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物理学习的内容 物理学习理论应当建立在物理学习的事实基础之上，认识这些事实是研究物理学习的重要任务。物理学习的事实来源于物理学习的现象，但比现象更集中、更概括地反映了物理学习活动的本质。只有深入分析物理学习内容和物理学习过程中的最根本的层次，才能透过现象把握这些基本事实。在本章和以后的两章中，揭示和描述这些事实，就给出了对物理学习的认识，它可以看作是由直接概括事实而总结出来的初级理论。而初级理论将成为建设系统的物理学习理论的基础。物理学习的特殊规律首先来自于它的学习内容的特殊性。本章从物理科学的内容及其特点入手，研究物理科学内容转换成物理学习内容后出现的新的特征，并在对物理学习内容进行分类的基础上分析各类学习内容的特点。第一节 物理科学的基本内容物理科学是物理学习的对象，从根本上讲，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就是物理知识，这是一种片面的理解。这种理解往往导致学生不能学到完整的物理，往往使学生感到学习只是不断往高堆积知识的“积木”而失去对科学的热情。事实上，物理科学的内容除了物理知识之外，还包括重要程度并不亚于物理知识的物理观念、方法和实验基础。只有把知识、观念、方法和实验基础有机结合起来，才是对物理科学内容的完整描述。我们通过物理科学发展的历史线索，来展示物理知识的体系、物理观念的发展、物理学方法的运用以及相应的实验基础。通过这样的描述，我们将对物理科学的内容是什么这一基本问题获得比较全面、清晰的认识，并以此为出发点去讨论学习中的问题。物理学是研究物质运动基本规律和物质基本结构的一门科学。最初的物理学是哲学的一部分，直到16世纪末才从哲学中分离出来，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完善，但同时也发现了一些经典物理学无法解释的物理现象。20世纪初，物理学进入现代物理学的新时代，获得了前所未有的高速发展。下面，我们分经典物理学和现代物理学两个部分，来描述物理科学的基本内容。一 经典物理学的基本内容经典物理学包括力学、热学、电磁学、声学和光学五个部分。这些部分还可以合并而总结成三个方面：经典力学、热力学和经典统计力学、经典电动力学。1.经典力学伽利略（Galileo Galilei，15641642）是经典力学的奠基人。从16世纪末到17世纪初，他把观察实验、物理思维和数学演绎三种科学方法巧妙结合起来，以确凿的实验事实、严格的逻辑推理和清晰的物理观念，批驳了统治两千年之久的亚里士多德（Aristotle，公元前384前332）的错误运动观念，阐明了他的运动理论。伽利略的运动理论包括：运动的描写和分类，自由落体定律，加速度的概念，惯性原理，抛体运动轨迹和相对性原理，等等。经典力学的基本理论体系是由牛顿（Isaac Newton，16421727）在1687年建立起来的，因此经典力学也常称作牛顿力学。牛顿先用实验归纳的方法，总结了伽利略等人的研究成果，建立若干最一般、最明白的定义、公理，然后用严谨的推理建立起一个完整的演绎结构，最后又将这种演绎结果与实验事实相比较。牛顿对经典力学的伟大贡献主要包括：严格定义了质量、动量、惯性、外加力、向心力等基本概念，总结出机械运动的三个基本定律，得出了力的合成分解、运动叠加原理、动量守恒原理、相对性原理等重要推论，发现了万有引力定律，等等。在牛顿之后，18、19世纪的物理学家继续发展、完善牛顿的力学理论，最终完成了自洽的经典力学体系。这个期间，确立了三大守恒原理：质心运动守恒原理、动量矩守恒原理和活力（动能）守恒原理。同时，矢量描写和运算的困难促使物理学家寻找牛顿力学新的表述形式，从虚功原理、最小作用原理发展为变分方法，逐步形成了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，是相对于原子等微观粒子而言；低速，是相对于光速而言。经典力学的时空观建立在欧几里德几何学的基础上，空间向四方延伸，与时间无关；时间从过去流向未来，与空间无关。物体的长度是与测量参照系无关的绝对量，任何两个事件的同时性是绝对的。经典力学的基本理论有三种表述形式：牛顿运动方程形式、拉格朗日的微分形式和哈密顿的积分形式。经典力学包含质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、流体力学、声学等。理论的基本部分还可分为运动学、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的研究。系统的计温学和量热学的建立，标志着对热现象的研究走上了实验科学的道路。这时，一些人根据片面的实验事实，认为热是一种没有质量的流质，提出了当时颇为流行的热质说。与热质说相对立，另一些人认为热是物质运动的一种表现，以摩擦生热的事实沉重地打击了热质说。到了19世纪中叶，1842年迈尔（Julius Robert Mayer，18141878）提出能量守恒学说。迈尔认为热是一种能量，可以与机械能相互转化。同时，焦耳（JamesPrescott Joule，18181889）用许多实验比较准确地测定出热功当量，给予能量守恒定律以坚实的实验基础，从而建立起了表明能量转化和守恒的热力学第一定律。