物理科学的基本内容

物理科学是物理学习的对象。从根本上说，物理学习的内容主要取决于物理科学的内容。

有人认为物理科学的内容是物理知识，这是一种片面的理解。这种理解经常导致学生无法学习完整的物理，并且经常让学生觉得学习只是不断积累知识并失去对科学热情的“积木”。事实上，除了物理知识之外，物理科学的内容还包括物理概念、方法和实验基础，它们的重要性不亚于物理知识。只有把知识、概念、方法和实验基础有机地结合起来，才能完整地描述物理科学的内容。

我们通过物理科学发展的历史线索展示了物理知识体系、物理概念的发展、物理方法的应用以及相应的实验基础。通过这种描述，我们将对物理科学的内容是什么这一基本问题有一个更全面、更清晰的理解，并以此为出发点来讨论学习中的问题。

物理学是研究物质运动基本规律和物质基本结构的科学。原始物理学是哲学的一部分。直到16世纪末，它才脱离哲学，成为一门独立的科学。到19世纪末，经典物理学已经发展得相当好，但与此同时，一些经典物理学无法解释的物理现象被发现了。20世纪初，物理学进入了现代物理学的新时代，取得了前所未有的高速发展。接下来，我们把经典物理学和现代物理学分开来描述物理科学的基本内容。

经典物理学的基本内容

经典物理学包括五个部分:力学、热力学、电磁学、声学和光学。这些部分也可以结合起来归纳为三个方面:经典力学、热力学、经典统计力学和经典电动力学。

1.经典力学

伽利略(1564-1642)是经典力学的创始人。从16世纪末到17世纪初，他巧妙地将观察实验、物理思维和数学演绎三种科学方法结合起来，驳斥了统治了2000年(公元前384-332年)的亚里士多德错误的运动概念，并用坚实的实验事实、严密的逻辑推理和清晰的物理概念阐述了他的运动理论。伽利略的运动理论包括:运动的描述和分类、*落体定律、加速度概念、惯性原理、抛射体运动轨迹和相对论原理等。经典力学的基本理论体系是由牛顿(Isaac Newton，1642-1727)在1687年建立的，因此经典力学也常被称为牛顿力学。牛顿首先用实验归纳法总结了伽利略等人的研究成果，建立了一些最普遍、最清晰的定义和公理，然后用严密的推理建立了一个完整的演绎结构，最后将演绎结果与实验事实进行了比较。牛顿对经典力学的重大贡献主要包括:严格定义了质量、动量、惯性、外力、向心力等基本概念。，总结了机械运动的三个基本规律，得出了力的合成和分解、运动叠加原理、动量守恒原理、相对论原理等重要推论。、发现万有引力定律等。牛顿之后，18和19世纪的物理学家继续发展和完善牛顿的力学理论，并最终完成了自洽的经典力学体系。在此期间，建立了三个守恒定律:质心运动守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律(动能)。同时，矢量描述和计算的困难促使物理学家寻找牛顿力学的新表达式，从虚功原理和最小作用原理发展到变分方法，并逐渐形成分析力学的理论体系。

经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律。宏观是相对于微观粒子，如原子。低速与光速有关。经典力学的时空观是基于欧几里得几何的。空间向四面八方延伸，与时间无关。时间从过去流向未来，与空间无关。物体的长度是一个独立于测量参照系的绝对量，任何两个事件的同时性都是绝对的。

经典力学的基本理论有三种表达形式:牛顿运动方程、拉格朗日微分形式和哈密顿积分形式。

经典力学包括粒子力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、流体力学、声学等。理论的基本部分也可以分为运动学、静力学和动力学。

2.热力学和经典统计力学

18世纪初蒸汽机的出现促使人们对热现象进行深入研究。系统测温和量热法的建立标志着热现象的研究已经走上了实验科学的道路。这时，根据片面的实验事实，有人认为热是一种没有质量的流体，并提出了当时流行的热量理论。与热量理论相反，其他人认为热量是物质运动的一种表现形式，热量是由摩擦产生的这一事实严重打击了热量理论。到19世纪中叶，朱利叶斯·罗伯特·迈尔(1814-1878)在1842年提出了能量守恒理论。迈尔认为热是一种可以转化为机械能的能量。与此同时，詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(1818-1889)利用许多实验更准确地确定了热的力学当量，为能量守恒定律提供了坚实的实验基础，从而建立了热力学第一定律，表明了能量的转化和守恒。随后，克劳迪斯(RudolfClausius，1822-1888)和开尔文(Kelvin，1824-1907)分别在1850年和1851年独立地发现了热力学第二定律，指出了热力学过程的不可逆性。此后，人们在应用过程中发展了热力学的数学理论，并发现了反映物质各种性质的热力学函数，包括熵。1906年，能斯特(1864-1941)根据低温下化学反应的许多实验事实总结了热力学第三定律，指出绝对零度是不可能实现的。这个定律的建立改进了热力学理论。

