大学物理绪论

4
2. 自然科学 十七世纪后，自然哲学逐步分化为 天文学 物理学 化学 生物学 地质学 …… 它们统称为自然科学，物理学成为自然科学中的一个学科， 西方名为 physics ，东方名为 物理学。
5

中国人的“物理” 物理一词在中国古代即已出现，泛指一切事物的道理。 《淮南子》是公元前二世纪诞生于八公山下、淮河岸边的一 部具有划时代意义的思想学术巨著，由汉高祖刘邦的孙子、 淮南王刘安主编。全书二十一篇，篇篇皆是精妙的专论，内 容涉及到哲学、政治学、史学、经济学、军事学、伦理学、 自然科学等诸多学科。 淮南王刘安发明了好吃的……？
9

中国人的“物理学” 物理学在明末随传教士传入中国，明末科学家徐光启、方以 智是最早接触西方科学的中国人，方以智的百科全书式著作 《物理小识》介绍了许多天文、地理等自然科学知识，也是 东方“物理学”这个名称的由来。 清立朝后，大肆销毁、篡改、歪曲汉文化，闭关锁国，使中 国与世界隔离 200 余年，清后期再接触西方，已然不识物理， physics 被译为“格物学”或“格致学”，即格物致知，源 于儒家“致知在格物，格物而后知至”的思想。之后陆续有 《格致启蒙》、《格物测算》、《格致小引》等译本。
6
《淮南子〃览冥训》: 夫隧之取火于日，慈石引铁，葵之向日，虽有明智，弗能 然也，故耳目之察，不足以分物理； 心意之论，不足以定是非…… 往古之时，四极废，九州裂，天不兼 复，地不周载。火爁焱而不灭，水浩 洋而不息。猛兽食颛民，鸷鸟攫老弱。 于是女娲炼五色石以补苍天…… 羿请不死之药于西王母，羿妻嫦娥窃 之奔月，托身于月，是为蟾蜍，而为 月精……
32
实验检验 物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事 实为准则。理论不是唯一的，一个理论包含的假设越少、越 简洁，同时与之符合的事实越多、越普遍，它就越是一个好 的理论。 修改理论 当一个理论与新的实验事实不符合，或不完全符合时，它就 面临着修改或被推翻。不过，那些经过大量事实检验的理论 是不大会被推翻的，只是部分地被修改，或确定其成立范围。
27
28
3. 物理学是科学的世界观和方法论的基础 严密的逻辑推理 分析→综合；归纳→演绎；…… 高效科学的方法 统计平均方法；对称性分析方法；…… 创造性的思维方法 物理模型；理想实验；物理类比；…… 4. 理解、掌握自然界的基本规律
五、物理学的研究方法
提出命题
推测答案
29
理论预言
实验检验 修改理论 应用
10
3. 经典物理学 主要是指二十世纪前的物理科学，包括牛顿力学、声学、热学、 分子物理学、电磁学、光学等。主要研究速度远小于光速、尺 度远大于原子的领域，又称古典物理学， 涵盖普通物理学的 绝大部分内容，许多科学家做出了巨大贡献，如 亚里士多德、阿基米德 达芬奇、哥白尼、开普勒 笛卡尔、焦耳、卡特、莱布尼茨、科里奥利 亥姆霍兹、卡文迪许、富兰克林、赫兹 拉格朗日、奥斯特、伏特、安培、麦克斯韦 还有……？

33

理论的推翻 否定一种理论只需一个实验，但实验证据再多也“证明”不 了一种理论。这是因为： 无论多少次实验结果都是有限的，不能证明理论对所概括的 一切情况正确； 实验总是在某种精度范围内做的； 没有一个理论是独一无二的，例如永动机不可能这条能量守 恒定律以前用“人力有限”来解释，大气压强以前用“自然 害怕真空”来解释。
17

物理学各分支的研究领域 原子物理 生物物理 经典物理
化学物理 上述研究对象排列有什么规律？
天体物理
18

当今物理学研究的两个前沿领域 高能物理 最小的空间尺度探索基本粒子、深层次物质结构。 天体物理 最大的空间尺度研究宇宙演化和起源。 两者之间表面上看天差地别，实际上互相关联，如宇宙形成的 最早三分钟-----大爆炸理论。
21

物理学的基本任务 物理学认为：自然界是统一的，物质世界存在着支配它的完整 的因果链条，整个物理学的发展就是寻找支配宇宙万物的最基 本最统一的规律，并用一系列尽可能简明的概念和定律统一概 括物质的结构和运动的基本规律。简单概括就是： 奥克姆（中世纪末英国学者）准则 越接近真理，基本定律就越简单！
14
4. 现代物理学 随着科学的发展，物理学不断分化出新的分支： 原子物理 激光物理 等离子体物理 …… 物理学和其它学科相融合产生众多交叉学科： 天体物理 化学物理 生物物理 ……
15
5. 科学与技术 二者既有密切联系，又有重要区别 科学解决理论问题，主要是和未知的领域打交道，其进展， 尤其是重大的突破，是难以预料的； 技术解决实际问题，把科学的成果应用到实际问题中，是在 相对成熟的领域内工作，可作比较准确的规划。
24
25