紧接着，克劳修斯（RudolfClausius，18221888）和开尔文（Kelvin，18241907）分别在1850年和1851年各自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，人们在应用的过程中发展了热力学的数学理论，找到了包括熵在内的反映物质各种性质的热力学函数。1906年，能斯脱（Walther Nernst，18641941）根据低温下化学反应的许多实验事实总结出热力学第三定律，指出绝对零度是不能达到的。这个定律的建立，使热力学理论更臻完善。随着热力学第一定律的建立，热质说被彻底否定，研究热现象微观理论的分子运动论得到了迅速发展。在19世纪后半期，人们开始用统计方法研究由大量分子组成的系统，找出微观量与宏观量间的关系。这方面的主要工作包括：推导出理想气体的压强公式，引入平均自由程的概念，得出气体分子速率分布律，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，等等。气体分子运动论使用的几率统计法，为统计力学奠定了基石。1902年吉布斯（Josias Willard Gibbs，18391903）大大改进和发展了分子运动论的统计方法，提出了完整的系综理论，建立起经典统计力学的理论体系，其适用范围也扩展到固体、液体、气体等任何微观粒子的体系。热力学和经典统计力学研究物质热运动的规律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，是从能量守恒和转化的角度来研究热运动规律的。它的研究方法是，根据由观察和实验所总结出的基本规律，用逻辑推理的方法，研究物体的宏观性质及宏观过程进行的方向和限度等。经典统计力学是热运动的微观理论，它从宏观物质系统是由大量微观粒子所组成的这一事实出发，认为物质的宏观性质，是大量微观粒子运动的平均效果，宏观物理量是微观量的统计平均值，用统计的方法研究物体的宏观性质。统计方法不一一考虑个别微粒的运动，而是运用力学定律研究极大数目微粒的综合作用，直接推求极大数目微粒运动的一些统计平均值。经典统计力学认为，单个微粒的运动遵从力学规律，大量微粒的整体遵从统计规律。热力学最基本的规律是热力学第一、第二、第三定律，经典统计力学的最基本定理是刘维定理（相密度守恒原理）。3.经典电动力学经典电动力学，从广义上看，也包含了电磁学和波动光学的内容。对电磁现象的系统研究始于18世纪中叶。1785年，库仑（Charles Auguste de Coulomb，17361806）用扭秤实验发现电荷之间相互作用所遵从的定律库仑定律，使电学进入科学的行列。随后伽伐尼动物电流的发现以及伏打电堆的发明，使欧姆（Georg Simon Ohm，17871854）在1826年用实验得到后来以他的名字命名的导体中电流的定律。差不多同时，奥斯特（HansChristian Oersted，17771851）在1820年发现了电流的磁效应，揭开了电现象和磁现象的内在联系。同年，安培（Andr MarieAmpre，17751836）得出电流元之间相互作用的规律，接着他又提出分子电流假说，把磁现象归结为单一的电流的作用。1831年，法拉第（Michacl Faraday，17911867）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，把电现象和磁现象进一步统一起来。19世纪前半叶，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超距作用。法拉第的思想却是远为卓越的，他坚信，电和磁的作用不是没有中介地从一个物体传到另一个物体，他认为，是电场和磁场起到了这种媒介作用，从而第一次提出了场的近距作用的观念。法拉第还引入了力线的概念，给电磁场描绘出一幅形象的图画。麦克斯韦（James ClerkMaxwell，18311879）进一步发展了法拉第的场和力线思想，他认为变化的磁场在其周围空间激发涡旋电场，他还引入位移电流的概念，认为位移电流与电流一样在周围空间激发涡旋磁场。麦克斯韦利用数学对电磁现象的基本规律进行了理论总结，于1865年提出了电磁场的普遍规律麦克斯韦方程组，最终完成了完整的、统一的电磁场理论。麦克斯韦还由此预言电磁波的存在，提出了光的电磁学说。1888年赫兹（Heinrich Hertz，18571894）通过实验证实了电磁波的存在，给予麦克斯韦的理论以决定性的证明。经典电动力学本身并没有正确解决场和电的物质基础这个最基本的问题。麦克斯韦仍然借助于“以太”来描述真空场的概念。对电的认识也没有深入到物质结构的微观领域。直到20世纪初创立了狭义相对论，才抛弃了“以太”，正确认识了电磁场的物质性。直到1897年，汤姆逊发现电子，人们才对电的物质基础电子获得了具体的认识。这些基本问题的解决，使经典电动力学的理论得到了完善。同时，人们从麦克斯韦方程组出发，发展了对电磁场的数学描述，研究了电磁波的传播和辐射以及带电粒子和电磁场的相互作用等问题。作为经典电动力学组成部分的波动光学在一开始是有其独立发展线索的。我们知道，可以把几何光学看成是波动光学的极限情况，而波动光学是以几何光学为先导发展起来的。