大学物理绪论课

大学物理绪论课一、物理学研究的对象和研究的方法1什么是物理学物理学是揭示自然界最基本形态的科学。是研究物质的基本结构，相互作用和运动形态基本规律的科学。也就是说，物理学是研究物质运动最基本规律的科学。（虽然是最基本的，但它所研究问题的深度和微观程度，又是最不好研究的）物理学又为所有其它的自然科学，技术科学，医学，乃至刑事技术科学提供理论基础和技术手段；能够为刑事侦察专业提供科学研究方法。我们学习大学物理的目的就是为了提高科学素养，培养逻辑思维能力，逻辑推理能力。物理学又为发展能源，改善环境，保障国家安全提供基础。可以说物理学是除数学以外一切自然科学的基础。物理学在理论原理和实验技术上的每一次重大进展都有利地促进了科学技术的进步和社会经济的发展。（就是在我们学院的课程设置上，大学物理也被列为刑事技术科学的基础课。侦察专业的公共基础课;）总之，物理学一直在科学，技术乃至科学思维的发展中发挥着极其重要的作用，对人类的文明产生巨大的影响。就是对于我们在今后从事刑事科学技术工作，刑事侦察工作，物理学始终是最强有利的武器。2物理学的框架结构大体上说来，整个物理学的框架结构由两大部分组成。一个是经典物理学（以牛顿力学，麦克斯韦电磁场理论以及热力学为主要基础而构成的）;一个是近代物理学（以Einstein相对论以及量子力学为主要基础而构成的）。从经典物理学到近代物理学，是人们对物质运动认识上一次大的飞跃。从物理学的发展进程来看，它们代表着两个重大的里程碑。具体地说，物理学的重大基础理论可分为五大门类。1）力学（就是牛顿力学或经典力学）一一关于物体作机械运动的理论;2）统计物理和热力学一一关于热现象和大量粒子集合特性的理论；3）电磁学一一关于电和磁以及电磁辐射的理论；4）相对论一一关于物理规律不变性和高速运动理论；5）量子力学一一关于微观粒子运动的理论。3物理学的研究方法观察，实验，抽象，假说等是物理学的研究方法。物理学的理论，就是通过“观察，实验，抽象，假说”等研究方法，并经过实践的检验而建立起来的。不遵循这一认识法则就不会有物理学的今天。1）两位科学家的故事在这里，给大家讲两个物理学家的故事，更能说明这一点。第一位是亚里斯多德，古希腊人对物理现象曾作过许多研究。其中最为系统的算是亚里斯多德。亚里斯多德出生于公元前384年。他是一个发音不清，眼睛很小，瘦弱，而且装束及发型都与众不同的人。（是一个很有个性的人），他于公元前335年（49岁），在雅典成立了第一所大学。亚里斯多德不仅是一位哲学家，而且是一位教育家，政治家，文学评论家，生物学家，伦理学家，物理学家7）。亚里斯多德被认为是古代最伟大的哲学家和科学家。他的知识渊博无比，令人叹服。有这样一本书“人类百位名人排座次”，是美国数学家麦克哈特著的。在这里，列出了一百位名人，按其对人类历史影响力的大小排出名次。1穆罕默德，（伊斯兰教的创始人）（基督教徒：蒋介石，宋美玲，张学良），2牛顿，13伽利略，14亚里斯多德，17达尔文，89毛泽东，35希特勒。亚里斯多德的讲话成了古希腊思想的百科全书。他包括各种各样的论题，包括完整的对世界的看法，结果使文艺复兴时期以前欧洲科学思想完全处在亚里斯多德的影响之下。他的物理学一书可称是世界上最早的物理学专著。然而，亚里斯多德对物体运动一些看法基本上都是错误的。1）如地心说，2）物体运动必须要有外力，3）重的物体向下运动；轻的物体向上运动。就是这样一位博学多才的科学家，怎么会出错呢，其原因就是因为亚里斯多德的这些结论完全都是他纯粹推理的结果，既没有实验事实作为依据，也不认为由实验来检验。由于亚里斯多德的威望，他的错误长期禁锢人们的思想。直到17世纪后才为伽利略，牛顿等人所打破。由此可见，没有实验，就可能得出错误的结论。“十一界三中全会”78年以来，我们党提出“实践是检验真理的唯一标准”，物理学更是如此。第二位科学家是伽利略，伽利略是如何做的呢，伽利略是开创自然科学研究方法的第一位学者，伽利略把实验的方法提高到真正的科学水平，又把实验方法和数学方法成功地结合起来。伽利略是经典力学的奠基人，也是近代科学方法的创始者，他被尊称为近代自然科学之父。在科学成果和研究方法这两方面，伽利略的贡献具有划时代的意义。（在科研成果上，伽利略的贡献有两个：其一是天文学上的贡献，其二是经典物理学上的贡献。伽利略制造了一架望远镜，科学家的探索精神促使他把这架望远镜指向天空，从而在天上第一次发现了前所未有的现象。如月球和地球一样，也有高低，不平。有人说伽利略在天上发现了新大陆。可以说，通过观察，实验，伽利略为哥白尼的日心说提供了科学的依据。就是物理学的老前辈也时常教悔从事物理学研究的工作者，要重视实验，可以说物理学离不开实验，否则，就无用武之地。）伽利略是一位既善于动脑，又善于动手的科学家，在他的科学生涯中，他制造许多科学仪器，除了世人熟知的伽利略望远镜以外，还制造过温度计，脉搏测量计等科学仪器。总之，无论是在天文学上的贡献，还是经典力学上的贡献，都充分体现了伽利略的研究风格，即观察和实验。以上两位科学家的失败的教训和成功的经验。足以说明，学习物理学规律，一定要注意观察和实验。2）怪坡的解释（抽象的研究方法）二、物理学在科学技术发展中的作用1物理学与三次大的技术革命每当物理学的发展经历一次大的突破，都会对社会经济发展产生巨大的影响。物理学是科学技术发展的重要源泉，三次产业革命（蒸汽机、电气化、信息化）均来自物理学或与物理学紧密相关。17,18世纪，由于牛顿力学的建立和热力学的发展，不仅有利地推动了其他学科的发展，而且适应了研制蒸汽机和发展机械工业的社会需要，从而引起了第一次工业革命，同时，推动了人类社会的巨大变革。内燃机，气轮机的出现使现代科学技术突飞猛进，导致了火车，汽车，轮船和飞机的一一出现。