序言 物理學(xué)：物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué) 課件 -2024-2025學(xué)年高一上學(xué)期物理人教版（2019）必修第一冊

序言

物理學(xué)：

物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)高中物理人教版（2019）必修第一冊人類自古以來就對自然界充滿好奇。日出日落、辰宿列張、春華秋實(shí)、寒來暑往，大自然的各種神奇現(xiàn)象讓人們驚嘆不已，強(qiáng)烈渴望弄清其背后的規(guī)律和聯(lián)系。這種好奇心和人類提高生產(chǎn)力水平的需求，構(gòu)成了自然科學(xué)發(fā)展最主要的兩個(gè)動(dòng)力。在它們的驅(qū)使下，人類對自然規(guī)律進(jìn)行著不懈的探索。物理學(xué)是這些探索過程中結(jié)出的最重要的果實(shí)之一。洞天察地，萬物之理——物理學(xué)概述早在2000多年前的古希臘時(shí)期，亞里士多德、阿基米德等一批科學(xué)家就開始了對物理現(xiàn)象和規(guī)律的探索，并發(fā)現(xiàn)了杠桿原理、浮力定律等規(guī)律。這是物理學(xué)的萌芽時(shí)期。16~17世紀(jì)，伽利略和牛頓等人在前人工作的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了系統(tǒng)性的力學(xué)理論，建立了實(shí)驗(yàn)觀測和理論分析計(jì)算相結(jié)合的現(xiàn)代研究方式。1687年，牛頓出版了他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。這標(biāo)志著現(xiàn)代意義的物理學(xué)正式誕生。經(jīng)過四個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，物理學(xué)已經(jīng)成為一門分支眾多、深刻影響當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展乃至人類社會文明進(jìn)步的基礎(chǔ)學(xué)科。亞里士多德（Aristotle公元前384～前322）古代先哲，古希臘人，世界古代史上偉大的哲學(xué)家、科學(xué)家和教育家之一，堪稱希臘哲學(xué)的集大成者。他是柏拉圖的學(xué)生，亞歷山大的老師。古希臘百科全書式的學(xué)者和思想家，西方古典政治學(xué)的創(chuàng)始人。阿基米德（公元前287年—公元前212年）古希臘哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。后成為數(shù)學(xué)家與力學(xué)家的偉大學(xué)者，并享有“力學(xué)之父”的美稱。阿基米德流傳于世的數(shù)學(xué)著作有10余種，多為希望文手稿。伽利略（1564-1642）意大利偉大的物理學(xué)家和天文學(xué)家和哲學(xué)家，近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)者。牛頓（1643-1727）英國科學(xué)家，發(fā)現(xiàn)了萬有引力，提出并驗(yàn)證了“牛頓三定律”，最早提出了發(fā)射人造衛(wèi)星的設(shè)想。舉世聞名的巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》是近代科學(xué)上的里程碑。創(chuàng)立了力學(xué)理論，是經(jīng)典力學(xué)的奠基人，被譽(yù)為力學(xué)之父，是世界上對人類文明作出劃時(shí)代貢獻(xiàn)的科學(xué)家之一。牛頓《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》第一版的復(fù)印件，這部著作被譽(yù)為科學(xué)史上最重要的著作之一阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955），出生于德國符騰堡王國烏爾姆市，1905年，愛因斯坦獲蘇黎世大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位，并提出光子假設(shè)、成功解釋了光電效應(yīng)，因此獲得1921年諾貝爾物理獎(jiǎng)。愛因斯坦于1905年創(chuàng)立狹義相對論，1915年創(chuàng)立廣義相對論。愛因斯坦的理論為核能的開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，為幫助對抗納粹，1939年他在利奧·西拉德的協(xié)助下曾致信美國總統(tǒng)富蘭克林·羅斯福、直接促成了曼哈頓計(jì)劃的啟動(dòng)，而二戰(zhàn)后他積極倡導(dǎo)和平、反對使用核武器，并簽署了《羅素—愛因斯坦宣言》。愛因斯坦開創(chuàng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)新紀(jì)元，被公認(rèn)為是繼伽利略、牛頓以來最偉大的物理學(xué)家。

