广西民族学院学报(自然科学版)
第11卷第2期J O U R N A LO FG U A N G X IU N I V E R S I T YF O RN A T I O N A L I T I E S V o l.11N o.2 2005年5月(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)M a y
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2005 20世纪物理学革命的回顾及思考*
刘建华,曲用心
(北京科技大学冶金与材料史研究所,北京100083)
摘要:20世纪初期发生的现代物理学革命,建立了相对论和量子力学,完成了从经典物理学到现代物
理学的转变.本文通过对物理学革命的回顾,讨论了物理学革命对人类社会的作用和影响.
关键词:物理学革命;相对论;量子力学
中图分类号:O413文献标识码:A文章编号:1007-0311(2005)02-0045-06
今年,距1905年爱因斯坦建立狭义相对论已近百年.这一百年是人类社会发展和科学技术发展最迅速的一个百年,也是物理学发展最迅速的一个百年.在这一百年中发生了物理学革命,建立了相对论和量子力学,完成了从经典物理学到现代物理学的转变.在20世纪二三十年代以后,现代物理学在深度和广度上有了蓬勃的发展,产生了一系列的新学科、交叉学科和边缘学科,人类对物质世界的规律有了更深刻的认识,物理学理论达到了一个新高度.回顾上一个世纪之交物理学发展的情况,思考其发展规律,对我们今天的教育,特别是科学教育具有重要意义.
119世纪经典物理学大厦及危机19世纪末20世纪初,经典物理学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段,随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立,经典物理学达到了它的顶峰,当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画,几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象.由于经典物理学的巨大成就,当时不少物理学家产生了这样一种思想:认
为物理学的大厦已经建成,物理学的发展基本上已经完成,人们对物理世界的解释已经达到了终点.物理学的一些基本的、原则的问题都已解决,剩下来的只是进一步精确化的问题,即在一些细节上作一些补充和修正,使已知公式中的各个常数测得更精确一些.
然而,在19世纪末20世纪初,正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际,科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实.首先是世纪之交物理学的三大发现:电子、X射线和放射性现象的发现.其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”:“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”.这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾,经典物理学的传统观念受到巨大的冲击,经典物理发生了“严重的危机”.由此引起了物理学的一场伟大的革命.
2相对论的建立和发展
相对论是现代物理学的重要基石.它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一,对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响.相对论是科学技术发
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*收稿日期:2005-01-12.
作者简介:刘建华(1966-),男,河南西平人,北京科技大学科学技术史专业博士研究生,河南职业技术学院副教授,研究方向为科学技术史,科学计量学.
展到一定阶段的必然产物,是电磁理论合乎逻辑的继续和发展,是物理学各有关分支又一次综合的结果.
2.1迈克尔逊实验
按照经典力学和电磁学理论,认为“以太”(“以太”这个词起源于古希腊,原意是高空.法国科学家笛卡儿首先把它引入科学,赋予它能够传递力的性质)是一个理想的参考系,而且无所不在,电磁波就是以它为介质来传递的.
如果“以太”果真充满宇宙空间,那么,地球以每秒30公里的速度绕太阳运动,必然会有一股“以太风”迎面吹来,也一定能测量出来.1887年,美国科学家迈克尔逊在化学家莫雷的帮助下,设计了一台“干涉仪”,来证明“以太”的存在.它利用一块镀膜的半透射、半反射镜,将一束光分成两束,一束穿过镜面继续向前射去,另一束被镜面反射到与前束垂直的方向,然后让两束光通过两面反射镜沿原路返回,最后进入目镜中.由于光的干涉效应的缘故,这两束光只要到达目镜的时间有差别,就会引起干涉效应,产生干涉条纹.然而,却始终没有观测到预期的条纹移动,实验结果为“零”.迈克尔逊实验的“零结果”否定了绝对静止坐标的存在,同时对“以太”是否存在也提出了怀疑,它强烈地冲击了牛顿力学的时空观,使得整个经典物理学大厦面临倒塌的危险,从而震惊了整个物理学界.
2.2狭义相对论的建立
19世纪后半叶,光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据.与此同时,电磁理论也为光速的不变性提供了理论依据.1865年麦克斯韦在《电磁场的动力学理论》一文中,就从波动方程得出了电磁波的传播速度.并且证明,电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质.
1890年赫兹把麦克斯韦电磁场方程改造得更为简洁.他明确指出,电磁波的波速(即光速)c,与波源的运动速度无关.可见,从电磁理论出发,光速的不变性是很自然的结论.然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触.
为了解决这些矛盾,洛仑兹在1892年一方面提出了长度收缩假说,用以解释以太漂移的零结果.他假设以太是绝对静止的,从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数.随后,又在1895年与1904年先后建立一阶与二阶变换理论,他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系.然而尽管他的理论能够解释一些现象,但却是在保留以太的前提下,采取修补的办法,人
为地引入了大量假设,致使概念繁琐,理论庞杂,缺乏逻辑的完备性和体系的严密性.
法国著名科学家彭加勒对洛仑兹理论起过积极作用.他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法.他提出了相对性原理的概念,认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化.他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式.1904年彭加勒正式表述了相对性原理.彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理,使它的数学形式更加简洁.然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架.他们已经走到了狭义相对论的边缘,却没有能够创立狭义相对论.历史的重任只能由没有传统思想包袱而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担.
1905年,爱因斯坦冲破旧理论的束缚,大胆地摒弃了牛顿的绝对时空观,明确表示:“以太是多余的”,并把时间、空间同运动密切联系起来,从一个完全崭新的角度出发,提出了相对论的两条基本原理,一是相对性原理---在所有的惯性系,物理学规律都是相同的,不存在一个优于其他惯性系的绝对惯性系;二是光速不变原理---在所有的惯性系,真空中的光速不变,都是常量C.从而彻底驱散了经典物理学上空的“一朵乌云”,创建了狭义相对论.以相对论时空观对牛顿的绝对时空观进行脱胎换骨的改造,使经典物理学从此进入了一个新时代.
相对论的提出是酝酿已久的.虽然在很大程度上是为了解决“以太之谜”,但是实际上却是爱因斯坦统观经典物理的理论,进行长期、周密考虑的结果.
狭义相对论揭示了空间、时间和物质运动的联系,并首次提出相对运动的两个不同坐标系对“同一时空事件”的描述不同这一相对时空观念,这是人类时空观的一次飞跃.
2.3广义相对论的建立
狭义相对论建立以后,爱因斯坦并没有止步.他认为狭义相对论还有许多问题没有解决.例如:为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更为优越？为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？刚刚经受住考验的狭义相对论,为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？爱因斯坦感到极大的疑惑.他坚信自然界的和谐和统一,认为要么对惯性坐标系为什么会特别优越作出解释,要么放弃惯性坐标系的特殊优越地位.
1907年,爱因斯坦发表第一篇有关广义相对论的论文:《关于相对论原理和由此得出的结论》,文中
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首次提出等价原理(等效原理)的假设,即:“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价.”文中还提出了另一条基本原理,即广义相对性原理,他写道:“迄今为止,我们只把相对论原理,即认为自然规律同参照系的状态无关这一假设应用于非加速参照系.是否可以设想,相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也依然成立？”他假设可以用一个均匀加速的参照系来代替均匀引力场.
爱因斯坦研究广义相对论,经历了一个比建立狭义相对论更漫长的探索道路.从1907年到1916年的九年时间,爱因斯坦先后发表了好几篇论文,使广义相对论逐步完备.他遇到的主要困难是缺乏合适的数学工具.
1913年,爱因斯坦与格罗斯曼合作,建立了引力的度规场理论,他们联名发表了《广义相对论和引力论》,系统地论述了广义相对论的物理原理和数学方法.他们引入了黎曼张量,把平直空间的张量运算推广到弯曲的黎曼空间.
1915年,爱因斯坦连续发表了几篇有关广义相对论的论文.其中《用广义相对论解释水星近日点运动》第一次用广义相对论计算出了水星的剩余进动.同年发表了《引力的场方程》,提出了广义相对论引力场方程的完整形式.
1916年,爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》,对广义相对论的研究作了全面的总结.在论文中,爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第一级近似,并且给出了谱线红移,光线弯曲,行星轨道近日点进动的理论预言.
在广义相对论建立之初,爱因斯坦提出了三项实验检验,一是水星近日点的进动,二是光线在引力场中的弯曲,三是光谱线的引力红移.其中只有水星近日点进动是已经确认的事实,其余两项只是后来才陆续得到证实.60年代以后,又有人提出观测雷达回波延迟、引力波等方案.