从而使交通运输业得到了迅速的发展，极大地改变了工业生产的面貌。（这是第一次技术革命）19世纪70年代，麦克斯韦创立了电磁场理论。为电力技术的产生提供了重要的理论基础。由于电磁学的发展，引起了第二次世界性的技术革命。建立了以电机为动力的电气化工业体系和各种电气工业部门。例如：电解，电镀，电焊，电热，电力输送等，同时，电话，电报等信息传递技术也随之广泛地利用起来。从而把工业生产推向历史的高峰。1770年，英国科学技术造成的生产率和手工业劳动生产率的比仅仅是4：1,而到1840年工业电气化的初期就很快把这个比例提高到108：1。这充分说明科学技术力量怎样使一个工作日的生产率在70年间提高到27倍。（这是第二次技术革命）第三次技术革命发生于20世纪50年代，20世纪以来，由于相对论和量子力学的建立，人们对原子，原子核结构的认识日益深入。先后引发了原子能，电子计算机和空间技术的出现和应用。导致了新材料技术，微电子技术，激光技术，生物技术，海洋技术，新能源技术等迅速崛起，形成了以电子计算机为核心的高新技术群，掀起了一场新技术革命的浪潮。有人称它是“第三次浪潮”。在不到一代人的时间内，人类同时进入原子能时代，太空时代与计算机时代，其影响之广，意义之大是以往任何一次技术革命都无法比拟的。总之，这三次大的技术革命，都是以物理学为基础，物理学的功绩不可低估。2物理学在高技术中的应用“高技术”一词起源于美国，是指那些基本理论建立在最新科学成就基础上，并能创造较高经济效益，具有增值作用，能向经济，社会各个领域广泛渗透的新技术。高技术一般分为两类：一类是高准度技术，如航天技术，导弹技术，核技术；例如神5、神6和神7的成功发射，标志着我国的航天技术达到了世界的领先水平。另一类是高效益技术，如微电子技术，生物工程，新能源，新材料等。例如即将广泛应用的纳米材料。当今，物理学在高技术上的应用，都达到了空前的发展速度。如核电站的建设，航天飞机的升空，人造卫星，各种探测器的发射及其在太空的运行，各种加速器的建成（北京正负电子对撞机），超导研制的新进展。如广东大亚湾核电站的建立，标志着，我国核电技术达到了世界先进水平。总之，高新技术与物理学的关系是非常密切的，没有物理学的巨大成就，就不会有当今的高新技术。3物理学与新学科的关系随着科学的发展，物理学和其他学科的相互渗透产生了一系列的交叉学科，例如化学物理、生物物理、大汽物理、海洋物理、地球物理、天体物理等等。在物理学基础性研究过程中形成和发展起来的的基本概念，基本理论，基本实验手段和精密的测试方式，已成为其他自然科学的重要概念的基础和重要的实验手段。由此加速了自然科学内部的相互融合，展现了综合化的趋势。使众多的交叉学科蜂涌出现，用物理学的理论与方法移植去研究另一门学科，就会诞生一门交叉学科。如用量子力学的方法探讨化学问题，就形成量子化学，量子力学与生物学交叉，产生量子生物学。他是应用量子力学原理从电子水平上研究生命现象的学科。总之，物理学在现代科学高度分化，又高度综合，日趋一体化的发展中扮演着极其重要的角色，难怪有人把20世纪看作物理学的世纪。把物理学看作是20世纪科学发展的先驱。这种评价在也恰当不过了。（科学的发展越分越细，学科面对的领域越来10越窄，越容易出成果，如诺贝尔奖都是在很窄的领域内获奖的。随后是高度综合，产生交叉学科，边缘学科，刑事科学技术的产生亦是如此。)421世纪的技术特征20世纪的科学进步，集中体现在关于物质、生命、思想的基本构成的科学成果。原子与量子革命、基因与DNA革命、计算机与信息革命，构成了20世纪现代科学的三大支柱。其中量子革命是最基础的一个，由它带动了其他两大革命。1925年由量子理论引发的科学大潮，使我们理解了周围的物质。它使我们能在实验室创造出某种物质之前就能精确地预测其属性，我们能随心所欲地创造和操作新形式的物质。1944年薛定谔在《什么是生命》一书中提出生命的秘密可以用量子理论解释，并大胆地猜测，这个秘密就是写在细胞核内分子上的“基因密码”。1953年詹姆斯・沃森(JamesD.Watsn)和弗朗西斯•克里克(Franclscrick)发现了DNA的“双螺旋”结构，揭开了这11个秘密。人们应用分子生物技术就能像读书一样，阅读生命基因的密码，破译后就可以随心所欲地操纵生命。正在实施中的“人类基因组计划”，为我们提供了一本隐藏着人类遗传全部秘密的密码本，昭示了人类对自身的了解迈入了一个新阶段，开创了在分子生物学基础上发展医学和药物学的新开端。什么是人类基因组计划？把存储于基因组中的所有的遗传信息一核苷酸的排列次序搞清，这一计划旨在对30多亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。人类基因组计划的目标：从1990年开始，用15年的时间，投入30亿美元进行人类基因组全部DNA序列分析。目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命12现象、为疾病的诊治提供科学依据。人类基因组计划的意义：人类有23对46条分别来自父母双亲的染色体，因此，如果我们测出了全部人类23对染色体上DNA序歹U，那么，我们就可能掌握人类几乎所有的遗传秘密。人类基因组遗传密码的破译，特别对遗传病诊断与治疗是福音。现在，已知人类8000多种遗传病，只有极少数可以治标，还谈不上治本。遗传密码的破译，将使人类战胜遗传病成为可能。相信将来医院会设立“分子科门诊”，专门治疗遗传基因疾病，使人类活的更健康更长寿。2050年，人类的平均寿命是100岁。“人类基因组计划”的实施过程“人类基因组计划”这项工作，重大而复杂，完成整个计划所需经费堪称天文数字，这一庞大计划，最初美国争论得相当激烈。