1、1一、什么是物理学？一、什么是物理学？古希腊人把对自然现象的观察和理解笼统地包含在一门学问中即古希腊人把对自然现象的观察和理解笼统地包含在一门学问中即自然哲学自然哲学。牛顿关于物理学的名著称为牛顿关于物理学的名著称为自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理。自然科学分化为物理、。自然科学分化为物理、化学、天文学、地理学、生物学、力学等（数学仅是一种工具）只是近三百年化学、天文学、地理学、生物学、力学等（数学仅是一种工具）只是近三百年多年的事。什么是物理学？多年的事。什么是物理学？物理学就是研究物质结构、运动和相互作用的基本物理学就是研究物质结构、运动和相互作用的基本规律以及它们的各种实际应用的学科
2、。规律以及它们的各种实际应用的学科。与其他学科相比，它更着重于对物质世与其他学科相比，它更着重于对物质世界最普遍最基本的规律的追求。物理学作为自然科学的基础学科，历来是人类界最普遍最基本的规律的追求。物理学作为自然科学的基础学科，历来是人类物质文明发展的动力。作为人类追求真理、探索未知世界奥妙的工具，物理学物质文明发展的动力。作为人类追求真理、探索未知世界奥妙的工具，物理学是一种哲学观和方法论。是一种哲学观和方法论。大学物理大学物理绪绪 论论2二、为什么要学物理？二、为什么要学物理？人类社会的进步与物理学的发展是息息相关的，没有人类社会的进步与物理学的发展是息息相关的，没有物理学，就没有科学和
3、技术。毫无疑义，物理学，就没有科学和技术。毫无疑义，物理学在过去、物理学在过去、现在和将来都是科学与技术发展的动力与源泉。现在和将来都是科学与技术发展的动力与源泉。在当今科学技术高速发展的时代，在当今科学技术高速发展的时代，物理学愈来愈成物理学愈来愈成为包括人文科学在内的各类人才所必需具备的基本知识。为包括人文科学在内的各类人才所必需具备的基本知识。各种管理工作都与科学技术分不开，而科学技术更离不开各种管理工作都与科学技术分不开，而科学技术更离不开物理学。因此，许多大学都在人文社科、经济管理等专业物理学。因此，许多大学都在人文社科、经济管理等专业开设了物理学课程。开设了物理学课程。3三、怎样学
4、物理？三、怎样学物理？第一、认真领会物理学知识体系。第一、认真领会物理学知识体系。包括物理学发展的包括物理学发展的历史、物理学对物质世界及其运动的基本认识、物理学思历史、物理学对物质世界及其运动的基本认识、物理学思想及其科学研究方法、正确的自然观与宇宙观、物理学基想及其科学研究方法、正确的自然观与宇宙观、物理学基本原理、物理学在技术中的应用。本原理、物理学在技术中的应用。第二、正确对待物理中的数学。第二、正确对待物理中的数学。物理学的基本概念物理学的基本概念和基本原理都是通过数学语言来表达的。没有数学，物理和基本原理都是通过数学语言来表达的。没有数学，物理便不成体系，物理问题就无法说清楚。要完
5、全回避数学，便不成体系，物理问题就无法说清楚。要完全回避数学，是不现实的。本课程涉及到的是微积分初步知识和矢量的是不现实的。本课程涉及到的是微积分初步知识和矢量的基本知识。为了照顾大家的数学基础，教材作了一些简化基本知识。为了照顾大家的数学基础，教材作了一些简化处理。学习时还可以参阅附录。碰到数学不要有畏难情绪。处理。学习时还可以参阅附录。碰到数学不要有畏难情绪。只要你下决心去搞懂它，是不困难的。只要你下决心去搞懂它，是不困难的。第三、要学会自学第三、要学会自学。4四、物理讲什么？四、物理讲什么？1.1.物理学的发展历史物理学的发展历史。主要内容：中国和西方古代物理。主要内容：中国和西方古代物
6、理学思想；科学革命与科学观的形成；经典物理学理论体系学思想；科学革命与科学观的形成；经典物理学理论体系的建立以及近代物理学的发展；物理学对人类文明的贡献。的建立以及近代物理学的发展；物理学对人类文明的贡献。2.2.物质世界的基本运动形式及物理学的基本原理。物质世界的基本运动形式及物理学的基本原理。物物质的运动形式包括机械运动、热运动、电磁运动、宏观高质的运动形式包括机械运动、热运动、电磁运动、宏观高速运动、振动和波动、微观粒子运动及其规律。速运动、振动和波动、微观粒子运动及其规律。3.3.物理学对物质世界的基本认识。物理学对物质世界的基本认识。内容包括：物质世内容包括：物质世界的层次、形态与基
