对物理学的认识

第一篇：对物理学的认识

对物理学的认识

物理学的主要研究对象是力、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和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：物理学不是一切，但是一切都离不开物理学。物理学的终极目标就是来量化解释世界。（法国皮埃尔·迪昂在他的《物理理论的目的和结构》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。而蒸汽机的发明和应用是第一次工业革命的标志，可以看出物理学的作用是巨大的。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、计算机技术和航天技术发展迅速，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。这可以说是物理学上的一次革命。后来牛顿继承地动说，发展出他的运动定律。大家本以为此定律无懈可击。可是到了二十世纪，又被爱因斯坦的相对论将它涵盖过去。由此可知，一切理论都是人为创造来解释自然的现象，充满了各种可能性。但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，才算是一个经得起考验的理论。科学便是在不断的探索中，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。

物理学是实验的科学，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，但是在解释上是可以提出各式理论模型的。然而各种理论模型是由物理学家建立起来的，也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，一个是新星，一个是超新星，新星的亮度大概是太阳亮度的几万倍，超新星的亮度是太阳亮度的百万万倍。这两个都是在中国发现的。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%是暗物质和暗能量。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是物理学研究最大的挑战。

物理学是理论和实验紧密联系的科学，是一门应用学科。物理学是严密严谨的科学。物理学追求真理、造福人类、引领未来、支撑发展。物理学是认识世界的先锋，物理学引领世界！对物理学的学习可以培养同学的估算能力、模拟计算能力、实验动手能力、阅读分析总结写文章的能力、提出问题的能力、抓住主要矛盾的能力等等。

关于库仑定律研究的过程,通过史学的介绍我们可以知道,在库仑之前,有一个叫普利斯特利的科学家,曾将静电力跟万有引力做了类比,他就在猜想,静电力应该也是与万有引力一样,与距离的平方成反比,可以说,如果没有万有引力定律的发现在前,库仑定律还不知道什么时候才能发现,为什么这样讲呢，实际上有这样一个事实，就是库仑能够把静电力和万有引力进行很好的类比，当实验测出来的这种数据发现静电力不是与距离的平方刚好成反比，而是与距离的2.04次方或距离的1.96次方成反比，这时候，库仑这个科学家他就坚信大千世界万物的力之间肯定有一种它的统一性，靠类比的方法，靠他的这种坚定的思想、信念使得库仑定律才得以比较早的发现，所以我想说，这个规律的发现的过程，实际上就蕴涵着物理思维方法的运用，可见对物理的研究可以培养严谨的思维和敏锐的直觉。这些对经济学研究的敏感性和方向的把握至关重要。再者，物理基础理论的学习，为经济学的学习打下了扎实的理论基础。将成熟的物理模型和物理理论应用在经济学理论研究，是现在经济学发展的趋势。

第二篇：当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识

当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识简介

2010-07-16 05:38:04| 分类： 默认分类 |字号大中小 订阅

当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识简介

一、物理概念

：

基本粒子 即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。它是组成各种各样物体的基础。并不会因为小而断定它不是某种物质。

简单介绍：

名称：基本粒子

英语名称：elementary particle 基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位。但在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，粒子分为：

1、强子

2、轻子

3、传播子 三大类

强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种它们是 ：.顶夸克

2.上夸克

3.下夸克

4.奇异夸克

5.粲夸克

6.底夸克

其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是强

子 质

子 中

子 π 介 子

....等都属于强子。(另外还发现反物质,有著名的反夸克,现已被发现且正在研究其利用方法,由此我们推测，甚至可能存在反地球,反宇宙)

轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括:

电

子

电

子 中 微 子

...μ

子

μ

子 中 微 子

τ

子

τ

子 中 微 子

电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电，且所有的中微子都存在反粒子；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。

传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，由于色禁闭现象，至今无法直接观测到。光子传递电磁相互作用，而传递弱作用的W+，W-和Z0，胶子则传递强相互作用。重矢量玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80一90倍。

...二.主 要 特 征

：

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。

按照粒子物理的 规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式 被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无质量的，电子质量很小，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，已知最重的粒子是顶夸克。己发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。中微子的质量非常小，目前己测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，已非常接近零。

粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量。

电子、质子、中微子是稳定的，称为 “长寿命”粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子； 一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减

到一半的时间来定义。质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。

粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子。

1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子质量转变为能量；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。

粒子还有另一种属性—自旋。

自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的称为玻色子。

物质是不断运动和变化的，在变化中也有些东西不变，即守恒。粒子的产生和衰变过程就要遵循能量守恒定律。此外还有其他的守恒定律，例如轻子数和夸克数守恒，这是基于实验上观察不到单个轻子和夸克的产生和湮灭，必须是粒子、反粒子成对地产生和湮灭而总结出来的。

微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子 的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

三.主

要 结 构 :

保罗·狄拉克

1933年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实，1 936年安德森因此获得诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年物理奖。第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆，经过3年的努力，终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获 1995年物理学奖。到1968年，人们才探测到了来自太阳的中微子。1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖，鲍威尔获 1950年物理奖。到50年代末，基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。

自1951年费米首次发现共振态粒子以来，至80年代已发现的共振态粒子达300多种。

所有的基本粒子都是共振态，共振态的发现其实已经揭开了基本粒子的秘密，即所有的基本粒子都是共振态．共振态分二类，一类是不稳定的，如强子类；另一类是稳定的，如电子．中子等．它门不容易发生自发衰变．不存在绝对稳定的基本粒子，如电子在一定的条件下也会堙灭（与正电子相遇时）。产生基本粒子的外因是物质波的交汇，交汇处形成波包．内因是交汇处发生了共振，客观表现为共振态－－即基本粒子的产生．

夸 克 模 型

基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可

分的吗？近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。1990年弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获物理奖。1965年，费曼、施温格、朝永振一郎因在量子电动力学重整化和计算方法的贡献，对基本粒子物理学产生深远影响而获物理奖。温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础，完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年物理奖。目前统一场论的发展正向着把强相互作用统一起来的大统一理论和把引力统一进来的超统一理论前进。并且这种有关小宇宙的理论与大宇宙研究的结合，正在推进着宇宙学的进展。

如今，人类为了把宇宙中的四大基本力统一起来，于是Gabriele Veneziano创造了弦论，弦论的一个基本观点就是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类 的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈（称为闭合弦或闭弦），闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。它已经成为人类探寻宇宙奥秘的一个非常重要的理论

四.基 本 粒 子 表 ：

基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着，人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。

1.“基本粒子”的“祖孙”三代

从汤姆孙发现电子到1932年发现中子，人们认识到质

子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。当时一度认为一切都已搞清楚：质子和中子构成一切原子核；原子核和电子则构造了自然界的一切原子和分子，而光子仅仅是构成光与电磁波的最小单元。然而好景不长，对物质结构的这样一种“圆满”的解释并没能持续多久，人们很快发觉当时所发现的基本粒子不能圆满地解释核力。

第一代

1935年著名的日本物理学家汤川秀树（1907～1981年）大胆假设，很可能还有未曾发现的新粒子。汤川秀树认为，就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样，核力是通过核子间交换一种介子而实现的。他还估算出了这种粒子的质量大约是电子质量的200倍。两年之后，美国物理学家卡尔·戴维·安德孙（1905～年）在宇宙射线中发现了一种带电粒子，它的质量是电子的200倍左右，被命名为“m（缪）介子”。理论预言的成功使人们倍感欣慰，但进一步的考察却令人十分扫兴。因为这种m介子根本不与核子相互作用，很明显，它不可能是汤川秀树所预言的粒子。

1947年，巴西物理学家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子——p介子。p介子的性质完全符合汤川秀树的预言，能够解释核力。实际上，“m介子”不是介子而是一

种轻子，所以现在将m介子称为“m 子”。到1947年，人们认识的粒子已达14种之多。其中包括当时已发现的 :

1.光

子

（g)

2.正

电

子

（e +)

3.负

电

子

（e)

