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物理的三步骤

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物理学发展的三个时期  物理学是随着人类社会实践的发展而产生、形成和发展起来的,它经历了漫长的发展过程纵观物理学的发展史,根据它不同阶段的特点,大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段   (一)物理学萌芽时期   在古代,由于生产水平的低下,人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察,和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测,来把握自然现象的一般性质,因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测那时,物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的   在这个时期,首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学,如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等在《墨经》中,有力的概念(“力,形之所以奋也”)的记述;光学方面,积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识《墨经》上关于光学知识的记载就有八条在古希腊的欧几里德(公元前450-380)等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述,并且对光的折射现象也作了一定的研究电磁学方面,发现了摩擦起电、磁石吸铁等现象,并在此基础上发明了指南针声学方面,由于音乐的发展和乐器的创造,积累了不少乐律、共鸣方面的知识。

物质结构和相互作用方面,提出了原子论、元气论、阴阳五行说、以太等假设   在这个时期,观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法,但也出现了一些类似于用实验来研究物理现象的方法例如,我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中的声共振实验和利用天然磁石进行人工磁化的实验,以及赵友钦在《革象新书》中的大型光学实验等就是典型的事例   总之,从远古直到中世纪(欧洲通常把五世纪到十五世纪叫做中世纪)末,由于生产的发展,虽然积累了不少物理知识,也为实验科学的产生准备了一些条件并做了一些实验,但是这些都还称不上系统的自然科学研究在这个时期,物理学尚处在萌芽阶段   (二)经典物理学时期   十五世纪末叶,资本主义生产关系的产生,促进了生产和技术的大发展;席卷西欧的文艺复兴运动,解放了人们的思想,激发起人们的探索精神近代自然科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了系统的观察实验和严密的数学演绎相结合的研究方法被引进物理学中,导致了十七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整个十八世纪,物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段新的科学思想、方法和理论,得到了传播、完善和扩展。

牛顿力学完成了解析化工作,建立了分析力学;光学、热学和静电学也完成了奠基性工作,成为物理学的几门基础学科人们以力学的模型去认识各种物理现象,使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想到了十九世纪,物理学获得了迅速和重要的发展,各个自然领域之间的联系和转化被普遍发现,新数学方法被广泛引进物理学,相继建立了波动光学、热力学和分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系,使经典物理学臻于完善由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性,为辨证唯物主义的自然观提供了重要的科学依据   (三)现代物理学时期   十九世纪末叶物理学上一系列重大发现,使经典物理学理论体系本身遇到了不可克服的危机,从而引起了现代物理学革命由于生产技术的发展,精密、大型仪器的创制以及物理学思想的变革,这一时期的物理学理论呈现出高速发展的状况研究对象由低速到高速,由宏观到微观,深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部,对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识,产生了重大的变革相对论的量子力学的建立,克服了经典物理学的危机,完成了从经典物理学到现代物理学的转变,使物理学的理论基础发生了质的飞跃,改变了人们的物理世界图景。

1927年以后,量子场论、原子核物理学、粒子物理学、天体物理学和现代宇宙学,得到了迅速的发展物理学向其它学科领域的推进,产生了一系列物理学的新部门和边缘学科,并为现代科学技术提供了新思路和新方法现代物理学的发展,引起了人们对物质、运动、空间、时间、因果律乃至生命现象的认识的重大变化,对物理学理论的性质的认识也发生了重大变化现在越来越多的事实表明,物理学在揭开微观和宏观深处的奥秘方面,正酝酿着新的重大突破现代物理学的理论成果应用于实践,出现了象原子能、半导体、计算机、激光、宇航等许多新技术科学这些新兴技术正有力地推动着新的科学技术革命,促进生产的发展而随着生产和新技术的发展,又反过来有力地促进物理学的发展这就是物理学的发展与生产发展的辨证关系 物理学理论的结构  物理学的发展历史由低级到高级,现在已基本建立l物理学理论的结构   物理学理论的结构由常数G,c和h控制   第一级:牛顿力学(G,h,1/c=0)   第二级:牛顿的引力理论(h,1/c=0,G不为0)   爱因斯坦的狭义相对论,不包括引力(h,G=0,1/c不为0)   量子力学(G,1/c=0,h不为0)   第三级:爱因斯坦的广义相对论(h=0,G,1/c不为0)   相对论的量子力学(G=0,h,1/c不为0)   牛顿量子引力(1/c=0,h,G不为0)   引力子   时间子   时间子的虚函数   终极:相对论量子引力理论(1/c,h,G全不为0) 编辑本段学科性质  物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结。

这种运动和转变应有两种一是早期人们通过感官视觉的延伸,二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器,实验得出的结果物理学从研究角度及观点不同,可分为微观与宏观两部分,宏观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果,是最早期就已经出现的,微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善   其次,物理又是一种智能   诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言:“与其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现,倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础物理学之所以被人们公认为一门重要的科学,不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示,还因为它在发展、成长的过程中,形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系正因为如此,使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶,文明的瑰宝   大量事实表明,物理思想与方法不仅对物理学本身有价值,而且对整个自然科学,乃至社会科学的发展都有着重要的贡献有人统计过,自20世纪中叶以来,在诺贝尔化学奖、生物及医学奖,甚至经济学奖的获奖者中,有一半以上的人具有物理学的背景;——这意味着他们从物理学中汲取了智能,转而在非物理领域里获得了成功——反过来,却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。