随着热力学第一定律的建立，热量理论被完全否定，研究热现象微观理论的分子运动理论发展迅速。19世纪下半叶，人们开始用统计方法研究由大量分子组成的系统，找出微观量和宏观量之间的关系。该领域的主要工作包括:推导理想气体的压力公式，引入平均*程的概念，获得气体分子速度分布规律，从微观角度解释热力学第二定律，建立非理想气体的状态方程等。气体分子运动理论中的概率统计方法为统计力学奠定了基础。1902年，若西亚斯·威拉德·吉布斯(1839-1903)极大地改进和发展了分子运动理论的统计方法，提出了完整的系综理论，建立了经典统计力学的理论体系。它的应用范围也扩展到任何微观粒子系统，如固体、液体、气体等。

热力学和经典统计力学研究物质的热运动规律以及热运动对物质宏观性质的影响。热力学是热运动的宏观理论，从能量守恒和能量转换的角度研究热运动的规律。其研究方法是根据观察和实验总结出的基本规律，通过逻辑推理来研究对象的宏观性质和宏观过程的方向和界限。经典统计力学是热运动的微观理论。从宏观物质系统由大量微观粒子组成的事实出发，认为物质的宏观性质是大量微观粒子运动的平均效应，宏观物理量是微观量的统计平均值。用统计方法研究物体的宏观性质。统计方法不考虑单个粒子的逐个运动，而是利用力学定律来研究最大粒子数的综合作用，并直接推导出最大粒子数运动的一些统计平均值。经典统计力学认为单个粒子的运动遵循力学定律，大量粒子的整体遵循统计学定律。

热力学最基本的定律是热力学第一、第二和第三定律，经典统计力学最基本的定理是刘伟定理(相密度守恒原理)。

3.经典电动力学

广义的经典电动力学还包括电磁学和波动光学。

对电磁现象的系统研究始于18世纪中叶。1785年，查尔斯·奥古斯特·德·库仑(1736-1806)发现了库仑定律，随后通过扭转平衡实验发现了电荷之间的相互作用，从而将电学纳入了科学的行列。动物电流的发现和伏打堆的发明导致了1826年欧姆(乔治·西蒙·欧姆，1787-1854)的实验，获得了以他命名的导体中的电流定律。几乎与此同时，汉斯克里斯蒂安·奥斯特(1777-1851)在1820年发现了电流的磁效应，揭示了电和磁现象之间的内在联系。同年，安德烈·马利埃姆佩雷(1775-1836)获得了电流元素之间的相互作用定律，然后他提出了分子电流假说，将磁现象归因于单个电流的作用。1831年，法拉第(Michacl Faraday，1791-1867)发现了电磁感应现象，并在进一步的研究中建立了电磁感应定律，进一步统一了电和磁现象。

在19世纪上半叶，物理学界仍然倾向于以粒子为核心的中心力思想，认为电磁作用是一种瞬时的超距作用。法拉第的思想要优越得多。他坚信电和磁的功能不是在没有中介的情况下从一个物体转移到另一个物体。他认为是电场和磁场起了这种介质的作用，从而首次提出了场的近效应的概念。法拉第还引入了力线的概念来绘制电磁场的图像。麦克斯韦(詹姆斯·克拉克麦斯威尔，1831-1879)进一步发展了法拉第的场和力线的概念。他认为变化的磁场激发了周围空间中的涡旋电场。他还介绍了位移电流的概念，并认为位移电流像电流一样在周围空间激发涡流磁场。麦克斯韦用数学从理论上总结了电磁现象的基本规律。1865年，电磁场的普遍定律——麦克斯韦方程组被提出，并最终完成了一个完整统一的电磁场理论。麦克斯韦还预言了电磁波的存在，并提出了光的电磁理论。1888年，海因里希·赫兹(1857-1894)通过实验证实了电磁波的存在，给了麦克斯韦理论一个决定性的证明。

经典电动力学本身并没有正确解决场和电的物质基础这一最基本的问题。麦克斯韦仍然用“以太”来描述真空场的概念。对电的理解还没有渗透到材料结构的微观领域。直到20世纪初狭义相对论建立起来，“以太”才被抛弃，电磁场的物质性才被正确认识。直到1897年汤姆逊发现了电子，人们才对电子有了具体的了解，电子是电的物质基础。这些基本问题的解决改进了经典电动力学的理论。同时，人们从麦克斯韦方程出发，发展了电磁场的数学描述，研究了电磁波的传播和辐射以及带电粒子与电磁场的相互作用。