在古代，人们就发现了光的直线传播原理和反射定律，在17世纪初又发现了折射定律。17世纪中叶，牛顿做了著名的色散实验，同时人们发现有与光的直线传播不完全相符的事实，观察到了衍射、干涉和双折射现象。这一时期，形成了光的微粒说和光的波动说，两派就光的本性问题展开了争论，微粒说占了上风。由于多数科学家赞成微粒说，在整个18世纪，光学几乎没有什么发展。19世纪是波动光学的辉煌时期，光的波动说得到了复兴和发展。1801年，托马斯?杨（Thomas Young，17731829）最先用双缝显示了光的干涉现象，成功地测出了光的波长，用波动理论解释了牛顿环现象，并且提出了光是横波。1815年菲涅耳（Augustin Jean Fres-nel，17881827）用杨氏干涉原理扩展了惠更斯原理，运用这个原理不仅能解释光在各向同性介质中的直线传播，同时也能解释光的散射现象。菲涅耳还进一步论证了光的横波性质，比较系统地研究了光的偏振现象。至此，波动光学的理论已基本形成，在与微粒说的斗争中获得了阶段性的胜利。1849年和1862年，人们两次在实验室中测定了光的速度，为波动光学通向电磁理论架起了桥梁。1845年法拉第发现光的振动面在强磁场中旋转，揭示了光和电磁的内在联系。1865年麦克斯韦电磁场理论的建立，说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，就把波动光学统一到经典电动力学的理论之中。为了研究产生高达光的频率的电振子的性质，也为了从物质结构的角度研究物质与光相互作用的过程，1896年洛仑兹（Hendrik Antoon Lorentz，18531928）创立了经典电子论。经典电子论不仅可以解释物质发射和吸收光的现象，还能解释光在物质中的传播以及折射率随光波频率而变的色散现象。不过，这些解释是极具局限性的。经典电动力学研究电磁场的基本属性、它的运动规律以及它和带电物质之间的相互作用。物质的电结构是物质的基本组成方式，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形式与经典力学的表述形式有很大不同。经典力学要描述的是物体在任一时刻的位置和动量，其中只有时间是独立参量。而经典电动力学刻画任一时刻的场，不是指明它在三维空间上处于什么位置，而是指明它在空间每一点的值，即给出场函数（如电场强经典电动力学的基本理论可以由麦克斯韦方程组中的四个方程加以表述。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，它的研究范围已经扩展为从基本粒子到宇宙天体的各个领域，形成了许多分支学科和边缘学科。1.相对论爱因斯坦（Albert Einstein，18791955）创建的相对论主要是时空的理论，它放弃了牛顿的绝对时间和绝对空间，建立了相对论时空观，使物理观念发生了一场根本的变革。在相对论中，局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论。（1）狭义相对论。1905年，爱因斯坦建立了狭义相对论。狭义相对论有两个基本假设： 相对性原理：所有惯性参考系都是等价的，物理规律对于所有惯性参考系都可以表述为相同形式； 光速不变原理：真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c，并与光源运动无关。爱因斯坦从这两个假设出发，推导出两个惯性坐标系的时空变换关系即洛仑兹变换。从而彻底否定了“以太”的存在，并导出了运动刚体的“长度收缩”、运动时钟的“时间延缓”、同时的相对性及新的速度合成法则等。狭义相对论的时空观表明：第一，时间、空间和物质的运动是有密切联系的，时间和空间的特性是相对的，时间间隔和空间间隔的量度并不具有不变性，而是随物质运动状态的变化而变化的；第二，时间和空间存在着不可分割的联系，它们不能分割开来而独立存在，一切物理现象和过程都是在X、Y、Z和t的统一的四维连续区中存在着。爱因斯坦把狭义相对论用于电动力学，证明了麦克斯韦方程组符合相对性原理，建立了相对论电动力学。在这里，电场和磁场已不再各自是一个矢量，而是一个反对称的四维张量，这个张量在不同的惯性系里按一定的规律变换。电场和磁场是这个统一的张量的不同分量，它们对于不同的惯性系表现出来的效应是不同的。在某一个惯性系中表现出的是一个纯粹的电场或磁场；在另一个惯性系中将同时表现出电场和磁场。这就是说，电磁场划分为电场部分和磁场部分，只具有相对意义，它与观察者所在的惯性系有关。爱因斯坦还把相对论用于力学，建立了相对论力学。相对论力学能够正确地描述高速运动的规律，并且，当速度vc时，相对论力学能够过渡到经典力学。在相对论力学中，动量守恒和能量守恒这两条定律被统一成一条定律，给出了物体质量随速度增长的关系式以及质能关系式E=mc2，后者反映了质量与能量的等效关系。（2）广义相对论。从1907到1915年，爱因斯坦提出并建立了广义相对论。这个理论的出发点是引力质量和惯性质量相等这一事实，由此可以提出等效原理的假设：引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。根据广义相对论，万有引力效应是空间、时间弯曲的一种表现。