3量子力学的建立和发展
量子论是在20世纪头30年发生的物理学革命的过程中产生和形成的,在1927年形成了一个严密的理论体系.它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果,而且在人类思想史上也占有极其重要的地位.如果说相对论作为时空的物理理论从根本上改变人们以往的时空观念,那么量子论则很大程度改变了人们的实践,使人类对自然界的认识又一次深化.它对人与自然之间的关系的重要修正,影响到人类对掌握自己命运的能力的看法.
3.1热辐射研究和普朗克能量子假说
19世纪中叶,冶金工业的向前发展所要求的高温测量技术推动了热辐射的研究.所谓热辐射就是物体被加热时发出的电磁波.1896年,维恩根据热力学的普遍原理和一些特殊的假设提出一个黑体辐射能量按频率分布的公式,后来人们称它为维恩辐射定律.维恩辐射定律在高频部分与这实验相符,而在低频部分则与实验偏离.1900年6月英国物理学家瑞利把统计物理学的能量均分定理用于他的一个以太振动模型,导出了一个新的辐射公式.实验证明,瑞利的辐射定律在低频部分与实验相符,在高频部分则与实验相差甚大.普朗克受到启发,用内插法导出了一个在高频趋近维恩公式而在低频则趋近瑞利公式的新的辐射定律.实验证明普朗克的新公式同实验完全相符.
普朗克利用谐振子模型和统计物理学理论对热辐射公式进行研究.但是他回避了能量均分定理.他把玻尔兹曼原理运用于线性谐振子热平衡时的能谱分布问题上,导出了振子热平衡时的能谱分布公式.若想使新得到的这个公式能说明实验曲线,则这公式必须与以前用内插法得到的公式具有同一形式.而要得到这样的统一,则要求新公式中所包含的振子的能量值必须是一系列不连续的量,而这是与古典物理学关于能量是连续的观点尖锐对立的.普朗克尊重实验事实,于是提出一个大胆的假设:每个带电线性谐振子发射和吸收能量是不连续的,这些能量值只能是某个最小能量元e的整数倍.1900年12月24日,普朗克在德国物理学会的会议上以《关于正常光谱能量分布定律的理论》为题报告了自己的结果.量子论就这样诞生了.
3.2爱因斯坦的光量子论和光的波粒二象性
爱因斯坦从普朗克的发现看到需要修改的不仅是某些定律,而是重建新的理论基础.他在《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》这篇论文中提出了光量子假说,把普朗克的能量子的概念从辐射发射和吸收过程推广到在空间传播的过程,认为辐射本身就是由不连续的、不可分割的能量子组成的.他从热力学的观点出发,把黑体辐射和气体类比,发现在一定的条件下,可以把辐射看作是由粒子组成的,他把这种辐射粒子叫做“光量子”.作为光量子理论的推论,爱因斯坦成功地解释了古典物理学理论无法解释的
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光电效应等.
1915年,不相信光量子的密立肯宣布他的实验无歧义地证实了爱因斯坦的光电效应理论.1922年康普顿发现X射线散射效应必须由光量子论解释.人们这才正确评价了光量子论.爱因斯坦也由于光电效应定律的发现获得1921年度的诺贝尔物理学奖.
光量子论并不是简单地复活光微粒说,而是揭示了光的波粒二象性.对统计平均现象光表现为波动,对瞬时涨落现象光表现为粒子.光量子论第一次确认了光的波粒二象性这个最基本的性质.
继光量子论之后,1906年爱因斯坦又把量子假说应用到固体弹性振动上去,成功地解决了古典物理学理论在低温固体比热问题上所遇到的难题,这个结果标志着一个重要的进展,因为它表明普朗克常数也出现在与辐射无关的现象中.
3.3玻尔的原子结构理论
1895年,德国物理学家伦琴发现X射线.1896年,法国物理学家贝克勒尔发现放射性.1897年,英国物理学家汤姆生发现电子.这三大发现在物理学家当中引起了强烈的震动.这些新发现向人们表明原子并不是简单的,可能有复杂的结构.曼彻斯特大学物理教授卢瑟福领导在他的实验室工作的德国物理学家盖革和新西兰物理学家马斯登,发现金原子使α射线产生大于90o的散射角,于是卢瑟福根据他的实验于1911年提出了一个电子绕核回转的原子结构模型.但卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难.
玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难,假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量,也就是说原子只能处在分立的定态之中,而且最低的定态就是原子的正常态.他又从光谱线的组合定律得到定态跃迁的概念.
玻尔在1913年发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》.玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律,大大扩展了量子论的影响,加速了量子论的发展.1915年,德国物理学家索末菲把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道,并考虑了电子的质量随其速度而变化的狭义相对论效应,导出光谱的精细结构同实验相符.1916年,爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程,导出了普朗克辐射定律.爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就,把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体.
3.4量子力学诞生
1924年,法国物理学家德布罗意把光具有的波粒二象性推广到一般实物粒子,从而提出了一切实物粒子也都具有波动性的新观念.1924年11月间德布罗意向巴黎大学理学院递交了题为“量子理论的研究”的博士论文.他在论文中指出:“整个世纪以来,在光学上比起波动的研究方法,是过于忽略了粒子的研究方法;在粒子的理论上是否发生了相反的错误呢？是不是我们把关于粒子的图像想得太多,而过分地忽略了波的图像呢？”他认为“任何物体伴随以波,而且不可能将物体的运动和波的传播分开.”这就是说,波粒二象性并不只是光才具有的特性,而是一切粒子共有的属性,这种与粒子相联系的波称为德布罗意波或物质波.粒子的这种波粒二象性由德布罗意关系式λ=h/P可被进一步揭示.这个关系式将长期以来被认为性质完全不同的两个物理概念---动量与波长用普朗克常数h有机地联系起来了,从而将粒子性与波动性融为同一客体中.
德布罗意关于物质波假设的提出,运用了几何光学中费马原理与经典力学莫培多变分原理的类比,以及爱因斯坦关于光的二象性的启示.这种新观念的建立,表现出大自然具有的和谐和对称性质.同时,它为量子力学的建立提供了重要的依据.
德布罗意假设提出以后,人们希望建立一种新的原子力学理论,用以描述微观客体的运动规律.1925年末,薛定愕怀着极大的兴趣对德布罗意假设进行了仔细的研究,并于1926年的1月、2月、5月和6月相继发表了四篇论文,完成了波动力学的创立工作,提出了薛定愕方程,讨论了与时间无关和含时的微扰理论,用之解决氢原子问题得到了与实验相符的结果.薛定愕方程在原子物理的世界文献中属于应用最广泛的公式之一,它的地位相当于经典力学中的牛顿方程.爱因斯坦称赞薛定愕的构思具有真正的独创性.玻恩也赞扬说,在理论物理学中,关于波动力学的几篇论文是非常出色的.
差不多同一时期,海森堡、玻恩、约当等人以微观客体的波动性为出发点,运用代数方法,借助于对应原理的思想创立了矩阵力学,引入了正则变换、建立了定态微扰与含时微扰,运用这种理论可以讨论角动量、谱线强度、选择定则等有关方面的问题.不久,海森堡又提出了著名的“测不准原理”,进一步揭示了微观客体的波粒二象性.
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波动力学与矩阵力学都是以微观客体的二象性为基础,通过与经典物理对比,运用不同的数学手段而建立起来的.1926年初玻恩和维纳引入算符,从而建立起算符与矩阵之间的对应关系;尔后,狄拉克运用数学变换理论,建立了严密的理论体系,把两种力学统一了起来,并作了普遍推广,建立了相对论量子力学.狄拉克的理论,是描述微观客体运动规律的基本理论,与相对论一起称为本世纪物理学发展史上带有革命性的理论.
按照量子力学的观点,具有波动性的微观客体,由于动量与位置无法同时准确确定,轨道概念失去了意义.因此,其运动状态的描述截然区别于经典方式,是用一个状态波函数来描述.玻恩对波函数的物理思想赋予了一种统计解释.微观粒子的运动状态不再受经典规律的支配,不再遵从“决定论”或严格的“因果律”,而是服从一种统计性的规律.但是爱因斯坦不接受这种观点.自此开始两种观点争论并一直延续到今天,它是物理学史上最富哲学意义的论战.
量子力学的建立使人们对原子微观结构的认识又一次产生了飞跃.这种理论更符合于微观客体的实际,是迄今为止人们对微观客体运动规律描述中比较成功的理论.
