物理学的研究方法课件

物理学的过去、现在与未来主讲昭通师专物理系卢巧

一、物理学的学科特点:①物理学是一门实验科学。它的根基是实验，一切理论都要以实验作为惟一的检验者。②物理学是一门严密的理论科学，以物理概念为基石，以物理规律为主干，建立了经典物理学与现代物理学及其各分支的严密的逻辑体系。③物理学是一门定量的精密科学，它与数学密切结合。④物理学是一门基础科学，是其他自然科学和各种工程技术、国民经济、特别是现代新技术革命的基础。⑤物理学是一门带有方法论性质的科学。物理学同时具备以上五个特点，这正是物理学作为一门成熟的、精确的基础自然科学的标志。

换句话说，物理学的学科结构中要有：实验基础、逻辑体系、数学表述、思想方法、应用价值这五种基成分。物理学的分支物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性二、物理学的发展历程时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900三、物理学的分野(在古代将天上星空区域与地上的国州互相对应，称作分野。

“分野”是指划分的范围或界限）（1）实验（2）唯象理论（3）理论构架（4）数学以经典力学的发展为例，理解物理学的分野。

（三个代表人物：第谷、开普勒、牛顿）

第谷

牛顿

开普勒

第谷（丹麦科学家）经过20年的天文观测，第谷发现了许多新的天文现象，如黄赤交角的变化、月球运行的二均差，并重新测量了岁差数值（每年51''）。第谷对天文学的贡献是不可磨灭的，他所做的观测精度之高，是他同时代的人望尘莫及的。第谷编制的一部恒星表相当准确，至今仍然有使用价值。第谷用过的望远镜第谷在天文台工作在第谷的工作基础上，开普勒经过大量的计算，编制成《鲁道夫星表》，表中列出了1005颗恒星的位置。这个星表比其他星表要精确得多，因此直到十八世纪中叶，《鲁道夫星表》仍然被天文学家和航海家们视为珍宝，它的形式几乎没有改变地保留到今天。

开普勒（JohannesKepler，1571-1630），德国天文学家。1600年，开普勒到布拉格担任第谷的助手。1601年第谷去世后，他继承了第谷的事业，利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究，发现了行星沿椭圆轨道运行，并且提出行星运动三定律（即开普勒定律），为牛顿发现万有引力定律打下了基础。开普勒第一定律（椭圆定律）开普勒第二定律（等面积定律）开普勒第三定律（和谐定律）牛顿在整个科学史上，牛顿被认为是最伟大的科学家，因为他是一个真正集实验科学家、理论科学家和数学家三位一体的人物。

牛顿的理论贡献最辉煌的成就是万有引力定律的发现。他认为太阳吸引行星，行星吸引行星，以及吸引地面上一切物体的力都是具有相同性质的力，还用微积分证明了开普勒定律中太阳对行星的作用力是吸引力。

牛顿还通过了大量实验，证明了任何两物体之间都存在着吸引力，总结出了万有引力定律。牛顿的理论贡献得益于数学。在同一时期哈雷和胡克等科学家都在探索天体运动奥秘，其中以胡克较为突出，他早就意识到引力的平方反比定律，但他缺乏象牛顿那样的数学才能，不能得出定量的表示。

经典力学从第谷开始（主要是观测）——实验领域（1）开普勒——唯象理论（从现象开始）（2）牛顿——变成了理论构架（与数学有密切关系）（3）电磁学从库仑开始——实验领域（1）安培、法拉第——发展了唯象理论（2）麦克斯韦——方程式（完全解释了电磁现象）赫兹——预言了电磁波的存在——理论构架（3）三、物理学各个时期的特点、代表人物、研究方法等1、古代物理学时期（公元前8世纪至公元15世纪）（1）古代物理学的特点①物理现象虽被发现和记录下来，但未形成系统的理论。②受神学的支配很强。③天才的臆测建立在笼统的直觉观察之中。④在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎。⑤在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测。⑥在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢，社会功能不明显。（2）代表人物

亚里士多德(公元前384-公元前322）:马其顿国王私人医生的儿子，18岁进入柏拉图学院，约在公元前342年，他成为亚力山大大帝的私人教师。一生著作颇丰，在科学领域里起着奠基性的作用。

