序言 物理学：研究物质及其运动规律的科学 课件 -2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

序言 物理学： 研究物质及其运动规律的科学 如何学好高中物理 预习+复习 笔记 例题+习题+错题 初高中知识、生活与课本的衔接 初升高，物理学习如何过度？ 早在2000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，并发现了杠杆原理、浮力定律等规律。这是物理学的萌芽时期。16~17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析计算相结合的现代研究方式。1687年，牛顿出版了他的名著《自然哲学的数学原理》。这标志着现代意义的物理学正式诞生。 中国是天文学发展最早的国家之一。中国古代天象观测记录，是世界公认最悠久最系统的。中国不仅留下了世界最早的日食、月食、太阳黑子以及哈雷当星的记录，而且编出了世界上最早的星表，浑仪(图0-1)是望远镜发明前世界上最先进的天文观测工具。 中国儒家典籍，六经之一。书中有些观点含较深的寓意和辩证的思想。 图0-1 洞天察地，万物之理 -- 物理学概述 物理学定量地研究物质的存在形式、基本性质以及运动和转化规律。 洞天察地，万物之理 -- 物理学概述 物理学不仅要探索物质的深层次结构，还要在不同层次上认识物质的组成部分及其相互作用。因此，说物理学是关于“万物之理”的学问并不为过。 观察现象，揭示本质 -- 物理学研究的特点 物理学通过定量的实验和严谨的逻辑分析，不断地揭示出自然界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,需要通过严密的实验和思考,才能透过表象看到本质。 例如：古人曾凭直觉认为，地球是宇宙的中心。16~17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着太阳运动，并找到了这些运动的规律，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认识，靠的是精确的实验和严密的逻辑分析，二者缺一不可。 观察现象，揭示本质 -- 物理学研究的特点 19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? 英国科学家法拉第对此进行了大量实验。一开始，他从直觉出发，认为既然稳定的电流能产生磁场，那么稳定的磁场也应该能产生电场，但是实验都失败了。后来他偶然发现，变化的磁场才能产生电场，这就是著名的电磁感应定律。 可见，客观规律是否与直觉一致，是不能一概而论的，需要针对具体情况通过认真的研究才能搞清楚。 电生磁 磁生电 学以致知，客观理性 -- 物理学背后的科学精神 首先是学以致知的探索精神。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完整深入的认识。 其次是实事求是的客观精神。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。 19世纪末20世纪初，当人们发现权威的牛顿学说不适用于微观和高速情况时，便认真地对其进行修正；1936年，大名鼎鼎的爱因斯坦向杂志投出一篇论文，审稿人和编辑发现论文有错，便毫不犹豫地指出并拒稿。 还有就是理性分析的精神。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。 揭示自然，造福人类--物理学的应用 创立于17世纪的牛顿力学、 被广泛地应用于工程技术，大大推动了社会发展。18~19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探入研究，引发了热力学的巨大进步（图0-3）。 19~20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，人类从此进入了电气时代。 图0-3 进入20世纪以后，物理学的研究范围更加广阔。 对原子核的认识，使人们学握了核能，建造了核电站并发展了治疗肿瘤的放疗等技术；对固体中电子运动的研究，引发了半导体工业的诞生，导致了晶体管、集成电路和大容量电子存储技术的发明，从而使人们可以制造半导体芯片(图0-4)；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，它把全世界连在一起。 20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子加速器(图0-5)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、高效。 揭示自然，造福人类--物理学的应用 图0-4 图0-5 前景广阔，充满挑战 -- 物理学的未来 从下表中可以看出，在20世纪，物理学捷报频传，重大发现此伏彼起，从来没有停止过。 前景广阔，充满挑战 -- 物理学的未来 21世纪还会有重要的发现吗？ 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》一文中说：“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‘耗尽’了自然财富，或者认为我们已经接近完整地掌握了自然界的全部财富。”事实正是这样的，当前，还有许多困扰物理学的难题。 例如，目前的物质结构理论认为“夸克”构成了质子、中子等强子，但是，夸克为什么不能单独存在？如何将描述微观世界运动的量子力学和描述引力的广义相对论结合起来，以解释宇宙的起源和演化？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)？这些问题都有待人们去探索。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。 物理学如同一座大厦，已经被建设得很壮观了，但尚未完工，也许永远也不会完工，更壮观的还在后面，还在等待着我们去建设和探索。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。 接下来 让我们进入高中物理课程的学习吧！ $$