“人类基因组计划”这项工作，也就是人类基因组DNA序列图的绘制工作，可以做这样的比喻：假如人们只穿4种颜色的衣服，红、黄、白、黑，“人类基因组计划”就相当把世界上30亿人所穿的13衣服都搞清楚，而且注明位置顺序，如所在国家，城市，街道，楼房号，房间号。1990年，美国刚搞“人类基因组计划”时，好多人联名写表示反对，现在不同的意见就没有了。1995年，德国才开始实施“人类基因组计划”，德国的科学家反省到：一个科学的设想，如果已经没有一个人反对，即使正确也肯定为时过晚。德国在二战后，曾错过两个科学发展机遇，一是电子计算机，二是“人类基因组计划”。1993年，英国开始加入“人类基因组计划”，并承担1/3的测序；1990年6月，法国的“人类基因组计划”开始启动，并承担3%的测序；1990年，在美国的推动下，日本开始启动“人类基因组计划”，并承担7%的测序；1999年2月，中国开始加入“人类基因组计划”占世界人口20%中国，承担1%的测序任务。中国参与“人类基因组计划”这项工作，正如国际14同行和海外留学生所说的，充分显示了我国新一代领导人与决策者，对全球科技格局的了解和参与国际重大课题的新思维与新策略。显示了中国领导人与决策者的高瞻远瞩与英明果断。1%的项目，使我国理所当然地分享“人类基因组计划”的全部成果与数据资源与技术，并拥有有关事物的发言权。实际上，2005年6月25日，人类基因组工作草图已全部完成。美国和英国科学家2006年5月18日在英国《自然》杂志网络版上发表了人类最后一个染色体一一1号染色体的基因测序。5)21世纪的技术特征1948年巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，使现代计算机的制造成为可能；1960年梅曼制成了激光器。以上应用量子力学的成果，构成了当代网络技术的基本组成因素，使人类获取、应用和交换信息的方式发生了质的变化。未来的技术进步，深深地根植于这三大革命之中。15（原子与量子革命、基因与DNA革命、计算机与信息革命）21世纪科学技术突破的关键有三类：生物技术，这一领域目前进入得太快，很多问题还来不及思考；认知技术，它与脑科学相结合，揭示智力的机制及获取知识的条件；信息技术，特别是正在彻底改变图像、声音、文字和数据的生成、传送和接受方式的“数字技术”。它们相辅相成，构成了一个完整的技术体系，代表了今后一个长时期的工程的技术特征，将带动人类物质文明发生深刻变化。技术的发展是人身体进化的延伸。以往技术物品的出现，从石器到芯片，从水轮到航天飞机，从窑洞到摩天大楼，进化采用了外在化模式，它在生理上止于人，在人以外进行。人的能动性，不依赖于人身体的进化，而来源于技术的发展，而基因技术有可能改变这种模式，当应用基因技术对人体的DNA进行重新设计和改造时，技术就被“内在化”了，从此走上了以“内在化”为主，“内在化”和“外在化”协调并进的双轨道。霍金在展16望科技未来时，认为“人体DNA在过去一万年间没有经历过任何重大变化”，他预料“这种情况在未来会有所改变”，人类有可能利用基因技术加速生物进化进程。他告诫“面对这一可能出现的前景，人类必须及早考虑如何采取对策”。在今天，这种内在化的趋势已经不可逆转，而且在这一方向上以前所未有的速度发展着，我们只是还没有认识到这场变革的全部意义。在技术与文化的关系上，技术在观念的影响下成为文化的一个组成部分或文化的产物和条件。但最终还是技术塑造了今天的文化，技术体系特征的断裂将导致文化上的断裂。例如，哲学有一个基本概念一一自我。传统的“自我”指一个“自我”对应一个自己的身体，这种对应必须是一对一的，这就构成了“自我”的统一性条件。基因在永恒稳定性意义上反映了人体本质，改变一小段基因序列也就改变了人体本身.当我们应用基因技术对人体细胞进行手术治疗改变了人体本质后；当考虑了克隆人后；当人造器官技术的内在化，使人体中人造器官越17来越多后，它们都使“自我”的“身份”成了问题，必将导致观念的重新界定和文化上的断裂。每种技术的出现总伴随有技术风险，既在技术设计中可获得预期的利益，又在应用过程中会产生难以预料的副作用。在这种情况下，法律与伦理，可以推迟技术在某些领域中的应用，以便对这种副作用进行事前控制，以降低技术风险。对这种副作用进行研究，对技术风险进行评估，是技术思想的一大进步。发展是硬道理.在技术发展的每一个阶段，不仅孕育了进一步发展的种子，也包括了解决由发展所带来问题的方法。技术的发展将最终决定价值观念的变化，而不是相反.因此我们要努力把握今天正在发生的变革，在技术发展的现实过程中摒弃一切阻碍发展的旧观念，提出假设和检验假设，更新或重建技术思想中的新观念，为技术的发展扫清思想障碍。今天正处在这样一个永久变革时期。三物理学与刑事科学技术的关系刑事技术科学是研究应用现代科学技术对付犯罪活动过程中有关技术理论和方法的科学。刑事技术科学在18科学大体系中，应属于技术科学系统中的一个基本门类。这门科学的产生，一方面来自刑事工程技术实践中提炼的技术科学，如“手印学”，“足迹学”，“工具痕迹学”等等，另一方面，则是来自物理，化学，生物等自然科学和各种工程技术的理论成果。刑事技术科学的结构层次：基础理论学科，技术科学，刑事工程技术实践。十一界三中全会以后，刑事科学技术这门课开始登上公安，政法院校的大雅之堂，经专家们的努力，现在刑事技术科学作为一门独立的科学已获得了学科的地位，实事求是地说，关于刑事科学技术的理论研究是不够的，研究层次浅显，缺少内在规律的研究和进行理论的概括。在个体研究上是领先的，而在基础理论研究上却是滞后的。50年代我们引进了苏联的同一认定理论和相当于苏联当时水平的各项技术知识；成立了专门的研究机构，开设了技术培训班，培养了新中国第一代刑事技术专门人才。