4物理学革命的影响和思考
4.1物理学革命的作用和影响
20世纪的物理学革命对人类社会产生了广泛和深远的影响,对现代科学技术和社会经济的发展有着巨大的推动作用,也在哲学思想领域引起了巨大震动.1988年的诺贝尔医学/生理学奖得主李特曼估计,当今世界国民经济总值中25%来自与量子现象有关的技术.
狭义相对论和广义相对论为人类建立了新的时空观,时间、空间和物质成为一体,建立了全新的自然观.量子力学的建立为人类描述微观世界提供了新的表达方法和思考方法.相对论和量子力学的建立突破了牛顿经典力学的局限,为人类探索宏观世界和微观世界提供了新的理论基础,为人类探索自然提供了全新的思想工具.
新的时间、空间和物质一体的观念,微观粒子的运动状态不再受经典规律的支配,不再遵从“决定论”或严格的“因果律”,而是服从一种统计性的规律的观念对传统的哲学思想有很大的冲击,在哲学思想领域引起了巨大震动,也推动了哲学的进一步发展.
相对论和量子力学为其他学科的现代化提供了理论基础.由于量子力学成功地揭示了微观物质世界的基本规律,它的创立极大地加速了原子物理学和固体物理学的发展,为核物理和粒子物理学准备了理论基础;而且通过化学键理论,为众多化学规律提供了理论基础;同时,对分子生物学的产生也产生了启迪作用.相对论在天体物理学、宇宙学中有着广泛的应用.总之,量子力学、相对论开辟了人类认识自然、征服自然的新天地,成为当代科学技术发展的重要理论基础之一.
相对论和量子力学发展出了许多新能源、新器件、新技术.爱因斯坦的质能方程引领人类进入了核能时代;量子力学的建立发展出了许多新器件和技术,对世界国民经济的发展起着举足轻重的作用. 4.2对物理学革命的思考
物理学革命已过去百年,在它给人类社会带来科学技术和财富的同时,也给人类社会带来了宝贵的精神财富.总结那段历史,思考其发展规律,对现代科学技术的发展具有重要意义;对今天的教育,特别是科学教育具有重要的意义.
20世纪物理学革命的过程,也就是敢于挑战传统、创新的过程.当时,爱因斯坦、玻尔处于风华正茂的年代,他们举起了创新旗帜,带领海森堡等一批年轻人向旧世界宣战.他们都是敢于向旧世界说“不”的人.不管普朗克愿意不愿意,他被实验事实逼上梁山,“孤注一掷”地提出,能量是不连续的;爱因斯坦深化了这一个“不”字,而且在相对论里又说了一个“不”:光速是不变的;玻尔则说,在微观世界里,绕核运动的电子是不辐射的;海森堡更提出了量子力学中最关键的一个关系式“不确定关系式”,以一个“不”字与基于完全确定论的经典物理彻底决裂.不过,所有这些“不”都不是无中生有的,而是有坚实的实验事实为依据的.正是靠了黑体辐射实验、光电效应实验、原子光谱实验、弗兰克-赫兹实验……一连串的“不”字才能响彻云霄.“不”字并非否定一切.牛顿力学、麦克斯韦电磁理论,作为19世纪的伟大科学成果,仍然是当今科技世界的理论支柱,卫星上天、宇宙飞行、电气世界,都以它们为基础.只是当人们的探索范围深入到微观世界时,主宰分子、原子、粒子运动规律的是量子力量,描述高速(接近于光速)运动物体规律的是相对论.创新是在已有基础上的创新,有旧才有新.
从相对论和量子力学的建立过程中,可以清楚地看到学术交流的重要性.海森堡的名言“科学扎根于
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讨论”生动的反映了当时学术交流的情形.从相对论理论的形成到旧量子论的发展和量子力学的建立,始终有着良好的学术沟通、
交流环境.特别是在丹麦哥本哈根大学理论物理研究所的气氛使人感到繁忙、激动、
活泼、欢笑、无拘无束、和蔼可亲,哥本哈根精神随着量子力学的诞生而诞生,并成了物理学界最宝贵的精神财富.而良好的学术研究、学术交流氛围为新事物的成长提供了肥沃的土壤.
对比物理学革命的历史,我们的教育,特别是科学教育有必要进行不断的改革,不仅传授科学知识、科学方法,还要塑造和培养科学态度和科学精神.要营造“勇于提问、勇于探索、勇于争论与相互讨论、相互学习、相互鼓励”的良好学习环境,培养创新意识和团队精神.同时,在学科和专业教育中要融入科学技
术史的知识,以史为鉴,加强对科学态度、科学精神的塑造和培养.
[参 考 文 献]
[1]李佩珊,许良英.20世纪科学技术简史[M ].
北京:科学出版社,1985.
[2]杨福家.量子百年话创新[J ].自然杂志,2001,(2):63-68.[3]潘永样等.物理学简史[M ].武汉:湖北教育出版社,1990.[4]施若谷.20世纪初物理学三大成就及其对现代科学的影响[J ].
漳州师范学院学报(自然科学版),1999,(4):35-39.
[5]王德云.量子论的建立和发展[J ].现代物理知识,1995,(1):38-41.
[责任编辑 黄祖宾][
责任校对 黄少梅]H i s t o r i c a lR e v i e wa n dT h i n k i n g o f t h eP h y s i c a l R e v o l u t i o n i n t h e 20t hC e n t u r y
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;Q u a n t u m m e c h a n i c s 世界物理年纪念大会在北京举行
1905年,年仅26岁的爱因斯坦发表5篇重要物理学论文,
提出狭义相对论、光量子学说等重要物理学概念和理论,对20世纪物理学革命产生了极大推动作用,当年因此被誉为“爱因斯坦奇迹年”,为纪念“爱因斯坦奇迹年”100周年和爱因斯坦逝世50周年,2004年6月,
国际物理学界一致倡议并经联合国确定2005年为“世界物理年”.
4月15日由中国科协、科技部等联合主办的世界物理年纪念大会在北京人民大会堂举行,国务委员陈至立出席大会并致辞,世界知名物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁和李政道应邀出席大会并做学术报告,彭桓武、冯端、张杰等物理学家也出席大会并做了学术报告.中国科学院院士周光召、朱光亚及有关机构负
责人和科研人员、中学师生等700多人出席大会.