空间、时间的弯曲结构，决定于物质的能量密度与动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构，又反过来决定物体的运行轨道。爱因斯坦由广义相对论作出的谱线红移、光线弯曲、行星轨道近日点运动的预言，已经被一些实验证实。2.量子力学量子力学是研究微观粒子基本运动规律的理论。1923年，德布罗意（Louis de Broglie，1892）提出物质波理论，开创了量子力学的时代。德布罗意认为，不仅光有波粒二象性，实物粒子也有波粒二象性。他还把描写物质粒子性的物理量与描写物质波动性的物理量联系起来，写出了以他的名字命名的关系式。1926年，薛定谔（Erwin Schr量子力学的基本方程薛定谔方程（亦称波动方程），还进而建立了微扰理论，详细计算了散射等问题，完成了波动力学的创建工作。差不多同时，海森伯（Werner Karl Heisenberg，19011976）等人从量子化条件出发建立了矩阵力学，并成功地解决了氢原子能级、斯塔克效应、氢原子在电场和磁场中能级的移动等问题。波动力学和矩阵力学是从两个不同的方面研究一个共同的问题，它们的效果是相同的，可以通过数学变换从一个理论转换为另一理论。人们把波动力学和矩阵力学合在一起，统称为量子力学。19251930年，狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，19021984）对量子力学理论作了全面总结，还建立了相对论量子力学。3.现代物理学的各个领域（1）量子光学和现代光学。1900年，普朗克（Max Planck，18581947）在解释黑体辐射时提出了能量子假说，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数乘积的整数倍。1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中，提出了光量子（光子）理论，圆满解释了光电效应。其后的康普顿效应进一步证明了光量子理论。量子力学的理论表明，光既具有波的性质，也具有粒子的性质，即波粒二象性。但光子不同于17世纪微粒说中的粒子，光子是和光的频率联系着的。20世纪60年代前后，激光器的问世、全息摄影技术的应用、光纤通讯的发展、红外技术和遥感技术的出现，使光学进入现代光学的新时代，形成一些新的分支学科或边缘学科，如傅里叶光学、非线性光学、激光光谱学、集成光学等。（2）原子物理。1911年，卢瑟福（Ernst Rutherford，18711937）通过实验提出原子的有核模型，但在经典物理下，该模型同原子的稳定性发生了矛盾。1913年，玻尔（Niels Bohr，18851962）将量子观念引入原子系统，通过定态假设和频率假设两个假说建立了他的原子结构理论，并成功地解释了氢原子光谱规律。后来，人们又提出空间量子化的概念，研究了原子的壳层结构，发现了电子的自旋，不断修正了原子结构理论。这种在量子力学之前形成的原子理论，是有很大局限性的，其关键在于未能用波粒二象性去考虑原子问题。在这个理论中，研究范围每扩大一步，一般都要附带进若干新的假设或某些经验公式，因此它不是一种完整的理论。只有以量子力学为基础对原子结构进行研究，才能得到原子结构的精确描述。（3）原子核物理。原子核物理研究原子核的特性、结构和变化。1920年以前，卢瑟福等人发现了质子，1932年查德威克（James Chadwick，18911974）发现中子，从此人们认识到原子核是由质子和中子构成的。此后，人们曾提出各种核模型假设来解释原子核的某些运动规律和现象。这些模型比较重要的有液滴模型、粒子模型、费米气体模型、壳层模型、单粒子壳模型、多粒子壳模型、集体运动模型、统一模型等等。但直到目前还没有一个模型能够解释所有的实验事实，原子核结构仍然是人们正在进行探索的一个重大课题。早在1896年，人们就发现了天然放射性现象，使传统的元素不变的观念受到巨大冲击。从1919年起，人们又实现了原子核的人工蜕变，这是实现人工核反应的重大突破。1938年，用中子轰击铀导致了核裂变的发现，根据相对论的质能关系，核裂变的质量亏损会产生巨大的能量。1942年，第一座原子反应堆在美国芝加哥大学建成并开始运转，开始了人类利用原子能的新纪元。1952年以后，人们又实现了轻核聚变，产生了比裂变大得多的能量。（4）粒子物理。目前实验上所能探测到的物质结构最深层次的研究，称为粒子物理学，也称为高能物理学。1932年安德森（Carl Darid Ander-son，1905）在宇宙射线中发现了正电子，标志着粒子物理学的诞生。随后逐步发现了一系列新的粒子。早期发现的粒子，都是来自宇宙射线，50年代以后，由于各种加速器相继问世，大批粒子不断地被发现。到目前为止，已经发现的粒子有几百种之多，而且看来还会不断有新的发现。粒子之间的四种相互作用。粒子之间存在着复杂的相互作用，能够产生和消灭。粒子之间有四种相互作用：引力相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用。四种相互作用都是随着粒子之间距离的增加而减弱。引力作用和电磁作用是随着距离的改变按照平方反比的规律变化，属于长程力。弱作用和强作用随着距离的增加，比平方反比的减弱还要快得多，属于短程力。