而大规模，全方位地开展刑事技术研究和实践则是近二十多年的事情。所以说，在过去相当长一个时期内，人们普遍把现代刑事科学技术，仅当作单纯的应用技术，19只是科学知识的“借用”，体系不健全，应充分认识这一点。（从当前的形式来看，国内，国际较大的刑事案件多是预谋犯罪，罪犯利用现代的交通工具，比我们还先进，戴上假面具，人造花纹手套，有的穿上特制的毛履，甚至用物理的，化学的方法，生物学及生态学的知识作案。可以说，犯罪分子一天比一天狡猾，作案手段一天比一天高明，从常规作案向智能化作案演变，如破坏现场等。“道高一尺，魔高一丈”。）当今，揭露和打击犯罪的重要途径就是充分利用现代化科学技术，利用现代化的仪器设备，使检测手段进入微观世界，主要用物理的，化学的方法来提取潜在的痕迹物证，对犯罪分子无法消除的微量痕迹物证，进行分析检验，其主要有以下几个方面的技术。1形貌显示与放大技术：扫描电子显微镜与X射线分析仪连用，还可对检材进行化学组成分析。2组成与结构分析技术：这项技术是利用现代化的分析方法，对文书物质材料，爆炸物证，泥土，金属粉20末等微量物证和各种毒物进行组成，结构分析。其方法有：色谱分析，质谱分析，核磁共振波谱分析，中子活化分析等。3法医学技术：医用物理学4激光技术：激光显现指纹；全息照相（视觉上再现原物的主题形象）激光传真，未来的激光手枪等。5电子计算机技术：6微区分析技术：其主要用电子显微镜，离子探针，电子探针，激光摄谱仪等检验微区形貌和组成，适用于体小量微含量低物证的鉴定。“微量油漆的激光显微光谱分析”7特别行动技术：四怎样学好大学物理学.李政道先生感言一般人都认为物理学难学，连物理学家也承认这一点。在物理学中我们既看不到艺术形象令人惊叹的表演，也欣赏不到音乐，绘画能直接触动我们的情感。但如果你真正进入物理世界，你就会体会到物理学在揭示自然21界最基本规律的严谨和完美，并领会到物理学对推动人类文明及其他活动所起的巨大作用，这就是我们学习枯燥物理的乐趣。.物理学的知识体系特点物理学是一门自然科学，整个物理学就是一组有系统的普遍联系的物理理论体系，他的各个部分虽有其特定的分工，但相互间却有着密切的关系，构成了一个有机的整体，各个物理规律以他们内在的联系为线索，形成有系统的知识，这样的知识结构有助于能力的培养。（是否掌握必备物理知识，这是素质问题），.提高物理素养，培养自己的能力。提高物理素养，培养自己的能力。掌握知识与培养能力二者密切相关，掌握知识能促进能力的发展，而缺少必备的知识又保障能力的发展，能力的提高有助于知识的迅速掌握，能力不能归结为知识。.需要培养的智能因素需要培养的智能因素有：1）自学能力222）研究能力3）思维能力4）表达能力5）管理能力6）创造性能力.智能的概念智能就是一个人掌握知识或技能所必需的必要的时间，这一定义的意义是，只要有足够的时间，所有的学生都可以掌握所学的科目。（时间多少的问题）.怎样学好大学物理学1）学习态度问题要端正学习态度，从掌握知识，培养能力，科学素养，科学素质这些方面多考虑问题。还要坚信物理学是从事刑事科学技术必备的知识基础。不学不行，不及格不能毕业，考研究生150分，就是说进行深入学习离不开物理学的基础，未来的工作一直是强有利的武器。一定得学好，要主观努力，刻苦学习，多用时间，多做习题。2）认识方面的问题一定解决有用没用问题，有23人认为学习物理学对专业课没用，为什么呢？其主要原因，就是因为基础课与专业课之间断层，学科间都是高度分化，而对刑事科学技术正是缺少高度综合。尤其是刑事技术科学与基础学科间的高度综合。（王敬雷）3）学习方法问题学习得法事半功倍，学习无法事倍功半。而又无固定的学习方法，因人而异，通过不断学习摸索出来，自己应不断总结，上升到理论高度。（1）重新研究学习方法以前有一些好的学习方法，现在不一定适用，这是因为大学的物理课，无论是在内容上，还是在要求上，都大幅度深化，拓宽和提高，讲课速度快，信息量大，这是和中学物理完全不一样的。（2）无固定的教材，只有参考书，自学成分增多，要求大家一定听课，不许缺勤，一定记笔记，一定及时完成作业，平时作业和实验占一部分期末成绩，课后及时消化，理解。（3）不能死记硬背：一定建立正确的物理图象（亚里斯多德）。避免停留在对表面现象的一般了解。要通过现象掌握事物的物理本质和物理机理。在理解基础上记24忆，勤学好问，打破沙锅问到底。25提高物理素养，培养自己的能力。掌握知识与培养能力二者密切相关，掌握知识能促进能力的发展，而缺少必备的知识又保障能力的发展，能力的提高有助于知识的迅速掌握，能力不能归结为知识。物理学是一门自然科学，整个物理学就是一组有系统的普遍联系的物理理论体系，他的各个部分虽有其特定的分工，但相互间却有着密切的关系，构成了一个有机的整体，各个物理规律以他们内在的联系为线索，形成有系统的知识，这样的知识结构有助于能力的培养。（是否掌握必备物理知识，这是素质问题），需要培养的智能因素有：7）自学能力8）研究能力9）思维能力表达能力26管理能力创造性能力智能就是一个人掌握知识或技能所必需的必要的时间，这一定义的意义是，只要有足够的时间，所有的学生都可以掌握所学的科目。（时间多少的问题）五培养逻辑思维能力科学地掌握逻辑推理方法（物理问题解决中主要逻辑推理形式）逻辑推理在人类活动中占有很重要的地位，它是从大量的观察与实验材料获得的感性认识，形成概念，做出判断，上升为理性认识的重要手段。而在实践基础上产生的理性认识，才能更深刻，更正确，更完全地反映客观事物。物理问题的研究与解决也是一种认识活动，逻辑推理能够更好地揭示物理规律的本质，促进物理概念的形成；同时，借助于严密的逻辑关系，可把有关的知识联系起来，建立统一的知识体系，形成一定的知识结构，27构成完整的物理理论体系。