纪念大会由中国科学技术协会主席周光召院士主持.0
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005年5月 第11卷
物理学发展简史 摘要：物理学的发展大致经历了三个时期：古代物理学时期、近代物理学时期（又称经典物理学时期）和现代物理学时期。物理学实质性的大发展，绝大部分是在欧洲完成，因此物理学的发展史，也可以看作是欧洲物理学的发展史。 关键词：物理学；发展简史；经典力学；电磁学；相对论；量子力学；人类未来发展 0 引言 物理学的发展经历了漫长的历史时期，本文将其划分为三个阶段：古代、近代和现代，并逐一进行简要介绍其主要成就及特点，使物理学的发展历程显得清晰而明了。 1 古代物理学时期 古代物理学时期大约是从公元前8世纪至公元15世纪，是物理学的萌芽时期。 物理学的发展是人类发展的必然结果，也是任何文明从低级走向高级的必经之路。人类自从具有意识与思维以来，便从未停止过对于外部世界的思考，即这个世界为什么这样存在，它的本质是什么，这大概是古代物理学启蒙的根本原因。因此，最初的物理学是融合在哲学之中的，人们所思考的，更多的是关于哲学方面的问题，而并非具体物质的定量研究。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢。在长达近八个世纪的时间里，物理学没有什么大的进展。 古代物理学发展缓慢的另一个原因，是欧洲黑暗的教皇统治，教会控制着人们的行为，禁锢人们的思想，不允许极端思想的出现，从而威胁其统治权。因此，在欧洲最黑暗的教皇统治时期，物理学几乎处于停滞不前的状态。 直到文艺复兴时期，这种状态才得以改变。文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。 2 近代物理学时期 近代物理学时期又称经典物理学时期，这一时期是从16世纪至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。 近代物理学是从天文学的突破开始的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。
对高中物理教学改革的思考 发表时间：2017-02-13T14:35:52.327Z 来源：《中小学教育》2017年2月第268期作者：石小娟[导读] 本文分析了高中物理课程特点以及物理教学问题，提出了高中物理教学改革的措施。 甘肃省甘谷县第四中学741211 摘要：在高中课程中，物理是一门重要的学科，也是一门比较难以教授的学科之一。可以说高中物理教学一直是高中教学的重点对象，高中物理的教学模式也随着科技的快速进步与时代的不断发展而革新。与此同时，教师、家长、学生的意识形态与社会观念也有了很大变化。在课改的潮流下，传统的高中物理教学方式已经远远不能满足当前的教学需要，所谓优胜劣汰，对落后的高中物理教学模式进行改革与创新是高中教育工作中的一大重点工程。本文分析了高中物理课程特点以及物理教学问题，提出了高中物理教学改革的措施，以促进物理教学理念的更新，为社会提供更多应用型的物理技术人才。 关键词：高中物理改革教学方法 在新课标改革中，不仅仅要改革方面的问题，还要将培养高中生的创新精神和创新能力放在课程改革首要解决的问题。这是因为在学习中，不仅仅要培养孩子们的思考能力和学习兴趣，还要考虑到如何将兴趣转化为学习的动力，还要考虑到如何让孩子们将动力应用到学习中去。如此一来，孩子们在学习中既体验到了乐趣，还可以学习知识以及增进师生感情。高中的物理是高中必学学科，对于每个学生来说是很重要的，因此，要想有效提高学生的物理成绩，就必须制定一个有效的学习方案，在此基础上对学生进行引导，让学生把所学的知识糅合在一起，物理存在天地之间，只有勤于动脑，认真思考，就能从生活中将物理问题化为实际问题，解决难以解决的难题，发现新问题，解决新问题。然后从新的角度去分析、用不同方法解决不同问题，这对学生的学习有很大的帮助。让同学从课本联系到实际，返璞归真，这种学习方法对学生很有效，对提高学生的成绩有很大的帮助，所以我们要对物理改革进行深一步的思考。 一、新课程标准下高中物理教学的改革思路 1.新的高中物理课程标准中实验教学大纲的转变 实验教学大纲的转变主要体现在两个大的方面：第一，“物理实验”提法的转变。新高中物理课程标准将“物理实验”的提法转变为“物理实验与科学探究”，使物理实验有了更宽广的含义（提出问题、设计实验，收集、处理、分析数据、形成实验结论和进行表达交流等）。第二，物理实验呈现方式的转变。新课程标准下，（1）将“物理实验与探究”融入到知识的形成过程中；（2）没有给出具体的实验器材，对学生实验探究能力提出了更高、更新的要求，突出了让学生自我设计实验方案并进行科学探究的实验能力要求。这就要求教师在教学方式上加以变化，与传统教学方式相比要向灵活性高、实践性强的物理实验教学模式上转变，提高学生的动手能力、探索能力和思考能力。 2.创造宽松的课堂环境，注重发展每个学生自身的特点，调动学生自学的积极性 实施新课程标准不是一件容易的事，特别是对物理教学在实现教学内容的呈现方式、教学过程以及学生的学习方式中，师生如何更好地互动、如何更好的交流学习新课标都提出了具体要求。这就要求教师在教学的整体安排上，要开动脑筋建立多样的学习方式和学习目标，激发学生的创新思维，极大促进了学生的个性发展。 3.实现教学中信息技术与高中物理课程的整合 信息技术与学科课程整合是从以影像资料为主的多媒体组合教学到计算机辅助教学发展而来的。信息技术作为一种新兴的教学工具，具有很强的优越性，能够使高中物理课程得以整合，进而被广泛开展。在信息技术与课程整合中，首先，为适应新的教学模式与教学方法的转变，教师本身要进行相关的培训，认识到教科书不再是唯一能够获取知识的资源；其次，教师要加强相关技术与课程整合的理论与技术，学习和研究在网络环境下的理论与技术的培训，学习网络环境下新的教学方法和教学模式，利用必要和可能的手段去组织、开发学习资源，创造性地利用网络信息资源为物理教学服务，让学生参与开放互动式学习活动，真正使信息技术成为理解和探索物理的平台。总之，只有师生共同具备整合必需的能力和知识，才能真正实现物理课程与信息技术的真正整合。信息技术作为一种终身受用的认知工具，在未来的成长过程中可以增强学生自身的学习知识和提高技能的能力。 4.注重教学过程中的发展性评价 发展性评价在重视施教过程中静态常态因素的同时，更加关注施教过程中的动态变化因素，把考试和评价有机地结合起来。根据不同阶段考试的目的、性质、对象等，选择灵活多样的考试方式和考试方法，加强对学生综合能力和素质的考查；改变过去单一的注重分数、简单地以考试结果对学生进行评价的做法，而要对考试结果作出合理的分析、建议和说明，形成激励性的评价意见或建议，促进学生的全面发展。 二、结语 综上所述，实施高中物理教学改革，是推动物理教学的必然要求。如何在当前社会背景下推进物理教学改革的进行，是值得我们认真思考的问题，物理教育工作者只有将问题与方法相结合，勇于创新、积极探索，才能提高我国高中物理教学水平，为我国的国家建设培养出更多的优秀人才。 参考文献 [1]申颖高中物理教学改革的尝试与思考[J].长春教育学院学报，2014，03，（02），151-152。 [2]蔡万忠浅析高中物理教学改革的尝试与思考[J].新课程(中旬)，2013，（05），07，7。 [3]余柳琼高中物理教学改革的尝试与思考探讨[J].华章，2014，（06），11，288。
