物理學的基本內容——經典物理部分

物理學是物理學習的對象，從根本上講，物理學習的內容主要取決於物理科學的內容。

有人認為物理科學的內容就是物理知識，這是一種片面的理解。這種理解往往導致學習者不能學到完整的物理，往往使學習者感到學習只是不斷往高堆積知識的「積木」而失去對科學的熱情。事實上，物理科學的內容除了物理知識之外，還包括重要程度並不亞於物理知識的物理觀念、方法和實驗基礎。只有把知識、觀念、方法和實驗基礎有機結合起來，才是對物理科學內容的完整描述。

我們通過物理科學發展的歷史線索，來展示物理知識的體系、物理觀念的發展、物理學方法的運用以及相應的實驗基礎。通過這樣的描述，我們將對物理科學的內容是什麼這一基本問題獲得比較全面、清晰的認識，並以此為出發點去討論學習中的問題。

物理學是研究物質運動基本規律和物質基本結構的一門科學。最初的物理學是哲學的一部分，直到16世紀末才從哲學中分離出來，成為一門獨立的科學。到19世紀末，經典物理學已經發展得相當完善，但同時也發現了一些經典物理學無法解釋的物理現象。20世紀初，物理學進入現代物理學的新時代，獲得了前所未有的高速發展。下面，我們分經典物理學和現代物理學兩個部分，來描述物理科學的基本內容。

經典物理學包括力學、熱學、電磁學、聲學和光學五個部分。這些部分還可以合併而總結成三個方面：經典力學、熱力學和經典統計力學、經典電動力學。

經典力學

伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）是經典力學的奠基人。從16世紀末到17世紀初，他把觀察實驗、物理思維和數學演繹三種科學方法巧妙結合起來，以確鑿的實驗事實、嚴格的邏輯推理和清晰的物理觀念，批駁了統治兩千年之久的亞里士多德（Aristotle，公元前384—前332）的錯誤運動觀念，闡明了他的運動理論。伽利略的運動理論包括：運動的描寫和分類、自由落體定律、加速度的概念、慣性原理、拋體運動軌跡和相對性原理等等。經典力學的基本理論體系是由牛頓（Isaac Newton，1642—1727）在1687年建立起來的，因此經典力學也常稱作牛頓力學。牛頓先用實驗歸納的方法，總結了伽利略等人的研究成果，建立若干最一般、最明白的定義、公理，然後用嚴謹的推理建立起一個完整的演繹結構，最後，又將這種演繹結果與實驗事實相比較。牛頓對經典力學的偉大貢獻主要包括：嚴格定義了質量、動量、慣性、外加力、向心力等基本概念，總結出機械運動的三個基本定律，得出了力的合成分解、運動疊加原理、動量守恆原理、相對性原理等重要推論，發現了萬有引力定律，等等。在牛頓之後，18、19世紀的物理學家繼續發展、完善牛頓的力學理論，最終完成了自洽的經典力學體系。這個期間，確立了三大守恆原理：質心運動守恆原理、動量矩守恆原理和活力（動能）守恆原理。同時，矢量描寫和運算的困難促使物理學家尋找牛頓力學新的表述形式，從虛功原理、最小作用原理髮展為變分方法，逐步形成了分析力學的理論體系。

經典力學研究宏觀物體低速機械運動的現象和規律。宏觀，是相對於原子等微觀粒子而言；低速，是相對於光速而言。經典力學的時空觀建立在歐幾里德幾何學的基礎上，空間向四方延伸，與時間無關；時間從過去流向未來，與空間無關。物體的長度是與測量參照系無關的絕對量，任何兩個事件的同時性是絕對的。

經典力學的基本理論有三種表述形式：牛頓運動方程形式、拉格朗日的微分形式和哈密頓的積分形式。

經典力學包含質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、流體力學、聲學等。理論的基本部分還可分為運動學、靜力學和動力學。

