1、 序言序言 物理学：研究物理学：研究物质及其运动规律的科学物质及其运动规律的科学 人类自古以来就对自然界充满好奇人类自古以来就对自然界充满好奇 日出日落日出日落 辰宿列张辰宿列张 寒寒 来来 暑暑 往往 大自然的各种神奇现象让 人们惊叹不已，强烈渴望弄清 其背后的规律和联系。这种好 奇心和人类提高生产力水平的 需求，构成了自然科学发展最 主要的两个动力。 在它们的驱使下，人类对自然规律进行着不懈 的探索。物理学是这些探索过程中结出的最重要的 果实之一。 浑仪浑仪 应应 用用 在初中，大家已经学习了一些有趣的物理知识和思在初中，大家已经学习了一些有趣的物理知识和思 考物理问题的方法。考物理问题的
2、方法。 声音的产生声音的产生 物态变化物态变化 进入高中，我们将认识更丰富多彩的物理现象，学进入高中，我们将认识更丰富多彩的物理现象，学 到更为深刻的物理知识。在学习过程中，大家还要进一到更为深刻的物理知识。在学习过程中，大家还要进一 步领悟科学研究的方法，受到科学精神的陶冶。步领悟科学研究的方法，受到科学精神的陶冶。 初中电流初中电流 高中电流高中电流 洞天察地，万物之理洞天察地，万物之理 物理学概述物理学概述 早在2 000 多年前的古希腊时期，亚里士多德、 阿基米德等一批科学家就开始了对物理现象和规律的 探索。 亚里士多德亚里士多德杠杆原理杠杆原理 物理学的萌芽时期物理学的萌芽时期 阿基
3、米德阿基米德 浮力定律浮力定律 物理学的萌芽时期物理学的萌芽时期 伽伽 利利 略略 牛牛 顿顿 自自 然然 哲哲 学学 的的 数数 学学 原原 理理 现代物理学的诞生现代物理学的诞生 1617世纪，伽利略和牛顿等人在前人工作的基础世纪，伽利略和牛顿等人在前人工作的基础 上创立了系统性的力学理论，建立了实验观测和理论分上创立了系统性的力学理论，建立了实验观测和理论分 析计算相结合的现代研究方式。析计算相结合的现代研究方式。 经过四个世纪的发展，物理学已经成为一门分经过四个世纪的发展，物理学已经成为一门分 支众多深刻影响当代科学技术发展乃至人类社会文支众多深刻影响当代科学技术发展乃至人类社会文 明
4、进步的基础学科。明进步的基础学科。 原子核物理 凝聚态物理 粒子物理激光物理 天体物理 等离子体物理 原子核 m10 15- 分子 m10 10- 病毒 m10 7- 染色体 m10 4- 人类 m100 m103 m107 m109 m1013 山 地球 太阳 太 阳 系 宇宙 远到宇宙深处，近至咫户之远到宇宙深处，近至咫户之 间，间， 面对广袭苍穹之浩瀚、基本面对广袭苍穹之浩瀚、基本 粒子之精微，物理学定量地研粒子之精微，物理学定量地研 究物质的存在形式、基本性质究物质的存在形式、基本性质 以及运动和转化规律。物理学以及运动和转化规律。物理学 不仅要探索物质的深层次结构，不仅要探索物质的深
5、层次结构， 还要在不同层次上认识物质的还要在不同层次上认识物质的 组成部分及其相互作用。组成部分及其相互作用。 物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、遵物理学是一门实验科学，也是一门崇尚理性、遵 循逻辑推理的理论科学。循逻辑推理的理论科学。 瓦瓦 碎碎 蛋蛋 全全 由于物质世界纷繁复杂，有限的实验和观察难以完由于物质世界纷繁复杂，有限的实验和观察难以完 全揭示其背后的本质规律和内在联系。因此，在依赖先全揭示其背后的本质规律和内在联系。因此，在依赖先 进的科学装置的同时，物理学的发展也必须借助于强有进的科学装置的同时，物理学的发展也必须借助于强有 力的数学工具和大型计算技术，以及深刻的洞察力和
6、丰力的数学工具和大型计算技术，以及深刻的洞察力和丰 富的想象力。富的想象力。 数学工具数学工具大型计算技术大型计算技术 今天，物理学中的基本概念和理论、实验方法和今天，物理学中的基本概念和理论、实验方法和 手段，已经越来越广泛地应用于其他学科，极大地丰手段，已经越来越广泛地应用于其他学科，极大地丰 富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新 和革命，促进了生产力的发展和人类文明的进步。和革命，促进了生产力的发展和人类文明的进步。 以前的洗衣服以前的洗衣服现在的洗衣服现在的洗衣服 观察现象，揭示本质观察现象，揭示本质 物理学研究的特点物理学研究的