按照所参与相互作用的不同，可以把已发现的粒子分为三大类：规范粒子、轻子和强子。 对称性及其对应的守恒定律。对称性的研究为建立粒子物理理论提供了线索。物理规律的某种对称性对应着相应的守恒定律。在宏观物理中成立的质能守恒、角动量守恒、动量守恒和电荷守恒，在粒子物理中仍旧有效。此外，粒子运动还遵守重子数守恒、电轻子数守恒和轻子数守恒等守恒定律。粒子物理中还有一些在某种相互作用中受到破坏的守恒定律，如宇称守恒定律在弱相互作用下就不成立。 强子的内部结构。从本世纪50年代开始，人们意识到强子具有内部结构并得到了实验证实。1964年，盖尔曼（Murry Gell-Mann，1929）提出强子结构的夸克模型。1974年，丁肇中（1936）和里希特（Burton Richter，1931）同时发现了J/粒子，为夸克模型的真实性提供了有力的证据。理论上预言有六种夸克，现在已经发现了五种，第六种夸克的实验发现还有待于进一步的证实。虽然夸克在强子内部可以相当自由的运动，但即使用目前最大的加速器也没能将夸克打出来。很多人认为这是“夸克禁闭”造成的。因为夸克之间的相互作用是通过交换胶子实现的，胶子在强子内部起“粘胶”作用，有八种不同色荷的胶子以不同形式把夸克粘合在一起，在夸克之间传递相互作用。1979年，丁肇中等人在实验中证实了胶子的存在，给研究强相互作用的量子色动力学以有力的支持。量子场论。波粒二象性，以及粒子的产生和消灭，是微观、高速物理中的普遍现象。在高能情况下，不可能像在非相对论情况中那样来区分粒子和场。把粒子和场统一处理并能反映粒子转化的基本理论叫做量子场论。从1927年起经过二十多年时间由狄拉克等人建立的量子电动力学是最早的量子场论。在量子电动力学中，各种粒子均用相应的量子场来描述。空间、时间中的每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。场算符满足正则对易关系与形式上的哈密顿方程。在薛定谔方程的基础上，加进产生与湮灭算符，叫做二次量子化。重整化方法的引入，使量子电动力学成为一个完整的描绘微观电磁相互作用的精确理论，理论和实验之间的符合达到惊人的程度。但是，量子电动力学本身在逻辑上不够自洽，其研究方法在向弱相互作用和强相互作用扩展时也遇到了难以克服的困难。规范场论。最有可能把四种相互作用统一起来的量子场论是近年来崛起的规范场论。该理论企图在进行超对称的局部变换时，让方程中所涉及的每一种对称性都引入一种规范场，从而将包括引力在内的四种相互作用都包含在一个共同的理论框架之中，实现全面的大统一。1961年格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932）提出弱相互作用和电磁相互作用统一的理论模型。1967年和1968年，温伯格（Steven Weinberg，1933）和萨拉姆（Abdus Salam，1926）在规范场论基础上实现了弱相互作用和电磁相互作用的统一，并为一系列实验所证明。（5）量子统计物理。1900年普朗克提出能量子假设，也标志着初期量子统计的开端。在经典统计方法中加进能量量子化的假设，可以成功地推导出与黑体辐射实验相符的普朗克公式，还可以推导出与实验符合得很好的固体比热公式和多原子气体比热公式。量子力学的建立改变了经典统计力学的统计方法，形成了量子统计物理。量子统计与经典统计的区别，主要反映在以下四点： 由于能量的变化是不连续的，能量在相空间中的代表点不是充满各处，而仅仅存在于某一些区域中，因此经典统计中的相空间积分应当改为直接求各能级的分配数的总和； 由于全同粒子的不可辨别性，相同粒子的互换不能算作一个新的微观态； 由于测不准关系的限制，相空间的小体积不能取得任意小； 费米子由于受泡利不相容原理的限制，每一相格只容许至多一个粒子，而对于玻色子，每一相格所容许的粒子数目没有限制，因此对费米子和玻色子要用不同的方法进行统计。用量子统计，能够精确地解释黑体辐射、金属中自由电子的比热等问题，并可导出热力学第三定律。（6）凝聚态物理。凝聚态物理研究凝聚态（固态与液态）物质的微观结构、物理性质及其内部运动规律。它是由固体物理学发展起来的，是现代物理学中最庞大的一个分支。它包括了固体物理学、晶体学、金属物理学、半导体物理学、超导体物理学，还包括近年来兴起的表面物理学、非晶态物理学等等。下面简单介绍一下其中的固体物理学、半导体物理学和超导体物理学。固体物理。固体物理学主要的研究对象是晶态固体。19世纪，人们就已经积累了关于晶体几何结构的大量知识。20世纪初，实验和理论都为固体物理学的建立提供了坚实的基础。1912年，劳厄（Maxvon Lane，18791960）首先指出晶体可以作为X射线的衍射光栅，使人们通过实验观测对晶体结构有了较深入的了解。量子理论的发现，使人们能够更加深入和比较正确地描述晶体内部微观粒子的运动过程。在这个基础上，1928年布洛赫（F.BLoch，1905）提出，晶体中原子的周期排列形成了对自由电子运动有影响的周期性势场，在这种势场中，电子占据的、彼此相隔很近的可能能级形成能带，能带间有一定的间隙，称为禁带。这个能带理论为固体提供了一个普遍适用的微观模型。固体能带论和晶格动力学使固体物理学成为一门系统的基础学科，在处理晶体性能方面获得了重大成功。