7、本相互作用；物理学与宇宙观；物质界的层次、形态与基本相互作用；物理学与宇宙观；物质世界的对称性和统一性；物理学认识的真理性。世界的对称性和统一性；物理学认识的真理性。4.4.物理学在技术科学的应用物理学在技术科学的应用。高新技术、环境科学、。高新技术、环境科学、生命科学是生命科学是2121世纪极为重要的、也是人们最为关注的几个世纪极为重要的、也是人们最为关注的几个技术科学领域。将讨论物理学在这些领域中的应用。技术科学领域。将讨论物理学在这些领域中的应用。5 第一章第一章 从自然哲学到现代物理学从自然哲学到现代物理学 物理学的发展经历了古代物理学时期（物理学的发展经历了古代物理学时期（1616世
8、世纪以前）、经典物理学时期（纪以前）、经典物理学时期（1616世纪世纪1919世纪）世纪）和近现代物理学时期（和近现代物理学时期（2020世纪以来）。世纪以来）。1.1 古代物理学思想古代物理学思想1.1.1 中国古代物理学思想中国古代物理学思想 1.关于物质本原的认识关于物质本原的认识 中国古代，关于对物质本原的研究主要有中国古代，关于对物质本原的研究主要有“阴阴阳学说阳学说”、“五行思想五行思想”、“原子观点原子观点”、“元元气说气说”诸理论。诸理论。6 （1 1）阴阳学说）阴阳学说 易经易经的注解书的注解书易传易传指出：指出：“易有太极，是生两仪，两仪生四易有太极，是生两仪，两仪生四象，
9、四象生八卦象，四象生八卦”，“太极太极”指宇宙本原指宇宙本原（物质的原始态），（物质的原始态），“两仪两仪”就是阴阳，就是阴阳，“四象四象”是春夏秋冬四时，是春夏秋冬四时，“八卦八卦”即天、即天、地、山、泽、水、火、风、雷，把自然现地、山、泽、水、火、风、雷，把自然现象归纳成为八种基本现象。老子说：象归纳成为八种基本现象。老子说：“万万物负阴而抱阳物负阴而抱阳”。按阴阳学说，世间万物。按阴阳学说，世间万物的千变万化、生生不息都归结于阴阳之间的千变万化、生生不息都归结于阴阳之间的彼此消长、对立统一、相互作用和相互的彼此消长、对立统一、相互作用和相互转化。转化。（2 2）五行思想）五行思想 “五行
10、五行”指指“金木水火土金木水火土”五种基本五种基本物质或元素。认为世间万物皆由这五种元素构成。五物质或元素。认为世间万物皆由这五种元素构成。五种元素之间具有相生和相克的基本关系即：土生金、种元素之间具有相生和相克的基本关系即：土生金、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、金生水、水生木、木生火、火生金和土克水、水克火、火克金、金克木、木克土。火克金、金克木、木克土。老子约公元前600500年 7 （3 3）原子观点）原子观点 墨经墨经记述，记述，“端，体之无厚而最前者也端，体之无厚而最前者也”。解释是，端的尺寸非常小（解释是，端的尺寸非常小（“无厚无厚”），内部无间隙，不能再分割，）
11、，内部无间隙，不能再分割，是构成物质的最小颗粒。是构成物质的最小颗粒。庄子庄子天下天下指出：指出：“一尺之棰，日取一尺之棰，日取其半，万世不竭其半，万世不竭”，认为物质可无限分割。，认为物质可无限分割。（4 4）元气理论）元气理论 “元气说元气说”可以概括为：天地是包含元气的可以概括为：天地是包含元气的实体，万物由物质性的元气构成，是气的不同凝聚状态。万物从混实体，万物由物质性的元气构成，是气的不同凝聚状态。万物从混沌中产生和发展，是元气运动所致。有形的物体不可灭，无形的元沌中产生和发展，是元气运动所致。有形的物体不可灭，无形的元气也不可灭，元气的运动也不可灭。气也不可灭，元气的运动也不可灭。
12、2.2.关于时间、空间和运动的认识关于时间、空间和运动的认识 魏国的尸佼给宇宙以定义：魏国的尸佼给宇宙以定义：“上下四方曰宇，往古今来曰上下四方曰宇，往古今来曰宙宙”，宇即空间，宙即时间。，宇即空间，宙即时间。庄子庄子的定义：的定义：“有实而无乎处者，有实而无乎处者，宇也；有长而无本剽者，宙也。宇也；有长而无本剽者，宙也。”意思是，宇是实在的且无所不在，意思是，宇是实在的且无所不在，宙有长短但无始终，说明了时空的无限属性。宙有长短但无始终，说明了时空的无限属性。8 关于运动与静止，墨家定义：关于运动与静止，墨家定义：“动，域徙也动，域徙也”“”“止，以久也止，以久也”，即运动意味物体空间位置（
13、域）的改变（徙），即运动意味物体空间位置（域）的改变（徙），静止意味物体处静止意味物体处于空间某位置有一段时间（久）。至于时空与运动的关系，墨家写于空间某位置有一段时间（久）。至于时空与运动的关系，墨家写道：道：“宇域徙宇域徙 ，说在长宇久，说在长宇久”“宇徙而又处宇，宇南北，在旦又宇徙而又处宇，宇南北，在旦又在暮在暮”。即物体在空间移动，是空间随着时间的由近及远的变化，。即物体在空间移动，是空间随着时间的由近及远的变化，物体离开原空间而占据另一空间，好比物体从南到北，经历的时间物体离开原空间而占据另一空间，好比物体从南到北，经历的时间从早到晚。这样，时间与空间的联系便统一于物体的运动中了从早
