我是什么样的 人；但在我自己看来

15、，我不过就象是一个 在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更 为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一 片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前 的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。 -牛顿牛顿物理学的局限性当物体运动速率很高时（接近光速） ， 当所描写的体系很小时（微观体系），当所 描述的物质系统很大，或引力很强时，牛顿 的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不 完全正确了，将由新的理论来代替。麦克斯韦：主要从事电磁理论、分子物 理学、统计物理学、光学、力学、 弹性理论方面的研究。尤其是他 建立的电磁场理论，将电学、磁学、 光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的 成 果，是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电 磁 波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验 验 证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的 无 线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的 。（2）经典物理的主要研究方法伽利略开创了以观察实验为基础，运用 数学工具定量探究的物理学研究方法。牛顿 不仅仅完成了物理学发展史上的第一次大综 合，还实现了实验方法和数学方法、归纳方 法与演绎方法、分析方法与综合方法的大综 合，他还时常用理想实验法、假说法等研究 方法。（3）对社会发展的影响17世纪：牛顿力学的出现，大大推动了欧洲资本主义社会 的工业革命。出现了大工厂、大型机械装备，而大工业的迅 猛发展又为资本主