世纪之交的物理学革命 19世纪理论科学的巅峰状态以及其中隐含的危机以物理学最为典型。海王星的发现显示了牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”有一个故事很可以说明在人们心目中，古典物理学的完善程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。” 1900年4月27日，英国著名的物理学家开尔文勋爵作了题为《热和光的动力理论上空的19世纪之乌云》的长篇讲演，指出古典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵乌云。实际上，物理学天空上的乌云何止两朵。大量新现象与已成完美体系的古典理论之间的矛盾日渐突出，酿成了深刻的危机。正是这朵朵乌云带来了世纪之交的一场物理学革命，在这场革命中诞生了相对论和量子力学。 1、第一朵乌云：以太漂移实验 开尔文所称第一朵乌云指的是以太漂移实验。古典物理学统一诸种物理现象的主要方式，是找出该类物理现象的一个力学模型。例如，当我们把声音看成是声源振动在物质媒介中的纵向传播时，我们就将声学统一在关于振动的力学之中；当我们把热看成是细微分子的运动之后，我们就将热学统一在关于大量分子运动的力学之中。电磁学似乎与力学距离较远，但也有统一它们的方式。比如，我们同样可以将电磁波看成是某种电磁振荡在某种物质媒介中的传播，如果这种模型是成立的，那么，电磁学与力学之间也可以统一起来了。事实上，物理学家们就是这么做的，因为在他们看来，“一切物理现象都能够从力学的角度来说明，这是一条公理，整个物理学就建造在这条公理之上”。开尔文也说：“我的目标就是要证明，如何建造一个力学模型，这个模型在我们所思考的无论什么物理现象中，都将满足所要求的条件。在我没有给一种事物建立起一个力学模型之前，我是永远也不会满足的。如果我能够成功地建立起一个模型，我就能理解它，否则我就不能理解”。 用力学振荡模型来理解电磁现象面临的一个主要问题是，它是在什么物质媒介中振荡传播的。我们知道，声音的媒介可以是许多物质，如空气、水、铁轨等，没有这些东西，声音便不能传播。可是人们一直没有搞清楚电磁振荡靠的是什么媒介。有实验表明；它在真空中也能传播，这就说明，这种媒介不是我们所能看得见、摸得着的物质。法国哲学家笛卡尔曾经借用希腊词“以太”，提出过一种处处充满以太的宇宙模型。在他那里，以太正好就是看不见膜不着的一种新物质。物理学家们于是认为，电磁传播的媒介是以太。 问题在于以太将具有什么样的物理性质。比如，它有重量吗？它对物体的运动会产生阻力吗？它的密度有多大？但这些问题都非常难于回答。电磁波是一种横波，为了能传播这样一种波，以太媒介必得很硬，但行星运动中又看不出受到阻力的迹象，这使物理学家们感到十分为难。 更困难的问题是以太漂移问题。如果确实有以太存在，那么最好是假定它相对于太阳静止而相对于地球运动，因为只有这样才能很好地解释光行差现象。如果以太相对于地球运动，那么我们就应该可以通过某种方式探测出来。1879年，著名物理学家麦克斯韦提出了一种探测方法：让光线分别在平行和垂直于地球运动的方向等距离地往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间：1881年，美国实验物理学家迈克尔逊（1852～1931）依此原理设计了一个极为精密的实验，未发现任何时间差。1887年，迈克尔逊再度与美国化学家莫雷（1838～1923）合作，以更高精度重复实验，得到的依然是“零结果”。作为一名以“探测以太漂移”为目的的实验物理学家，迈克尔逊认为自己的实验是失败的。 为了解释“零结果”，1889年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851～1901）提出了物体在以太风中的收缩假说。他认为，在运动方向上，物体长度将会缩短，以致我们无法在光学实验中探测出以太漂移的迹象。1892年，荷兰物理学家洛伦兹（1853—1928）也独立地提出了收缩假说，并且给出了著名的洛伦兹变换。该变换使得相对于以太运动以及相对于以太静止的两种坐标系均满足同样形式的麦克斯韦方程，使经典物理学得以消除乌云，保全形式上的完美。但洛伦兹的工作已经大大修改了许多传统的观念，例如，运动粒子的质量不再是不变的，速度均以光速为上限等。 法国数学家、物理学家、哲学家彭加勒（185—1912）是相对论的重要先驱。1895年，在《谈谈拉摩
自然科学刚跨入20世纪，物理学领域内首先掀起了革命的浪潮。19世纪末，物理学实验上的一系列重大发现，冲击着经典物理学的连续观念、绝对时空观念和原子不可再分的观念，使原有的经典理论显得无能为力。这一冲击，对当时的物理学家们的影响是很大的。因为19世纪40年代以后，由伽利略和牛顿奠定基础的古典物理学理论，由于海王星和能量守恒原理的发现，法拉第、麦克斯韦电磁理论的辉煌成就以及分子运动论的建立，在科学的各个领域中所向披靡，包罗了大至日月星辰，小至原子、分子的物理世界，从而使当时不少物理学家认为物理理论已接近最后完成，今后只需在细节上作些补充和发展，在小数点第六位上做文章。著名的德国物理学家基尔霍夫（1824—1887）说：“物理学将无所作为了，至少也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”世界著名物理学家开尔文（1824—1907）也认为：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”但是，他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这就是迈克耳逊-莫雷实验和黑体辐射实验。它们的存在引起许多著名的物理学家的不安。 世纪之交的新挑战 19世纪80年代以后，物理学的经典理论不断完善，与此同时，物理学实验上却陆续发现一些重大的结果。至少有7个重大发现，不但旧理论无法解释，有的还导致观念上的更新。
第一个实验是1887年赫兹（1857—1894）在验证麦克斯韦（1831—1879）预言电磁波存在的实验过程中，发现了光电效应。按照经典理论，从金属表面逸出电子的数目与光的强度有关，而与光的频率无关。这一矛盾，赫兹无法解释，但他仍以“论紫外光对放电现象的效应”为题发表论文，描述了这一现象和结果，向物理学经典理论发起了挑战。 第二个实验是1887年的迈克耳逊-莫雷实验。这一结果使持有光是“以太”中的波动这一观点的人大失所望，连迈克耳逊本人也不了解这一实验结果的重要意义。 第三个实验是1895年伦琴（1845—1923）发现了X射线。这一发现是对“不可入性是物质的固有属性”观念的挑战，也是对建筑在这一观念基础上的经典物理学的有关理论的挑战。 第四个实验是1896年贝克勒尔（1852—1908）发现了放射性辐射（参阅本书第50页）。这一实验结果表明化学元素是能蜕变的，它会变成其他元素，改变了人们一成不变的观念。 第五个实验是1897年汤姆孙（1856—1940）发现了电子。电子的发现和证实，表明比原子小的粒子是存在的，原子并不是最小的客体，指出了经典的物质结构理论的局限性。 第六个实验是1898年居里夫妇发现放射性元素。这一重要发现，同样证明化学元素是要蜕变的，而原子并不是不可分的，它会放射出更小的粒子而改变自己的性质，再次说明经典理论的局限性。
对物理学的认识 物理学的主要研究对象就是力、光、电等。物理学可以分为力学、光学、热学、量子力学、核物理学等。物理学所研究的内容与人类的生活息息相关。在人类社会的发展历程中,物理学起着非常重要的作用。物理学的发展推动了社会的进步,可以说:物理学不就是一切,但就是一切都离不开物理学。物理学的终极目标就就是来量化解释世界。(法国皮埃尔·迪昂在她的《物理理论的目的与结构》中提出的观点) 牛顿建立了经典力学以后带来了第一次工业革命,因此人类进入了近代化。而蒸汽机的发明与应用就是第一次工业革命的标志,可以瞧出物理学的作用就是巨大的。随着物理学的发展,电学得到了应用,带来了第二次工业革命,电学的应用拉近了人们之间的距离,电力、汽车工业蓬勃发展。在第二次世界大战的刺激下,原子能技术、计算机技术与航天技术发展迅速,并成为第三次技术革命兴起的标志.随着 量子力学相对论等理论的建立,在20世纪,以核能、电子计算机等的应用为标志,人类社会开始进入现代化。20世纪前半期科学技术的重大突破又引起社会经济、产业结构、生活方式等方面的重大变化,并为战后第三次技术革命的深入发展奠定了基础。 从原始社会到现代社会,物理学始终不停地演进。过去大家相信太阳绕着地球转,十六世纪时哥白尼提出地球绕着太阳转,十七世纪 时布鲁诺发扬此学说,便被罗马教廷处死了。这可以说就是物理学上的一次革命。后来牛顿继承地动说,发展出她的运动定律。大家本以为此定律无懈可击。可就是到了二十世纪,又被爱因斯坦的相对论将
它涵盖过去。由此可知,一切理论都就是人为创造来解释自然的现象,充满了各种可能性。但就是必须要能够解释已经发生的事实,并且要能够预测未发生的事件,才算就是一个经得起考验的理论。科学便就是在不断的探索中,寻找最圆满的答案。过去的物理学偏重于对观察物的研究,把观察者忽略。但自从“测不准原理”提出后,观察者对被观察物的影响便受到重视,未来对于“人”与“物”关系的研究将引起另一场科学的革命。 物理学就是实验的科学,就是透过种种的仪器来研究宇宙万象。物理学上的实验结果具备一致性,但就是在解释上就是可以提出各式理论模型的。然而各种理论模型就是由物理学家建立起来的,也就就是依靠人的心智创造出来的,也因此受限于人的心智。 物理学就是古老而前沿的学科。在天体物理学当中有两个非常重要的概念,一个就是新星,一个就是超新星,新星的亮度大概就是太阳 亮度的几万倍,超新星的亮度就是太阳亮度的百万万倍。这两个都就是在中国发现的。对宇宙的探索,未知多于已知,我们已知的物质大约只占5%,还有95%就是暗物质与暗能量。从引力场我们知道暗物质的存在,从宇宙膨胀的加速度我们判断有暗能量、李政道认为,之所以有暗能量就是因为天外有天,我们的宇宙之外可能还有宇宙！暗物质暗能量的研究就是物理学研究最大的挑战。 物理学就是理论与实验紧密联系的科学,就是一门应用学科。物理学就是严密严谨的科学。物理学追求真理、造福人类、引领未来、支撑发展。物理学就是认识世界的先锋,物理学引领世界！