14、到晚。这样，时间与空间的联系便统一于物体的运动中了。吕氏春秋吕氏春秋中描述的中描述的“刻舟求剑刻舟求剑”的故事：一个人坐在行船上，的故事：一个人坐在行船上，手中剑掉到水中。他在船上掉剑位置刻上记号，以便捞剑。作者笑手中剑掉到水中。他在船上掉剑位置刻上记号，以便捞剑。作者笑话掉剑人以行船为参照系去找剑是独劳的。晋代束皙说：话掉剑人以行船为参照系去找剑是独劳的。晋代束皙说：“乘船以乘船以涉水，水去船不徙矣涉水，水去船不徙矣”“”“仰游云以观，日月常动而云不移仰游云以观，日月常动而云不移”。是对。是对运动相对性的描述运动相对性的描述.春秋伟春秋伟考灵曜考灵曜记述：记述：“地恒动不止，而人地恒动不止，
15、而人不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉也不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉也”，是相对性原，是相对性原理的思想理的思想。9 墨经：“力，刑之所以奋也”“重之谓下，举重，奋也”。“刑”即“形”为物体，“奋”为“运动状态的改变”，这与牛顿定律不谋而合。南宋吴曾在能改斋漫录中记述一个故事：燕昭王养的一头肥猪太大，最大的秤也不能称出猪的重量，便命“水官”用船去称重，才称出猪的重量。墨家曾写道：“沉形之衡也，则沉浅非形浅也，若易五之一”。意思是，浮体放入水中平衡时，浮体下沉一定深度，浮体的重量与水对物体下沉部分的浮力相等，好比五件物品与一件物品的等价交换。可见古人对浮力已有较深刻的认识。
16、至于弹力，我国古人早就有所认识并加以利用了，如弓箭、弹弓、管乐器中的簧片等，而且在许多书籍中也记载了外力与形变的正比关系。张衡的预报地震的地动仪，用到了惯性和杠杆原理等力学知识。张衡（78-139）10 4.关于光的认识关于光的认识 中国古代在光的直线传播、光的反射和折射、光的色中国古代在光的直线传播、光的反射和折射、光的色散、小孔成像实验有许多研究。我国春秋战国时期，墨散、小孔成像实验有许多研究。我国春秋战国时期，墨子及其弟子在子及其弟子在墨经墨经中就已记载着光的直线传播（影中就已记载着光的直线传播（影的形成和小孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面）上的的形成和小孔成像等）和光在镜面（凹面和凸面
17、）上的反射现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置反射现象，并提出了一系列经验规律，把物和像的位置及大小与所用镜面的曲率相联系。及大小与所用镜面的曲率相联系。墨经墨经记述的小孔记述的小孔成像实验如图成像实验如图1-1-11-1-1，物体通过小孔成的像是倒立的。光，物体通过小孔成的像是倒立的。光照在物体（人）上，从物体上发出的投射到屏上的一切照在物体（人）上，从物体上发出的投射到屏上的一切。光线均相交于针孔处，光线均相交于针孔处，物体下部发出的光线像物体下部发出的光线像箭一样射到高处，上部箭一样射到高处，上部发出的光线射到低处发出的光线射到低处。图1-1-1墨子（公元前479年前381年）1
18、1 宋代的沈括在宋代的沈括在梦溪笔谈梦溪笔谈中对凹面镜和凸面镜的中对凹面镜和凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等方面均有创造性的阐述。南宋末的赵友钦对小孔成像进行了均有创造性的阐述。南宋末的赵友钦对小孔成像进行了全面而系统的实验（改变光源、改变物距、改变像距、全面而系统的实验（改变光源、改变物距、改变像距、改变孔的形状大小），得出了一些有意义的结论如大孔改变孔的形状大小），得出了一些有意义的结论如大孔成像（明亮部分）和大孔形状相同，小孔成像和光源形成像（明亮部分）和大孔形状相同，小孔成像和光源形状相同。状相同。沈括说沈括说“虹乃雨
19、中日影也，日照雨则虹乃雨中日影也，日照雨则有之有之”。朱熹认为虹是。朱熹认为虹是“日色散射雨日色散射雨气气”。中唐道士张果还用白石英制作了。中唐道士张果还用白石英制作了三棱镜，记录了世界上第一幅色散光谱三棱镜，记录了世界上第一幅色散光谱图并且画出了光图，也许注意到了光的图并且画出了光图，也许注意到了光的折射现象。折射现象。沈括（1031-1095）12 5.关于电和磁的认识关于电和磁的认识 “电电”字最早见于西周的青铜器的铭文中（雷电现象的记字最早见于西周的青铜器的铭文中（雷电现象的记录）。东汉王充在录）。东汉王充在论衡论衡中记述：中记述：“顿牟缀芥，磁石引顿牟缀芥，磁石引针针”（顿牟即琥珀）