波动光学作为经典电动力学的一个组成部分，从一开始就有其独立的发展线索。我们知道几何光学可以看作是波动光学的极限，波动光学是在几何光学的指导下发展起来的。在古代，人们发现了光的直线传播原理和反射定律，并在17世纪初发现了折射定律。17世纪中叶，牛顿做了一个著名的色散实验。同时，人们发现它与光的线性传播不完全一致，并观察到衍射、干涉和双折射。在此期间，光的粒子理论和光的涨落理论形成了。两党就光的本质进行了辩论，粒子理论占了上风。由于大多数科学家同意粒子理论，整个18世纪光学几乎没有发展。19世纪是波动光学的辉煌时期，波动光学理论得到了复兴和发展。1801年，托马斯·杨(托马斯·杨，1773-1829)第一个展示了双狭缝光的干涉现象，成功地测量了光的波长，用波动理论解释了牛顿环现象，并提出光是剪切波。1815年，菲涅耳(奥古斯丁·让·弗莱斯-奈尔，1788-1827)用杨氏干涉原理扩展了惠更斯原理。利用这一原理不仅可以解释光在各向同性介质中的线性传播，而且可以解释光的散射现象。菲涅耳进一步证明了光的横波性质，并系统地研究了光的偏振。到目前为止，波动光学理论已经基本成型，并在与粒子理论的斗争中取得了阶段性的胜利。在1849年和1862年，人们在实验室里测量了两次光速，弥合了波动光学和电磁理论之间的差距。

法拉第在1845年发现光的振动表面在强磁场中旋转，揭示了光和电磁之间的内在联系。1865年麦克斯韦电磁场理论的建立表明电磁波以光速传播，所以光现象是一种电磁现象，光波是波长在一定范围内的电磁波。这样，波动光学被统一到经典电动力学理论中。为了研究产生与光一样高频率的电振动器的特性，也为了从物质结构的角度研究物质和光之间的相互作用过程，1896年亨得里克·安顿·洛伦兹(1853-1928)创立了经典电子理论。经典电子理论不仅可以解释物质发射和吸收光的现象，还可以解释光在物质中的传播和折射率随光波频率变化的色散现象。然而，这些解释极其有限。

经典电动力学研究电磁场的基本性质、运动规律及其与带电物质的相互作用。物质的电结构是物质的基本组成。电磁场是物质世界的重要组成部分。电磁作用是物质的基本相互作用之一。

经典电动力学的表述与经典力学的表述大不相同。经典力学描述物体在任何时候的位置和动量，其中只有时间是一个独立的参数。经典电动力学描述的是任何时刻的场，不是表示它在三维空间中的位置，而是它在空间中每一点的值，即给出场的函数(如电场强度)。经典电动力学的基本理论可以用麦克斯韦方程中的四个方程来表达。

二、现代物理学的基本内容

现代物理学以相对论和量子力学为基础，其研究范围已经扩展到从基本粒子到宇宙物体的所有领域，形成了许多分支学科和边缘学科。

1.相对论

阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)创立了相对论，主要是时间和空间理论。它抛弃了牛顿的绝对时间和绝对空间，建立了相对论的时间和空间观，使物理概念发生了根本性的变化。在相对论中，限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，而扩展到广义参考系并包括重力场的理论称为广义相对论。

(1)狭义相对论。

1905年，爱因斯坦建立了他的狭义相对论。狭义相对论有两个基本假设:

(1)相对性原理:所有惯性参考系都是等价的，物理定律可以用相同的形式表达给所有惯性参考系；

(2)光速不变原理:相对于任何惯性系统，真空中的光速在任何方向都是常数，与光源的运动无关。

从这两个假设出发，爱因斯坦推导出了两个惯性坐标系的时空变换关系，即洛伦兹变换。由此，完全否定了“以太”的存在，导出了运动刚体的“长度收缩”、运动时钟的“时间延迟”、同时相对性和新的速度组合规则。狭义相对论的时空观表明:首先，时间、空间和物质的运动密切相关，时间和空间的特性是相对的，时间间隔和空间间隔的测量不具有不变性，而是随着物质运动状态的变化而变化；第二，时间和空间密不可分。它们不能分离，也不能独立存在。所有的物理现象和过程都存在于一个统一的四维连续区域中

爱因斯坦将狭义相对论应用于电动力学，证明了麦克斯韦方程符合相对论原理，建立了相对论电动力学。在这里，电场和磁场不再是矢量，而是反对称的四维张量，它在不同的惯性系统中按照一定的规则变换。电场和磁场是这个统一张量的不同组成部分，它们对不同惯性系统的影响是不同的。在某个惯性系统中显示的是一个纯电场或磁场；在另一个惯性系统中，电场和磁场都会出现。也就是说，电磁场被分成电场部分和磁场部分，它们只有相对意义，并且与观察者所处的惯性框架相关。

爱因斯坦还将相对论应用于力学，建立了相对论力学。相对论力学能正确描述高速运动的规律，当速度v