例如，这些理论得出了区分导体、半导体和绝缘体的微观判据，形成了位错、晶体缺陷等方面系统的理论。半导体物理。能带理论为半导体物理的发展奠定了基础。半导体是依靠导带中的电子或价带中的空穴导电的，其导电性能可通过掺入杂质原子取代原来的原子而进行控制。近年来，半导体物理的研究已经深入和扩展到半导体能带超精细结构的研究、半导体发光机制及半导体光导性质的研究等领域，表面物理也成为半导体物理学的一个重要研究内容。半导体物理的研究导致了1947年晶体管的发明和1959年集成电路的发明。当代集成电路技术与计算机技术的结合，已从根本上改变了整个工业、甚至整个社会的面貌，促进了新的世界技术革命的到来。超导物理。超导体物理学研究超导现象和超导体材料的特性。当温度下降到临界温度时金属突然失去电阻的现象称为超导现象。它是1911年由昂内斯（H.K.Onnes，18531926）首先发现的。1933年发现了超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应。1958年巴丁（Jhon Bardeen，1908）等人提出了一个超导现象的微观理论，大体上说明了超导现象的起源。1962年，人们发现了超导隧道效应，还提出了电子声子相互作用的强耦合超导理论。目前世界各国都在加紧对高温超导材料的研究，已经研制出超导温度为摄氏零下几十度的高温超导材料。（7）天体物理。天体物理研究天体的物质结构以及天体的形成和演化。从20世纪30年代到60年代，逐渐形成了关于恒星的比较统一的理论。恒星的前身（星胚）是由弥漫稀薄的星际物质通过引力塌缩而凝聚成密度较大的气体和尘埃云。在塌缩过程中星胚中心密度增大、温度增高，逐渐发热发光，形成星前天体。引力收缩是星前天体的能源。当星胚核心温度升高到一千万度时，氢核聚变开始成为主要能源，这时进入主星序阶段，一个真正的恒星便形成了。据计算，恒星只用几百万年甚至几十万年就走完了星前阶段，而主星序则长达10亿年到100亿年。恒星演化的末期，将出现三类天体：白矮星、中子星和黑洞。目前，白矮星和中子星已被大量发现，黑洞的发现尚有待于进一步证实。在宇宙整体的研究方面，人们提出了宇宙膨胀理论和大爆炸理论，并且找到了一些实验证据。（8）非平衡统计物理。非平衡统计物理研究处于非平衡态的物质系统。经典统计力学认为，物质系统的演化是一种从有序到无序的不可逆过程。但生物界的有些现象却与此相反，如生物的进化就是从低级到高级、从无序到有序乃至高度有序发展的。这样，物理学和生物学这两种演化观就表现出尖锐的对立。这告诉我们，物理系统也应存在着从无序到有序的演化过程。1969年，普里高津（N.G.Pri- gogine，1917）提出耗散结构理论，为寻找从无序到有序提供了新的思想。普里高津认为，处在远离平衡态的不稳定状态的开放系统，如果内部各要素间存在着非线性的相互作用，在稳定性被破坏后，可能向新的稳定状态进行，在这个过程中，可以出现有序结构（耗散结构）。1973年，哈肯（Hermann Haken，1927）从另一角度提出了一种研究从无序到有序的理论协同学，它是一种产生自组织有序结构和功能行为的理论。（9）生物物理。生物物理学用物理学的理论和实验技术研究生命现象。从20世纪30年代到50年代，一批物理学家在晶体分析技术的基础上，逐步弄清了蛋白质的基本结构。1944年，薛定谔用量子力学的观点讨论了遗传问题，他设想，基因是一种同分异构的连续体构成的非周期性晶体，在它的巨大数量的原子或原子群的排列组合中，蕴含着一种微型密码，这种密码形成遗传信息。50年代初，一些物理学家开始对遗传的物质基础DNA（脱氧核糖核酸）进行结构细节的晶体研究。1953年，物理学家克里克（F.H.C.Crick，1916）和病毒遗传学家沃森（J.D.Watson，1928）一起，提出了DNA双螺旋结构的分子模型，并提出DNA分子结构的遗传含义。他们认为，DNA双螺旋结构就是携带着遗传密码的基因，一个DNA分子能够复制出两个完全相同的DNA分子。在DNA如何控制蛋白质合成的进一步探究中，物理学家伽莫夫（G.Gamov，19041968）根据排列组合提出“三联体密码子”假说，提出共有64种遗传密码。到1969年，这64种遗传密码已全部测出并被列成密码表。遗传信息之谜的破译，是20世纪自然科学最伟大的成就之一。从上文所展开的物理科学的壮观画卷中，我们深切地体会到，物理科学的内容确实是物理知识、物理观念、科学方法和实验基础的有机的、巧妙的结合。除此之外，还可以看出：物理科学具有如下几个主要的特点：a.物理学是一门以实验为基础的科学；b.物理学是一门严密的理论科学；c.物理学是一门定量的精密科学；d.物理学是一门带有方法论性质的科学。物理学习的特点。物理科学的特点必然要反映到物理学习中来，使物理学习带有如下特点：a.观察和实验是物理学习的基础；b.形成物理概念、掌握物理规律、建立物理观念是物理学习的核心；c.数学是物理学习的语言和工具；d.科学方法是物理学习的手段和桥梁。第二节 物理学习内容的特征和分类学生学习的物理科学内容构成了物理学习的内容。从内部认识物理学习，应该在认识物理科学内容和特点的基础上，进而研究物理科学内容变换到物理学习内容之后，情况发生了怎样的变化，即找出物理学习内容与物理科学内容相比有哪些基本的特征。本节主要讨论这一问题，同时对物理学习内容作出分类。