20、，即摩擦过的琥珀可以吸引轻小物体（顿牟即琥珀），即摩擦过的琥珀可以吸引轻小物体如芥籽、磁铁可以吸引铁针。他还用如芥籽、磁铁可以吸引铁针。他还用“元气元气”理论解释静电理论解释静电和静磁现象，认为芥籽和琥珀、铁针和磁石具有相同的和静磁现象，认为芥籽和琥珀、铁针和磁石具有相同的“气气性性”，因而互相感动而吸引（，因而互相感动而吸引（“气有潜通气有潜通”）。雷电是如何）。雷电是如何产生的？历代学者用产生的？历代学者用“元气说元气说”作了许多解释。先秦的慎到作了许多解释。先秦的慎到提出：提出：“阳与阴夹持，则磨轧有光而为电阳与阴夹持，则磨轧有光而为电”（磨轧即摩擦）。（磨轧即摩擦）。淮南子淮南子坠形训
21、坠形训中指出：中指出：“阴阳相薄为雷，激扬为电阴阳相薄为雷，激扬为电”，即阴阳二气彼此撞击产生雷，而相互渗透产生电。王充认为，即阴阳二气彼此撞击产生雷，而相互渗透产生电。王充认为，雷电是因为阴阳二气之争、产生爆炸而形成的。明代刘伯温雷电是因为阴阳二气之争、产生爆炸而形成的。明代刘伯温概括了历代学者的观点：概括了历代学者的观点：“雷者，天气之郁而激发也，阴气雷者，天气之郁而激发也，阴气团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电团于阳，必迫，迫极而迸，迸而声为雷，光为电”。13 吕氏春秋吕氏春秋记载：记载：“慈石召铁，或引之也慈石召铁，或引之也”“”“石，石，铁之母也。以有慈石，故能引其子铁之母也
22、。以有慈石，故能引其子”，明确地描述了磁，明确地描述了磁石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。淮南子淮南子还还记述了磁石吸引物质只限于铁，写道：记述了磁石吸引物质只限于铁，写道：“若以慈石之能若以慈石之能连铁也，而求其引瓦，则难矣连铁也，而求其引瓦，则难矣”“”“及其于铜则不通及其于铜则不通”。沈括对指南针形制的改进有重大贡献。在研究磁针时，沈括对指南针形制的改进有重大贡献。在研究磁针时，他还发现了地磁偏现象。他还发现了地磁偏现象。6.关于声的认识关于声的认识 中国古人对声学的研究有许多发现和创造，尤其在乐中国古人对声学的研究有许多发现和创造，尤其在乐律研究方
23、面有许多重要成果。另外对声音的产生与传播、律研究方面有许多重要成果。另外对声音的产生与传播、共振与共鸣等现象也做了许多理论和实验研究。共振与共鸣等现象也做了许多理论和实验研究。北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是声学在建北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是声学在建筑上应用的杰作。筑上应用的杰作。141.1.2 西方古代物理学思想 1.关于物质本原 古希腊哲学家们对宇宙本原、万物组成、大地构造等问题，进行了许多思考和辩论，提出了各种观点。其中主要有“元素论”和“原子论”等理论。（1）元素论 泰勒斯认为大地漂浮在水面上，万物本原是水。阿那克西米尼认为大地像是“漂浮在空气中的一片宽大的树叶”，万物本
24、原应是“气”。赫拉克立特把物质本原归于“火”。恩培多克勒认为，万物的本原应由四种“元素”组成即“土、水、气、火”，亚里士多德认为认为，冷、热、湿和干是更基本的性质，四元素是这四种性质两两组合而成的物质本原，湿与冷组合成水，湿与热组合成气，干与冷组合成土，干与热组合成火。亚里士多德(Aristotel,约前384-前322)15（2 2）原子论）原子论 德谟克利特建立了德谟克利特建立了“原子论原子论”观点。原子论的观点。原子论的大致要点是：大致要点是：（1 1）宇宙万物都由原子构成，原子是不可分割、不可破灭的）宇宙万物都由原子构成，原子是不可分割、不可破灭的极小而结实的物质单元；极小而结实的物质
25、单元；（2 2）宇宙中除了原子和虚空，不存在其它任何东西；）宇宙中除了原子和虚空，不存在其它任何东西；（3 3）原子从恒古以来就存在，既不能创造，也不能消灭；）原子从恒古以来就存在，既不能创造，也不能消灭；德谟克利特（Democritus,约前460-前361）（4 4）原子在数量上是无限的，在形式上是多样的，）原子在数量上是无限的，在形式上是多样的，它们在一个无限的虚空中永远处于涡旋运动之中，它们在一个无限的虚空中永远处于涡旋运动之中，因此形成各种复合物。由于组成物体的原子在数因此形成各种复合物。由于组成物体的原子在数量、形状、次序、位置不同，故物体彼此各异；量、形状、次序、位置不同，故物体