遠(yuǎn)到宇宙深處，近至咫尺之間，面對廣袤蒼穹之浩瀚、基本粒子之精微，物理學(xué)定量地研究物質(zhì)的存在形式、基本性質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化規(guī)律。物理學(xué)不僅要探索物質(zhì)的深層次結(jié)構(gòu)，還要在不同層次上認(rèn)識物質(zhì)的組成部分及其相互作用。因此，說物理學(xué)是關(guān)于“萬物之理”的學(xué)問并不為過。物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，也是一門崇尚理性、遵循邏輯推理的理論科學(xué)。由于物質(zhì)世界紛繁復(fù)雜，有限的實(shí)驗(yàn)和觀察難以完全揭示其背后的本質(zhì)規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。因此，在依賴先進(jìn)的科學(xué)裝置的同時(shí)，物理學(xué)的發(fā)展也必須借助于強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具和大型計(jì)算技術(shù)，以及深刻的洞察力和豐富的想象力。觀察現(xiàn)象，揭示本質(zhì)——物理學(xué)研究的特點(diǎn)物質(zhì)世界的空間尺度物理學(xué)通過定量的實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫹治?，不斷地揭示出自然界的客觀規(guī)律和各種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。其中有的和直覺吻合，也有很多與直覺不盡相同，需要通過嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)和思考，才能透過表象看到本質(zhì)。這些成果極大地豐富了人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，也展現(xiàn)了人類理性思維的巨大威力。這可以從物理學(xué)發(fā)展中的幾個(gè)典型例子看出。古人曾憑直覺認(rèn)為，地球是宇宙的中心。16~17世紀(jì)，哥白尼、第谷和開普勒等人通過詳盡地觀測和分析，逐漸認(rèn)識到地球和其他行星都在繞著太陽運(yùn)動(dòng)，并找到了這些運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。最終，依據(jù)這些觀測和分析，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，揭示了這些運(yùn)動(dòng)規(guī)律的根源。伽利略和牛頓還認(rèn)識到物體即便在不受力的情況下也會一直運(yùn)動(dòng)下去，這也與通常的直覺相反。這種對內(nèi)在規(guī)律深刻的認(rèn)識，靠的是精確的實(shí)驗(yàn)和嚴(yán)密的邏輯分析，二者缺一不可。19世紀(jì)初，人們已經(jīng)知道電流能產(chǎn)生磁場，于是很自然地問：電能生磁，那么磁應(yīng)該也能生電吧？英國科學(xué)家法拉第對此進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。一開始，他從直覺出發(fā)，認(rèn)為既然穩(wěn)定的電流能產(chǎn)生磁場，那么穩(wěn)定的磁場也應(yīng)該能產(chǎn)生電場，但是實(shí)驗(yàn)都失敗了。后來他偶然發(fā)現(xiàn)，變化的磁場才能產(chǎn)生電場，這就是著名的電磁感應(yīng)定律?？偟膩碚f，磁能生電的規(guī)律是符合直覺的，但其產(chǎn)生方式卻和最初的直覺很不相同?？梢?，客觀規(guī)律是否與直覺一致，是不能一概而論的，需要針對具體情況通過認(rèn)真地研究才能搞清楚。一代代物理學(xué)家們在探究客觀世界的過程中發(fā)展了很多行之有效的研究方法。在物理學(xué)習(xí)中，我們不但要掌握具體的知識，而且要學(xué)習(xí)和體會這些科學(xué)方法，并努力運(yùn)用它們解決各種實(shí)際問題。學(xué)以致知，客觀理性——物理學(xué)背后的科學(xué)精神首先是學(xué)以致知的探索精神。前面說過，人類對自然界的好奇心是科學(xué)發(fā)展最重要的動(dòng)力之一。人們在它的驅(qū)使下研究很多問題，其中，有的能直接轉(zhuǎn)化成技術(shù)，服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用，但是也有很多是當(dāng)時(shí)看不到直接用途的。比如伽利略研究的力和運(yùn)動(dòng)的問題、牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律，當(dāng)時(shí)都屬于無用之學(xué)。正是這些看似沒有用的、以求知為目的的探索，使人們獲得了對自然規(guī)律完整深入的認(rèn)識。其次是實(shí)事求是的客觀精神。物理學(xué)的目的是求真，客觀事實(shí)是判斷對錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)，對就是對，錯(cuò)就是錯(cuò)。猜想和論斷必須能經(jīng)受得住實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和邏輯的推敲。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)權(quán)威的牛頓學(xué)說不適用于微觀和高速情況時(shí)，便認(rèn)真地對其進(jìn)行修正；1936年，大名鼎鼎的愛因斯坦向雜志投出一篇論文，審稿人和編輯發(fā)現(xiàn)論文有錯(cuò)，便毫不猶豫地指出并拒稿。