7、特点 物理学通过定量的实验和严谨的逻辑分析。不断地物理学通过定量的实验和严谨的逻辑分析。不断地 揭示出自然的客观规律和各种现象的内在联系。其中有揭示出自然的客观规律和各种现象的内在联系。其中有 的和直觉吻合，也有很多与直觉不尽相同，需要通过严的和直觉吻合，也有很多与直觉不尽相同，需要通过严 密的实验和思考，才能透过表象看到本质。这些成果极密的实验和思考，才能透过表象看到本质。这些成果极 大地丰富了人类对物质世界的认识，也展现了人类理性大地丰富了人类对物质世界的认识，也展现了人类理性 思维的巨大威力。思维的巨大威力。 古人曾凭直觉认为，地球是宇宙的中心古人曾凭直觉认为，地球是宇宙的中心 托勒密
8、1617世纪，哥白尼、第谷和开普勒等人通过详世纪，哥白尼、第谷和开普勒等人通过详 尽的观测和分析，逐渐认识到地球和其他行星都在绕尽的观测和分析，逐渐认识到地球和其他行星都在绕 着太阳运动，并找到了这些运动的规律。着太阳运动，并找到了这些运动的规律。 开普勒 最终，依据这些观测和分析，牛顿发现了万有引最终，依据这些观测和分析，牛顿发现了万有引 力定律，揭示了这些运动规律的根源。伽利略和牛顿力定律，揭示了这些运动规律的根源。伽利略和牛顿 还认识到物体即便在不受力的情况下也会一直运动下还认识到物体即便在不受力的情况下也会一直运动下 去，这也与通常的直觉相反。这种对内在规律深刻的去，这也与通常的直觉相
9、反。这种对内在规律深刻的 认识，靠的是精确的实验和严密的逻辑分析，二者缺认识，靠的是精确的实验和严密的逻辑分析，二者缺 一不可。一不可。 2 21 r mm GF 当不受力时 19世纪初，人们已经知道电流能产生磁场，于世纪初，人们已经知道电流能产生磁场，于 是很自然地问：电能生磁，那么磁应该也能生电吧？是很自然地问：电能生磁，那么磁应该也能生电吧？ 电流的磁效应电流的磁效应 奥斯特奥斯特 电磁感应现象电磁感应现象 法拉第法拉第 一代代物理学家在探究客观世界的过程中发展了一代代物理学家在探究客观世界的过程中发展了 很多行之有效的研究方法。在物理学习中，我们不但很多行之有效的研究方法。在物理学习中
10、，我们不但 要掌握具体的知识，而且要学习和体会这些科学方法，要掌握具体的知识，而且要学习和体会这些科学方法， 并努力运用它们解决各种实际问题。并努力运用它们解决各种实际问题。 物物 理理 学学 大大 厦厦 学以致知，客观理性学以致知，客观理性 物理学背后的科学精神物理学背后的科学精神 首先是学以致知的探索精神。首先是学以致知的探索精神。前面说过，人类对自前面说过，人类对自 然界的好奇心是科学发展最重要的动力之一。人们在它然界的好奇心是科学发展最重要的动力之一。人们在它 的驱使下研究很多问题，其中，有的能直接转化成技术，的驱使下研究很多问题，其中，有的能直接转化成技术， 服务于实际应用，但是也有
11、很多是当时看不到直接用途服务于实际应用，但是也有很多是当时看不到直接用途 的。比如伽利略研究的力和运动的问题、牛顿发现的万的。比如伽利略研究的力和运动的问题、牛顿发现的万 有引力定律，当时都属于无用之学。正是这些看似没有有引力定律，当时都属于无用之学。正是这些看似没有 用的、以求知为目的的探索，使人们获得了对自然规律用的、以求知为目的的探索，使人们获得了对自然规律 完整深入的认识。完整深入的认识。 其次是实事求是的客观精神其次是实事求是的客观精神。物理学的目的是。物理学的目的是 求真，客观事实是判断对错的标准，对就是对，错求真，客观事实是判断对错的标准，对就是对，错 就是错。猜想和论断必须能经
12、受得住实验的检验和就是错。猜想和论断必须能经受得住实验的检验和 逻辑的推敲。逻辑的推敲。 还有就是理性分析的精神。还有就是理性分析的精神。物理学强调数学计物理学强调数学计 算和逻辑分析，环环相扣，有原因才有结果。不合算和逻辑分析，环环相扣，有原因才有结果。不合 乎逻辑的地方必然意味着有问题，必须搞清楚。物乎逻辑的地方必然意味着有问题，必须搞清楚。物 理学的殿堂中，没有诡辩者的位置。理学的殿堂中，没有诡辩者的位置。 需要指出的是，科学精神不仅对科学研究很重要，需要指出的是，科学精神不仅对科学研究很重要， 而且在社会生产、日常生活的各方面都是有价值的。而且在社会生产、日常生活的各方面都是有价值的。