主要观点：（1）提出物理学名称的第一人，强调科学分类。（2）若物体不受力，运动即停止。（3）物体越重，下落速度应该越大。（4）地球是宇宙的中心，太阳、行星和月亮应该围绕它转。亚氏观点从归纳日常生活出发，加上哲学思辩，后来发展为经院哲学，成为自然科学的障碍。某些大科学家“比起亚里士多德不过是小学生。”——达尔文（3）中国古代的物理学①力学方面我国古代力学知识源远流长，积累丰富。早在2000多年以前的战国时期，在“墨经”中，记述了墨子。(公元前478－前392)等哲学家对力学方面的一些精辟见解，如“力，刑之所以奋也。”，表达了力是使人和物的“奋”即由静到动的根本原因。还对杠杆进行了研究，指出:“相衡，则本短标长。”说明了在称量重物时，要想与砝码平衡，就要调整重臂“本”和力臂“标”，这一记录比阿基米德早二百多年。我国科学家的朴素的宇宙观，例东汉的张衡强调:“宇之表无极，宙之端无穷”。

②电磁学方面在静电学方面，在西汉末年，(公元前20年)就有记载，在磁学方面更有骄人记录:1)4000年前，黄帝与蚩尤打仗，但蚩尤作雾，黄帝则使用指南车来辨别方向，使蚩尤大败。2)郦道元在“水经注”中，写到秦始皇为了防避刺客，用磁石建造阿房宫的北阙门，若刺客身怀刀刃将被磁门吸住。3)指南针比法人古约特早几百年。③天文学比较突出的是张衡(公元78年－139年)，生于河南南阳石桥镇，公元111年担任了东汉主持天象观测、编订历法的太史令，发明了浑天仪、候风地动仪。国际天文学组织用他的名字命名了一颗小行星和月球上的一座环行山。④声学

1979年出土了战国时期制造的曾侯已编钟，说明了古代祖先对音节音律方面的极高造诣，北京天坛的回音壁等，巧妙地应用了声学原理，至今仍令人为之瞩目。

中国是世界上科学发展最早的国家，这是我们民族的骄傲。（4）古代物理学时期对于西方又可分为两个阶段：①古希腊-罗马阶段（公元前8世纪至公元5纪）。主要有古希腊的原子论、阿基米德Archimedes，公元前287-公元前212）的力学、托勒密（ClaudiusPtolemaeus,约90-168）的天文学等。②中世纪阶段（公元5世纪至公元15世纪）主要有勒•哈增（AL-Hazen,约965-1038）的光学、冲力说等。2、经典物理学时期(17世纪初—19世纪末)

这个时期资本主义生产促进了技术与科学的发展，形成了比较完整的经典物理学体系。系统的观察实验和严密的数学推导相结合的方法，被引进物理学中，导致了17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。经过18世纪的准备，物理学在19世纪获得了迅速和重要的发展。终于在19世纪末以经典力学、热力学和统计物理学、经典电磁场理论为支柱，使经典物理学的发展达到了它的顶峰。

（1）代表人物伽利略·伽利雷(1564～1642)

是意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家。也是近代实验物理学的开拓者，被誉为“近代科学之父”。17岁进入比萨大学攻读医学，后来转攻数学，毕业后任大学教授。他是为维护真理而进行不屈不挠的战士。恩格斯称他是“不管有何障碍，都能不顾一切而打破旧说，创立新说的巨人之一”。

伽利略在科学史上的地位

伽利略的科学发现，不仅在物理学史上而且在整个科学史上都占有极其重要的地位。他不仅纠正了统治欧洲近两千年的亚里士多德的错误观点，更创立了研究自然科学的新方法。

伽利略在天文学方面的贡献：自制望远镜（1609年）为纪念他首先用望远镜观察星空这一壮举，2009年为国际天文年。发现木星的4颗卫星发现太阳黑子定出太阳自转周期木星卫星

伽利略望远镜对科学方法的贡献

斜面实验在2002年被评为历史上“最美丽”的十大物理实验之一。从斜面实验看伽利略的研究方法：对现象的观察提出假设（匀加速运动假设）

进行数学和逻辑的推理实验验证s-t2形成理论开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。提出了思想实验。

“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正的开端！”伽利略被后人称为“现代物理之父”伽利略在解释其观察结论伽利略与斜塔晚年伽利略在被软禁期间，直到逝世前，一直未中断过研究工作。1633年，69岁高龄时曾被罗马宗教裁判所判处终身监禁。但他仍致力于科研，于1638年又写出了《关于两门新科学对话》一书。直到1979年，300多年后，教会才宣布为伽利略平反。罗马教庭对伽利略的审判