关于课堂教学改革的思考 课堂教学改革是课程改革系统工程中的一个重要组成部分。目前我国的中小学教学有一个非常突出的问题：教师教得苦学生学得累然而学生却没得到应有的发展。其原因是多方面的复杂的。新一轮基础教育改革必须面对这一问题而且还需要提供多种问题解决的方案。其中一个尤为重要的方案就是如何使教师拥有有效教学的理念掌握有效教学的策略和技术。否则即使有理想的课程计划、课程标准和教科书其结果也只能是纸上谈兵。所谓有效教学主要是指通过教师在一段时间的教学之后学生所获得的具体的进步和发展也就是说学生有无进步和发展是教学有没有效益的唯一指标否则就是无效教学。这就需要我们认真领会课程改革的精髓掌握全新的现代教育理念优化课堂教学过程。新课程背景下的课堂教学必须具备什么样的特征呢？下面我谈谈我的体会：从形式上来看应具备以下两个特征： 1．要面向全体学生。课堂教学要面向全体学生这是每一个教师都能脱口而出的这是实现教育目标的一个导向性指标之一。实际上深入课堂看一看就不难发现真正落实的却很少特别是应试教育下的课堂教学。很多课都是少数优生在表演在唱主角变成了老师和优生的交流。具体表象有：答问时以个别优生的回答当作全体的回答练习时以优生的速度决定教学的进程等。我们应反思我们的教学看是不是真正的面向了每一个学生是不是在关注每一个学生的发展。 2．建立民
主、和谐的教学氛围教学民主我们喊了很多年但收效甚微特别是在基础教育这一块。究其因就是传统的师道尊严在做怪。老师难以拉下面子和学生处于一个平等的地位自然教学氛围也难以和谐。不民主不和谐的教学氛围导致的是学生的思维的压抑唯老师是从这也是为什么学生越到高年级发言的学生越少教学活动难为开展的原因之一。在教学中教师应和学生形成一种学习合作者的关系把自己当作学习活动的参与者充分尊重学生的意见和学习行为尊重学生的认知规律和人格对学生不正确的地方不要简单否认要善于引导。教学的过程实际上是一个互相学习的过程。在上海实行的小班化教育他的课堂就好象是一个圆桌会议在学生中间永远有一个座位是为老师留着的。此外象举手发言这应该倡导但对同学不同意见群起攻之各抒己见也可对老师的说法有疑义拥上讲台和老师辩论也可张扬这就是一种气氛如果此时刻意要求学生先举手后回答举手时还不能叫喊等到你喊他讲的时候也许他的思想火花早已不见了。从另一个角度上来说在新的教学形势下教学不民主教师自身的教学水平也难以有突破。从内涵上来说课堂教学应有以下指标： 1．以学生为主体学生主体地位的确立在一定程度上也体现了教学民主的思想但又不是他的全部内涵。在组织实施课堂教学过程中学生主体的确立涉及到多方面的内容：在教学目标上以前的教学目标的表述行为主体大都是教师部分地存在脱离学生实际空而不实的倾向。如：《小足球赛》的教学目标：A 指导看图和学文理解课文内容激发学生对生活的热爱之情；B指导
初中物理教学中存在的问题、困惑及对策 我县进入新课程改革已有几轮，在这几年中，我们教师经历了从最初培训阶段的充满激情→实施教学实验过程中的充满迷茫与困惑→脚踏实地地搞校本研究。下面本人就参与教学实验中自己遇到的问题、困惑及其应对策略、思考与启示，以及在平时的教研活动中，其他老师的体会与困惑列举出来，希望能得到各位专家及同仁们的指导与帮助，共同把课程改革向前推进。一、已着手解决的问题与困惑及采取的对策与思考问题与困惑之一：新课程理念的“高要求”与教学实践的“超现实”脱节。在进入新课程之初，尽管所有任课老师都参加了各级培训，但不同教师对新模式与新方法的理解与把握仍有较大差异，对课程标准的解读与落实也是各有偏重。特别是广大一线教师在教学实践中遇到的问题不能及时得到解决，从而导致他们不得不“穿新鞋走老路”。应对策略：①加强师资培训。在县教育局的发动下，我县各学校都开展了有针对性的学习与交流活动，如“走近大师”阅读活动(我们已经阅读了苏霍姆林斯基的《给教师的100条建议》、《陶行知教育名篇》、魏书生老师的《班主任工作漫谈》等)，开阔了教师的教育教学视野，让教师的教育教学方式、方法更多样、更有效；《赏识你的学生》阅读活动，正悄悄地改变着教师的学生观，使教师重新认识学生；刘良华博士的《教师成长》为我们教师指明了努力方向；余文森老师的《校本研究九大要点》把学校的校本教研工作引向深入。。。。。。②各学校的教研组、备课组及时改变活动形式，以研究课替代过去的观摩课、示范课，使老师们在完全平等的姿态下
充分交流，加强校本教研，实现基于实践层面上的转变教学理念。③加强课题研究。启示：教育观念的改变不是一朝一夕的事，她需要有改变观念的“土壤”——环境，更需要有“润物细无声”的方法与手段。问题与困惑之二：教学课时少与教学内容多的矛盾突出。按省教育厅颁布的课时标准，八年级每周上物理课2节课，九年级则每周上3节课，教师在安排上课进度时普遍反映上不完。以八年级物理为例，按省颁标准，每学年按40周计算，一学年的总课时数为40节，但各个学校在安排教学计划时，学生的层次不同，需要的课时量也有所不同，很多教师反映，如果按我县学生实际来安排课时至少需要55课时才能完成。每周2节的物理课让物理教师很难适应，周课时少带来的另一个问题就是人均教学班数增加，作业批改工作量加大，师生交流机会减少，学生学习过程的评价难度加大。自习课时间严重短缺，学生在校自主学习的时间极少，教师利用下班进行个别辅导的机会也相应减少。由于周课时少，学生学习物理的课外时间也少，知识的遗忘率很高，再加上受语、数、英三主科挤压的现象十分严重，因此学生学习物理知识的难度在不断加大，很多学生对物理学科都产生畏惧心理。应对策略：①加强学科教研和集体备课力度，提高全体教师解读课标、处理教材、设计教学活动的能力，努力提高课堂教学效率。②加强学法指导，帮助八年级的学生较快熟悉物理这门学科的特点，尽快找到适合自己的学习方法，养成良好的学习物理的习惯。
物理学发展简史 专业：物流工程１１１ 学生：吴建平 学号：２０１１２１６０３１ 老师：代群
摘要：物理学的发展大致经历了三个时期：古代物理学时期、近代物理学时期（又称经典物理学时期）和现代物理学时期。物理学实质性的大发展，绝大部分是在欧洲完成，因此物理学的发展史，也可以看作是欧洲物理学的发展史。 关键词：物理学；发展简史；经典力学；电磁学；相对论；量子力学；人类未来发展
引言 物理学的发展经历了漫长的历史时期，本文将其划分为三个阶段：古代、近代和现代，并逐一进行简要介绍其主要成就及特点，使物理学的发展历程显得清晰而明了。 一古代物理学时期 古代物理学时期大约是从公元前8世纪至公元15世纪，是物理学的萌芽时期。 物理学的发展是人类发展的必然结果，也是任何文明从低级走向高级的必经之路。人类自从具有意识与思维以来，便从未停止过对于外部世界的思考，即这个世界为什么这样存在，它的本质是什么，这大概是古代物理学启蒙的根本原因。因此，最初的物理学是融合在哲学之中的，人们所思考的，更多的是关于哲学方面的问题，而并非具体物质的定量研究。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢。在长达近八个世纪的时间里，物理学没有什么大的进展。 古代物理学发展缓慢的另一个原因，是欧洲黑暗的教皇统治，教会控制着人们的行为，禁锢人们的思想，不允许极端思想的出现，从而威胁其统治权。因此，在欧洲最黑暗的教皇统治时期，物理学几乎处于停滞不前的状态。 直到文艺复兴时期，这种状态才得以改变。文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。 二近代物理学时期 近代物理学时期又称经典物理学时期，这一时期是从16世纪至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。 近代物理学是从天文学的突破开始的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。 公元15世纪，哥白尼经过多年关于天文学的研究，创立了科学的日心说，写出“自然科学的独立宣言”——《天体运行论》，对地心说发出了强有力的挑战。16世纪初，开普勒通过从第谷处获得的大量精确的天文学数据进行分析，先后提出了行星运动三定律。开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。 近代物理学之父伽利略，用自制的望远镜观测天文现象，使日心说的观念深入人心。他提出落体定律和惯性运动概念，并用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。他提出惯性原理，驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动的说法，为惯性定律的科学逐渐从哲学中分裂出建立奠定了基础。伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上