6.p + 介 子

7.p-介 子

8.p 0 介 子

9.质

子

（p）

10.中

子

（n）

11.正 电

子

12.反 电

子

13.中 微

子

14.反 质

子

15.反 中

子

这15种粒子各有用武之地，其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者，p介子传递核力，中微子在b衰变中扮演不可缺少的角色（b衰变是原子核自发地放射出电子或正电子，或者俘获原子内电子轨道上的一个电子，而发生的转变）；而m子则在宇宙射线中出现。以上

这些就构成了第一代粒子。

第二代

稳定的秩序似乎并没有维持多久，“完满”的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破。在发现p 介子的1947年，人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片，衰变产物是p±介子和质子（p）。这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释，于是人们很自然的想到，这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里，人们拍摄了十多万张宇宙射线照片，终于发现了这两种不带电的新粒子。其中一个质量为电子质量的1000倍，现在被叫做“k0介子”；另一个约为电子质量的2200倍，现在称为 l粒子（读“兰布塔”）。我们称它们为第二代粒子，这是因为它们有两个明显的特点：

(1)

产生快，衰变慢；

(2)

成对（协同）产生，单个衰变。这些特点用过去的理论是无法解释的，所以又称它们为“奇异粒子”。

为了对这些奇异粒子进行定量研究，光靠宇宙射线是

不够的。50 年代初，一些大型加速器陆续建成，使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核，以研究奇异粒子。

到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子，使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为“第二代粒子”。

第三代

如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类，那么其中有的粒子是稳定的，例如质子、电子等；有的粒子却要自发地衰变成其它粒子，例如m ±、p±、π0、k0、λ0……等。它们衰变的时间一般在10-20 ～10-16秒或大于10-10秒，分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展，在实验上也发现了衰变时间在10-24～10-23秒范围的快衰变粒子，其衰变属强作用衰变。这些粒子被称为“共振态粒子”，也称“第三代粒子”。由于它们的出现，使粒子种类猛增到上百种.基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论，它在许多方面还不能令人满意，其中有两个具有哲学意义的理论问题尚

待澄清，即：层次结构问题（见物质结构层次）和相互作用统一问题(见相互作用的统一理论)。在物质结构的原子层次上，可以把原子中的电子和原子核分割开来；在原子核层次上，也可以把微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

基本粒子理论:

于基本粒子的结构、相互作用和运动转化规律的理论。它的理论体系就是量子场论。按照量子场论的观点，每一类型的粒子都由相应的量子场描述，粒子之间的相互作用就是这些量子场之间的耦合，而这种相互作用是由规范场量子传递的。

20世纪30年代以来，基本粒子理论在实验的基础上有了很大进展。在粒子结构方面，人们已经通过对称性的研究深入

到了一个层次，肯定了强子是由层子和反层子组成的，对真空特别是对真空自发破缺也有了新的认识。在相互作用方面，发展了可描述电磁相互作用的量子电动力学，发展了能统一描述弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论，可用于描述强相互作用的量子色动力学。它们无一例外都是量子规范场理论，并且都在很大程度上与实验一致，从而使人们对各种相互作用的规律性有了更深一层的了解。基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论，它在许多方面还不能令人满意，其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清，即：层次结构问题（见物质结构层次）和相互作用统一问题(见相互作用的统一理论)。在物质结构的原子层次上，可以把原子中的电子和原子核分割开来；在原子核层次上，也可以把组成原子核的质子和中子从原子核中分割出来。可是进入到“基本粒子”层次后，情况有了变化。这种变化在于强子虽然是由带“色”的层子和反层子组成的，但却不能把层子或反层子从强子中分割出来。这种现象被称为“色”禁闭。于是，在“基本粒子”层次，物质可分的概念增添了新的内容。可分并不等于可分割，强子以层子和反层子作为组分，但却不能从强子中分割出层子和反层子。“色”禁闭现象的原因至今还未能从理论上找到明确答案。80年代已知的层子、反层子已达36种，轻子、反轻子已达12种，再加上作为力的传递者的规范场粒子以及

Higgs粒子，总数已很多，这就使人们去设想这些粒子的结构。物理学家们对此已经给出许多理论模型，但各模型之间差别很大，近期内还很难由实验验证和判断究竟哪个模型正确。