伽利略的预见

“一门广博精深的科学已经启蒙，我在这方面的工作只是它的开始，那些比我更敏锐的人所用的方法和手段将会探索到各个遥远的角落。”牛顿，(1643年1月4日-1727年3月31日)是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家。1643年1月4日生于英格兰林肯郡格兰瑟姆附近的沃尔索普村,1727年3月31日在伦敦病逝。27岁，就担任了剑桥的数学教授。1672年当选为英国皇家学会会员。1703年当选为英国皇家学会会长。牛顿在科学上最卓越的贡献是：微积分和经典力学的创建。

英国著名诗人Pope写道：Natureandnature′slawLayhidinnightGodsaid:LetNewtonbeAndallwaslight牛顿名言：

我不知道在别人看来，我是什么样的人；但在我自己看来，我不过就象是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。

---------牛顿

牛顿物理学的局限性

当物体运动速率很高时（接近光速），当所描写的体系很小时（微观体系），当所描述的物质系统很大，或引力很强时，牛顿的万有引力、运动定律和牛顿的时空观就不完全正确了，将由新的理论来代替。麦克斯韦：主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。

（2）经典物理的主要研究方法伽利略开创了以观察实验为基础，运用数学工具定量探究的物理学研究方法。牛顿不仅仅完成了物理学发展史上的第一次大综合，还实现了实验方法和数学方法、归纳方法与演绎方法、分析方法与综合方法的大综合，他还时常用理想实验法、假说法等研究方法。（3）对社会发展的影响

17世纪：牛顿力学的出现，大大推动了欧洲资本主义社会的工业革命。出现了大工厂、大型机械装备，而大工业的迅猛发展又为资本主义的发展奠定了坚实的基础。

18世纪：热力学的发展，促使各种热机不断地被研制，先后出现了火车、轮船、汽车、飞机，使资本主义社会向前大大迈进了一步。

19世纪：电磁学理论的完善，使人类社会步入了电气时代。3、现代物理学时期(从19世纪末至今）

这个时期是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。物理学的研究领域得到巨大的拓展，实验手段与设备得到前所未有的增强，理论基础发生了质的飞跃。

（1）这个时期物理学的特征：在研究方法上更加依赖大规模的实验、高度抽象的理性思维和国际化的合作与交流；在认识领域上拓展到微观（10-13）与宇观（200亿光年）和接近光速的高速运动新领域，变革了人类对物质、运动、时空、因果律的认识；在发展速度上非常迅猛，社会功能十分显著，推动了社会的飞速发展。

（2）这个时期的物理学又可大致地分为两个阶段〖1〗革命与奠基阶段（1895年至1927年）。建立了相对论和量子力学，奠定了现代物理学的基础。〖2〗飞速发展阶段（1927年至今）产生了量子场论、原子核物理学、粒子物理学、半导体支学科。1、代表人物（1）爱因斯坦阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein，1879年3月14日-1955年4月18日），举世闻名德裔美国科学家，为犹太人，现代物理学的开创者和奠基人，相对论、‘质能关系’的提出者，“决定论量子力学诠释”的捍卫者（振动的粒子）——不掷骰子的上帝．1999年12月26日，爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪伟人”

（2）普朗克德国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，1918年诺贝尔物理学奖的获得者。普朗克的伟大成就，就是创立了量子理论，这是物理学史上的一次巨大变革。从此结束了经典物理学一统天下的局面。

1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。（解决了经典物理中“紫外灾难”。）普朗克的假设解决了黑体辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克由于创立了量子理论而获得了诺贝尔物理学奖。（3）狄拉克对物理学的主要贡献是发展了量子力学，提出了著名的狄拉克方程，并且从理论上预言了正电子的存在。

（4）居里夫人是历史上第一个获得两项诺贝尔奖的人，而且是仅有的两个在不同的领域获得诺贝尔奖的人之一。在第一次世界大战时期，居里夫人倡导用放射学救护伤员，推动了放射学在医学领域里的运用。之后，她曾在1921年赴美国旅游并为放射学的研究筹款。居里夫人由于过度接触放射性物质于1934年7月4日在法国上萨瓦省逝世。在此之后，她的大女儿伊伦·若里奥-居里（IrèneJoliot-Curie）获1935年诺贝尔化学奖。她的小女儿艾芙·居里（EveCurie）在她母亲去世之后写了《居里夫人传》。（5）霍金：一个巨大的科学磁场

没有比这更孱弱的躯体——然而，就是这孱弱的躯体，诞生了伟大的思想；他无法用健全人的步履行走，但他乘坐时间机器，一次又一次越过了想象的边界；他无法用正常的声音表达，但他灵魂的声音是宇宙中最美妙的天籁。

