怎样学好物理和力学发展史

绪论 应国勇 一 怎样学好物理 生活中物理 颐和园 北京颐和园和昆明湖畔 万寿山麓有一座铜亭 从长廊前往铜亭的山路穿过一个石牌坊 那牌坊上有一幅对联 我们把它的下联是物含妙理总堪寻 下面以它作为本节课的标题 境自远尘皆入咏物含妙理总堪寻 这妙理便是真 寻就是去求索 乾隆题北京颐和园宝云阁 一 物含妙理总堪寻 各位同学 你到过万绿湖 黄山吗 原天地之美 而达万物之理 庄子 俯视万绿湖的千顷碧波 初秋的早晨 湖面上缭绕着袅袅轻烟 物含妙理总堪寻 波上寒烟翠 那是诗人的感叹 仰望万里云空 彩云朵朵 铺花锦绣 织成美丽的图案 物含妙理总堪寻 黄山云海 物含妙理总堪寻 黄山雪景 忽如一夜春风至 千树万树梨花开 物含妙理总堪寻 上面的这些例子 全都是一种简单的物质 是什么 水 二 物理学 人类文明进步的阶梯 一 物理学与自然科学 人类文明进步的基石 二 物理学与现代技术 人类文明进步的推动力 物理学的基础性 技术性 思想性使之成为推动人类文明进步的重要力量 基础性物理学是基础自然科学 物理学的研究成果和研究方法直接应用于化学 生物 地理 气象等自然科学 大大加速了自然科学的发展和分化独立 甚至形成了新的独立学科或分支学科 如天体物理学 空间物理学 地球物理学 流体力学 生物物理 物理化学 量子化学等等 使人们更全面地探索 认识自然界的规律 物理学对人类文明的影响 2 技术性物理学几乎是一切工程科学的基础 物理学的成就直接发展了各种各样的工程技术 形成了今天门类齐全 多样的工业体系 今天的许多高新技术也仍然是以物理学的研究成果为基础的 这些工程技术的发展应用 极大地提高了社会生产力水平 改变了人类的生活 生产方式 创造了辉煌的物质文明 比如 机械 建筑科学就是经典力学原理的实际运用 今天的电力 电子工业是电磁学发展的结果 光学特别是激光技术使得光纤通信 互联网 激光医学等莲勃发展 在万有引力定律基础上发展起来的航天技术使得人类的足迹不断地向宇宙深处延伸 物理学对人类文明的影响 思想性物理学在自身的发展进步中积累的思想方法是人类思想领域的瑰宝 这些思想方法和物理学的研究成就一道在改善人们的生产 生活条件的同时 也改变着人们的思维方式 指引着人们破除迷信 消除愚昧 尊重客观事实 尊重科学 不断追求真 善 美 推动人类文明的车轮该滚向前 人类社会历史上的几次工业革命都足以物理学的重大成果为基础的 牛顿力学 热学的发展导致了第一次工业革命 使人类进入蒸汽机时代 解放了人的体力 电磁技术的突破性成就迎来了第二次工业革命 人类进入了电气化时代 量子理论 相对论使得核物理学取得重大突破 引发了第三次工业革命 人类进入了原子能时代 物理学对人类文明的影响 物含妙理总堪寻 三 学习物理的重要性 1 物理学在社会发展中地位决定了其作用 2 为相关专业的专业课服务 四 怎样学好高中物理 物含妙理总堪寻 1 明确目的端正态度 2 注意观察 重视实验 3 认真听讲重在理解 4 学会运用做好练习 总结 物含妙理总堪寻 一要 二专 三多 四到 五善于 六用 一要 勤奋 物含妙理总堪寻 二专 专心学习 专心听讲 三多 多思 多练 多动手 四到 心到 手到 眼到 口到 五善于 善于联想 善于对比 善于思考 善于记忆 善于总结 六用 用眼仔细观察 用耳认真听讲 用脑积极思考 用心理解记忆 用口和笔准确表达 用手及时记录 练习 实验 物含妙理总堪寻 二 力学发展简史 一 古代力学 公元前5世纪 1600 代表人 亚里士多德和阿基米德 主要观点 1 物体只有在外力推动下才运动 外力停止 运动也就停止 2 两种运动 自然运动和强迫运动 3 物体下落的速度同它的重量成正比 重的比轻的下落得快 4 给我一个支点 我能推动整个地球 亚里士多德生平 落寞离世 御医之子 求学雅典学园精英 逍遥学派创立学园 王子之师 著名学者海德格尔用三句话评亚里士多德的生平 亚里士多德出生 思考 而后死去 阿塔尔尼亚城专注科研 在伽利略之前一千多年 欧洲关于物体运动规律的认识始终是由亚里斯多德学说统治着 亚里斯多德在 论天 Ontheheven 中说 一定的重量在一定的时间内运动一定的距离 一较重的重量在较短的时间内走过同样的距离 