這些都是物理學(xué)史上實(shí)事求是、務(wù)實(shí)求真的佳話。還有就是理性分析的精神。物理學(xué)強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯分析，環(huán)環(huán)相扣，有原因才有結(jié)果。不合乎邏輯的地方必然意味著有問題，必須搞清楚。物理學(xué)的殿堂中，沒有詭辯者的位置。需要指出的是，科學(xué)精神不僅對科學(xué)研究很重要，而且在社會生產(chǎn)、日常生活的各方面都是有價(jià)值的?，F(xiàn)代社會分工精細(xì)、節(jié)奏緊湊，很多時(shí)候“失之毫厘，差之千里”。這就要求我們在工作和生活中要做到實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真并且講求邏輯，敬畏和尊重客觀規(guī)律，從而提高效率、減少失誤。另外，秉承實(shí)事求是和講求邏輯的精神，還會使我們在碰到問題的時(shí)候，面對現(xiàn)實(shí)、認(rèn)真分析，根據(jù)實(shí)際作出判斷與選擇，不盲從、不走極端。揭示自然，造福人類——物理學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了工業(yè)、農(nóng)業(yè)和信息技術(shù)等方面的進(jìn)步，引發(fā)了一次次的產(chǎn)業(yè)革命，改變了人類的生產(chǎn)和生活方式。技術(shù)的進(jìn)步又為物理學(xué)的研究提供了更為強(qiáng)大的手段，并引發(fā)人們對物理問題進(jìn)行更深入地思考，從而反過來促進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展。第一輛蒸汽機(jī)車（模型）創(chuàng)立于17世紀(jì)的牛頓力學(xué)，被廣泛地應(yīng)用于工程技術(shù)，大大推動(dòng)了社會發(fā)展。18~19世紀(jì)，工程上對蒸汽機(jī)等熱機(jī)的改進(jìn)需求，又迫使人們對熱的問題進(jìn)行深入研究，引發(fā)了熱力學(xué)的巨大進(jìn)步。19?20世紀(jì)初，電磁學(xué)的發(fā)展，直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)和無線電通信的誕生，使電能被廣泛利用。電走進(jìn)了千家萬戶，世界被電燈點(diǎn)亮，電話和電報(bào)把各地的人們連接起來，人類從此進(jìn)入了電氣時(shí)代。進(jìn)入20世紀(jì)以后，物理學(xué)的研究范圍更加廣闊。人們掌握了微觀世界的規(guī)律，這更為有力地推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步和社會的變革。對原子核的認(rèn)識，使人們掌握了核能，建造了核電站并發(fā)展了治療腫瘤的放療等技術(shù)；對固體中電子運(yùn)動(dòng)的研究，引發(fā)了半導(dǎo)體工業(yè)的誕生，導(dǎo)致了晶體管、集成電路和大容量電子存儲技術(shù)的發(fā)明，從而使人們可以制造高性能電子計(jì)算機(jī)；對原子、分子物理和光學(xué)的深入研究，引發(fā)了原子鐘、激光和光纖通信等技術(shù)的誕生。原子鐘是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的核心，激光被廣泛用于工業(yè)、通信、醫(yī)療和國防，而遍布全球的光纖網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的物理載體，它把全世界連在一起。毫不夸張地說，20世紀(jì)是物理學(xué)的世紀(jì)，人們每時(shí)每刻都在享受物理學(xué)發(fā)展帶來的果實(shí)，今天世界的整個(gè)面貌，都和物理學(xué)的巨大進(jìn)步密不可分。半導(dǎo)體芯片20世紀(jì)技術(shù)的迅猛發(fā)展，也大大推動(dòng)了物理學(xué)的研究。利用現(xiàn)代工業(yè)手段，人們制造了巨大的望遠(yuǎn)鏡和粒子加速器等設(shè)備，從而把研究的目光投向更深邃的宇宙和更微小的粒子；利用大型計(jì)算機(jī)，人們可以完成更為復(fù)雜和準(zhǔn)確的計(jì)算并處理海量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；在現(xiàn)代交通工具和信息技術(shù)的幫助下，學(xué)術(shù)交流變得更加便捷、高效。粒子加速器前景廣闊，充滿挑戰(zhàn)——物理學(xué)的未來19世紀(jì)下半葉，以力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)為主要內(nèi)容的經(jīng)典物理學(xué)，幾乎能解釋當(dāng)時(shí)已知的所有物理現(xiàn)象。因此，當(dāng)20世紀(jì)第一個(gè)春天來臨之際，英國物理學(xué)家、被授予“開爾文勛爵”的J.J.湯姆孫在“新春獻(xiàn)詞”的演說中，躊躇滿志地宣告：“科學(xué)大廈已經(jīng)基本建成……后輩物理學(xué)家只需做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。”但話音剛落，他的預(yù)言就被一個(gè)接一個(gè)的重大發(fā)現(xiàn)所打破。從下表中可以看出，在20世紀(jì)，物理