物理学的大发现，在历史上有三次。（1）牛顿力学奠定的是机械工程等方面的基础。（2）麦克斯韦方程，狭义相对论是我们现代电气化的支撑。（3）至于第三次大突破的量子力学的出现，就涉及化学运动的规律，半导体的规律，原子核运动的规律等。我们现在面临的原子能时代，电脑时代的技术，都是量子力学的贡献。物理学每一次划时代的发现都带来了划时代技术的进展。

20世纪物理学的成就

原子物理、量子力学、相对论、半导体学的相继问世，又使人类社会迈入了原子时代和信息时代。物理学发展的总趋向：（1）学科之间的大综合（2）相互渗透结合成边缘学科（生物物理、生物化学、物理化学、量子化学、量子电子学、量子统计力学、固体量子论。）二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性物理学近年来的发展（1）粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。（2）麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。（3）天体物理运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。（4）应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。

物理学研究的前沿领域太阳中微子短缺问题引力波存在的问题物体的速度能否超过光速的问题生物物理有机体遗传程序的研究

有机体遗传程序的研究（须运用量子力学、统计物理、X射线、电子能谱和核磁共振技术。）非平衡热力学及统计物理2、物理学与新技术(1)从“质能公式的提出”到核技术

1905年9月，爱因斯坦创立狭义相对论，并在他的题为“物质的惯性与它所含的能量相关吗”论文中，揭示了质量与能量之间的关系，提出了著名的质能公式E=mc2，这就从理论上预言了原子内部蕴藏着巨大的能量.能否开发和利用这些能量?当时人类则抱有悲观态度，甚至大科学家卢瑟福也认为“通过原子的变换去探索能源，那简直是无稽之谈”.

核技术的开发和利用是很复杂的综合性设施，它涉及到许多学科、工业部门和多项新技术.显然核物理学是最必要最重要的基础学科之一；而核反应堆、核电站、核武器的研究、设计、制造、调试、试验、运行以及更新换代的过程中，又推动了核物理的发展.核物理的发展，不断地为核能装置的设计提供日益精确的数据，从而提高了核能利用效率和经济效益，并为更大规模的核能利用准备了条件.

（2）从“光量子假说”到激光技术

1900年12月24日，在德国物理学会的年会上，普朗克宣读了他的“关于正常光谱的能量分布定律的理论”论文，提出了一个革命性的思想光量子假说.

1916年，爱因斯坦在旧量子论的基础上提出了受激（感应）发射的概念，并在他的论文“关于辐射的量子理论”中首次给出了能态之间跃迁的新认识.他认为，在气体分子（普朗克谐振子）的能态跃迁中，存在两种不同的辐射过程：一种是由高能级到低能级的自发辐射，一种是由于频率响应从高能级到低能级的受激辐射.受激辐射概念的提出，实际上已为激光器的发明奠定了理论基础.

激光技术是现代物理学和现代科学技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出物理科学理论对技术发明的预见性，而且它本身又作为现代科学技术家族中的一个优等生，也大大促进和推动着现代物理学和现代科学技术的发展.

三、从“量子力学的建立”到电子和信息技术

20世纪20年代无疑是理论物理学的黄金时代，在短短的几年之内，物理学家为了解决旧量子论的困难，在不同的地点，从不同的角度、以不同的形式，建立起一种描述微观世界的统一的基本理论——量子力学.它用严格的数学语言调和了波和粒子这两种对立的经典概念在描写同一微观客体时表现的矛盾.量子力学的建立为人类了解物质结构奠定了基础.

集成电路从20世纪50年代末出现至今，其发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的.以集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用。

从上述的事例，我们不难看到，在许多新技术发现的源头和过程中，物理科学研究成果起了极大的作用.其实，在空间技术、生物工程技术等其它新技术的发展过程中，物理科学研究成果也同样起到了很大的作用.可以说没有物理科学的创新成果，就不可能有这些新技术的发现或迅速的发展.

其实，在21世纪的今天，我们仍然可以看到，在物理科学研究的新成果带动下，许多领域的应用科学技术得到了进一步的发展，并出现了一个又一个崭新的产业部门，其影响遍及生产、科研、国防、医学、乃至进入家庭，大大改变了当代社会的结构和面貌，甚至人们的思维方式。

历史和经验告诉我们，无论是过去，还是现在、乃至将来，社会和经济的发展总是离不开科学技术的进步，科学技术的进步离不开物理科学的