即时间同重量呈反比 比如 如果一物的重量为另一物重量的二倍 则它走过一给定的距离只需一半的时间 1 这就是亚里斯多德著名的落体下落速度与重量成比例的错误结论 1 苗力田主编 亚里斯多德全集 II 中国人民大学出版社 1911年 第281页 二 近代力学 1600 1900 代表人 意大利的伽利略和英国的牛顿 主要观点 伽俐略 1564 1642 关于运动的描述 提出参照物问题 将运动分成匀速运动和变速运动两种 提出单摆等时性 运动不需要力来维持 否定了亚里士多德的只有物体才会运动观点 重物不一定比轻物下落得快 否定了亚里士多德重物比轻物下落快的观点 亚里士多德的教条伽利略的观测结果 地上的物体不是完美的而且是有生有灭的 而天体则是完美而且永恒的 天空只有太阳 月亮 水星 金星 火星 木星和土星七个行星 宇宙中只有一个中心 那就是地球 一切都围绕着它而旋转 月球的表面并不光滑 而是有广大的凹陷和雄伟的大山 太阳的表面有神秘的斑点 看起来只是一条宽的光带的银河由成千上万颗星星组成 每一颗都放出光芒 木星像哥白尼日心体系中的地球一样也拥有卫星 有四个卫星围绕着木星旋转 需要新的运动理论 按照亚里士多德的运动理论 如果地球是运动的 那么由于它比地面上的物体重会更快的 下落 因而会把其他物体抛在后面 地球没有把地面上的物体抛在后面 亚里士多德的运动理论无法协调这一事实与地球是运动的观点 伽利略要为日心说辩护 就必须建立全新的运动理论 亚里士多德用一种先验的观点去论证日常生活中的一些现象 他的运动理论是一种常识性的看法 他没能意识到摩擦力和重力的存在 要建立不同于亚里士多德的运动理论需要一种全新的科学方法 运动的量度 亚里士多德把运动分为 自然运动 和 受迫运动 地面上物体的水平运动就是靠外力来维持的受迫运动 这种模糊而笼统的分类是与他对运动的解释联系在一起的 伽利略则是用精确的数学语言来描述物体的运动 运动的量度 速度 单位时间内走过的距离叫做速率 它反映了物体运动的快慢 而速度是速率加方向 加速度 单位时间内速度的变化叫做加速度 速度的变化包括 速率的增加和减小 通常意义下的加速和减速 以及速度方向的改变 落体定律 重物和轻物下落一样快 若亚里士多德的观点正确 即重物比轻物下落得快 那么把一个轻物和一个重物捆在一起 让它们自由下落 则重物会被轻物拖慢 而轻物会被重物拉快 也就是说下落速度应介于单独轻物和单独重物下落的速度之间 然而 从另一个角度看 两物体捆在一起后更重了 它应该比两物体中重的那个下落得还要快 从亚里士多德的观点得到了互相矛盾的两个结论 因此可以证明他的观点是不正确的 要克服这个逻辑上的矛盾必须认为重物和轻物下落得一样快 斜面上的小球 通过实验 伽利略发现小球的加速度与小球的重量无关 只与斜面的陡度有关 斜面与地面夹角越大 小球的加速度越大 伽利略设想 实验发现在确定陡度的斜面上小球的加速度与其重量无关 那么对于完全竖立起来的斜面这一结果也应当成立 而此时小球的运动是自由落体 落体定律 在没有空气阻力时 物体下落的加速度与物体的重量无关 自由落体运动是一种匀加速直线运动 自由落体是初速度为零的匀加速直线运动 速度与时间成正比 而下落距离应该时间的平方成正比 这在伽利略的斜面实验中得到了证实 落体定律的证实 伽利略的理想实验 在理想情况下 小球在左方斜面上滚下来 将在右方的斜面上爬上相同的高度 如果减小右方斜面与水平面的夹角 那么小球为了到达相同高度要经过更长的距离 而如果夹角减为零 则小球将在水平面上一直运动下去 惯性定律 小球沿着向下的斜面会加速 而沿着向上的斜面会慢下来 水平面是介于上坡与下坡的中间情形 因而在一个没有摩擦的水平面上 小球既不会加速也不会减速 惯性定律 不受外力作用的物体速度将保持不变 物体之所以运动并不是因为力 而是因为惯性 力是产生加速度的原因 相对性原理 在船静止不动时 我们看到这些有翅膀的小动物如何以同样的速度飞向房间各处 看到鱼如何毫无差别地向各个方向游动 又看到滴水如何全部落到下面所放的瓶子中 而当你把什么东西扔向你的朋友时 只要他和你的距离保持一定 你向某个方向扔时不必比向另一个方向要用更大的力 如果你在跳远 你向各个方向会跳得同样远 