在弱电统一理论获得成功之后，人们又探求强作用和弱作用、电磁作用三者之间的统一，提出了各种大统一模型理论。这种理论预言质子也会衰变，其寿命约为1032±2年。但还没有得到实验上的证实。在探索力的统一理论时不能不考虑引力。但引力和弱作用力、电磁作用力、强作用力有重要差别，因为它直接与空间、时间的测度有联系，它的传递者──引力子的自旋不同于其他三种作用力的传递者，它的耦合常数有量纲～(质量)-2，从而会出现无穷多种发散，不能重整化。如果再考虑到A.爱因斯坦所提出的引力方程的非线性性质，就更增加了引力理论量子化、重整化的困难。初步的探讨认为，引力场也是一种规范场，这就意味着引力和其他三种基本力在逻辑上最终会统一起来。但从问题的深度上可以看到，有一些关键性的因素人们还没有掌握。

基本粒子分族特性 :

平均寿命（s）

共有的衰变产物

μ+ 反粒子 族 电荷 质量(注)轻子

μ-e 106 0.511 0 0 938.26 939.55

2.2*1evμv0^-6-e e ve vμ-e 0 0

稳定 —— e+ 稳定 —— v-e 稳定 —— v-μ

重子

p +e

稳定 —— p-

pev-e n λ 0 0

930 n-1115.2.5*1pπ-,nλ-0^-10

π0 Σ+ +e 11898*10.4 1192.5

pπ0,^-10 nπ+ 小于10^-14 1.5*10^-10 1.7*10^-10

λπ0 λπ-nπ-λ,辐射

Σ-Σ0 0 Σ+ Σ--e 1197.3

Σ+ Ξ--e 1321.2

Ξ+ Ξ0 0 13143*10.7 139.6 139.6 135.^-10 2.6*10^-8 2.6*10^-8 10^-

Ξ0 介子

π+ +e

μ+vμ π-π-π0-e 0

μ-vμ π+ 辐射 π0

0 493.8 493.8 497.8 1.2*10^-8

μ+vμ,π+π0

K+ K-K+ +e K--e

1.2*1μ-vμ,0^-8 π-π0 8.6*1π+π-0^-11，2π0(快衰K0 0 K0

变方 式)5.4*10^-8

3π0，π+π-π0 π+μv

(慢衰

-μ,π+ev-,π-μ+vμ-,π-e+v

变方式)

K0(0 497.衰变—— K0

反粒子)8 方式与K0相同

3π0，π0π+η 0 548.8

——

π-，π+π-，辐射

η

注：表中粒子的质量是按能量单位1MeV（兆电子伏）给出的。如果与日常单位比较1MeV相当于以1kW功率工作1.6*10^-16s.基本粒子物理学 :

研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学。其发展大致经历3个阶段:

第一阶段（1897～1937）

可追溯到1897年发现第一个基本粒子电子。1932 年 J.查德威克在用a粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由基本的结构单元——质子、中子、电子构成的统一的世界图像。质子、中子、电子和A.爱因斯坦提出并被 R.A.密立根和 A.H.康普顿等人实验证实的光子、W.泡利假设存在的中微子（1956年最终被实验证实）以及P.A.M.狄拉克预言并被 C.D.安德森 1932 年在宇宙线中观察到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子。

《量子力学》

在此阶段，理论上建立了量子力学，这是微观粒子运动

普遍遵从的基本规律。在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化初步建立量子场论，很好地解决了场的粒子性和描述粒子的产生、湮没等问题。随着原子核物理的发展，发现在相当于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作用之外，还存在比电磁作用更强的强相互作用和介于电磁作用和引力作用之间的弱相互作用，前者是核子结合成核的核力，后者引起原子核的β衰变。对于核力的研究认识到核力是通过交换介子而产生的，并根据核力的电荷无关性建立起同位旋概念。

第二阶段（1937～1964)