熱力學和經典統計力學

18世紀初蒸汽機的出現，促使人們對熱現象進行深入的研究。系統的計溫學和量熱學的建立，標誌著對熱現象的研究走上了實驗科學的道路。這時，一些人根據片面的實驗事實，認為熱是一種沒有質量的流質，提出了當時頗為流行的熱質說。與熱質說相對立，另一些人認為熱是物質運動的一種表現，以摩擦生熱的事實沉重地打擊了熱質說。到了19世紀中葉，1842年邁爾（Julius Robert Mayer，1814—1878）提出能量守恆學說。邁爾認為熱是一種能量，可以與機械能相互轉化。同時，焦耳（JamesPrescott Joule，1818—1889）用許多實驗比較準確地測定出熱功當量，給予能量守恆定律以堅實的實驗基礎，從而建立起了表明能量轉化和守恆的熱力學第一定律。緊接著，克勞修斯（RudolfClausius，1822—1888）和開爾文（Kelvin，1824—1907）分別在1850年和1851年各自獨立地發現了熱力學第二定律，指出了熱力學過程的不可逆性。此後，人們在應用的過程中發展了熱力學的數學理論，找到了包括熵在內的反映物質各種性質的熱力學函數。1906年，能斯脫（Walther Nernst，1864—1941）根據低溫下化學反應的許多實驗事實總結出熱力學第三定律，指出絕對零度是不能達到的。這個定律的建立，使熱力學理論更臻完善。

隨著熱力學第一定律的建立，熱質說被徹底否定，研究熱現象微觀理論的分子運動論得到了迅速發展。在19世紀後半期，人們開始用統計方法研究由大量分子組成的系統，找出微觀量與宏觀量間的關係。這方面的主要工作包括：推導出理想氣體的壓強公式，引入平均自由程的概念，得出氣體分子速率分布律，從微觀角度解釋熱力學第二定律，建立非理想氣體的狀態方程，等等。氣體分子運動論使用的幾率統計法，為統計力學奠定了基石。1902年吉布斯（Josias Willard Gibbs，1839—1903）大大改進和發展了分子運動論的統計方法，提出了完整的系綜理論，建立起經典統計力學的理論體系，其適用範圍也擴展到固體、液體、氣體等任何微觀粒子的體系。

熱力學和經典統計力學研究物質熱運動的規律及熱運動對物質宏觀性質的影響。熱力學是熱運動的宏觀理論，是從能量守恆和轉化的角度來研究熱運動規律的。它的研究方法是，根據由觀察和實驗所總結出的基本規律，用邏輯推理的方法，研究物體的宏觀性質及宏觀過程進行的方向和限度等。經典統計力學是熱運動的微觀理論，它從宏觀物質系統是由大量微觀粒子所組成的這一事實出發，認為物質的宏觀性質，是大量微觀粒子運動的平均效果，宏觀物理量是微觀量的統計平均值，用統計的方法研究物體的宏觀性質。統計方法不一一考慮個別微粒的運動，而是運用力學定律研究極大數目微粒的綜合作用，直接推求極大數目微粒運動的一些統計平均值。經典統計力學認為，單個微粒的運動遵從力學規律，大量微粒的整體遵從統計規律。

熱力學最基本的規律是熱力學第一、第二、第三定律，經典統計力學的最基本定理是劉維定理（相密度守恆原理）。

經典電動力學

經典電動力學，從廣義上看，也包含了電磁學和波動光學的內容。

對電磁現象的系統研究始於18世紀中葉。1785年，庫侖（Charles Auguste de Coulomb，1736—1806）用扭秤實驗發現電荷之間相互作用所遵從的定律——庫侖定律，使電學進入科學的行列。隨後伽伐尼動物電流的發現以及伏打電堆的發明，使歐姆（Georg Simon Ohm，1787—1854）在1826年用實驗得到後來以他的名字命名的導體中電流的定律。差不多同時，奧斯特（HansChristian Oersted，1777—1851）在1820年發現了電流的磁效應，揭開了電現象和磁現象的內在聯繫。同年，安培（André MarieAmpère，1775—1836）得出電流元之間相互作用的規律，接著他又提出分子電流假說，把磁現象歸結為單一的電流的作用。1831年，法拉第（Michacl Faraday，1791—1867）發現了電磁感應現象，並在進一步的研究中建立了電磁感應定律，把電現象和磁現象進一步統一起來。