19世纪末期物理学的三大发现及其意义 19世纪末，以牛顿力学、热力学、麦克维斯电磁学理论和原子论为基础的经典物理学理论体系已相当完善。正当物理学界陶醉于成功的喜悦中时，一些有远见的科学家却与意识到，在物理学晴朗的天空中出现了乌云。 1900年4月27日，一向以保守著称的英国皇家学会主席、著名物理学家达尔文发表长篇演说，指出：经典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵“乌云”。一是“紫外灾难”——热辐射在位于短波的紫外线部分的实验结果与经典统计力学、电磁学理论相背；二是“以太危机”——当时的实验结果表明：麦克维斯电磁学理论中光、电、磁传播所需要的介质——“以太”可能根本就不存在。经典物理学正在发生危机，这预示着即将发生一场革命。 其实从1895年开始，连续三年的三大发现，x射线，放射性和电子的发现已经成为揭开物理学革命序幕的三声春雷。1895年伦琴发现了X射线，1896年法国的贝克勒尔发现了铀盐的放射性，1897年英国的J·J汤姆逊发现了电子。这些新发现猛烈的冲击着经典物理学理论，打破了物理学界沉闷的空气，被誉为“世纪之交的三大发现”，是现代物理学发轫的标志。 早在19世纪三四十年代，人们就发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。而对阴极射线性质的深入研究导致了X射线的发现。1895年德国物理学家伦琴在赫兹和勒纳德发表了论阴极射线的穿透力的论文后，准备对这一问题做进一步研究。他重复了勒纳德的实验，发现阴极射线确实能穿透铝箔在空气中行进几厘米，使涂有铂氰化钡的荧光屏上产生荧光。在多次实验后，他意外地发现了一种新的射线，但因为不了解其本性，伦琴且称它为X射线，又被人们称之为“伦琴射线”。 由于X射线可以穿透皮肉透视骨骼，所以在医疗上作用很大，如今我们到医院拍张X光片已是很平常的事情，然而在19世纪末X射线刚发现时，却被视为世界科技革命的一声号角。其后，随着研究的深入，X射线被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。 而1896年法国物理学家贝克勒尔，受到伦琴发现X射线启发，着手研究X
第四章：物理学革命 第一节经典物理学的顶峰与危机 由于19世纪技术革命的巨大成功，使资本主义生产力得到空前提高，在当时的社会中洋溢着自信与陶醉。就自然科学而言，经典物理学是19世纪末发展得最完善的学科。牛顿力学是整个物理学的基础和典范，电磁现象也被看成是“以太”的机械运动，并利用力学原理来研究。声、光、热、电、磁等各种自然现象都通过牛顿力学而得到解释。经典物理学及其认识方法被视为科学发展所能达到的最完美形式，似乎物理学的天空已经是阳光普照，未来的工作只是在若干部位作些小小的修饰或者将测量精度再提高几个数量级。但是历史的发展毕竟是无情的，在物理学的万里晴空中出现了几朵乌云，这些用经典物理无法解决的问题，正是科学革命的引路者。 首先是迈克尔孙一莫雷实验的“零结果”。按照牛顿力学的观点，波的传播是需要媒介的，比如空气就是声音传播的媒介。测定声波的传播速度也是通过一个观察者和一个相应的参考系来完成的。然而光波似乎比较特殊，当我们说真空中的光速是2．997925X108m／s时，我们并不清楚这个速度是相对于哪个参考系的。但对于19世纪的人来说，要接受光的传播不需要媒介是很困难的，于是人们设想在地球和太阳之间
充满着—一种特殊的物质——以太，它充当地球和太阳之间引力和光的传播媒介。按照常识以及经典物理学的推论，以太具有这样的性质：它的密度为0，因为人在以太中运动并没有感觉到阻力；它是完全透明的，光波可以不受阻拦地传播；它又有很强的刚性。以太的这种特殊性质，使寻找以太成为很重要的工作。假如以太存在，那么既有自转又有公转的地球在以太中运动时，地球上的观察者就应能感受到“以太风”，它相对于地球的速度约等于地球公转的速度u＝30km／s。迈克尔孙(A．A．Michelson，1852—1 931)与莫雷(E.W．Morley，1836—1923)发明了一种于涉仪，能通过观察干涉条纹的移动来测量这个速度。 1887年迈克尔孙和莫雷开始他们的实验。他们将干涉仪安装在很重的石台上以维持稳定，并将石台悬浮在水银里，使它能平稳地绕中心轴转动。按照当时的设计精度，只要条纹有百分之一的移动就能被探测到。他们连续观察了一年，但是实验结果是：根本观察不到条纹的移动。迈克尔孙和莫雷当时失望地宣布他们的实验“失败”了。虽然以后不同的科学家(包括迈克尔孙本人)一再重复这个实验达50年之久，但结果依然没有改变。由于这与经典物理学的一些基本原理相抵触，所以引起了人们的广泛关注，有人已经开始怀疑经典物理学的适用范围了。 另一个问题是对黑体辐射实验的解释。物体因为它的温度而发出的
基于“物理学科核心素养”下的课堂教学思考 在国家顶层教育设计由应试教育到素质教育再到核心素养教育的新课程改革的大背景下，如何在教学过程中真正以学生为中心，参照每位学生的知识和经验，满足他们独特的人格成长需要，培养学生的学科素养是课堂教学改革应不断思考的问题。 一、“物理学科核心素养”的课改背景 2001年联合国教科文组织提出21世纪教育与学习的“四大支柱”：学会求知、学会做事、学会共处、学会发展。2005年经济合作与发展组织提出“三种关键能力”：交互作用运用于社会、文化、技术资源的能力，异质社群中进行人际互动的能力，自立自主行动的能力。2007年美国开始了“21世纪技能计划”：学习与创新素养、数字化素养、职业与生活技能的培养。日本的学力模型研究开始于上世纪50年代，由学校课程的学科之间拥有共性、个性与多样性的特征，提出了核心素养与学科素养之间的关系是全局与局部、共性与特性、抽象与具象的关系。 我国在教育部顶层教育设计的大背景下，2013年5月，教育部启动了以北京师范大学林崇德教授领衔的“我国基础教育和高等教育阶段学生核心素养总体框架研究”的课题研究，目前核心素养总体框架已正式颁布。2014年3月3日正式印发的《教育部关于全面深化课程改革，落实立德树人根本任务的意见》，文件中首次提出了“核心素养”的概念，并指出：教育部将组织研究提出各学段学生发展核
心素养体系，明确学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，突出强调个人修养、社会关爱、国家情怀，更加注重自主发展、合作参与、创新实践。2015年4月1日华东师范大学钟启泉教授在《中国教育报》发文指出：核心素养是指学生借助学校教育所形成的解决问题的素养与能力。核心素养不是先天遗传，而是经过后天教育习得的。核心素养也不是各门学科知识的总和，它是支撑“有文化教养的健全公民”形象的心智修炼或精神支柱。 就物理学科而言，2003年初针对高中物理教学过于以知识为中心，教育部出台了《高中物理课程标准》，首次提出了物理教学的三维目标，标志着物理教学不只是传统意义上知识和技能的培养，而应该同时促进学生“情感态度和价值观”的发展。这是对以前的高中物理教学过于以知识为中心的教学加以纠正，自2004年9月开始在我国部分省份试点高中新课程改革。 德国著名物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄曾经说过，教育所给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西。不可否认，随着时间的流逝，学生在校所学的大量学科知识都将逐渐淡化甚至遗忘，真正伴随学生一生发展并持续发挥作用的不是具体的物理学科知识，而是知识升华后留存在学生思想意识层面的东西。 以句子为单位对高中物理课程标准(2003版)进行编码，对课程标准中所有表达核心素养的素养节点进行统计分析，结果表明高中物理课程标准重视科学素养、实践素养、信息技术素养、问题解决能力、主动探究、学习素养、沟通与交流能力、团队合作、环境素养、可持