因此，逻辑推理在物理问题的研究与解决中能够发挥重要作用。逻辑推理具体有主要四种形式：归纳，演绎，分析,综合。（归纳法：是从一些个别实验事实和感性材料中，概括出理论性的一般原理的一种逻辑推理和认识方法。因为个别事物特性中也包含有一般性的共同东西，故可以从若干个别事物特性中概括归纳出它从整体上所具有的某些特性和规律。因此简单说，归纳法就是从特殊（个别）事物概括出一般规律的方法。归纳法是根据个别推断一般，通过具体事物的现象去认识事物的本质，因此，归纳不能等同于对事实的简单概括，其真正目的在于揭示事物普遍性的本质规律。演绎法：是根据一般规律引出对特殊事例结论的逻辑推理与认识方法。它与归纳法相反，是从一般到特殊（或个别），由共性推出个性的方法。其主要形式是三段论，反证法等。28归纳法是一种科学的逻辑思维方式。自然科学中许多经验定理和经验公式是运用归纳推理得出来的，如伽利略在比萨大教堂里做礼拜的多次观察了吊灯的摆动，他用数自己脉搏的方式测定吊灯连续摆动一次的时间，结果他发现尽管摆幅越来愈小，但其摆动周期却是不变的。他返回家后，用各种不同质量的摆捶并改变摆长做了多次实验，从实验结果概括出关于单摆等时性定律。单摆的周期与摆的质量无关，而与摆长的平方根成正比。演义法是反驳错误理论有效工具，如公元前4世纪，亚里斯多德认为物体越重，下落越快，这种看法一直持续2000年，伟大的物理学家伽利略，在1638年写的《两种新科学对话》中采用了演绎法反驳了亚里斯多德这一错误观点，他指出，按照亚里斯多德的看法。如果把两个重量不同的物体捆在一起，那么快的会由于被慢的拖着而减速，慢的由于被快的拖着而加速。取一块大石头，8m/s;一块小石头，4m/s；捆在一起，整个系统的下落速率应该小于8m/s,但两石头在一起要重些，这样，伽利略运动演绎法中的归谬法（反证法）从重物比轻物下落快29的假设就推出了重物下落得更慢的的结论。分析法：所谓分析，就是人们在思维过程中把研究对象由整体分解为若干组成部分，层次或要素，然后对它的各个部分，层次或要素分别进行研究，揭示它们的属性和本质，并研究这些部分，层次或要素之间的相互作用及其在整体对象中的地位，考虑它们对研究对象的状态发展变化的影响。从未知追溯到已知，最后达到对该对象的整体有较全面的认识。如抛体运动的分析方法，隔离体法等，采用分析方法来解决某些物理问题，往往可以化复杂为简单，化整为零，把精力集中在必须求解的物理量上，达到各个击破的目的。综合法：综合法与分析法正好相反，它是从局部到整体，从已知引导到未知的思维方法。即在分析的基础上，把关于研究对象的各个部分，各个层次或各个要素的认识联结组合起来，形成对该研究对象的总体上的认识，从整体上把握事物的共同本质和规律，并确定其原理，将它推广到未知的领域中去，获得新的认识。经典力学的建立，热力学三大定律的发现，麦克斯30韦统一的电磁理论的建立，量子力学的诞生以及当前正在进行的四种基本相互作用大统一，超统一研究，都是物理学中，采用综合法取得的成果。综合分析法，一般是将问题划分为几个阶段或过程，从已知量入手，运用物理学中的概念，定律和定理，建立各个阶段或过程的已知量与未知量相互联系的关系式，直到找出与待求量有直接联系的式子为止，最后将各个关系式联立求解，解出待求量，其思维方式是从局部到整体，从已知引导未知，可以收到纵观全局，一目了然的效果。）六掌握科学研究方法、提高科学素质物理学研究方法：1）理想化方法2）观察法3）实验方法4）假设方法5）数学方法6）归纳与演绎，分析与综合7）类比方法与模拟方法8）整体方法几乎每一次科学理论与实验上的重大突破，都伴随着科学方法与方法论上的重大实践与创新。物理学从它的早期萌芽到近代的发展，都以它的丰31富的方法论，世界观等充满哲理的物理思想，影响着人们的思想，观点和方法，影响着社会思潮和社会生活，因此，物理学曾被称为“自然哲学”，“科学方法论的典范”，“辨证唯物主义哲学的科学基础”，“现代科学哲学的支柱”等。物理学的学科结构中要有实验基础，逻辑体系，数学表示，思想方法，应用价值。这五种基本成分：物理学科智能结构一般示意图上：实验；中：核心理论；下：运用与延伸；左：科学方法论；右：教学；这种智能结构（分析图）能较全面地反映知识，方法，能力三者之间的关系，实际上体现了：1）实验方法；2）逻辑思维方法；3）数学方法；4）观察实验能力；5）思维能力；6）数学运算能力。能力只有通过知识的实际运用，方法的反复训练和32各种关系的有效综合才能获得。在学习活动中，学生会不断地产生疑问，遇到的问题中有的可以利用已有的知识经验顺利加以解决，而有的则需要学生开动脑筋，积极思维创造性地寻找其答案。对学生而言，解决问题的能力和创造性的发展不仅直接关系到其学习活动的能否顺利进行，是否有效，而且还会影响其整体本质的发展及以后的成长，因此，如何通过教育活动提高学生解决问题的能力，培养其创造性是物理教学活动的基本目标。我们在物理教学中不仅传授给学生正确的知识，同时要教给学生科学方法，一部物理学发展史，也就是一部物理学方法论的发展史，纵观物理学生机勃勃，曲折复杂的历程，许多物理学家如伽利略，牛顿，爱因斯坦等，在科学研究的崎岖道路上，取得了一个又一个新的发现，同时也创造了引人注目的方法论。航天技术本篇在宏观层面上讨论物体的运动物体用质点系处理。力学理论讨论质点的运动与质点之间相互作用的33关系，用以解释与质点位置变动有关的机械现象。质点系模型并没有涉及物质的基本结构，人们把质点想像为一个不断缩小的球，实际上是一个宏观客体。20世纪50年代出现的航天技术，开辟了人类开发外层空间的新时代。经过近半个世纪的迅速发展，航天技术已成为当今世界高技术群中对现代社会最具有影响的高技术之一，不断发展和应用航天技术已成为世界各国现代化建设的重要内容。