物理學思想概論

前言

這是一本配合大學物理課程編寫的教學參考書以及為開設(shè)物理學思想和方法論選修課編寫的教材，是《物理學方法概論》（已由清華大學出版社在2008年5月出版）一書的“姐妹篇”。多年來，大學物理課程圍繞著“教什么”、“怎么教”和“為什么教”的問題，在課程改革和教學改革方面已經(jīng)取得了可喜的豐碩成果。許多高質(zhì)量的優(yōu)秀的大學物理教材已經(jīng)出版，優(yōu)化教學內(nèi)容和改進教學方法成為大學物理教學改革的重要內(nèi)容。在深入推進大學物理課程改革的時刻，教育部高等學校物理基礎(chǔ)課程教學指導(dǎo)分委員會集中了大學物理課程改革和教學改革的經(jīng)驗和成果，適時地提出了《非物理專業(yè)理工學科大學物理課程教學基本要求》和《非物理專業(yè)理工學科大學物理實驗課程教學基本要求》（以下簡稱《兩個基本要求》）?！秲蓚€基本要求》從大學物理課程在人才的素質(zhì)培養(yǎng)和發(fā)展社會文明的高度，明確地提出了大學物理課程的重要地位和基本要求。

內(nèi)容概要

本書是《物理學方法概論》（已由清華大學出版社在2008年5月出版）一書的“姐妹篇”。    　　本書以當前各類高校正在使用的若干大學物理優(yōu)秀教材的內(nèi)容體系為主要依據(jù)，以物理學發(fā)展進程的豐富史料為主要背景，以物理學知識體系中體現(xiàn)的物理學思想為主要線索，按大學物理課程的教學內(nèi)容分為力學中的物理學思想、熱學中的物理學思想、電磁學中的物理學思想、波動和光學中的物理學思想、相對論中的物理學思想和量子論中的物理學思想六章，闡述了主要物理學思想的表現(xiàn)以及形成、發(fā)展的歷史軌跡，探討了物理學思想與哲學認識論和方法論的關(guān)系問題。對目前在物理教學中涉及的有關(guān)的物理學思想和方法論問題也作了適當?shù)脑u述。全書的論述不僅強調(diào)了大學物理知識體系在教學上的連貫性和系統(tǒng)性，而且突出了在大學物理教學過程中滲透物理學思想的重要性和可操作性。    本書可作為高等學校理工科各專業(yè)開設(shè)大學物理課程和相關(guān)選修課程的教材或教學參考書。在相關(guān)專業(yè)的研究生課程，特別是在中學物理教師攻讀教育碩士學位課程和接受繼續(xù)教育的各級培訓進修學習過程中本書可作為教材使用。本書對于科技管理干部和對科學思想感興趣的中學生和其他具有中等文化程度的讀者也是一本有益的參考讀物。