20世纪物理学革命的启示 回顾百年前发生的物理学革命是令人激动不已的，那一段时期发生的故事可以说是百听不厌，给我们的启示则是既深刻又发人深省的． 19世纪末，人类完全掌握自然规律来造福人类的梦想、似乎已经到了实现的边缘．1894年美著名科学家迈克尔逊兴高采烈的宣称：“尽管谁也不会轻率断言，未来物理科学再也不会提出什么使人惊奇的东西来，未来物理学的真理将在小数点后第六位寻找．” 然而物理学大厦却已经山雨欲来风满楼．1900年4月27日，开尔文勋爵在英国皇家学会上以“19世纪热和光的动力理论上空的乌云”为题的长篇演讲中指出：“动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色．第一朵是地球如何通过本质上是光的以太这样的弹性固体而运动的，第二朵是麦克斯韦一玻耳兹曼关于能量均分的学说．”经典物理出现的这些灾难性的后果使被某些人认为已经完美无缺的经典物理大厦摇摇欲坠．1900年10月19日，普朗克凭他的丰富经验得出了一个与实验结果符合得天衣无缝的公式．随后的两个月工作，普朗克描述为：“经过一生中最紧张的几个星期的工作之后，我从黑暗中见到了光明，一个以前完全意想不到的崭新景象展现在我的眼前．”终于在12月14日，普朗克在“关于正常光谱能量分布定律的理论”为题的演讲中提出了能量只能以“能量子”．为最小单元作不连续变化．物理理论发生了一个巨大的跃变．过了5年，科学巨匠爱因斯坦闪亮登场，立即震惊世人．在1905年，他所完成的题为“论动体的电动力学”的论文发表在德国《物理学年鉴》的杂志上．成为物理学的一个里程碑．其中指出了“电动力学与光学定律也一定适用于对力学方程适用的坐标系．此外论文又列出了另一重要原理，即光速不变性．同年，爱因斯坦又在利用了两列反向传播的平面光波的假想实验作为开头，以严密的逻辑推理导出了著名的质能公式．由此狭义相对论成功地建立，以大学说被无情地抛到了历史尘埃之中． 同年，爱因斯坦在著名论文“关于光的产生和转化的一个试探性观点”中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，成功解释了1887年赫兹就已经观察到的，经典物理无法理解的光电效应现象．进一步阐释了，不仅吸收或发射辐射时能量是一份份的，而且，辐射本身是量子化的．由于此项重大发现，爱因斯坦在1921年获得了诺贝尔物理学奖． 又过了8年，丹麦物理学家玻尔在（哲学杂志）上发表了著名的“三部曲”题名“原子构造和分子构造”——1、fi、Ill的3篇论文，取得了巨大的成功．完满地解释了30年之谜——氢光谱的巴耳末公式．并且成功地解释了元素周期表．把量子观念引人了原子．玻尔理论提出了一个动态原子结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系．在他发表论文3个月后的英国科学促进协会召开的年会上对玻尔的理论作出了肯定．称赞它为“对光谱线规津的一种最发人深思的……令人信眼的解释”．玻尔由于这一杰出的工作，获得了1922年诺贝尔物理学奖． 与此同时，爱因斯坦的思考并没有止步，他认为狭义相对论还有许多问题没有解决．刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？他感到极大的疑惑，他坚信自然界的和谐和统一．终于，有一天，他的脑子里突然闪出一个念头：如果一个人正自由下落，他决不会感到有重量．由此新的引力理论诞生了．又经过了几年，爱因斯坦又用柔性度规代替直线度规来度量时间，完成了广义相对论这一20世纪最伟大的创建．让我们再次回到玻尔．在玻尔获奖后一年，为庆祝玻尔的成就，世界物理学中心之一的德国哥丁根举行了玻尔节，玻尔应邀发表演讲，在听众中一位年仅20岁的大二学生海森伯怀着崇敬的心情来到演讲厅．一方面他体验到大师的演讲每个字都经过精推细敲，而且背后隐藏着深邃的思考．另一方面他初生牛犊不怕虎，面对物理大师，居然敢提出极具挑战性的问题．玻尔立刻感到问题击中要害，而且还包含一种不寻常的概念．会后他邀请海森伯外出散步，作颇为深入的讨论．后来，海森伯不止一次地说，这是他一生中最为重要的散步，决定他命运的散步．“我的科学生涯从此散步开始．”不久，玻尔邀请海森伯去哥本哈根工作一段时间，并让他住在哥本哈根大学理论物理研究所（1965年改名为玻尔研究所）的阁楼上．从此诞生了海森伯的名言：科学扎根与讨论．在海森伯与玻尔相遇10年后因创建量子力学而一人获得1932年诺贝尔物理奖．随后又经过了泡利．薛定谔、狄拉克、波恩等一批人的努力，终于发展成了一门20世纪最伟大的科学——量子力学． 爱因斯坦在相对论中抛弃了绝对的时空观．量子力学又否定了因果性和决定论．在物理学历史上堪称一场重大的革命．物理学不仅将人类对自然界的认识和领域不断推向更基本、更深层次，而且不断从中孕育新的科学思想和新技术，对于人类文明的昌明以巨大推动．
初中物理教学改革浅谈 一、“减负增效”的内涵 随着课程改革的深入发展,“减负增效”这一概念逐渐运用到教育教学中,其中“减负”是指减轻学生的学习负担,学生的学习任务不能超出学生的生理和心理发展能力,减去学习过程中简单机械重复且对开发学生智力毫无帮助的作业练习,减去与实际不相符、具有落后观念的教学内容.同时,教师要注重课堂效率,遵循教育规律,与时俱进,改变教学理念、更新教学方法,改变以教学成绩作为唯一评价标准来评定教师教育成功的传统理念. 二、初中物理教学的现状 (一)传统教学模式难以轻易更改 传统的教育方式对教师和学生产生了深远的影响,难以轻易得到改变.当前,教育领域最常见的就是灌输式教育方法,不仅是在物理课堂教学中,在各个学科教学中最常用的也是灌输式教学方法.灌输式教学方法忽略了学生的主体地位,没有将学习权交到学生的手上,只是采取一贯的教学方法,教师根据教材内容在讲台上讲教材知识点,学生在讲台下听并做好笔记.在这个过程中,课堂节奏始终都是跟着教师走,学生没有时间和氛围进行自主思考,不利于激发学生的学习兴趣,不利于学生创造性思维的培养,还有可能导致学生出现厌学、逃学等不良现象. (二)初中物理师资力量薄弱 在一些地区对物理课程不够重视,对物理师资引进也不够重视,导致出现一师多班的教学现象.这种情况导致班级间缺乏竞争和对比,教师缺乏紧迫感,对教学任务比较敷衍了事.甚至有些教师带着个人感情色彩,偏爱于成绩较好、综合素质较高的班级,对这种班级上课更积极认真,而对基础较为薄弱的班级授课时,表现得比较随意,讲授的知识点比较基础简单,使学生不能得到平等的对待,这严重违背了素质教育中教育公平原则.同时这种教学方法缺乏趣味性,难以激发学生学习兴趣,这种教学态度不利于对存在个别差异的学生进行因材施教,不利于促进学生个性发展. (三)物理实验设备缺乏、学生难以学以致用 物理是一门逻辑思维和实操性很强的学科,许多初中物理知识通过简单的文字并不能很好表达出来,不能使学生充分理解其知识内涵,很多知识需要学生动手实验才能切实的体会知识,才能深入理解知识而后熟悉知识.但是事实上,很多学校不仅物理教师缺乏,物理实验器材更是缺乏,只有一部分学校能做到在教师的引导下,让学生在实验实践中领悟知识点,大多
19世纪末期物理学的 三大发现及其意义 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
19世纪末期物理学的三大发现及其意义 19世纪末，以牛顿力学、热力学、麦克维斯电磁学理论和原子论为基础的经典物理学理论体系已相当完善。正当物理学界陶醉于成功的喜悦中时，一些有远见的科学家却与意识到，在物理学晴朗的天空中出现了乌云。 1900年4月27日，一向以保守著称的英国皇家学会主席、著名物理学家达尔文发表长篇演说，指出：经典物理学本来十分晴朗的天空上出现了两朵“乌云”。一是“紫外灾难”——热辐射在位于短波的紫外线部分的实验结果与经典统计力学、电磁学理论相背；二是“以太危机”——当时的实验结果表明：麦克维斯电磁学理论中光、电、磁传播所需要的介质——“以太”可能根本就不存在。经典物理学正在发生危机，这预示着即将发生一场革命。 其实从1895年开始，连续三年的三大发现，x射线，放射性和电子的发现已经成为揭开物理学革命序幕的三声春雷。1895年伦琴发现了X射线，1896年法国的贝克勒尔发现了铀盐的放射性，1897年英国的J·J汤姆逊发现了电子。这些新发现猛烈的冲击着经典物理学理论，打破了物理学界沉闷的空气，被誉为“世纪之交的三大发现”，是现代物理学发轫的标志。 早在19世纪三四十年代，人们就发现，真空管内的金属电极在通电时其阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为阴极射线。而对阴极射线性质的深入研究导致了X射线的发现。1895年德国物理学家伦琴在赫兹和勒纳德发表了论阴极射线的穿透力的论文后，准备对这一问题做进一步研究。他重复了勒纳德的实验，发现阴极射线确实能穿透铝箔在空气中行进几厘米，使涂有铂氰化钡的荧光屏上产生荧光。在多次实验后，他意外地发现了一种新的射线，但因为不了解其本性，伦琴且称它为X射线，又被人们称之为“伦琴射线”。 由于X射线可以穿透皮肉透视骨骼，所以在医疗上作用很大，如今我们到医院拍张X光片已是很平常的事情，然而在19世纪末X射线刚发现时，却被视为世界科技革命的一声号角。其后，随着研究的深入，X射线被广泛应用于晶