21世纪航天技术正在走向社会生活的各个方面，一个国家对航天技术的依赖，可以与对石油、电力的依赖相比拟。例如，卫星遥感技术对气象预报、国土普查、作物估产、森林调查、灾害监测、环境保护、海洋预报、城市规划和地图测绘等方面的应用，能为国家领导工作中的长期的经济、社会规划决策提供科学依据。例如，卫星通讯技术能满足日益增长的通讯广播和教育事业的发展需求。卫星直播平台将中央和地方的卫星电视节目传达到无线电广播电视覆盖不到的广大农村地区，并通过建立教育卫星宽带多媒体传输网络，开展远程教育和信息的综合服务。例如，卫星导航定位技术(GPS)在大地测量、飞机与轮船导航、城市交通管理、地震监测、森林防灾灭火、地质防灾监测等许多行业得到了广泛应用・外层空间外层空间简称外空，我国又称天。它是离地面100〜200km以外广袤的空间区域。在1981年国际宇航联合会第32届大会上，把地球的陆地、海洋、大气层(又称地球空间)和外层空间分别称为人类第一、第二、第三和第四环境。由于第四环境延伸到宇宙深空，故又称宇宙空间，简称太空。・航天技术航天技术的目标，就是建立以航天器为中心的航天系统，以控制航天34器在外层空间的轨道运动，它的技术系统包括3个子系统：1、航天器技术它是研究和制造能在外层空间利用和开发空间资源的航天器技术，包括各种功能的应用卫星系统（如通信卫星、气象卫星、资源卫星等）、空间探测器和载人航天器（如空间站、宇宙飞船、航天飞机等）2、天地运载工具技术它是研究、制造运载航天器（图1）从地面到外层空间并能在预定轨道上运行的技术（如火箭技术）3、地面测控技术它是研究并实现对运行中的航天器进行监视、测量、控制和管理的技术・空间资源外层空间有待开发的独特资源，可以做在地面难以做到的事，这些资源有高远位置、高真空、高洁净、无振动、无菌、微重力、超低温、强辐射等特点例如，在微重力环境下，任何物体能自由悬浮在空中，冶炼金属可以不用容器，从而不受容器材料耐高温和引入杂质的限制。它既能冶炼钛、钨等高熔点金属，又使冶炼材料有极高的纯度，还能制备在地面上极难提纯的几十种特效的生物药品：溶解血栓的尿激酶、根治糖尿病的胰岛素6细胞、可治侏儒病的生长激素、治疗贫血的红血球生成素抗溶血因子、治疗病毒性疾病和癌症的干扰素，为发展空间产业提供了十分诱人的前景和经济效益。・“阿尔法”国际空间站建立以空间站为中心航天系统，宇航员可乘宇宙飞船或航天飞机，往返于空间站与地面之间，是航天技术发展史上一个新的里程碑35由美、俄、欧空局成员国等16个国家合作建造的“阿尔法”号国际空间站（图2），是一种采用桁架式结构的大型组合式空间站，将于2005年前建成，建成后，它将是一个长108m、宽88m、重约450t、具有1202m3内部容积、能容纳7名宇航员长期居住的“太空城市”，用总面积80m。的太阳能电池板提供最大功率为10kw的电力供应。它运行在倾角为51.6。、平均高度为397km的轨道上，估计耗资956亿美元。国际空间站由三个舱段组成：俄罗斯的“曙光号”多功能货舱、美国的“团结号”节点舱和俄罗斯的“星辰号”服务舱，它们分别于1998年11月、12月，2000年7月发射升空，并在太空完成了对接、组装。2000年11月2日，俄罗斯的“联盟TM-31号”宇宙飞船与建设中的国际空间站成功对接，由一名美国宇航员与两名俄罗斯宇航员组成的第一个国际混合科学考察组进驻国际空间站，成为第一批长住居民，拉开了人类利用这一航天工程进行太空探索、研究和应用的序幕。・“阿波罗”登月计划月球是离地球最近、也是唯一的天然卫星。“阿波罗”登目计划是应用计算机辅助管理系统和系统方法进行进行管理的现代化大工程。美国政府官员动用了40万人，约2万家公司和研究机构、120多所大学参加1969年7月21日，“阿波罗11号”宇宙载人飞船（图3）登月成功，首次实现了人类登上月球的梦想。美国设计师罗伯特.吉尔鲁斯领导的小组设计的把宇航员送上月球以及他们重返地球的技术方案极富创造性：他们并不让飞船一步到位，直接登陆月球。而将飞船分为两部分，指导舱与着陆舱1969年7月16日上午9时32分（纽约时间，下同），将飞船发射到离月球17km的过渡轨道上惯性运行，飞行2,5天后临近月球，并经变轨进入环月轨道；20日中午宇航员阿姆斯特朗和奥尔德林由指导舱进人着陆舱，并驾驶着陆舱与指导舱分离；到20日下午4时17分4036秒在月球“宁静海”软着陆，10时56分阿姆斯特朗沿梯子走下来，踏上月面.留下了人类第一个足印（左脚印）。19分钟后，奥尔德林也下来了在月面考察近3小时，完成科学任务后，把着陆舱重新发射到环月轨道与指挥舱对接后飞回地球；24日（中午12时51分）安全降落在太平洋上这是人类第一次踏上地球以外的星球。正如阿姆斯特朗在向月面迈出第一步时所说的，、对一个人来说，这不过是小小的一步；但对人类来说，这是巨大的一步”。此后，美国于1969年11月--1972年12月，又发射了“阿波罗”12〜17号6艘宇宙飞船载人登月，共24人到达环月轨道，其中12人登上月球表面，进行了大量的科学试验和测量，并运回了1360kg的岩石样品，发动了世界各国的有关实验室对这些样品开展系统和深人的分析研究。月球岩石中储存极其丰富的核聚变燃料3He,储量达106t以上（地球储量仅15t）,一旦核聚变反应堆投入运行，人类可使用几千年；在月球上建立太阳能发电厂，并通过微波把能量传输给地球，建立以核聚变燃料与太阳能为中心的能源网络，为解决人类面临的能源危机提供了一个可能的途径，这使月球成为各国继公海、南极之后又一个争夺热点。当月球表面有了加压舱、发电设备、生活必需品和月面活动车后，月球就被改造成了一个庞大的、稳固的和功能齐全的“空问站”。