簡明大學(xué)物理電子版

1、第 1 章 物理學(xué)導(dǎo)論 物理學(xué)導(dǎo)論本章要點：1、 物理學(xué)的形成與發(fā)展；2、 物理學(xué)的特點；3、 物理學(xué)的方法及思想。中國自古就有一個美麗的傳說——嫦娥奔月，多少年來，多少代中國人孜孜不倦地探求，終于神話變成了現(xiàn)實。2003 年 10 月，由宇航員楊利偉（1965- ）駕駛神州 5 號飛船，環(huán)繞地球 14 圈，圓了中國人的千年飛天夢。從意大利航海家哥倫布（c.colombo,1446-1506）的帆船航海，到美國萊特兄弟的飛機(jī)上

2、天，直至今天的宇宙飛船漫游天際，人類就象插上了翅膀，在浩瀚的宇宙間翱翔。回首過去，我們不禁感嘆，世界變化得多么快！我們不禁要問，誰使我們這個世界變化得這么快？這就是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)——物理學(xué)！1.1 物理學(xué)的形成與發(fā)展 物理學(xué)的形成與發(fā)展本節(jié)我們將沿著物理學(xué)發(fā)展的歷程，介紹經(jīng)典物理學(xué)的建立過程，以及 20 世紀(jì)物理學(xué)的革命，使大家對物理學(xué)的理論體系、研究方法及其作用有一個初步的了解。1.1.1 從自然哲學(xué)到物理學(xué) 從自然

3、哲學(xué)到物理學(xué)物理學(xué)的前身稱為自然哲學(xué)。早期的物理學(xué)含義非常廣泛，它在直覺經(jīng)驗基礎(chǔ)上探尋一切自然現(xiàn)象的哲理。中國作為發(fā)明指南針、火藥、造紙和印刷術(shù)的文明古國，在哲學(xué)思考上很有特色。我國春秋戰(zhàn)國時代的《墨經(jīng)》是一本最古老的科學(xué)書籍，里面記載了許多關(guān)于自然科學(xué)問題的研究。其中有一句話：“力，刑之所以奮也。 ” “刑”即“形” ，可解釋為“物體” ， “奮”可解釋為“運動的加速” ，這與牛頓第二定律（F=ma）有一定的聯(lián)系。書中并載有萬物都是由

4、“不可斫”的“端”即“點”所構(gòu)成。 （斫，zhuo,用刀斧砍的意思。 ）與差不多同時的希臘“原子”說，是世界上關(guān)于物質(zhì)組成問題的最早文字記載。但是這些觀察和分析，僅僅是定性的，沒有系統(tǒng)化、定量化。公元前 7―前 6 世紀(jì)，古希臘文化進(jìn)入一個繁榮時期，人才輩出。其杰出的代表——亞里士多德（Aristoteles，公元前 384―前 322） ，這位百科全書式的學(xué)者，系統(tǒng)研究了運動、空間和時間等物理及相鄰自然科學(xué)方面的問題，著有《物理學(xué)》

5、、 《力學(xué)問題》 、 《論天》及 14 本巨著《玄學(xué)》等書籍。他的著作處于古希臘及整個中世紀(jì)自然哲學(xué)的皇冠地位，其中《物理學(xué)》一書，是 physics 一詞最早的起源（雖然今天含義已不同了） 。他提出了許多概念，但有一些觀念是錯誤的。如“在地球上重物比輕物落得快”的觀念，直到伽利略(Galileo Galilei,1564-1642)在 1590 年登上比薩(pisa)一座八層樓高的斜塔（建于 1174年） ，用實驗證明了一個 100

6、 磅重和一個半磅重的兩個球體幾乎同時落地，才糾正過來。又如他的“地心說” ，認(rèn)為地球位于整個宇宙的中心，整個宇宙由環(huán)繞地球的七個同心球殼所組成，月亮、太陽、星星在其上做完美的圓運動。當(dāng)然，用今天的知識我們很容易指組的形式極為對稱和優(yōu)美，被譽(yù)為物理學(xué)“最美的一首詩” ，是 19 世紀(jì)物理學(xué)最輝煌的成就。至此，經(jīng)典電磁學(xué)建立起來了。光的現(xiàn)象是一類重要的物理現(xiàn)象，光的本質(zhì)是什么？一直是物理學(xué)要回答的問題。17 世紀(jì)，人們對光的本質(zhì)提出了兩種假

