选修课前言

前言前言物理学是研究物质运动的最普遍形式的规律以及物质基本结构的科学。物理学史是研究物理学产生和发展规律的科学。钱三强教授：《物理学史》序物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地。这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘。如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得教益，我相信对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的。钱三强教授：《物理学史》序科学上没有平坦的大道。我们要通过物理学史的介绍，向学生讲清楚，科学经历的是一条非常曲折、非常艰难的道路.然而，我们的教师在对学生进行教育的时候往往是应用经过几次消化了的材料来讲授，或者经过抽象的理论体系，这当然是必要的，但是这样的教学方法，往往会使学生对概念的产生和发展引起误解，以为什么结论都可用数学推导出来，失去了对观察和实验的兴趣。这样的结果使学生们不了解科学是怎样来的，时间长了，等到他自己从事教学时就很容易把科学当作一门死科学来教.今天我们科学界有一个弱点，这就是思想不很活泼，这也许跟大家过去受的教育有一定关系。（最初发表于1980年）钱三强教授在演讲二十多年一直是我的指导思想一.物理学史的分期二.物理学的研究方法三.物理学基本观念的变更四.学习本课程的目的五.学习方法一.物理学史的分期1.古代物理学时期---科学的萌芽期时间：从远古到16世纪中叶。特点：主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。文化中心：古希腊和古代中国是。2.经典物理学时期：时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。16世纪中叶，哥白尼提出“日心说”。17世纪晚期，牛顿建立了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。之后，经典热力学、电磁学相继建立。到19世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。3.现代物理学时期：时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19世纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命；标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物理学的诞生。20世纪50年代以后，物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群，包括高能物理（粒子物理）、原子核物理、等离子体物理、凝聚态物理、计算物理和理论物理等主体学科以及难以计数的分支学科。物理学与各学科之间相互交叉、相互渗透形成了众多很有发展前途的交叉科学。物理学史的分期二物理学的研究方法1.古代：主要依靠不充分的直观观察、思辩性猜测、形式逻辑的演绎和简单的推理，直觉地、笼统地去把握物理现象的一般特性。2.近代：①观察方法从自然观察为主发展为以仪器观察为主；②强调系统的有目的的实验；使物理学作为一门实验科学的特点显现出来；③科学实验和数学方法的结合，使精确的、定量的物理学研究有了很快发展；④分析、归纳和演绎等逻辑方法的发展，促进了经验材料的整理和理论建构；⑤到19世纪末统计方法的应用使由大量分子偶然事件组成的体系的宏观规律得以研究。3.现代：①大型、精密仪器的创制、分析技术的发展和计算机的发明应用，使物理实验在精密、快速和自动化方面都达到新水平；②物理理论的公理化、数学化特征日益突出，现代物理成为数学物理学；③由于物理学研究领域越来越远离人们的感性经验，创造性思维在创建新理论中的作用更加突出；如科学想象、理想实验、大胆猜测，以及类比、直觉和灵感等非逻辑性方法；④追求简单、对称、和谐与数学美。