先后陆续发现了众多的粒子。1937年从宇宙线中发现μ子，后来证实它不参与强作用，它和与之相伴的μ中微子同电子及与之相伴的电子中微子可归入一类，统称为轻子。1947年发现π±介子，1950年发现π0介子，1947 年还发现奇异粒子。50年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很大发展，从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期，各

种粒子的反粒子被证实；发现了为数不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现，其中大部分是强子，人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们尝试将强子进行分类，提出颇为成功的强子分类的“八重法”。

这一阶段理论上最重要的进展是重正化理论的建立和相互作用中对称性的研究

进一步解释宇称不守恒

。关于描述电磁场量子化的量子电动力学，通过重正化方法消除了发散困难，对于电子和μ子反常磁矩以及兰姆移位的理论计算与实验结果精确符合。量子电动力学经受众多实验检验，成为描述电磁相互作用的成功的基本理论。对称性与守恒定律联系在一起，关于相互作用中对称性的研究，最为重要的结果是1956年李政道、杨振宁提出弱作用下宇称不守恒，[2]1957年被吴健雄等人的实验及其他实验证实，这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这些研

究推动弱作用理论的进展。

第三阶段（1964～1994)

以提出强子 结构的夸克模型为标志。1964 年 M.盖耳曼和 G.兹韦克在强子分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇异夸克s三种，它们的电荷、重子数为分数。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据。1974年发现J／ψ粒子，其独特性质必须引入一种新的粲夸克c，1979年发现另外一种独特的新粒子Υ，必须引入第5种夸克，称为底夸克b。另一方面，1975年发现重轻子τ，并有迹象表明存在与τ相伴的τ中微子，于是轻子共有6种。迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。人们相信轻子是与夸克属于同一层次的粒子。轻子与夸克的对称性意味着存在第6种顶夸克t。1994年4月26日，美国费米国家实验室宣布已找到顶夸克存在的证据。

这一阶段理论上最重要的进展是建立电弱统一理论和强相互作用研究的进展。1961 年S.L.格拉提出，其基础是杨振宁和 R.L.密耳斯于1954年提出的非阿贝耳规范理论。按照这一模型，光子是传递电磁作用的粒子，传递弱作用的粒子是W±和Z0 粒子，但是W±、Z0是否具有静质量，理论上如何重正化问题没有解决。1967～1968年在对称性自发破缺的基础上，S.温伯格、A.萨拉姆发展了格拉肖的电弱统一模型，建立了电弱统一的完善理论，阐明了规范场粒子W±、Z0是可以有静质量的，理论预言它们的质量在80～100吉电子伏特（GeV），此外还预言存在弱中性流。1973年观察到弱中性流，1983 年发现W±、Z0粒子，其质量（mW≈80GeV，mZ≈90GeV）及特性同理论上期待的完全相符。关于强作用的研究，1973年 G.霍夫特D.J.格罗斯等人发展了量子色动力学理论。量子色动力学与量子电动力学一样，也是一种定域规范理论。在这个理论中，夸克之间的强相互作用是由于夸克具有色荷交换色胶子而产生的，胶子没有静质量，但带有色荷。强相互作用具有渐近自由的性质，即夸克之间的强相互作用并不是随着它们的距离增大而减弱，而是相反；当它们相距很近而处于强子内部时，相互作

用很弱，可近似地看成是自由的，从而能够说明夸克、胶子的禁闭性质、轻子对强子深度非弹性散射的异常现象以及喷注现象等。

在粒子物理学的深层次探索活动中，粒子加速器、探测手段、数据记录和处理以及计算技术的应用不断发展，既带来粒子物理本身的进展，也促进整个科学技术的发展；粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用。