19世紀前半葉，物理學界仍然傾向於以粒子為核心的中心力思想，認為電磁作用是一種瞬時超距作用。法拉第的思想卻是遠為卓越的，他堅信，電和磁的作用不是沒有中介地從一個物體傳到另一個物體，他認為，是電場和磁場起到了這種媒介作用，從而第一次提出了場的近距作用的觀念。法拉第還引入了力線的概念，給電磁場描繪出一幅形象的圖畫。麥克斯韋（James ClerkMaxwell，1831—1879）進一步發展了法拉第的場和力線思想，他認為變化的磁場在其周圍空間激發渦旋電場，他還引入位移電流的概念，認為位移電流與電流一樣在周圍空間激發渦旋磁場。麥克斯韋利用數學對電磁現象的基本規律進行了理論總結，於1865年提出了電磁場的普遍規律——麥克斯韋方程組，最終完成了完整的、統一的電磁場理論。麥克斯韋還由此預言電磁波的存在，提出了光的電磁學說。1888年赫茲（Heinrich Hertz，1857—1894）通過實驗證實了電磁波的存在，給予麥克斯韋的理論以決定性的證明。

經典電動力學本身並沒有正確解決場和電的物質基礎這個最基本的問題。麥克斯韋仍然藉助於「以太」來描述真空場的概念。對電的認識也沒有深入到物質結構的微觀領域。直到20世紀初創立了狹義相對論，才拋棄了「以太」，正確認識了電磁場的物質性。直到1897年，湯姆遜發現電子，人們才對電的物質基礎——電子獲得了具體的認識。這些基本問題的解決，使經典電動力學的理論得到了完善。同時，人們從麥克斯韋方程組出發，發展了對電磁場的數學描述，研究了電磁波的傳播和輻射以及帶電粒子和電磁場的相互作用等問題。

作為經典電動力學組成部分的波動光學在一開始是有其獨立發展線索的。我們知道，可以把幾何光學看成是波動光學的極限情況，而波動光學是以幾何光學為先導發展起來的。在古代，人們就發現了光的直線傳播原理和反射定律，在17世紀初又發現了折射定律。17世紀中葉，牛頓做了著名的色散實驗，同時人們發現有與光的直線傳播不完全相符的事實，觀察到了衍射、干涉和雙折射現象。這一時期，形成了光的微粒說和光的波動說，兩派就光的本性問題展開了爭論，微粒說佔了上風。由於多數科學家贊成微粒說，在整個18世紀，光學幾乎沒有什麼發展。19世紀是波動光學的輝煌時期，光的波動說得到了復興和發展。1801年，托馬斯·楊（Thomas Young，1773—1829）最先用雙縫顯示了光的干涉現象，成功地測出了光的波長，用波動理論解釋了牛頓環現象，並且提出了光是橫波。1815年菲涅耳（Augustin Jean Fresnel，1788—1827）用楊氏干涉原理擴展了惠更斯原理，運用這個原理不僅能解釋光在各向同性介質中的直線傳播，同時也能解釋光的散射現象。菲涅耳還進一步論證了光的橫波性質，比較系統地研究了光的偏振現象。至此，波動光學的理論已基本形成，在與微粒說的鬥爭中獲得了階段性的勝利。1849年和1862年，人們兩次在實驗室中測定了光的速度，為波動光學通向電磁理論架起了橋樑。

1845年法拉第發現光的振動面在強磁場中旋轉，揭示了光和電磁的內在聯繫。1865年麥克斯韋電磁場理論的建立，說明電磁波以光速傳播，所以光現象是一種電磁現象，光波是波長在一定範圍內的電磁波。這樣，就把波動光學統一到經典電動力學的理論之中。為了研究產生高達光的頻率的電振子的性質，也為了從物質結構的角度研究物質與光相互作用的過程，1896年洛侖茲（Hendrik Antoon Lorentz，1853—1928）創立了經典電子論。經典電子論不僅可以解釋物質發射和吸收光的現象，還能解釋光在物質中的傳播以及折射率隨光波頻率而變的色散現象。不過，這些解釋是極具局限性的。

經典電動力學研究電磁場的基本屬性、它的運動規律以及它和帶電物質之間的相互作用。物質的電結構是物質的基本組成方式，電磁場是物質世界的重要組成部分，電磁作用是物質的基本相互作用之一。

經典電動力學的表述形式與經典力學的表述形式有很大不同。經典力學要描述的是物體在任一時刻的位置和動量，其中只有時間是獨立參量。而經典電動力學刻畫任一時刻的場，不是指明它在三維空間上處於什麼位置，而是指明它在空間每一點的值，即給出場函數（如電場強度），經典電動力學的基本理論可以由麥克斯韋方程組中的四個方程加以表述。

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