7、說：一是牛頓的微粒說，認(rèn)為光是發(fā)光物體射出的大量的微粒；另一是荷蘭科學(xué)家惠更斯（Christian Huygens,1629-1695）的波動說，認(rèn)為光是發(fā)光物體發(fā)出的波動。兩種學(xué)說展開了曠日持久的論戰(zhàn)。開始由于牛頓在科學(xué)界的威望，以及光在均勻介質(zhì)中的直線傳播、折射與反射現(xiàn)象等實驗的支持，微粒說占居有利地位。后來，隨著光的干涉、衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，給波動說強(qiáng)有力的支持。最后，由麥克斯韋確認(rèn)了光實際上是一種電磁波，波動光學(xué)由此建立。到 19

8、世紀(jì)末和 20 世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)理論已經(jīng)系統(tǒng)、完整地建立，它包括經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)。至此，經(jīng)典物理學(xué)輝煌的科學(xué)大廈建立起來了。1.1.3 20 世紀(jì)初物理學(xué)的革命 世紀(jì)初物理學(xué)的革命經(jīng)過力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)各分支學(xué)科的迅猛發(fā)展，到 19 世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)看來似乎已經(jīng)很完善了。英國物理學(xué)家開爾文（W.Thomson,1824-1907）在著名的題為《遮蓋在熱和光的動力理論上的 19 世紀(jì)烏云

9、》的演說中說：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了；但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云。 ”開爾文所說的一朵烏云指的是熱輻射的“紫外災(zāi)難” ，它沖擊了電磁理論和統(tǒng)計物理；另一朵烏云指的是邁克爾遜——莫雷實驗的“零結(jié)果” ，它否定了以太的存在。開爾文沒料到，正是這兩朵小小的烏云，引發(fā)了物理學(xué)史上一場偉大的革命。1905 年，著名物理學(xué)家愛因斯坦(A.Einstein,1879-19

10、55)對高速物體運動進(jìn)行研究，創(chuàng)立了狹義相對論。愛因斯坦以其獨特的思維方式，發(fā)動了一場關(guān)于時空觀的革命。從低速到高速，從小宇宙到大宇宙，愛因斯坦于 1915 年建立了廣義相對論，使人們視野擴(kuò)展到廣闊無垠的宇宙空間。愛因斯坦因他的相對論，作出了劃時代的貢獻(xiàn)。在研究微觀世界時，經(jīng)典理論暴露其局限性，從而把物理學(xué)的偉大革命推向一個高潮。在研究黑體輻射時，普朗克(M.Planck,1858-1947)發(fā)現(xiàn)：若假設(shè)光子能量是量子化的，則理論與實驗

11、結(jié)果相符。但普朗克擺脫不了經(jīng)典概念的束縛，竟不敢加以承認(rèn)。又是愛因斯坦，這位杰出的理論物理學(xué)家，第一個勇于承認(rèn)。爾后,玻爾(N.Bohr,1885-1962)、薛定諤(E.Schrodinger,1887-1961)、海森伯(W.K.Heisenberg,1901-1976)等物理學(xué)家建立了量子力學(xué)。20 世紀(jì)初的 30 年，相對論和量子論的建立完成了近代物理學(xué)的一場深遠(yuǎn)的革命，從而把物理學(xué)的偉大革命推向了一個高潮，把人類認(rèn)識世界的能力

12、提升到了前所未有的高度，為實踐應(yīng)用開辟了廣闊的道路，為 20 世紀(jì)層出不窮、不斷涌現(xiàn)的高科技、新學(xué)科、新技術(shù)的發(fā)展準(zhǔn)備了基礎(chǔ)。19 世紀(jì)兩朵令人不安的烏云轉(zhuǎn)化為近代物理學(xué)誕生的彩霞。物理學(xué)不僅仍然是自然科學(xué)基礎(chǔ)研究中最重要的前沿學(xué)科之一，而且已發(fā)展成為一門應(yīng)用性極強(qiáng)、滲透性極強(qiáng)的學(xué)科。今天的物理學(xué)決不僅是少數(shù)物理學(xué)家關(guān)起門來埋頭研究的專門學(xué)問，而是生氣勃勃地向一切科學(xué)技術(shù)，甚至經(jīng)濟(jì)管理部門滲透的一種力量，它已經(jīng)、而且正在繼續(xù)改變我們這個