这就是物理智能的力量难怪国外有专家十分尖锐地指出:没有物理修养的民族是愚蠢的民族!   总之物理学是概括规律性的总结,是概括经验科学性的理论认识 编辑本段力学的概念基本介绍  物理学的一个分支学科它是研究物体的机械运动和平衡规律及其应用的力学可分为静力学、运动学和动力学三部分静力学是以讨论物体在外力作用下保持平衡状态的条件为主运动学是撇开物体间的相互作用来研究物体机械运动的描述方法,而不涉及引起运动的原因动力学是讨论质点系统所受的力和压力作用下发生的运动两者之间的关系力学也可按所研究物体的性质分为质点力学、刚体力学和连续介质力学连续介质通常分为固体和流体,固体包括弹性体和塑性体,而流体则包括液体和气体   16世纪到17世纪间,力学开始发展为一门独立的、系统的学科伽利略通过对抛体和落体的研究,提出惯性定律并用以解释地面上的物体和天体的运动17世纪末牛顿提出力学运动的三条基本定律,使经典力学形成系统的理论根据牛顿三定律和万有引力定律成功地解释了地球上的落体运动规律和行星的运动轨道此后两个世纪中在很多科学家的研究与推广下,终于成为一门具有完善理论的经典力学1905年,爱因斯坦提出狭义相对论,对于高速运动物体,必须用相对力学来代替经典力学,因为经典力学不过是物体速度远小于光速的近似理论。

20世纪20年代量子力学得到发展,它根据实物粒子和光子具有粒子和波动的双重性解释了经典力学不能解释的微观现象,并且在微观领域给经典力学限定了适用范围 经典力学  经典力学的基本定律是牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其它力学原理,它是20世纪以前的力学,有两个基本假定:其一是假定时间和空间是绝对的,长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关,物质间相互作用的传递是瞬时到达的;其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定20世纪以来,由于物理学的发展,经典力学的局限性暴露出来如第一个假定,实际上只适用于与光速相比的低速运动情况在高速运动情况下,时间和长度不能再认为与观测者的运动无关第二个假定只适用于宏观物体在微观系统中,所有物理量在原则上不可能同时被精确测定因此经典力学的定律一般只是宏观物体低速运动时的近似定律 牛顿力学  它是以牛顿运动定律为基础,在17世纪以后发展起来的直接以牛顿运动定律为出发点来研究质点系统的运动,这就是牛顿力学它以质点为对象,着眼于力的概念,在处理质点系统问题时,须分别考虑各个质点所受的力,然后来推断整个质点系统的运动牛顿力学认为质量和能量各自独立存在,且各自守恒,它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。

牛顿力学较多采用直观的几何方法,在解决简单的力学问题时,比分析力学方便简单 分析力学  经典力学按历史发展阶段的先后与研究方法的不同而分为牛顿力学及分析力学1788年拉格朗日发展了欧勒·达朗伯等人的工作,发表了“分析力学”分析力学处理问题时以整个力学系统作为对象,用广义坐标来描述整个力学系统的位形,着眼于能量概念在力学系统受到理想约束时,可在不考虑约束力的情况下来解决系统的运动问题分析力学较多采用抽象的分析方法,在解决复杂的力学问题时显出其优越性 理论力学  是力学与数学的结合理论力学是数学物理的一个组成部分,也是各种应用力学的基础它一般应用微积分、微分方程、矢量分析等数学工具对牛顿力学作深入的阐述并对分析力学作系统的介绍由于数学更深入地应用于力学这个领域,使力学更加理论化 运动学  用纯粹的解析和几何方法描述物体的运动,对物体作这种运动的物理原因可不考虑亦即从几何方面来研究物体间的相对位置随时间的变化,而不涉及运动的原因 动力学  讨论质点系统所受的力和在力作用下发生的运动两者之间的关系以牛顿定律为基础,根据不同的需要提出了各种形式的动力学基本原理,如达朗伯原理、拉格朗日方程、哈密顿原理,正则方程等。

根据系统现时状态以及内部各部分间的相互作用和系统与它周围环境之间的相互作用可预言将要发生的运动 弹性力学  它是研究弹性体内由于受到外力的作用或温度改变等原因而发生的应力,形变和位移的一门学科,故又称弹性理论弹性力学通常所讨论的是理想弹性体的线性问题它的基本假定是:物体是连续、均匀和各向同性的;物体是完全弹性体;在施加负载前,体内没有初应力;物体的形变十分微小根据上述假定,对应力和形变关系而作的数学推演常称为数学弹性力学此外还有应用弹性力学如物体形变不是十分微小,可用非线性弹性理论来研究若物体内部应力超过了弹性极限,物体将进入非完全弹性状态此时则必须用塑性理论来研究 连续介质力学  它是研究质量连续分布的可变形物体的运动规律,主要讨论一切连续介质普遍遵从的力学规律例如,质量守恒、动量和角动量定理、能量守恒等弹性体力学和流体力学有时综合讨论称为连续介质力学 力的含义  物体之间的相互作用称为“力”当物体受其他物体的作用后,能使物体获得加速度(速度或动量发生变化)或者发生形变的都称为“力”它是物理学中重要的基本概念在力学的范围内,所谓形变是指物体的形状和体积的变化所谓运动状态的变化指的是物体的速度变化,包。

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