三物理学基本观念的变更当不断增加的感性经验知识尚可为原有的观念所容纳和理解时，科学的发展表现为渐进的积累；而当新的科学事实无法为原有的理论框架所包容时，就会发生科学革命，提出新的基本观念。如：※古代物理观与经典物理观：地心说→日心说；亚里士多德的运动观与伽利落的运动观；※经典时空与相对时空：牛顿的绝对时空观：物质实在具有不变质量的粒子和粒子体系；力只引起运动状态的变化；物体间只存在中心力作用；与媒质无关的即时作用；物质的运动状态只由初始条件唯一确定的因果观；平直空间等。爱因斯坦的相对时空观：奥思特电流磁效应→非中心力；法拉第电磁感应→力产生于空间状态的变化；媒递作用；质量与能量有关E=mc2；时空具有非欧几里德性质，引力只是“时空”弯曲的表现。※经典理论与量子论：经典物理学的连续性原理→微观现象不连续性的量子化概念；波和粒子的矛盾→波粒二相性概念；精确测量原理→测不准关系；机械决定性原理→采用有几率意义的波函数作为运动状态的描述1.加深对概念和理论的理解，启迪科学新思想的萌发和产生2.可以使我们认识到“科学是最高意义上的革命力量”。3.可以培养我们的科学思维，掌握科学研究的方法，加深对科学研究的认识，可以活跃思想，开阔眼界，使我们的知识立体化。4.思想观念转变的重要性5.可以培养辩证唯物主义思想，以造就同学们追求真理，献身科学的崇高思想境界总之，通过对本课程的学习，可以进一步培养我们的①人文素质，②科学素质，③创新素质，④思想素质，四.学习本课程的目的1.加深对概念和理论的理解，启迪科学新思想的萌发和产生随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围也不断扩大和深化。在古代，物理学只是自然哲学的一部分，16世纪以后才从哲学中分离出来。以后又逐步建立了力学、热学、电磁学、光学、相对论、量子力学、粒子物理等分支学科。本课程正是要研究物理学各个基本概念、基本理论的酝酿、产生和发展过程。通过本课程的学习，一方面能加深对这些概念和理论的理解，另一方面可以从中受到启迪，有助于科学新思想的萌芽和产生。2.可以使我们认识到“科学是最高意义上的革命力量”。物理学是科学发展史，而科学是人类发展的核心部分。每次物理学上的重大突破，都会对人类社会发展产生重大影响，产生震撼人心的冲击和重大技术革命。特别是近代以来，历次物理学重大进展通过技术革命为中心转化为直接生产力，从而推动了社会经济的发展，并最终引发社会革命，推动人类社会从农业社会到工业社会，从蒸汽时代进入电力时代、电子和原子能时代以至现今的信息时代。另一方面，科学技术的进步也带来了一些当初料想不到的负面效应，如环境污染、生态失衡、自然资源过度消耗等。最典型的就是原子能的利用：原子能发电和原子弹。学习物理学史的目的3.可以培养我们的科学思维，掌握科学研究的方法，加深对科学研究的认识，可以活跃思想，开阔眼界，使我们的知识立体化。拉普拉斯：“认识一位天才的研究方法，对于科学的进步，并不比发现本身更少用处，科学的研究方法经常是极富兴趣的部分。”学习物理学史的目的在物理学的长期发展中创立了许多很成功的、成熟的方法。物理学研究中建立了许多理想模型、思想过程、理想实验，这些近似抽象方法促成了许多定律的发现。另外还有观察和实验，分析和综合，归纳和演绎，类比和联想，猜测和试探，逻辑推理方法，佯谬和反证方法，数学和定量方法，科学移植方法，科学假设方法，概率统计方法等。爱因斯坦：“科学结论几乎总是以完成的形式出现在读者面前。读者体会不到探索和发现的喜悦，感觉不到思想形成的生动过程，也很难达到清楚地理解全部情况。”而本课程将会把科学家在探索过程中的智慧之光带给同学们，力图做到“授之以渔”。学习物理学史的目的4.可以使我们认识到思想观念转变的重要性物理学理论的历史发展，最集中、最本质的表现在物理学基本观念和相应的物理世界图景上的演变上。这种演变又鲜明的反映在物理学思想的根本变革。