一 物理学习内容的特征物理学习是以物理科学为对象的学习，学习的内容取材于物理科学的内容。物理科学不断地发展和分化，也使物理学习内容不断地扩展和专门化，物理学习内容对于物理科学内容的这种依赖关系是显而易见的。由于物理学习是学生在学校中的学习，物理学习内容同物理科学内容相比，又有一定的差异。物理学习内容，一般是经教材编审者或教师选择、整理后的物理科学内容，是以教材、教学参考书或教师讲授等形式给出的。在选择、整理中，要考虑多方面的因素，其中主要有：物理科学的内容和体系，教育目的的要求，社会的需要程度，学生的认知水平和身心发展规律等。这些问题的系统研究属于物理课程论的领域，这里不做讨论。物理学习论关心的问题是，经过选择和整理而形成的物理学习内容与原来的物理科学内容相比，会出现哪些差异？这些差异会对学习产生怎样的影响？对这一问题的深入探讨，将使我们发现物理学习的一些基本事实。与物理科学内容相比，物理学习内容具有范围的可变性、知识的基础性和结构的有限性三个主要的差异，它们反映了物理学习内容的基本特征。1.范围的可变性在一个时期内，物理科学内容的范围是比较明确的。但是，物理学习内容却随教材、教师的不同而具有相当大的差异。这表明，物理学习内容的范围是不固定的，是可以有较大变化的。下面，我们通过对美国高中目前使用较多的14本物理教材进行比较，来说明物理学习内容的这一特征。这14本教材的内容范围分别如下所述：（1）杰泽（Genzer）：物理（Physics）狭义相对论占了很大篇幅，对声学只字未提。（2）哈伯沙海姆（HaberSchalm）：PSSC物理（PSSCPhysics）第5版 着重强调了光学和量子物理的内容，没有讲声学、热学和原子核物理的内容。（3）希思（Heath）：基础物理学（Fundamentsls of Physics）加进了能源的利用和保护，没有分子物理和热学的篇幅。（4）霍尔顿（Holton）：物理教程（Project physics）详细地描述了物理发展史，特别是从托勒密到牛顿的太阳系天文学，突出了人们科学哲学观的变化，加进了电磁辐射的内容，省略了力矩、透镜、热传递和电路的内容。（5）赫尔席泽（Hulsizer）：物理世界（The World of Physics）讲了狭义相对论、原子和分子结构模型的内容。（6）朗德瑞（Laundry）：物理：能量导论（Physics：An Ener-gy Introduction） 写进了能源利用、流体力学和电子学的内容。（7）马里恩（Marion）：物理和物理世界（Physics and the U-niverse）讲了狭义相对论和广义相对论、固体物理和天体物理的内容。（8）米勒（Miller）：物理学中的概念（Concepts in Physics）第三版 讲了固态和电磁辐射的内容。（9）墨菲（Murphy）：物理：原理和问题（Physics，Principleand Problems）内容比较传统。(10)雷纳（Renner）：物理研究（Investigation in Physics）包括了电磁波、相对论以及粒子物理这些重要章节。(11)斯托伯哥（Stollberg）：物理：基础和前沿（Physics：Fun- damentals and Frontiers）对交流电、电子学和色度学讨论得很详细。(12)塔费尔（Taffel）：物理：方法和意义（Physics，Its Meth- ods and Meaning）包含了固态、狭义相对论的内容，详细讨论了电磁波和量子物理。(13)弗韦波（Verwibo）：物理：一门基础科学（Physics：ABasic Science）第5版 介绍了相对论、宇宙学、电磁辐射、色度学、红移现象、交流电、电子学、粒子物理、等离子体物理、真空管、无线电路、表面张力等，对光学展开了深入的讨论。(14)威廉姆斯（Willinms）：现代物理（Modern Physics）内容比较传统，但较多讨论了交流电和电子论，分子结构部分论述了表面张力和弹力。用不着进一步的归纳和分析，我们就已经看出，在同一个国家同一时期使用在同一学习阶段的物理教材，其内容的差别是如此巨大，所涉及的学习内容已经差不多遍及物理科学内容的各个部分。在不同的教材中，物理学习内容的范围是有相当大的不同的。除了少量最基本的内容之外，在想让学生学的东西和不想让学生学的东西之间几乎不存在任何明确的界线。这表明，从物理科学内容到物理学习内容的取舍存在相当大的灵活变通的余地，在学习中若删去某些领域或略去一部分内容，可能不影响整个学习内容的逻辑结构和学生的学习。这与数学的学习内容不同。数学的学习内容一般是不容人为地做较大取舍的，如果删去了某一内容，将给后面的学习带来极大困难，甚至使许多新内容无法学习。能够允许物理学习内容有这样大的变化，从逻辑上看，是由于物理学习领域相当广泛，内容十分丰富，而且许多领域在一定意义上具有较强的独立性。逻辑上允许只是问题的一个方面，还有一个更重要的方面，那就是学生能不能学会所安排的全部内容？例如，把相对论和量子论的观念放到高中，学生能不能接受？从上面列举的14本美国高中教材看，这样做是可以的。这14本教材是多年使用，经过教学检验的较有影响的教材，大多数具有较好的可学性。于是就存在如下可能：经过适当处理的任何物理科学内容，都能为学生在一定程度上接受。