牛顿的力学和万有引力定律，是物理学发展史上第一次大的 统一，是体现自然界是统一的这一信念的第一个成功范例。 传统观念认为：天体运行和地面物体运动的规律是不相同的， 有所谓天界和世俗界之分。 牛顿认为：天上行星、月亮的运动和地面落体运动都是由引 力引起的，它们遵从相同的规律。牛顿力学打破了天界和世 俗的界限，找到了两个世界的统一。牛顿称引力为万有引力， 就是强调这种统一。
二、物理学的研究领域

16
经典物理学的研究领域 研究对象的大小远大于原子尺度，运动速度远小于光速。 现代物理学的研究领域 研究对象为原子和原子核大小的高能粒子。包括 相对论和量子力学：将经典物理学原理作用于原子、分子而 发展起来的。这种新的力学统一地解释了原子、分子的各种 光谱现象，统一地解释了元素周期表，统一地解释了各种分 子的键合。 量子电动力学：量子论与电磁理论的统一。
19
至大和至小理论结合的物理学大蟒
三、物理学的基本任务

20
物理学的本质 探讨物质结构、物质运动和相互作用基本规律的科学 。物理 学理论是物理学定律、定理以及原理的集合。 物理学定律：是有限个实验或现象的总结和概括，具有相对 性，是一定范围或领域内的真理，它会不断被修正和发展。 物理学定理：由物理学定律出发，经过合适的逻辑推理而得 的结论。 物理学原理：即自然界的基本原理，是物理学研究的基础。 物理学的特征 是一门实验科学，物理学实验要求具有可重复性。 物理学实验是物理学理论正确与否的仲裁者。
11 11

伽利略(1564—1642) 意大利物理学家和天文学家，实验物理学的先驱者，提出著 名的相对性原理、惯性原理、抛体的运动定律、摆振动的等 时性等。《关于两门新科学的对话和数学证明对话集》总结 了他的科学思想以及在物理学和天文学方面的研究成果，被 誉为经典物理学之父。
12

牛顿（1643~1727） 英国物理学家、数学家、天文学家，1687 年版的《自然哲 学的数学原理》总结了前人和他自己关于力学以及微积分方 面的研究成果，提出动力学的三个基本定律，万有引力定律 等，是经典力学的奠基人。

8

盛唐时著名诗人杜甫《曲江二首》之一： 一片春花飞落，春随花落而渐去。 风吹落花万点，正是愁人时节。 放宽心态，看飞花随风飘去， 不要因感伤太多而嗜酒。 江边的明堂上有翡翠筑巢。 芙蓉苑边，有石麒麟卧在墓道旁。 细想这世间道理，应该及时行乐， 人生何必为浮名所累。
一片花飞减却春， 风飘万点正愁人。 且看欲尽花经眼， 莫厌伤多酒入唇。 江上小堂巢翡翠， 苑边高冢卧麒麟。 细推物理须行乐， 何用浮荣绊此身。
7
三国时吴人杨泉曾著书《物理论》，是研究和评论当时有关 天文、地理、工艺、农业及医学知识的著作。上梁不正下梁 歪即出自此书，《隋书经籍志》著录《杨子物理论》16卷。 《唐书经籍艺文合志》著录为《杨泉物理论》16卷。自宋此 书已佚失。 宋代朱熹等人常用“物之至理”或“物理”一词，被称之为 儒家的理学派。其曰： 万物各有其理，而万物之理终归一，曰“太极” 穷理离不得格物，格物才能穷其理
13
1900 年新春之际，著名物理学家开尔文勋爵在送别旧世纪所 作的讲演中讲道： 19 世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就 是修饰、完美这座大厦了。 同时他也提到物理学的天空也飘浮着两朵小小的，令人不安 的乌云，一朵为以太漂移实验的否定结果，另一朵为黑体辐 射的紫外灾难。实际上“乌云”不止这两朵，还包括气体比 热中能量均分定律的失败、光电效应实验、原子线光谱等。 然而，就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命 风暴，导致了现代物理学的诞生。
30
提出命题 命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可 能是从已有原理中推演出来的。 推测答案 答案可以有不同的层次 建立唯象的物理模型； 用已知原理和推测对现象作定性的解释； 根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，对现象作出定量的 解释。

31

理论预言 作为一个科学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪的 预言。这是真、伪科学的分界。 为什么说“证伪”而不说“证实”？因为多少个正面的事例 也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所 以理论是不能完全被证实的。 为什么要求能用实验来证伪？假如有人宣称：在我们中间存 在着一种不可探知的外来生灵。你怎么驳倒他？对这种论断， 你既不能说它正确，又不能说它错误。我们只能说，因为它 不能用实验来证伪，所以不是科学的论断。
26

麦克斯韦建立的电磁理论使电、磁 及光学现象得到统一，建立了电动 力学，是物理学发展史上第二次大 统一。
Hale Waihona Puke 爱因斯坦将麦克斯韦电磁理论与引 力理论协调起来创立了广义相对论。 构成了我们今天称为经典物理学的 理论基础。
四、物理学的学习价值
1. 物理学是自然科学的带头学科 定量的科学，与数学有着密切的关系 与天文学密不可分 与化学唇齿相依、息息相关 对生物学的发展起了决定性的作用 2. 物理学是现代技术革命的先导 卢瑟福 a 粒子散射实验 → 核能利用 爱因斯坦受激辐射理论 → 第一台激光器 量子力学 → 晶体管与集成电路诞生 微结构物理 → 大规模集成电路