13、现现 代社会分工精细、节奏紧凑，很多时候代社会分工精细、节奏紧凑，很多时候“失之毫厘，差失之毫厘，差 之千里之千里”。这就要求我们在工作和生活中要做到实事求。这就要求我们在工作和生活中要做到实事求 是、严谨认真并且讲求逻辑，敬畏和尊重客观规律，从是、严谨认真并且讲求逻辑，敬畏和尊重客观规律，从 而提高效率、减少失误。另外，秉承实事求是和讲求逻而提高效率、减少失误。另外，秉承实事求是和讲求逻 辑的精神，还会使我们在碰到问题的时候，面对现实、辑的精神，还会使我们在碰到问题的时候，面对现实、 认真分析，根据实际作出判断与选择，不盲从、不走极认真分析，根据实际作出判断与选择，不盲从、不走极 端。端。
14、揭示自然，造福人类揭示自然，造福人类 物理学的应用物理学的应用 物理学的发展，推动了工业、农业和信息技术等方物理学的发展，推动了工业、农业和信息技术等方 面的进步，引发了一次次的产业革命，改变了人类的生面的进步，引发了一次次的产业革命，改变了人类的生 产和生活方式。技术的进步又为物理学的研究提供了更产和生活方式。技术的进步又为物理学的研究提供了更 为强大的手段，并引发人们对物理问题进行更深入地思为强大的手段，并引发人们对物理问题进行更深入地思 考，从而反过来促进物理学的发展。考，从而反过来促进物理学的发展。 创立于创立于17世纪的牛顿力学，被广泛地应用于工程世纪的牛顿力学，被广泛地应用于工程
15、技术，大大推动了社会发展。技术，大大推动了社会发展。l819世纪，工程上对蒸世纪，工程上对蒸 汽机等热机的改进需求，又迫使人们对热的问题进行汽机等热机的改进需求，又迫使人们对热的问题进行 深入研究，引发了热力学的巨大进步。深入研究，引发了热力学的巨大进步。 第一次工业革命第一次工业革命 第二次工业革命第二次工业革命 1920世纪初，电磁学的发展，直接导致发电机和世纪初，电磁学的发展，直接导致发电机和 无线电通信的诞生，使电能被广泛利用。电走进了千无线电通信的诞生，使电能被广泛利用。电走进了千 家万户，世界被电灯点亮，电话和电报把各地的人们家万户，世界被电灯点亮，电话和电报把各地的人们 连接起来
16、，人类从此进入了电气时代。连接起来，人类从此进入了电气时代。 第三次工业革命第三次工业革命 进入进入20世纪以后，物理学的研究范围更加广阔。世纪以后，物理学的研究范围更加广阔。 人们掌握了微观世界的规律，这更为有力地推动了技人们掌握了微观世界的规律，这更为有力地推动了技 术的进步和社会的变革。术的进步和社会的变革。 对原子核的认识，使人们掌握了核能，建造了核电对原子核的认识，使人们掌握了核能，建造了核电 站并发展了治疗肿瘤的放疗等技术；站并发展了治疗肿瘤的放疗等技术； 秦山核电站全貌秦山核电站全貌 对固体中电子运动的研究，对固体中电子运动的研究， 引发了半导体工业的诞生，导引发了半导体工业的诞
17、生，导 致了晶体管、集成电路和大容致了晶体管、集成电路和大容 量电子存储技术的发明，从而量电子存储技术的发明，从而 使人们可以制造半导体芯片；使人们可以制造半导体芯片； 对原子、分子物理和光学的深入研究，引发了原子对原子、分子物理和光学的深入研究，引发了原子 钟、激光和光纤通信等技术的诞生。原子钟是卫星定位钟、激光和光纤通信等技术的诞生。原子钟是卫星定位 系统的核心，激光被广泛用于工业、通信、医疗和国防，系统的核心，激光被广泛用于工业、通信、医疗和国防， 而遍布全球的光纤网是互联网的物理载体，它把全世连而遍布全球的光纤网是互联网的物理载体，它把全世连 在一起，毫不夸张地说，在一起，毫不夸张地说