26、彼此各异；（5 5）原子在虚空中只有通过直接接触）原子在虚空中只有通过直接接触压迫、撞压迫、撞击等，它们才能相互作用，超距作用不可能击等，它们才能相互作用，超距作用不可能。16 2.关于运动和力关于运动和力 亚里士多德将物体的运动分为亚里士多德将物体的运动分为自然运动和强迫运动自然运动和强迫运动。自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动。自自然运动指重物垂直下落和轻物体竖子直上升的运动。自然运动的物体要寻找其天然位置，例如，含土元素的重物然运动的物体要寻找其天然位置，例如，含土元素的重物的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和水的的天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和水的轻
27、重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中轻重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中下降，气泡在水中上升。物体下落的快慢即速度与重量成下降，气泡在水中上升。物体下落的快慢即速度与重量成正比。强迫运动指借助推力才能进行的运动正比。强迫运动指借助推力才能进行的运动。阿基米德 （Archimedes,约前 287-前212）不推，物体就处于静止状态。物体运动的不推，物体就处于静止状态。物体运动的速度与施加的外力成正比，与在介质中受速度与施加的外力成正比，与在介质中受到的阻力成反比。到的阻力成反比。阿基米德阿基米德论平面的平论平面的平衡衡和和论浮体论浮体中论证了杠杆原理和浮中论证了杠杆原
28、理和浮力定律。他曾经声称：力定律。他曾经声称：“给我一个稳定的给我一个稳定的支点，我就能把地球挪动支点，我就能把地球挪动”。17 阿拉伯学者阿勒阿拉伯学者阿勒-哈齐尼通过实验测定了许多物质如金、哈齐尼通过实验测定了许多物质如金、银、铜、铁、铅、水银、象牙、酒等比重。提出了一个重银、铜、铁、铅、水银、象牙、酒等比重。提出了一个重要的物理思想：物质的量与它的重量并不是一回事。另外要的物理思想：物质的量与它的重量并不是一回事。另外他还以路程与时间之比来表示速度。他还以路程与时间之比来表示速度。3.关于光学关于光学 希腊数学家欧基里德首先将几何知识引入光学研究并希腊数学家欧基里德首先将几何知识引入光学
29、研究并将光学看成几何学的一个分支（现称为几何光学）。他研将光学看成几何学的一个分支（现称为几何光学）。他研究了平面镜和球面镜成像问题，提出了反射角等于入射角究了平面镜和球面镜成像问题，提出了反射角等于入射角的反射定律，还发现凹面镜的聚焦作用并假定焦点在球心的反射定律，还发现凹面镜的聚焦作用并假定焦点在球心与球面之间。他肯定了光是直线传播的，由此而研究投影与球面之间。他肯定了光是直线传播的，由此而研究投影现象，指出光源大小和物体大小不同，会产生不同的投影。现象，指出光源大小和物体大小不同，会产生不同的投影。天文学家托勒密系统地研究了光的折射，最先测定了天文学家托勒密系统地研究了光的折射，最先测定
30、了光通过两种介质界面时的入射角和折射角。光通过两种介质界面时的入射角和折射角。18 天文学家阿里斯塔克最先利用当时的光学知识进行天天文学家阿里斯塔克最先利用当时的光学知识进行天文数据的测量。例如，他测得日地间距离为月地间距离的文数据的测量。例如，他测得日地间距离为月地间距离的2020倍（实际上为倍（实际上为400400倍）、月亮直径约为地球直径的倍）、月亮直径约为地球直径的1/21/2（实际为（实际为1/41/4）、太阳直径约为地球直径的）、太阳直径约为地球直径的1010倍（实际为倍（实际为100100倍）。倍）。阿拉伯学者阿勒阿拉伯学者阿勒-哈增反对托勒密关于眼睛发出哈增反对托勒密关于眼睛发
31、出光线才能看到物体的学说，认为光线是太阳或发光体发出光线才能看到物体的学说，认为光线是太阳或发光体发出并照射到物体上，眼睛接收到这些光线才看到物体。他对并照射到物体上，眼睛接收到这些光线才看到物体。他对反射定律作了进一步的研究，指出入射线、反射线、法线反射定律作了进一步的研究，指出入射线、反射线、法线都在同一平面。都在同一平面。英国的罗杰培根发明了暗室。他描述了光的反英国的罗杰培根发明了暗室。他描述了光的反射定律和折射现象，研究了球面镜的像差。用光的折射解射定律和折射现象，研究了球面镜的像差。用光的折射解释了虹的成因，提出了用透镜校正视力和用透镜组构成望释了虹的成因，提出了用透镜校正视力和用透