尽管看到这一切细节 但是没有人怀疑 如果船上情况不变 当船以任意速度运动时这一切应当照样发生 只要这运动是均匀的 不在任何方向发生摇摆 你不能辨别得出上述这一切结果有丝毫变化 也不能靠其中任何一个结果来推断船是在运动还是静止不动 相对性原理表明 所有惯性系都是等价的 不愧为近代科学之父 寻求物理现象的量化描述 将现象中最基本的性质分离出来度量 理想实验 在基本物理原理的基础上演绎的建立科学理论 2 牛顿 1642 1727 第一定律 第二定律 第三定律 万有引力定律 1661年 19岁 进入剑桥大学 成为三一学院的减费生 1665年 获得文学学士学位 1665 1666回到乡下 在剑桥求学期间大量接触自然科学著作 师从巴罗教授 将其引导到数学前沿 1669年 27岁 成为数学教授 直至1701年 1672年 成为皇家学会会员 1703年 成为皇家学会会长 1706年受英国女王封爵 1727年3月20日逝世 享年84岁 晚年 兴趣转向神学 写了近200万言的著作 IsaacNewton 1642 1727 人生历程 一 牛顿的主要科学成就 牛顿科学成就对人类文明发展的影响 牛顿的发现表明 自然界中一切在引力作用下产生的运动均可从物质自身的原因得到说明 因此无需借助于超自然因素的作用 一切力学事件不再是孤立的 偶然的事件 而是一系列运动变化中的一个环节 人们只要通过运用力学三定律 便可以从物体在某一给定时刻的运动状态推知其在此之前或之后某一时刻的运动状态 世界文明史简编 使人类认识摆脱了神学的束缚 完成了人类对自然界认识史上的第一次理论大综合 牛顿力学体系的建立 使人类对自然界的认识方式上出现了什么变化 牛顿 确立了充分尊重经验事实的理性化或科学化的思维传统 牛顿革命还告诉人们 科学研究最好的方法有综合与分析两种 正是牛顿 以他的巨大成功为动力 推动了这种科学思维方式在知识界的迅速普及 一系列学科领域的飞跃发展 汇同牛顿革命一起 构成了人类历史上第一个科学革命时代 马克思 世界文明史 牛顿力学体现的科学思维和研究方法带动了各门科学的发展 引起了巨大的科学革命 牛顿科学成就对人类文明发展的影响 牛顿力学在什么方面 为近代科学的整体发展提供了启示 牛顿的思想在英国和全欧洲出版的许多大众读物中传播 迄1784年 关于牛顿的书的就有40本 法文的17本 德文的3本 拉丁文的11本 葡萄牙文和意大利文的各1本 启蒙运动的史学家们相当严格地认识到牛顿作为某种象征的重要性 科学与启蒙运动 牛顿科学成就对人类文明发展的影响 启蒙思想家们在牛顿革命启发 激励下所进行的种种思考 在历史上曾起过非常积极的作用 有力地推动了现代文明的发展和人类社会的进步 马克垚 世界文明史 在瓦特研制蒸汽机之前的一个世纪里 正是欧洲历史上一个科学鼎盛的时期 从17世纪中期开始 近代科学在一批巨人的推动下产生 在这批科学巨人当中排在最中心位置的是一位妇孺皆知的人 他就是艾萨克 牛顿 许多历史学家认为 如果从近代科学的角度看 正是牛顿开启了工业革命的大门 大国崛起 工业先声 牛顿的科学成就为英国工业革命提供科学理论 三 现代力学 1900 代表人 阿尔伯特 爱因斯坦 Albert Einstein 1879 1955 主要观点 1 时空观相对性 时间和空间是相对的 不是绝对的 否定了经典力学时间 空间的绝对性 2 质能方程 质量和能量是可以相互转化的 为人类进入原子能提供了理论依据 3 建立狭义相对论和广义相对论 4 光电效应 量子说光子说爱因斯坦解释光电效应 1905 爱因斯坦生平 1879 3 14诞生于德国乌尔姆中 小学时代德国慕尼黑1895 1896瑞士阿劳中学一年1896 1900苏黎士工业大学学习1900 1902艰辛求职 四面碰壁 爱因斯坦对学校教育持批评态度 一生中除了在阿劳中学那一年的补习班外 对学校教育没有好印象 他高度评价阿劳中学的教学 这个中学用它的自由精神和那些不仗外界权势的教师的纯朴热情 培养了我的独立精神和创造精神 正是阿劳中学 成为了孕育相对论的土壤 1902 1909伯尔尼发明专利局工作初期科研情况 1901 1篇论文1902 2篇论文1903 1篇论文1904 1篇论文 希尔伯特 没有比