18、，20世纪是物理学的世纪，人们世纪是物理学的世纪，人们 每时每刻都在享受物理学发展带来的果实，今天世界的每时每刻都在享受物理学发展带来的果实，今天世界的 整个面貌，都和物理学的巨大进步密不可分。整个面貌，都和物理学的巨大进步密不可分。 2020世纪技术的迅猛发展，也大大推动了物理学的研世纪技术的迅猛发展，也大大推动了物理学的研 究。利用现代工业手段，人们制造了巨大的望远镜和粒究。利用现代工业手段，人们制造了巨大的望远镜和粒 子加速器等设备，从而把研究的目光投向更深邃的宇宙子加速器等设备，从而把研究的目光投向更深邃的宇宙 和更微小的粒子；利用大型计算机，人们可以完成更为和更微小的粒子；利用大型计
19、算机，人们可以完成更为 复杂和准确的计算并处理海量的实验数据；在现代交通复杂和准确的计算并处理海量的实验数据；在现代交通 工具和信息技术的帮助下，学术交流变得更加便捷、高工具和信息技术的帮助下，学术交流变得更加便捷、高 效。效。 前景广阔，充满挑战前景广阔，充满挑战 物理学的未来物理学的未来 19世纪下半叶，以力学、热学和电磁学为主要内容世纪下半叶，以力学、热学和电磁学为主要内容 的经典物理学，几乎能解释当时已知的所有物理现象。的经典物理学，几乎能解释当时已知的所有物理现象。 宣告：宣告：“科学大厦已经基本建成科学大厦已经基本建成后辈物理学家只后辈物理学家只 需做一些零碎的修补工作就行了。需做
20、一些零碎的修补工作就行了。” 普朗克普朗克居里夫人居里夫人爱因斯坦爱因斯坦 著名法国物理学家、诺贝尔奖得主德著名法国物理学家、诺贝尔奖得主德 布罗意在物理学的未来一文中布罗意在物理学的未来一文中 说说:“:“我们的知识越是发展，自然就越是我们的知识越是发展，自然就越是 以其多种表现证明它拥有无尽的财富，甚以其多种表现证明它拥有无尽的财富，甚 至在很先进的科学领域，如物理学，我们至在很先进的科学领域，如物理学，我们 也没有理由认为我们已经也没有理由认为我们已经耗尽耗尽了自然了自然 财富，或者认为我们已经接近完整地掌握财富，或者认为我们已经接近完整地掌握 了自然界的全部财富了自然界的全部财富。”
21、那么，那么，2121世纪还会有重要的发现吗？世纪还会有重要的发现吗？ 目前还有许多困扰物理学的难题。目前还有许多困扰物理学的难题。 目前的物质结构理目前的物质结构理 论认为论认为“夸克夸克”构成了质构成了质 子、中子等强子，但是，子、中子等强子，但是， 夸克为什么不能单独存夸克为什么不能单独存 在？在？ 如何将描述微观世如何将描述微观世 界运动的量子力学和描界运动的量子力学和描 述引力的广义相对论结述引力的广义相对论结 合起来，以解释宇宙的合起来，以解释宇宙的 起源和演化？起源和演化？ 能否像用麦克斯韦理论统一描述电和磁一样，用能否像用麦克斯韦理论统一描述电和磁一样，用 某一理论统一描述自然界
22、的四种基本相互作用（弱力、某一理论统一描述自然界的四种基本相互作用（弱力、 强力、电磁力和引力）？强力、电磁力和引力）？ 此外，技术发展的需求，也提出了许多有价值的问此外，技术发展的需求，也提出了许多有价值的问 题。如何制造可以方便使用的超导材料？如何开发更为题。如何制造可以方便使用的超导材料？如何开发更为 清洁的能源？如何进一步提升计算机的性能？这些问题清洁的能源？如何进一步提升计算机的性能？这些问题 都与物理学直接相关。都与物理学直接相关。 “江山代有才人出，各领风骚数百年。江山代有才人出，各领风骚数百年。”综观世界综观世界 科技史，许多重要的科学发现都产生于科学家风华正科技史，许多重要的
23、科学发现都产生于科学家风华正 茂的青年时期，在这个阶段他们思维敏捷、敢于创新。茂的青年时期，在这个阶段他们思维敏捷、敢于创新。 年轻的同学们，你们当中一定会有人沿着前辈的足迹，年轻的同学们，你们当中一定会有人沿着前辈的足迹， 为物理学的发展作出自己的贡献。千里之行，始于足为物理学的发展作出自己的贡献。千里之行，始于足 下，学好高中物理，你就在通向成功的道路上迈出了下，学好高中物理，你就在通向成功的道路上迈出了 坚实的一步。坚实的一步。 高中物理难吗？ 雾里 悟理 物理 当然，多数同学今后未必进行基础科学的研究，但是，当然，多数同学今后未必进行基础科学的研究，但是， 不论从事什么职业，高中物理积累的科学知识，学到的科不论从事什么职业，高中物理积累的科学知识，学到的科 学方法和实事求是、讲求逻辑的理性科学精神，都将会使学方法和实事求是、讲求逻辑的理性科学精神，都将会使 你终身受益。你终身受益。