32、镜组构成望远镜的可能性。远镜的可能性。19 4.关于其它物理学知识关于其它物理学知识 卢克莱修用原子论对磁石吸铁进行解释，认为卢克莱修用原子论对磁石吸铁进行解释，认为磁体发射出细微粒子流，撞击、驱散磁石和铁之磁体发射出细微粒子流，撞击、驱散磁石和铁之间的空气，形成了真空，铁原子力求进入真空，间的空气，形成了真空，铁原子力求进入真空，因而表现出吸引。其它物体如金和木具有特殊结因而表现出吸引。其它物体如金和木具有特殊结构，故不能被吸引。皮埃尔德马里古特认识构，故不能被吸引。皮埃尔德马里古特认识到，磁针断为两截，每一截又变成磁针异性磁极到，磁针断为两截，每一截又变成磁针异性磁极相吸、同性磁极相斥；铁
33、与磁石摩擦可以磁化。相吸、同性磁极相斥；铁与磁石摩擦可以磁化。关于热现象，亚里士多德把热看成是物质元关于热现象，亚里士多德把热看成是物质元素的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的，素的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的，把火看作是由最轻、最滑、最活泼的粒子组成的。把火看作是由最轻、最滑、最活泼的粒子组成的。20 关于声，亚里士多德把声音看作一种运动，认为关于声，亚里士多德把声音看作一种运动，认为发声的物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，发声的物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，从而发生传播，当碰到障碍时就象小球被反射一样产生从而发生传播，当碰到障碍时就象小球被反射一样产生
34、回声。回声。总而言之，从古代到总而言之，从古代到1515世纪，中国和西方关于世纪，中国和西方关于对自然界物理现象的认识，既缺乏系统的科学实验，也对自然界物理现象的认识，既缺乏系统的科学实验，也未形成完备的科学理论体系，基本上处于对自然的有限未形成完备的科学理论体系，基本上处于对自然的有限观察和零星的记载阶段。一些物理现象的理论解释也受观察和零星的记载阶段。一些物理现象的理论解释也受到局限，许多甚至是错误的，物理学在技术上的应用水到局限，许多甚至是错误的，物理学在技术上的应用水平也是很低的，平也是很低的，物理学仍属于哲学的范畴物理学仍属于哲学的范畴。尽管如此，。尽管如此，古代物理学思想和一些思维
35、方式对后来物理学新体系的古代物理学思想和一些思维方式对后来物理学新体系的建立和发展的影响仍然是非常重要的。建立和发展的影响仍然是非常重要的。21 1.2 科学革命和科学观的形成科学革命和科学观的形成1.2.1.欧 洲 文 艺 复 兴 运 动欧 洲 文 艺 复 兴 运 动 文艺复兴文艺复兴是是1414世纪中叶到世纪中叶到1717世纪初发生在欧洲的伟大世纪初发生在欧洲的伟大的思想解放、艺术创造、科学发现运动。的思想解放、艺术创造、科学发现运动。“文艺复兴文艺复兴”一词，意指古代灿烂的文化在经历长期的衰落和沉寂之一词，意指古代灿烂的文化在经历长期的衰落和沉寂之后，现在又得到复兴。文艺复兴的指导思想是
36、人文主义后，现在又得到复兴。文艺复兴的指导思想是人文主义或人本主义，这是从神的世界回到人的世界的一种资产或人本主义，这是从神的世界回到人的世界的一种资产阶级价值观。英国哲学家富兰西斯阶级价值观。英国哲学家富兰西斯培根提出了培根提出了“知识就知识就是力量是力量”的口号，并且指出科学的目的就是要用新发明的口号，并且指出科学的目的就是要用新发明和和新发现来改善人类的生活。恩格斯所说：新发现来改善人类的生活。恩格斯所说：“这是一次人类从来没有经历过的最伟大、这是一次人类从来没有经历过的最伟大、进步的变革，是一个需要巨人而且产生了进步的变革，是一个需要巨人而且产生了巨人巨人在思维能力、热情和性格方面，在
37、思维能力、热情和性格方面，在多才多艺和学习博学方面的巨人的时在多才多艺和学习博学方面的巨人的时代代”。富兰西斯培根(Francis Bacon,1561-1626)22 达达芬奇是这些巨人中的杰出代表。他是一个多才多芬奇是这些巨人中的杰出代表。他是一个多才多艺的天才，艺的天才，最后的晚餐最后的晚餐蒙娜丽沙蒙娜丽沙等绘画作品千古等绘画作品千古不朽。他不仅是画家、雕刻家、音乐家，而且是哲学家、不朽。他不仅是画家、雕刻家、音乐家，而且是哲学家、工程师、物理学家、数学家、生物学家。他在物理学上的工程师、物理学家、数学家、生物学家。他在物理学上的成就：初步表述了惯性原理；研究过材料的强度；研究了成就：初
