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1、物理学基础与前言专题 课程主要参考书,1王顺金主编.物理学前沿问题与基础.北京：科学出版社，2013 2陈泽民主编. 近代物理与高新技术物理基础大学物理续编.北京：清华大学出版社，2001,物理学是基础学科，每一次物理学中的重大发现都对科学技术的发展和更新都有深远的影响，反过来，科学技术的发展都需要物理学基础知识和前言知识。 科学技术与社会经济密切相关，物理学更是如此，因此，对物理学的发展的前沿问题的讨论，应当放在社会经济发展的背景下来考察 。,1.科学技术 1.1 科学科学和文化一样，是个难以界定的名词，人们更多地是从一个侧面对其本质特征加以揭示和描述。以英国著名科学家JD 贝尔纳（1901
2、1971）为代表的科学家们认为，科学在不同时期、 不同场合有不同意义。科学有若干种解释，每一种解释都反映出科学某一方面的本质特征。到目前为止，也还没有任何一个人给科学下的定义为世人所公认。由于科学本身也在发展，人们对它的认识不断深化，给科学下一个永世不变的定义，是难以做到的。现在，让我们沿着历史的轨迹，把众多的科学定义、解释加以概括，提出为多数人可以接受的共同概念，通过这一概念的阐述以加深我们对“科学”的理解和认识。,1.科学技术,1.1.1 科学是人对客观世界的认识，是反映客观事实和规律的知识准确掌握科学这个概念的实质，主要的是加深对“事实”和“规律”的认识。 事实可以是历史事实、社会事实、
3、自然界的事实和其他事实，科学就是发现人们未知的事实，如化学家发现的新元素，经济学家发现的资本主义经济危机，都是事实。发现这些人所未知的事实的人，就是科学家。美国科学家H.戴维（17781829）发现的钾和钠，尽管它在世界上早就存在，但过去没有人发现过，那是因为以前没有电解技术能把它们分离出来，戴维把它们分离出来了，使人们看到了，所以他成了科学家。又如居里夫人（18671934）发现镭、钋等天然放射性元素。原苏联经济学家ND康德拉季耶夫（1892）发现的资本主义经济“长波理论”，至今还被许多经济著作引用，这是因为大家承认他发现的是事实。,1.科学技术,康德拉季耶夫的资本主义经济“长波理论”“长波
4、理论” 是1926年俄国经济学家康德拉季耶夫提出的一种为期50-60年的经济周期。该周期理论认为，从18世纪末期以后，经历了三个长周期。 第一个长周期从1789年到1849 年，上升部分为25年，下降部分35 年，共60年。第二个长周期从1849年到1896 年，上升部分为24年，下降部分为23 年，共47年。第三个长周期从1896年起，上升部分为24年，1920年以后进入下降期。 强调用资本主义经济的内在原因而非外来得偶发因素解释长波起因，将经济长波归因于主要固定资本产品的更新换代引起的经济平衡的破坏与恢复。,1.科学技术,什么是规律呢？人类在生产生活实践中发现事物之间有千丝万缕的联系，这种
5、联系就是规律。这种反映客观事实之间联系的准确判断就是发现了规律，这种规律，就是学问，就是知识，也就是科学了。这里所说的联系或规律，也称法则，即事物发展过程中事物之间内在的、本质的、必然的联系。它是在一定条件下可以反复出现的，是客观的。人们只能发现它，但不能创造它。,1.科学技术,1.1.2 科学是反映客观事实和规律的知识体系20世纪初，人们认识到科学是由很多门类交织组成的知识体系。此时，数学、物理、化学、天文、地理、生物等基础科学和电力、机械、建筑、钢铁、医药等工程科学及管理科学都比较成熟了。科学已不只是事实或规律的知识单元，而是由这些知识单元组成学科，学科又组成学科群，形成了一个多层次组成的