書籍目錄

第1章  力學中的物理學思想　1.1  “靜止”和“運動”的經(jīng)典運動相對性和經(jīng)典時空觀思想　　1.1.1  古希臘的亞里士多德關(guān)于物體運動的思想　　1.1.2  從“靜止”到“運動”的認識論邏輯關(guān)系以及經(jīng)典運動的相對性思想　　1.1.3　從“平均”到“即時”的極限思想以及經(jīng)典物理量的連續(xù)思想?！　?.1.4  從運動軌跡到“s-t圖”和“u-t圖”的圖示以及樸素的時空觀思想　　1.1.5  從“基本量”到“導(dǎo)出量”的引入以及對物理量的分類思想　1.2  牛頓三大定律描繪的經(jīng)典力學“時鐘式”的機械因果觀思想　　1.2.1　從亞里士多德到笛卡兒、伽利略和牛頓提出的關(guān)于運動的因果觀思想　　1.2.2  牛頓第一定律的表述以及慣性的思想和定性的因果觀思想　　1.2.3  牛頓第二定律的表述以及動量的思想和定量的因果觀思想　　1.2.4  牛頓第三定律的表述和物體相互作用的思想　　1.2.5  牛頓三大定律的公理性和整體性思想　1.3  從質(zhì)點運動到剛體運動與質(zhì)量分布集中度和分散度的思想　　1.3.1  剛體的質(zhì)心以及質(zhì)量分布“集中度”的思想　　1.3.2　從平動的“線量”到轉(zhuǎn)動的“角量”的類比思想　　1.3.3  剛體的轉(zhuǎn)動慣量以及質(zhì)量分布“分散度”的思想　1.4　三大守恒定律與時間空間的對稱性思想　本章  小結(jié)　思考題　參考文獻第2章   熱學中的物理學思想　2.1　熱力學系統(tǒng)、平衡態(tài)和狀態(tài)方程體現(xiàn)的物理學思想　　2.1.1　熱力學系統(tǒng)體現(xiàn)的初步系統(tǒng)論思想　　2.1.2  “靜止”的熱動平衡態(tài)體現(xiàn)的“靜中有動”的統(tǒng)計思想　　2.1.3  溫度定義體現(xiàn)的基于實驗定律進行演繹推理的抽象化符號化思想　　2.1.4  物態(tài)方程和過程方程體現(xiàn)的“物理約束”的思想　2.2　“彈性小球”的理想模型與熱運動包含的統(tǒng)計思想　　2.2.1  “彈性小球”理論模型和氣體動理論的思想　　2.2.2　“彈性小球”模型包含的統(tǒng)計物理學思想　2.3　壓強和溫度的微觀解釋體現(xiàn)的隨機量的統(tǒng)計“集中度”思想　　2.3.1  壓強和溫度的微觀解釋所體現(xiàn)的統(tǒng)計思想　　2.3.2　分子運動統(tǒng)計平均值所體現(xiàn)的隨機量的統(tǒng)計“集中度”思想　2.4　麥克斯韋速度分布函數(shù)體現(xiàn)的統(tǒng)計“分散度”思想和統(tǒng)計因果觀思想    2.4.1  麥克斯韋速度分布函數(shù)體現(xiàn)的統(tǒng)計“分散度”思想    2.4.2　麥克斯韋速度分布函數(shù)體現(xiàn)的“統(tǒng)計確定性”因果觀的思想　2.5　準靜態(tài)過程體現(xiàn)的“動中有靜”的統(tǒng)計思想　2.6  熱力學第一定律與能量守恒和運動轉(zhuǎn)化的思想    2.6.1  熱力學第一定律是對能量守恒和轉(zhuǎn)化定律認識的深化    2.6.2  內(nèi)能的統(tǒng)計定義以及能量重新分配并均分的統(tǒng)計思想    2.6.3  傳熱與做功在“量”上的等當性和“質(zhì)”上的轉(zhuǎn)換性思想　2.7　熱力學第二定律以及熵與“能量品質(zhì)退降”的統(tǒng)計思想    2.7.1　熱力學第二定律是對自然宏觀過程能量轉(zhuǎn)化方向認識的深化    2.7.2  熵的統(tǒng)計定義與能量品質(zhì)退降的統(tǒng)計思想　2.8　熱力學的三個基本定律與否定式因果觀思想　本章小結(jié)　思考題　參考文獻第3章　電磁學中的物理學思想第4章　波動和光學中的物理學思想第5章　相對論中的物理學思想第6章　量子物理中的物理學思想