38、步表述了惯性原理；研究过材料的强度；研究了抛体运动（弹道）、单摆运动，提出了运动合成概念；证抛体运动（弹道）、单摆运动，提出了运动合成概念；证明了杠杆原理；重新发现了阿基米德的液体压力概念，提明了杠杆原理；重新发现了阿基米德的液体压力概念，提出了连通器原理，研究过液体的流动；认识到光有类似于出了连通器原理，研究过液体的流动；认识到光有类似于水波和空气中波的波动特点；通过绘画，研究过光和影的水波和空气中波的波动特点；通过绘画，研究过光和影的规律、眼睛的构造并说明了视网膜上像形规律、眼睛的构造并说明了视网膜上像形成的原因。研究过水力、热力动力机械并成的原因。研究过水力、热力动力机械并试图从减少摩擦
39、和部件磨损来提高机械效试图从减少摩擦和部件磨损来提高机械效率；设计过永动机并得出永动机不可实现率；设计过永动机并得出永动机不可实现的结论的结论达芬奇（Leonardo da Vinci,1452-1519）23 总之，总之，文艺复兴运动的意义文艺复兴运动的意义在于，在政治、文化、在于，在政治、文化、科学等各个领域引起了前所未有的思想大解放，彻底动科学等各个领域引起了前所未有的思想大解放，彻底动摇了封建制度和神权统治的根基，给世界留下了一大批摇了封建制度和神权统治的根基，给世界留下了一大批文学、艺术、科学、政治理论成果与精神财富，为近代文学、艺术、科学、政治理论成果与精神财富，为近代科学的兴起和
40、新科学观的诞生奠定了基础科学的兴起和新科学观的诞生奠定了基础。1.2.2 科学革命科学革命 真正的科学革命是从波兰天文学家哥白尼否定地心真正的科学革命是从波兰天文学家哥白尼否定地心说、提出日心说开始突破的。中世纪的教会把上帝创造说、提出日心说开始突破的。中世纪的教会把上帝创造世界及与之适应的地心说奉为不可违反的教条世界及与之适应的地心说奉为不可违反的教条。哥白尼（Nikolaus Copernicus,1473-1543）哥白尼详细分析了有关行星运动的大量哥白尼详细分析了有关行星运动的大量资料，经过许多年的观测和计算，最终完资料，经过许多年的观测和计算，最终完成了科学巨著成了科学巨著天体运行论
41、天体运行论，提出了以，提出了以太阳为中心的宇宙结构体系，推翻了主宰太阳为中心的宇宙结构体系，推翻了主宰西方思想长达千余年的托勒密的地心说西方思想长达千余年的托勒密的地心说。24 布鲁诺又扬弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是布鲁诺又扬弃了太阳是宇宙中心的观点，认为宇宙是无限的，在太阳系外还有无数的世界。他的观点更加有力无限的，在太阳系外还有无数的世界。他的观点更加有力地冲击了关于宇宙有限、地球中心的宗教教义。地冲击了关于宇宙有限、地球中心的宗教教义。哥白尼的日心说假定行星都在轨道上做圆周运动。哥白尼的日心说假定行星都在轨道上做圆周运动。丹麦天文学家第谷经过丹麦天文学家第谷经过2121年的艰苦观
42、测，记录了行星位置，年的艰苦观测，记录了行星位置，得到了详细而精确的数据。当他用数据去拟合哥白尼学说得到了详细而精确的数据。当他用数据去拟合哥白尼学说时，发现日心说中的行星圆轨道模型只是粗略近似。第谷时，发现日心说中的行星圆轨道模型只是粗略近似。第谷的学生、德国天文学家开普勒摆脱了的学生、德国天文学家开普勒摆脱了“匀速圆周运动匀速圆周运动”观观念，经历了长达念，经历了长达1717年的研究，终于从第谷浩繁的数据中发年的研究，终于从第谷浩繁的数据中发现并归纳出现并归纳出行星运动三大定律行星运动三大定律：图1-2-1（1）行星做椭圆轨道运动，太行星做椭圆轨道运动，太阳位于椭圆的一个焦点上；（阳位于椭
43、圆的一个焦点上；（2 2）太阳到行星的矢径在相同时间内太阳到行星的矢径在相同时间内扫过相等的面积（扫过相等的面积（如图1-2-1）25 （3 3）行星绕太阳的运动周期的平方正比于它绕太阳的）行星绕太阳的运动周期的平方正比于它绕太阳的圆轨道的半长轴圆轨道的半长轴a a的立方即的立方即T2/a3=T2/a3=常数。开普勒定律对后常数。开普勒定律对后来牛顿的万有引力定律的发现具有奠基性作用。来牛顿的万有引力定律的发现具有奠基性作用。16321632年，意大利科学家伽利略的巨著年，意大利科学家伽利略的巨著关于托勒密关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话和哥白尼两大世界体系的对话对哥白尼学说进行了理性对哥