6、体系。科学家是系统掌握某一方面知识并能利用这些知识对诸多现象作出解释的人。科学史表明，科学家不只是知识的发现者，更重要的还是知识的综合者。因此，大部分辞书给科学下的定义都强调“科学是知识体系”，认为“科学是关于自然、社会和思维的知识体系”，科学是反映客观事实和规律的知识体系。,1.科学技术,1.1.3 科学是一项反映客观事实和规律的知识体系相关活动的事业第二次世界大战以后，人们的科学概念发生了巨大变化。那种把科学概念仍停留在本世纪初，认为只是反映事实和规律的普遍客观真理的知识体系的认识已经不够了。科学研究经过16世纪伽利略时代个体活动到17世纪牛顿的松散群众组织皇家学会时代，又到爱迪生（184
7、71931）的“实验工厂”的集体研究时代，尔后是本世纪40年代美国实现曼哈顿计划研制出原子弹的国家规模建制的时代，最后是今天国际合作的跨国建制时代。自战后科学活动进入国家规模以来，人们已把科学称为“大科学”，认为“科学是一种建制”，即科学已成为一项国家事业，从而使企业和政府都直接参与了科学事业，实现了科学家与企业家、政治家的结合。,1.科学技术,1.2 技术 技术人类在利用自然和改造自然的过程中积累起来并在生产劳动中体现出来的经验和知识，也泛指其他操作方面的技巧。古希腊亚里士多德曾把技术看作是制作的智慧。在罗马时代，工程技术发达，人们对技术不只看到“制作”这实的方面，也看到了是“知识形态”虚的
8、方面。17世纪，英国培根（15611626）曾提出要把技术作为操作性学问来研究。德国哲学家康德（17241804）也曾在判断力批判中讨论过技术。尔后人们提出了“技术论”。到18世纪末，法国科学家狄德罗（17131784）在他主编的百科全书条目中开始列入了“技术”条目。他指出：“技术是为某一目的共同协作组成的各种工具和规则体系”。许多辞书上的技术定义，基本上没有超出狄德罗的技术概念范畴。,1.科学技术,1.3 技术与科学的关系科学与技术是辩证统一的整体，科学中有技术，如物理学有实验技术；技术中也有科学，如杠杆、滑车等也有力学。技术产生科学，如射电望远镜的发明与使用，产生了射电天文学；科学也产生技
9、术，著名例证，如下所示： 1831年发现电机原理 1882年、生产出发电机 1862年发现内燃机原理 1876年生产出内燃机 1925年发现雷达原理 1935年制造出雷达 1928年发现青霉素 1943年生产出青霉素 1938年发现核裂变 1945年造出原子弹 1948年发现半导体 1954年生产出半导体收音机 科学是创造知识的研究，技术是综合利用知识于需要的研究。,1.科学技术,1.4 科学与技术的区别： 1.4.1 目的不同：科学的目的在于解决理论性问题；技术的目的主要是为了解决生产实施性问题。（科学回答的是“是什么”、“为什么”，技术回答的是“做什么”、“怎么做”） 1.4.2 任务不同
10、：科学的任务在于探索自然现象存在什么客观规律，以形成科学基本原理与定律；技术的任务则是围绕社会经济建设发展需要，研究采用什么措施才能制造出产品与提高产品质量。（科学提供物化的可能，技术提供物化的现实）,1.科学技术,1.4.3 科学一直是公开的，技术是比较保密的：科学一直是公开的，是没有什么直接的经济利益可收的；技术则不同，生产技术是直接与经济利益挂钩的，为了垄断技术发明权的经济利益，故技术是比较保密的、不公开的。（科学是发现，技术是发明）区别科学与技术的目的，不是将它们分开，而是要更好的统一考虑。注重技术时要想到科学，注重科学时要考虑技术。对于科学来说，技术是科学的延伸；对于技术来说，科学是
11、技术的升华。,1.科学技术,科学技术现已成为一个统称。这是因为技术必须有科学理论的指导才能提高，而科学又必须靠技术所创造的物质基础才能获得发展，二者这种不可分割的联系，便有机地构成了科学技术的统称。,1.科学技术,2.三次技术革命技术革命：指生产技术上的根本变革。例如从用体力、畜力生产改为用蒸汽做动力生产，用手工工具生产改为用机器生产。 2.1第一次技术革命：是以英国为代表的蒸汽机时代。 1774年，英国格拉斯哥大学的一名年轻的仪器修理工人瓦特，针对纽可门蒸汽机存在缺点，参考了不少热力学有关资料，请教了校内布拉克教授，认真对纽可门蒸汽机进行分析研究。1776年，第一台实用型瓦特蒸汽机便开始在布