章節(jié)摘錄

第1章力學中的物理學思想本章導(dǎo)入大學物理課程開宗明義的第1章往往就是經(jīng)典力學中的運動學。一個理工科大學生對運動學內(nèi)容并不陌生，因為在中學物理課程中他們第一次接觸物理就是學習路程、速度、加速度及其有關(guān)的公式，相當一部分中學生能夠流利背出運動學公式并用來熟練解題。不少理工科大學生學習了大學物理中的運動學以后一個直觀的感覺就是除了微積分的數(shù)學工具外，大學物理在內(nèi)容上似乎與中學物理沒有什么不同。一些在中學受過這方面高強度解題訓練的學生對大學物理運動學的習題甚至還能熟練地用中學的數(shù)學方法求解。因此，在大學物理教學中存在的一個比較普遍的現(xiàn)象就是：相當一部分理工科大學生不重視這部分內(nèi)容的學習。動力學的主要內(nèi)容是牛頓運動定律，學生對它們也不陌生。不少中學生在學習動力學的過程中做過大量的習題，就所做過的題量和解題的熟練程度而言，在這些習題中列在第一位的可能就是利用所謂的“隔離法”對物體作受力分析后用牛頓第二定律求解的類型。因此，理工科大學生再一次學習動力學內(nèi)容時往往或者覺得與中學重復(fù)，沒有興趣，或者只憑興趣，到處尋找大學物理中動力學的偏題和難題。很多大學生在學習了大學物理的運動學和動力學部分以后，留下的最深刻印象往往是“一多一難”：一是公式多，又是路程公式又是速度公式，還有受力分析列出的公式等，看了記不住，記了卻無用；二是題目難做，面對著似乎仍然是質(zhì)點、滑輪和斜面之類的題目，但卻感到一時找不到解題思路，不知該代入什么公式。在力學中出現(xiàn)的概念和公式看起來確實與中學物理有不少重復(fù)，這部分教學內(nèi)容常常被教師以“短、平、快”的教學方式“一筆帶過”。大學物理中的經(jīng)典力學是中學物理的簡單重復(fù)嗎？大學物理的力學究竟與中學有什么不同？與中學物理相比，大學物理難在公式、難在計算嗎？除了公式外，學習大學物理的運動學和動力學究竟還有什么價值？作上大學生學習大學物理的入門階段，通過學習力學，應(yīng)該引導(dǎo)學生在哪些方面獲得比中學物理更有價值的內(nèi)容？這就是大學物理教學的過程中值得思考的問題。如果說，在中學物理中學習力學是引導(dǎo)學生向物理學的大門跨進第一步，先初步了解什么是運動學的話，那么在大學物理學中再一次學習力學時，就應(yīng)該在更高的層次上系統(tǒng)展開力學內(nèi)容的同時，向?qū)W生揭示力學內(nèi)容所包含的物理圖像和滲透的物理學思想。作為基礎(chǔ)課的大學物理的力學與以后學習的熱學、電磁學等一樣，它的基礎(chǔ)作用不僅在于可以使學生通過學習掌握必要的物理知識，為學習后繼課程打下良好的基礎(chǔ)，而且在于通過學習大學物理課程，使學生轉(zhuǎn)變學習方式，在接受物理知識的同時注重領(lǐng)會和感悟物理學思想方法，為今后的終身學習和發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。從“以學生的發(fā)展為本”的意義上看，后一個基礎(chǔ)比前一個基礎(chǔ)更重要。1.1“靜止”和“運動”的經(jīng)典運動相對性和經(jīng)典時空觀思想1.1.1古希臘的亞里士多德關(guān)于物體運動的思想沿著物理學史發(fā)展的脈絡(luò)，從認識“物體是怎樣運動的”的問題著手是學習物理學的第一步。大學物理第1章的運動學之所以從這個問題開始，正是對早期物理學思想的一種追溯，也是對后來物理學思想的發(fā)展和進步的一個自然的銜接。面對千姿百態(tài)的自然界，古希臘人最早就提出了這樣的問題：物體究竟是怎樣運動的？物體為什么會作這樣或那樣的運動？最早發(fā)展起這些運動理論的科學家就是古希臘的哲學家亞里士多德（前384——前322）。亞里士多德通過對周圍的事物進行認真和敏銳的觀察，把自然界物體的各種運動劃分為“自然運動”和“強迫運動”兩大部分，對它們怎樣運動作出了一番描述。所謂“自然運動”就是物體能夠自己維持自己的運動。例如，石塊在空氣中向地面的下落，液體沿斜坡流下，燃燒火苗向上跳動等運動就是“自然運動”。“自然運動”是怎樣發(fā)生的呢？亞里士多德基于他的物質(zhì)本源的理論提出，地球上的所有物體都是由土、木、氣和火構(gòu)成的，每一種元素總是要為到達自己的“自然位置”而作自然運動，因此，自然運動是由物體自身的組成成分決定的。例如，土的自然位置在地面，因此，含有土的石塊就作下落運動；火的自然位置在上面，因此，含有火的熱空氣總是向上升等。除了“自然運動”以外的物體的運動都是“強迫運動”?！白匀贿\動”或是向上，或是向下，都是自然發(fā)生的，而“強迫運動”則發(fā)生在其他方向上，它是強制發(fā)生的。例如，人拉著放在水平面上的小車向前的運動就是“強迫運動”，因為小車被迫背離了它的“自然運動”方向。亞里士多德對運動的看法與人們?nèi)粘５母杏X相符，聽起來似乎是“言之有理”，因而往往很容易被人們接受。由于亞里士多德只從直接的觀察和生活的常識加上純思辨的邏輯方法去探討運動的原因，顯然這個看法不是正確的科學結(jié)論。雖然他的理論到了伽利略時期就被實驗和科學的推理方法證明是不正確的，但是，亞里士多德的物理學思想在當時歐洲的文明的哲學與文化中卻起著核心的作用。