44、白尼学说进行了理性论证。伽利略宣传哥白尼学说、抨击托勒密体系和经院哲论证。伽利略宣传哥白尼学说、抨击托勒密体系和经院哲学，曾受到教会的迫害。后来伽利略又继续力学的研究工学，曾受到教会的迫害。后来伽利略又继续力学的研究工作，秘密出版了作，秘密出版了关于力学和局部运动两门新学科的谈话关于力学和局部运动两门新学科的谈话和数学证明和数学证明一书。伽利略为以后牛顿力学的建立铺平了一书。伽利略为以后牛顿力学的建立铺平了道路。道路。总之，科学革命的实质是思想大革命。科学革命使科总之，科学革命的实质是思想大革命。科学革命使科学从服从于经院哲学和神学的束缚中解放了出来，也使自学从服从于经院哲学和神学的束缚中解放
45、了出来，也使自然科学从自然哲学中分化并走上独立发展的道路进而逐渐然科学从自然哲学中分化并走上独立发展的道路进而逐渐形成系统的学科体系。从哥白尼的日心说开始到后来牛顿形成系统的学科体系。从哥白尼的日心说开始到后来牛顿力学体系的建立标志着第一次科学革命的完成力学体系的建立标志着第一次科学革命的完成。261.2.3 科学观的形成科学观的形成 科学观涉及到人们对自然的看法、对科学本质的理解以及科学科学观涉及到人们对自然的看法、对科学本质的理解以及科学研究的态度、思维和方法。研究的态度、思维和方法。科学研究方法是科学观的一个重要方面，它指导人们如何认识科学研究方法是科学观的一个重要方面，它指导人们如何认
46、识自然并掌握自然规律。弗兰西斯自然并掌握自然规律。弗兰西斯培根是最早倡导新科学方法的人培根是最早倡导新科学方法的人之一。他认为，一切知识来源于感觉，科学在整理感性材料时，用之一。他认为，一切知识来源于感觉，科学在整理感性材料时，用的是观察、实验、归纳、分析、比较的理性方法，经验、实验是真的是观察、实验、归纳、分析、比较的理性方法，经验、实验是真理的来源和检验标准，利用一定的仪器有程序地进行的实验才是科理的来源和检验标准，利用一定的仪器有程序地进行的实验才是科学知识的源泉。笛卡儿也认为实验可以提供学知识的源泉。笛卡儿也认为实验可以提供“原始前提的必要素原始前提的必要素材材”，还能检验结论的正确性
47、。伽利略同样强调，人们必须通过实，还能检验结论的正确性。伽利略同样强调，人们必须通过实验去阅读验去阅读“自然之书自然之书”。当时的科学家不仅强调了经验、实验在认。当时的科学家不仅强调了经验、实验在认识中的作用，而且还开始对实验方法进行研究。系统的实验研究方识中的作用，而且还开始对实验方法进行研究。系统的实验研究方法是把对自然的研究变为真正的科学的重要标志。实际上，物理学法是把对自然的研究变为真正的科学的重要标志。实际上，物理学在本质上就是一门实验学科在本质上就是一门实验学科。27 根据获得的经验和实验资料建立科学理论体系，还必根据获得的经验和实验资料建立科学理论体系，还必须进行理论概括。培根提
48、出了经验归纳法即从大量的个别须进行理论概括。培根提出了经验归纳法即从大量的个别经验事实中概括出一般原理的方法，还提出了正确归纳的经验事实中概括出一般原理的方法，还提出了正确归纳的步骤即列举正面和反面事例、提出假说、通过实验进行选步骤即列举正面和反面事例、提出假说、通过实验进行选择修正、最后得出科学结论。培根对假说不够重视，认为择修正、最后得出科学结论。培根对假说不够重视，认为只要对资料进行系统整理，正确的假说就会自然显现出来。只要对资料进行系统整理，正确的假说就会自然显现出来。实际上并非如此简单，所以他的归纳法有明显缺陷，但是实际上并非如此简单，所以他的归纳法有明显缺陷，但是其方法论思想具有深
49、远意义。其方法论思想具有深远意义。笛卡儿则不同，他更强调理论思维即理性，把理论笛卡儿则不同，他更强调理论思维即理性，把理论思维作为知识的出发点。他认为一切科学都应该按照数学思维作为知识的出发点。他认为一切科学都应该按照数学形式建立起来，从明晰的原理出发并通过逻辑途径和数学形式建立起来，从明晰的原理出发并通过逻辑途径和数学方法进行论证，就可以得出科学结论，而实验只具有检验方法进行论证，就可以得出科学结论，而实验只具有检验理论结果的作用。笛卡儿的唯理论方法也是有缺点的，它理论结果的作用。笛卡儿的唯理论方法也是有缺点的，它忽视了实验和经验的作用，培根的经验归纳法不了解数学忽视了实验和经验的作用，培根
50、的经验归纳法不了解数学的作用，两者的相互补充是近代科学新方法论的基础。的作用，两者的相互补充是近代科学新方法论的基础。28 真正代表近代科学新方法论精神的是伽利略和牛顿。真正代表近代科学新方法论精神的是伽利略和牛顿。实验实验和数学演绎相结合的方法到了伽利略之和数学演绎相结合的方法到了伽利略之后已经成熟。伽利略开创的近代科学研究方法可后已经成熟。伽利略开创的近代科学研究方法可概括为：概括为：对自然现象进行观测，总结出规律；提对自然现象进行观测，总结出规律；提出理论假设，解释实验现象；利用数学和逻辑得出理论假设，解释实验现象；利用数学和逻辑得到推论；对推论进行客观、可重复、精确定量的到推论；对推论