・小卫星技术20世纪80年代以来，在发展大型卫星的同时，卫星小型化已成为当今国际航天器研制领域的一个热点，已走俏国际空间技术市场（图4）国际航天界一般把发射重量在1000kg以下的卫星，称为小卫星；100kg以下的称为微型卫星；还有纳型卫星（10kg以下）和皮型卫星（1kg以下）1998年1月6日，美国宇航局（NASA）发射的月球探测器，叫“月球勘探者”，重296kg,耗资6300万美元，携带5种探测仪器，在环绕月球运行过程中，对月球表面和内部进行37了全面勘测，获得了月球存在大量水冰的重大发现。2000年2月6日--10日，美国国防部高级研究计划^DARPA）和宇航公司（Aerospace）发射了世界上第一颗以微米、纳米技术为基础研制的皮型卫星，重量仅245g，其军事与商业应用正在探索中。现代微小卫星技术发展的特征，主要有两个：一个是应用高新技术，以提高“功能密度”为核心的系统小型化、轻量化和低功耗技术；另一个是采用全新的设计思想和概念一一一体化、集成化、模块化、商用器件化和功能软件化。这种重量轻、性能好、研制周期快、造价低廉的现代小卫星，给航天技术的发展和应用带来了新的机遇。・天文观测美国宇航局利用外层空间的高真空，制定了系列天文观测计划，研制与发射四座太空望远镜，按升空的时间顺序依次为：哈勃太空望远镜（紫外线，可见光，1990年4月5日）康普顿太空望远镜（Y射线，1991年4月5日）钱德拉太空望远镜（x射线，1991年7月24日）空间红外太空望远镜（红外线，2001年底--2002年初）它们构成了大型太空望远镜阵列，实现了对宇宙天体全波段观测。它们的投入使用，获得了大量的观测数据，改变了人类对宇宙的整体认识。例如，1997年4月底，“康普顿”观测到银河系中喷射出反物质粒子云，在天文学界引起轰动，给天文学研究开辟了无限广阔的前景。・中国载人航天工程和“神舟”号飞船中国于1992年开始实施载人飞船航天工程，其研制程序分四个阶段:方案设计、初样研制、正样和无人飞船飞行试验、有人飞船飞行。目前正处于第三阶段神舟号飞船已成功地进行了四次飞行试验：38“神舟号”飞船，1999年11月20日发射，21日回收；“神舟2号”飞船，2001年1月10日发射，16日回收；“神舟3号”飞船，2002年3月25日发射，4月1日回收；“神舟4号”飞船，2002年12月28日发射，2003年1月5曰回收“神舟号”载人飞船为三舱段复合结构：最前端为轨道舱，与飞船分离后可在太空独立进行各种飞行试验；最后端为推进舱，也称设备船或资源舱，完成既定任务后进人大气层自毁；居中部分为返回舱，完成任务后承载航天员安全返回预定的着陆场。中国新研制的“长征2F”运载火箭，为“神舟号”飞船提供准确的人轨速度、人轨姿态和初始轨道火箭的近地轨道运载能力为12t，地球同步转移轨道运输能力为5t由于载人的缘故，“神舟号”飞船要创造人的生存环境，提供生活保障。例如，要严格密封，使舱内的空气成分和压力保持与地面大气一致，并保持一定的温度和湿度，还要有供水系统和特制的食品供给；建立一个以航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统，涉及航天生命科学和航天医学工程等许多重要领域；更多考虑航天员的安全问题。例如，在发射升空阶段要有故障检测与处理系统以及逃逸救生系统；在轨道运行阶段，遇到不可克服飞行故障或航天员患病等情况，可按预定方案紧急返回地面；飞船上有对接机构，可与空间站或某些特定飞行器交会对接。“长征2F”火箭的前端安装了逃逸救生装置它有一个能提供强大动力的逃逸塔当发射阶段火箭出现灾难性故障（如空中爆炸）时，逃逸塔可携带轨道舱和返回舱快速逃离危险区；逃逸塔下方是整流罩，飞船在整流罩内39罩后依次串联着二级子火箭和一级子火箭，一级子火箭周围并联着4个助推火箭每个子火箭和每个助推火箭都是独立的工作单元当下达发射指令后，正常情况下火箭将严格按照发射程序飞行（图5）.返回舱也按预定程序返回地球（图6）：轨道舱分离，对返回舱和推进舱的组合体进行精确的姿态调整，使其符合返回地球预定着陆区的要求；启动推进舱上的动力装置，脱离原飞行轨道而沿过渡轨道自由飞行；返回舱与推进舱分离；返回舱进人大气层，利用空气升力，控制飞行姿态，以降低过载和保证着陆精度；当飞行到10km高度时，利用降落伞系统和缓冲发动机进一步降低下降速度安全着陆；并在着陆前几秒钟，自动割断主伞的伞绳，防止主伞在地面上拖动返回舱“神舟4号”飞船在发射程序上首次启用了逃逸救生装置在着陆程序上，主伞切割器也切割了主伞绳。航天与航空的区别在于航空是在大气层内进行的，而航天是在真空中进行的要实现航天，必须发明一种不依赖于空气的、利用自助推进剂产生巨大推动力的发动机。1903年，俄罗斯科学家齐奥科夫斯基（1857—1935）发表了一篇具有历史意义的论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，相当完整地论述了关于火箭（喷气工具）技术的理论：•他提出了利用动量守恒定律，通过喷气制造火箭发动机的技术，并推导了火箭推进速度的计算公式・火箭发动机主要由燃烧室和喷管组成作为能源的推进剂在燃烧室内产生高温高压气体，通过喷管的气流，以几倍于声速的高速喷射出去，对火箭产生巨大的推动力•他提出了使用液体燃料一一液氢与液氧作推进剂的重要设想，使燃烧无需空气供氧40•他提出了“多级火箭”的解决办法，以使火箭能达到第一宇宙速度以后的实践表明，现代火箭技术的发展，无一例外地遵循了齐奥科夫斯基提出的技术原理，从而打破了“没有一种推进器可以在真空中运行”的传统结论。齐奥科夫斯基在1935年9月19日逝世后，在他墓碑上铭刻了这样一句话：“人类将不会永远地把自己束缚在地球上”他怀有的这一信念已得到事实的证明他在20世纪30年代提出的设计，不久就为美国人戈达德(1882—1945)付诸实施戈达德在1926年发射了世界上第一枚液体火箭。