12、鲁姆菲尔德煤矿投入使用。 瓦特蒸汽机与已有的纽可门蒸汽机相比有很大优势，它可以提高工效5倍；可以节约燃料75；与任何工具机连接都可使用。 工业革命对动力机械的迫切需要促进了蒸汽机的发明与改进，故一当蒸汽机获得了实用的时候，很快便得到了广泛的采用。,2.三次技术革命,2.2 第二次技术革命：是以欧美19世纪下半叶至20世纪初兴起的电气时代。蒸汽机不仅笨重，而且效率低，启动不方便，逐渐被内燃机、汽轮机和燃气轮机所代替。而内燃机和其他一系列新型热机的出现，虽然效率有了提高，启动方便，但也不能把产生出来的机械能分散输送到各地方工作机使用，只能适应机动的汽车、机车、飞机和固定集中的工作机使用。科学和技术
13、的发展已经完成了开发和使用电能的全部准备，于是便又发生了近代技术史上的第二次动力技术革命用电力代替直接使用蒸汽动力的革命。静电现象的发现，早在古代希腊的泰利斯的著作中便有记载，我国东汉时期的王充也有“顿率掇齐”的描述，意思是琥珀经过磨擦后，能吸引轻微物体。然而电能真正为人们生产所使用，一直到19世纪中叶才开始。静电现象发现后，人们经过漫长的岁月，才从静电时代进入电动时代。电力技术的成功，使美、欧、日纷纷把电力建设作为国家承建工程的重点。美、欧、日超大型电力系统、以电为中心的超大型联合企业和国家电气化计划纷纷建立和筹划。世界范围内兴起的电气化热潮，使人类迎来了“电气化世纪”，完成了第二次技术革命
14、。,2.三次技术革命,2.3 第三次技术革命： 第三次技术革命的基础： 实验基础： 1895年德国慕尼黑维尔茨堡大学校长兼物理研究所长、物理学教授伦琴发现X射线（伦琴射线），人们为了纪念他的伟大发现1901年，伦琴荣获世界首次颁发的诺贝尔物理学奖。 1897年英国汤姆逊发现电子，证实电子的普遍存在，是具有非常重大的历史意义。它首先打开了原子不可再分观念，使人们清楚认识到物质结构是有层次的。汤姆逊因发现电子而荣获1906年度的诺贝尔物理学奖。,2.三次技术革命,放射性元素的发现：1896年法国物理学家贝克勒尔为求证荧光或磷光物质是伦琴射线的来源，发现铀具有放射性现象。并发现空气被铀化合物发出的射
15、线所电离；1898年7月波兰裔的法国女科学家玛丽.居里与他的丈夫法国科学家皮埃尔.居里提炼出比纯铀强度大400倍的放射性元素，并命名为钋，以表明将她的成就作为纪念祖国波兰的意思。同年12月发现比纯铀强度大900多倍的放射性元素镭。钋与镭两种放射性元素相继发现是物理学史上、甚至是科学史上空前伟大的发现，从此，开辟了放射性科学的新园地，同时也开创原子物理学新纪元。居里夫妇及贝克勒尔共同荣获1903年度的诺贝尔物理学奖。,2.三次技术革命,理论基础：1900年德国物理学家普朗克从热辐射和原子光谱的关系中，建立了量子论。它的对象是原子、分子、以及其他粒子，是研究物质结构的理论基础。1905年德国犹太物
16、理学家爱因斯坦首先建立了狭义相对论。提出了与传统概念截然不同的时间与空间相对性概念。此后，再又根据自由落体速度与物体重量无关的现实，结合自己建立狭义相对论引申出引力场与非惯性系统等效关系，在1916年建立了广义相对论。狭义相对论不仅能解决了电磁场变换问题，而且成为了今天高能物理和原子能应用的基础。对于宇宙结构方面，广义相对论是一门主要的理论基础。,2.三次技术革命,技术的发展，是以自然科学为理论基础的。19世纪末和20世纪初，在物理学方面，由于电子、X射线、放射性元素的发现，以及相对论和量子论的创立，导致了物理学和其他自然科学的革命性变革，在此基础上使物理学、化学、生物学、天文学和地学等基础科学从经典形态发展到现代形态。产生了一批崭新的交叉自然科学，使自然科学理论发展到新的现代水平，为第三次技术革命创造了良好的实验基础与理论基础。这一庞大的现代自然科学群为高技术的诞生和发展提供了基础理论背景和前提条件。,