近年来，物理学的基本观念经历了牛顿力学的“绝对时空+超距中心作用+机械决定论”，到经典电磁场理论的“非中心力+媒递作用观+场”，到相对论的“相对时空+质能关系+等效原理+时空弯曲”到量子力学的“量子态+不确定性+几率决定性”的深刻变革等。物理学中复杂的数学公式和定义等，都不过是基本观念的表达形式和演绎工具，基本观念才是先导的、本质的东西。所以，每当学习一个新理论，必须改变自己的思想观念和思维方法。物理学的发展总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基底的。正是伽利落否定了亚里士多德的自然运动和强迫运动的思想，得出惯性定律，才把力学的研究引上正确的途径。马赫对牛顿绝对时空观的批判，深刻地影响了爱因斯坦，终于迈出了创立狭义相对论的步伐。5.通过学习科学家的精神，培养同学们追求真理，献身科学的崇高思想境界对科学研究要有一个正确认识。科学的道路是不平坦的,科学家成功之路是艰险的,要准备付出比常人更多的精力和代价,必须有热爱科学、献身科学的精神,要善于继承又勇于创新,才有可能取得成功。牛顿怎样站在巨人的肩上、爱因斯坦十年的追光思考、居里一家的艰难困苦、卢瑟福长期研究阿尔发射线以及量子理论早期发展所经历的曲折和磨难。从伽利略、牛顿到法拉第、爱因斯坦,从外国科学家到中国科学家,他们的奋斗历程,他们的创造过程.物理学发展史中每一次飞跃,经过了多少准备,又遇到那些矛盾。学习物理学史的目的开尔文晚年在回忆其科学生涯时说：“我过去五十年里所极力追求的的科学进展可以用‘失败’这个词来描述……当然在失败中必然有些悲伤，但在科学的追求中，本身包含必要的努力，带来很多愉快的斗争，这就使科学家避免了苦闷，而且或许还会使他在日常生活工作中相当快乐。”爱因斯坦：“人只有献身于社会，才能找出那实际上是短暂而有风险的生命的意义。”学习物理学史的目的五.学习方法1.善于分析：物理学经历了一个漫长发展的历史过程，我们在学习研究中，应该好好想一想，为什么一些科学家能够有所发现，而另一些人却与成功失之交臂？其社会背景是什么？……我们应充分利用历史宝库提供给我们的资料，从中吸取营养。2.注意联系1)物理学与生产和科学实验的联系2)物理学与数学的联系3)物理学与技术的关系4）物理学与其他自然科学的关系5）物理学与社会发展的关系1)物理学与生产和科学实验的联系物理学是以实验为本的科学，实验是人类有目的地变革自然的过程中认识自然的一种手段，是人类发挥高度智慧的一种特殊的实践活动。物理理论是在生产实践和科学实验的基础上发展起来的，实验可以检验物理科学理论的正确与否，而实验的开展也离不开物理理论和思想的指导。通过物理学史的学习，可以充分认识实验在物理学发展中的作用，端正对实验的认识。3)物理学与技术的关系物理学的发展与技术密切相关，如果没有真空技术、低温技术和电子技术，就不会有现代物理学。同样许多技术的革新和发展，需要物理学家的合作。既不要鄙视技术工作，也不要低估物理学的作用。如：激光技术、晶体管技术、超导技术、同位素技术、红外技术、生物工程技术等等。2)物理学与数学的联系数学是物理学家的思维工具，物理规律只有通过数学的形式才能完美地表达。没有对数，就难于建立开普勒三定律；没有微积分，牛顿得不出万有引力定律；没有统计学，无法发展分子运动论；没有黎曼张量，爱因斯坦的广义相对论就不能完善。总之，物理学的发展离不开数学，而数学的发展也和物理学密切相关。毕达哥拉斯曾说“万物皆数”，而物理被誉为“万物之理”，数理是人类智力训练和科学发展的一个重要组成。学习物理学史的方法4）物理学与其他自然科学的关系物理学与天文学、化学、地质学、生物学等自然科学也有密切关系。牛顿力学的直接基础是天文学中的开普勒三定律；原子论起源于化学；而近代化学的基础则是量子理论。现在产生的许多边沿科学最能说明这种关系：生物物理、激光化学、天体物理、地球物理等等。5）物理学与社会发展的关系物质技术的发展：物质是基础，没有经济基础做保障，就没有技术的发展和进步，许多实验工作就无法开展。意识形态的进步：观念的变化，思想解放永远是科学突破的先决条件。学习物理学史的方法