1.1.2從“靜止”到“運動”的認識論邏輯關(guān)系以及經(jīng)典運動的相對性思想在大學物理的運動學中，質(zhì)點的模型是作為第一個物理的理想模型被提出來的。為什么要從討論質(zhì)點的運動開始？在物理教學中一個常見的說法是，物理學家為了了解運動的本質(zhì)，抓住主要矛盾，提出了一個忽略物體大小和形狀的理想模型——質(zhì)點作為研究的對象。實際上，在牛頓力學中，牛頓是基于“原子”的思想提出質(zhì)點模型的。古希臘產(chǎn)生了許多思想深刻而且具有獨創(chuàng)性的思想家，他們對于自然界的萬事萬物進行了不懈的“溯本探源”，他們相信不同的物質(zhì)后面一定有著潛在的統(tǒng)一性，它們都是由某種最基本的物質(zhì)組成的。在留基波和德謨克利特的時代，作為組成物質(zhì)的最小微粒，“原子”作為一個假設(shè)被提出來了。但是，這個“原子”的模型還僅僅停留在哲學層面上。基于“原子”的模型，當人們觀察了從天體運行到拋體落地的各類物體千變?nèi)f化的運動形式時，就把尋找物體的運動規(guī)律歸結(jié)于“原子”的運動。這樣的“哲學原子”模型一直到19世紀和20世紀，才從化學的層面上得到了實驗觀察的證實，從而進一步發(fā)展為“化學原子”模型。牛頓認為：“我覺得好像是這樣的：上帝開頭，把物質(zhì)造成固實、堅硬、不可貫穿但可活動的質(zhì)點。它的大小、形狀以及其他性質(zhì)，對空間的比例幫是適合于上帝創(chuàng)造它們時所要達到的目的。原子質(zhì)點……堅硬到不能損壞或分割。尋常力量是不能分開上帝最初創(chuàng)造時所造成的單體的?！雹僖虼?，在牛頓看來，質(zhì)點只是上帝為人類創(chuàng)造的最小的認識單位而已，只有認識了最小單位才有可能認識復(fù)雜的其他物體。于是牛頓力學的整個體系理所當然就從質(zhì)點開始，并沿著質(zhì)點——質(zhì)點系——剛體的由簡單到復(fù)雜的認識次序展開。貫穿于經(jīng)典力學始終的“分而又分”的物理圖像以及所體現(xiàn)的“先認識部分再認識整體”的思想正是從引入質(zhì)點運動開始的。大學物理的運動學以質(zhì)點為模型，首先建立對質(zhì)點運動狀態(tài)的描述。要確定物體的運動狀態(tài)，必須從確定物體在每一個時刻的位置開始。而任何位置的確定都是相對于某一個確定的坐標系而言的，因此，要確定物體的位置就必須給出參照物并建立坐標系。物體的位置是相對的。這個相對的位置可以基于歐幾里得幾何學的公理，用一組三個數(shù)X1，X2，X3來表示。有了狀態(tài)的確定’然后才有狀態(tài)的改變。如果位置發(fā)生變化就需要定義位移，如果位移隨時間發(fā)生變化就需要引入速度，如果速度隨時間發(fā)生改變就需要引入加速度。速度和加速度的確定也是相對于某一個坐標系而言的。物體的速度和加速度也是相對的。根據(jù)速度和加速度在方向和大小上是否恒定的特征可以把質(zhì)點的具體的運動形式大致分為兩類：一是直線運動，在直線運動中主要討論勻加速直線運動；另一是曲線運動，在曲線運動中主要討論拋體運動和圓周運動。容易看出，運動學一開始就建立了對物體從“靜止”到“運動”的物理描述，并在這樣的描述過程中滲透了從“靜止”到“運動”的經(jīng)典運動相對性思想。這個思想的形成是物理世界實際發(fā)展演化規(guī)律在人們認識過程中的一種反映，它是學習和理解物理學時必須把握的首要的物理學思想。在力學開始的章節(jié)中作出這樣的邏輯安排，不僅在于學習運動學（研究物體是怎樣運動的，即對物體的運動規(guī)律作出描述）可以為下一步討論動力學問題（研究物體為什么會作這樣的運動，即揭示物體運動狀態(tài)改變的原因以及變化中的不變性）打下基礎(chǔ)，而且從認識的次序看，先確定物體的運動狀態(tài)，再建立對于運動狀態(tài)變化的描述的思想正是體現(xiàn)了人們按照從“靜”到“動”的次序認識物理世界的必由之路。大學物理分為力學、熱學、電磁學等篇章，繼力學以后，這樣的認識思想同樣也貫穿在其他分支學科中。在熱學中是先有對熱力學狀態(tài)的“靜態(tài)”的確定——平衡態(tài)，再討論狀態(tài)的“動態(tài)”的變化過程——準靜態(tài)過程；先有平衡態(tài)（不隨時間改變的狀態(tài)）的熱學，再有非平衡態(tài)（隨時間改變的狀態(tài)）的熱學。在電磁學中，先有對電場和磁場的靜態(tài)描述——定義電場強度和磁場強度，再討論電場的變化和磁場的變化——建立電磁場的理論。顯然，在每一個分支學科中展開的學科體系仍然是從探究“怎樣描述運動”這個問題開始的，體現(xiàn)的仍然是從“靜止”到“運動”的認識過程?？傊?，物理學告訴人們，認識任何事物總是先有運動狀態(tài)的確定，再有運動狀態(tài)的變化，這是認識事物的合理的邏輯思想。運動學首先體現(xiàn)了這樣的認識論上的邏輯思想，這就是力學中的運動學在大學物理中的重要地位。因此，大學物理的力學不是中學物理公式的簡單重復(fù)，而是在物理學思想上對中學物理的深化和發(fā)展。

編輯推薦

《物理學思想概論》是《物理學方法概論》（已由清華大學出版社在2008年5月出版）一書的“姐妹篇”。

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