第三篇：物理学的进步对社会发展的贡献

物理学的进步对社会发展的贡献

电子的发现者是英国科学家汤姆孙发现的,这是第一个被发现的基本粒子,由于电子的发现,汤姆孙被后人誉为”一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”.他因电子发现和对气体导电理论和实验的研究所作出的贡献获1906年诺贝尔物理学奖.电子的发现打破了原子不可分的经典的物质观,向人们宣告原子不是构成物质的最小单元,它具有内部结构,是可分的.电子的发现是与微观物质组成有最直接的关系,它是组成原子的普适成分,它的质量比氢原子要小3个数量级.电子的发现开辟了原子物理学的崭新研究领域.在这以后,电子的性质,在原子中电子的运动规律,电子通过晶体的衍射等都是物理学家感兴趣的研究内容.在这些领域的不少研究成果都获得了诺贝尔物理学奖.电子的问世开辟了电子技术的新时代.从20世纪20年代开始,从电子管生产到半导体管的诞生及半导体技术的发展,再到集成电路的发明,使人类进入微电子科技时代.作为现代技术革命的重要标志的微电子技术不仅使人类的通讯技术进入高速,准确和可靠的领域,同时,也大大促进了电子计算机技术的发展,微电子技术和电子计算机技术正是现代现代信息技术的两个重要基础,使今天人类社会又步入了一个新的发展时期即信息社会。

从17世纪至18世纪，牛顿力学和热力学对机械工业，尤其是热机的发展起了巨大的推动作用；19世纪，不断发展的经典电磁理论，促进了工业电气化和无线电通信的发展；20世纪上半叶，随着相对论和量子力学的创立，人类的认识深入到原子和原子核内部，人类开始进入了核能时代和信息时代。此外物理学还有着丰富的精神价值：物理学的发展深深地影响着人类的思维方式和认识方式；物理学和哲学有着密切的关系，辩证唯物主义的产生和发展，从物理学中汲取了许多“营养”；物理学与数学在形成和发展过程中共同建立起来的“实验方法”、“逻辑方法”和“概念方法，在科学研究中得到普遍的应用，成为科学方法论的三大支柱。因此，物理学对人类文明进步做出了积极的贡献，成为当代人类文化的一个重要组成部分。

物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；——这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。——反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族。

在我们的生活中，每时每刻都存在这屋里知识，比如说，坐车为什么要继安全带啊，这是物理学的惯性知识吧，我们为什么可以看电视啊，电视机的制作与电磁学有关吧，其实许多的家用电器都是依据物理知识制造出来的。随着物理学的进步科学家制作出来的东西会更先进，无论是对社会还是人类都是有帮助的，像电话，电脑，哪一个不是用物理学作为基础。

近代科学技术自19世纪传入中国以来，经历了一段非同寻常的曲折过程。从19世纪中叶自强运动中开始的“师夷之长技”和“求强求富”，到20世纪初年的“科学救国”、“实业救国”思潮，从50年代的“向科学进军”，到20世纪末叶的“科教兴国”战略，中国人对科学技术给予了多少希望、梦想和憧憬！150年来，中国科学技术的进步是显著的，但在全人类共同创建的现代科学技术大厦中，中国人的贡献还相当有限，中国科学技术的现代化还没有完成。站在新世纪的门槛上，中国应该如何发展科学技术，追赶国际先进水平，实现“科教兴国”的历史重任？面对这样重大的问题，我们不仅要深入了解和借鉴科学技术发达国家的经验，还必须深入研究中国近现代科学技术发展的历程及其与社会文化的关系，力求准确地把握科学技术的特性及其发展机制，总结中国近现代科学技术发展的历史经验和教训。令人遗憾的是，我们在致力于解决眼前的科学和技术问题，追赶国际先进水平的时候，却很少系统地探讨和总结我们一二百年来科技发展的经验和教训。长期以来，我们对如何推进中国科学技术的进步、创造有利于科学技术发展的社会条件和文化氛围缺乏应有的认识。结果，我们不仅不易充分汲取历史的经验教训，反而可能重复旧的失当的政策和举措。因此，在面临重任和挑战的今天，系统的研究中国近现代科学技术发展史不但是学术研究的一项紧迫任务，也是现实赋予我们的重大课题。“物理”一词，在2300年前我国的先秦时期就出现了。当时的思想家还认为自然界的规律和人文社会的规律是统一的，人文社会的法则也应该归结为天地、自然的法则。从这点来看，当时的物理学与哲学是混为一体的。