对这一问题的思考使我们的讨论由学习内容的可变性方面转到学习内容的可学性方面。为了回答这一问题，让我们先来看一看美国物理教育家霍尔顿（G.Holton）的“科学的二元化成长”理论。霍尔顿认为，物理科学的每一步进展都要经历一个从“私人科学”到“公众科学”的过程。在物理学家刚刚做出发现时，他很可能并没有意识到该项发现的全部意义，更有可能使用不很确切的概念和不很系统的理论来叙述他的发现，其正确性也有待于得到同行们的确认。这个阶段的科学可以叫做“私人科学”或“形成中的科学”，简称S1。如果S1得到物理学家们比较普遍的认同，并把S1纳入已有物理科学的理论体系，用人们能够接受的概念、符号和语言加以准确的表述，这时S1就发展为“公众的科学”即“学院式科学”，简称S2。霍尔顿指出：“科学中有一种奇妙的机制在发挥作用，它及时地提炼那些最初甚至是混乱的概念，而最终不论通过什么方式或方法，把S1（私人科学或形成中的科学）中可以得到发展的任何重要东西吸收到我们称之S2（公众科学或学院式科学）里来。” 物理科学从S1到S2的内部发展机制，对物理学习有着十分重要的意义。任何一项从S1到S2的改变，都使该项科学内容具有了可继承性或可传递性。全部S2的内容都是可继承、可传递的，而物理科学又是由已经发展为S2的各个内容构成的，所以物理科学中的任何一个内容都能够被学生所学习。当然，每一内容的学习都与学生原有的知识经验和心理发展水平有关，但这些只影响学习的程度，而并不说明物理科学的哪一内容在学生的哪一阶段绝对不可以学习。以现代物理学而言，其内容形成较晚，观念较新，又要用到较高深的数学知识，中学生是不是根本就不能问津呢？根据物理科学的可继承性或可传递性，回答是否定的。只要避开较高深的数学，突出观念、方法、原理和结论的学习，学生至少可以定性地了解有关的初步内容。我国也有人把狭义相对论的内容引入到高中的物理教学，实践表明，这一尝试是成功的。由上所述，我们从物理学习内容的可变性讨论中，得到隐藏在它背后的一个事实：经过适当处理后的物理科学中的任何一个内容都能被学生在已有知识经验所决定的程度内学习。这个事实告诉我们。只要合理地选择、整理物理学习的内容，在物理科学的继承上就不会出现问题。由此看来，让多数人不同程度地了解现代物理的最基本内容，应当成为物理教育的基本目标之一。不过，学习内容的可变性也有不利的一面，它把许多现阶段难以彻底解答的问题留给学生，学习内容的完整涵义常常超出学生的已有知识经验，即使所要求的程度较低，但学生自己深究起来，肯定会有许多弄不懂的东西。在给定的学习内容程度内，往往是经不住连续问几个为什么的。这是所谓物理难学的一个潜在因素。例如，在学习滑动摩擦力时，当问为什么会产生滑动摩擦力？你可以回答：是由物体表面凸凹不平产生的。当继续问：凸凹不平为什么就会有力产生？你可能在较高的程度上回答出这是原子或分子间的电磁作用力。如果接着追问电磁力是怎样作用才表现出宏观的摩擦力的？它们之间是怎样一种数量关系？这时恐怕你就答不出来了。可见，连摩擦力这样表面上看起来最简单的概念，深究起来也有弄不清楚的问题。2.知识的基础性今天的物理学，体系十分庞大，内容十分丰富，分支学科越来越多，专业性越来越强。学生在学校有限的时间内，不可能学会物理学全部学科的精确知识并了解各个前沿领域的具体进展。因此，物理学习的内容，相对于物理科学的丰富内容而言，总是其中的一些比较基本、应用比较广泛、在不同领域反复出现的内容。物理学习内容的这种基础性，在中学生、大学生以至于研究生的学习中，都是同样存在着的，不同之处只在于反映了他们自各学习阶段的基础性。即使在现代物理相当专门领域的学习中，所学习的也是该领域的基础性的内容。物理学习内容的基础性，不单是由于物理科学内容的庞大而采取的不得已措施，更重要的还在于通过学习基础性的内容就有可能掌握相应的全部内容。后者是由物理科学本身的逻辑力量决定的。对物理科学理论的认识论考察表明，物理科学理论的形成和发展，表现为经验扩展原则与简单性原则的相互制约。“经验扩展原则是指新理论的经验覆盖面应大于旧理论的覆盖面简单性原则是指科学理论的逻辑结构应该是简单的在自然科学的发展史上，简单性原则一直是引导人们创建普遍性程度越来越高的科学理论的向导，靠牺牲理论的简单性（例如，在理论的逻辑前提中权宜的增添特设性假设）来说明理论的经验意外借以扩展理论的经验覆盖域，往往是行之有效与不可缺少的科学研究方法。然而，理论的简单性原则是不容许任意地损害的，因为随着理论逻辑前提中特设要素的增多，它的预示功能最终会丧失干净，从而必然为逻辑简单、经验扩展的崭新理论所取代。”这样，“当理论成功的明显证据出现时，这个理论往往有少数几条简单的假说如果对于每一个事实都需要分别用不同的机制来说明，那种理论就不能解释它所希望解释的任何事实，它只不过是煞费苦心和毫无用处的赘词罢了。”爱因斯坦也认为：“一个理论的前提越简单，它所关联的不同事物越多，它的可应用范围越广，它给人的印象就越深刻。”可见，物理科学理论的发展，在逻辑上有一种对自身的浓缩作用，它把广泛的内容浓缩为较少的基础性内容，用较少的基础性内容来覆盖广阔的领域。从学习的角度看，学习基础性的内容也比学习“全部”的内容更加有利。假如今天的物理科学内容比它实际的内容少得多，比方说只有实际内容的百分之一，我们也不应让学生去学习其中的一切细节。完全陷入细节的学习不仅没有必要，