1936年在他发表的论文《史密斯松里亚报告》中，全面总结了他历年研制液体火箭的成果，到1945年他已得了214项专利。20世纪60年代以来，各国把大功率运载火箭作为天地运输系统的主要工具(图1)，将各种用途的应用卫星、空间探测器、载人航天器送上了外层空间的运行轨道火箭作为一种空间交通工具，终于使人类摆脱了对大气层的依赖，标志着人类航天时代的到来。宇宙速率是使物体永远脱离地面的运动速率.第一宇宙速率正如牛顿想像的那样，一个物体当它的抛射速率足够大时，此物体不再坠落地面，若不计空气阻力，物体要沿地面绕地球的圆形轨道运动.物体的这个速率，称为第一宇宙速率按牛顿定律，所以，为使航天器能成为地球的卫星，给予物体的速率要超过第一宇宙速率.第二宇宙速率41为使物体能脱离地球引力范围，即飞到地球引力不再起显著作用的地方物体必须具有的速率称第二宇宙速率.由于这个速率可以飞离地球，又称逃逸速率.对由地球、物体组成的体系，如图2—5—3(b)所示，在物体飞离地球过程中，机械能守恒，初态：物体以速率：飞离地面，体系机械能末态：物体离地心无限远处，而速率最小为零，体系机械能物体在飞离地球的过程中，机械能守恒，则有得(2—5—6)因此航天器能飞离地球进入其他星球的运行轨道，成为其他星球的卫星，给予航天器的速率必须大于第二宇宙速率.第三宇宙速率从地球表面发射的物体，为了飞离太阳系而必须给予的速率称为第三宇宙速率。这个速率是相对于地心参考系的。对由物体、地球、太阳组成的系统，如图25—4所示，设由地球、太阳组成的子系统，在航天器发射过程中机械能不变若R为地球绕太阳公转的轨道半径，mm分别为地球、太阳的质量，为物体与地心距离，r。为物体与日心的距离初态：物体在地面上以速率发射，机械能：末态：物体飞离太阳系到无穷远处，速率最小为零E=0航天器在飞离太阳系的过程中，机械能守恒：E=E 这里的速率”是相对于太阳中心的.航天器相对于太阳中心的速度应等于第三宇宙速度”，42（相对地球）与地球公转速度，（相对太阳）的矢量和：显然，第三宇宙速度”V与航天器发射方向有关.若沿地球公转运动相反方向发射，则有 （25—9）这个速率最小.已知地球公转速率V=298km/s,则第三宇宙速率约为17km/s.若沿地球公转运动相同方向发射，则有（2—5—10）这个速率最大，约为73km/s.目前航天技术的发展，航天器的发射速率已经超越这三个宇宙速率.第一个超越第三宇宙速率，飞出太阳系的航天器一一“先驱者10号”，是在1973年11月发射的它携带一张用镀金铝板制成的地球人类的名片（图2—5—5）名片上印有地球裸体男女的人体，男人举起右手向太空人致意人体背后按比例绘制的“先驱者1O号”的外形，由此显示人体的大小；下方10个圆圈表示太阳系，左边最大的是太阳，第四个为地球，从其出发的曲线表示“先驱者10号”探测器的航迹；左中部的辐射状符号表示地球人认识的物理学和天文学；左上部两个符号表示地球上第一号元素一一氢的分子结构.这名片作为“地球特使”把地球人类的信息带到宇宙深处，去寻找地外文明。“先驱者10号”探测器整整工作了25a后，1997年3月31日上午11：45,美国航天局最后切断了与它的一切联系，那时它已在1010cm以外的宇宙深空，人类期待有朝一日它能与外星人相遇..轨道转移当航天器从一个轨道变到另一个轨道时，要由它携带的小型火箭推进器提供动力.如图2—5—9所示，一航天器沿半径为R1的圆形轨道绕地球运行怎43样把它转移到半径为r2的圆形轨道上运行呢？可采用双切轨道转移方案，它有两个中间轨道的发射弹道.当航天器惯性运行到停泊轨道上的A点时，末级火箭点火使航天器在短时间内沿轨道切线方向加速到某一速度，把航天器转移到一个椭圆轨道上，此轨道的「••=Rl，l・=R2当航天器惯性运行到B点时，由航天器本身装置的小型火箭点火，使它在轨道切线方向加速到另一速度”2,使它最终进入目标轨道即半径r2的圆形轨道.推导如下：例如，2001年格林威治时间5月21日凌晨4时31分，美国“亚特兰蒂斯号”航天飞机运载7名宇航员和900kg物资设备与正在建设中的国际空问站对接后5d的飞行过程中，宇航员对其进行维修，排除已发现的故障，并用以上方案利用小型火箭把空间站提升了40km,使它转移到预定的运行轨道。例如，“ISEE3号”宇宙飞船在沿地球一太阳轴向飞行4年后，仍继续它的旅程.在飞行过程中，要经历37次小型火箭点火发射，进行轨道转移，使它5次经过月球附近；1985年穿过Giacobini—zinn彗星；1986年逆流穿过Halley彗星；2012年两次回到地球附近，如图2—5—10所示.航天器通过小型火箭点火进行的轨道转移，可把航天器送到预定的工作地点..太空行走当宇航员乘坐载人航天器进入太空后，需要在舱外太空或其他天体（如月球）上行走，从事施放、回收、修理和捕捉航天器、组装空间站、建设太空城等各种复杂的空间作业.在太空行走时，需穿上航天服首先要有生命保障系统，主要是氧气瓶、水箱、CO2处理装置、温控和调节器等设备；还有通信设备，又叫通信背包；要有保险带，把宇航员与飞行座舱联结，44以防万一；要带喷气背包，背包里有一个压缩氧气贮存箱，背包上装有24个微型喷嘴可以向不同方向喷气，使宇航员能向前后左右上下移动，便于太空行走.20世纪60年代以来，宇航员已成功地进行了100多次太空行走.1965年3月18日前苏联“上升2号”宇宙飞船上的宇航员里昂诺夫完成了世界上第一次太空行走，历时24min.而2001年5月21日国际空间站的美国宇航员赫尔姆利和沃斯，为完成维修任务，进行了历时6h44min的太空行走。能源利用本篇要在微观层面上讨论物质的热运动.物体用原子系统处理。热学理