其实“物理”一词，在2300年前我国的先秦时期就出现了，但当时的含义比现在的“物理”要广泛得多。它泛指人类对自然界及人类自身的理性认识或世界万物的道理。中国古代的学者很注意对自然现象的观察和理解，他们认为对自然规律的认识，对于每个人的世界观、人生观以至于人格的形成至关重要。当时的思想家还认为自然界的规律和人文社会的规律是统一的，人文社会的法则也应该归结为自然的法则；后来有人把这个观点概括为“天人合一”。从这点来看，当时的物理学与哲学是混为一体的。例如，孔子在《大学》中把人的教育过程描述为:一个人首先要尽力探求世界万物的道理，深入理解得到的各种知识，才会有崇高的理想和坚定的信念，才能修养好人高尚的品德；每个人有了好的品德，才能处理好家族、社会与国家的关系，达到天下太平。生活在公元前4世纪的屈原，在他著名的《天问》一诗中就曾一连向大自然提出了172个问题，表现了中国古代先贤追求真理的精神。中国古代学者对物理现象和规律的重视和探究不仅深刻地影响着人们的价值观，促进了中国社会经济和科学文化的发展，还导致一系列的技术发明。例如中国在很早的时期就建立了先进的天象综合观测技术，创建了一批珍贵的记录，包括用甲骨文记录的、世界最早的超新星爆发事件。通过长期的观测与实践，创造了与农业生产相结合的农历，促进了农业经济的发展，并延用至今在湖北随县曾侯乙墓出土的编钟又如声学上，在乐器制作、声音传播规律的掌握以及具备完美听觉的音乐殿堂的建造上都取得了突出的成就。1978年在湖北随县出土了公元前500年制造的曾侯乙编钟，共8组合计65件。现代中国物理工作者通过研究，发现它所包含的物理内容令人惊叹!由青铜铸成的编钟，钟形是扁瓦形的而不是圆的，每个钟具有双音性质，各自可以发频率相差大三度或小三度的两个音。整个编钟的音域共5个八度，中音区12个半音俱全，音高几乎与现代乐器的音高一致。编钟的延音短，能够演奏旋律快的音乐，钟上突起的钟枚起到滤波的作用，使音质更为优美，无论是中华民族音乐还是西方的交响乐曲都能演奏。声学分析表明，编钟正着敲时钟体振动波谱的最大振幅正好在正中，而波节则在离正中侧敲点处；编钟侧敲时振动波谱的最大振幅正好在侧边，而波节则正好在正敲点处，因此两种声音互不干扰。扁形的钟体刚性比圆形的要高得多，振幅衰减得快，从而延音短能够演奏旋律快的乐曲。2000年9月在巴黎中国文化周上演出的古代编钟乐舞，曾引起欧洲观众的广泛赞扬。编钟在法国巴黎舞台上演奏时，除了中国古代乐曲外，还演奏了一段第9交响曲。其他如力学方面我国在杠杆原理、静力平衡原理以及在能够演奏旋律快的音乐秤量工具和建筑结构等方面也很早就有很多建树；光学方面，在墨子的《墨经》中对几何光学的现象已有相当完整的表述，当时已发现小孔成像技术，发展了金属放大镜技术等。历史上，中华民族以高度的智慧和能力通过各种各样的发明创造，为人类文明的发展作出了伟大的贡献。在16世纪之前的相当长的一个时期中，中国科技领先世界，其中对物理现象及其规律的研究和应用起了十分重要的作用。无庸讳言，中国的物理尽管在当时是先进的，但与近代的物理相比，却有着质的差距：还没有在系统实验的基础上，通过“由此及彼”、“由表及里”、“去粗取精”、“去伪存真”的过程上升到系统的、科学的理性认识；还不能定量地表达客

观世界的普遍规律，进而精确预言客观物体未来的状态。

中国近代物理学的历程

中国近代物理学的发展不如西方，一方面因为长期的封建统治不利于“求真唯实”的近代科学的萌发，“闭关锁国”又阻止了西方近代科学的传入;另一方面也因为我国的传统文化比较讲究实用，缺乏科学探索和建立理性思维体系的动力。令人遗憾的是，近代科学并没有起源于先前经济科技发达的中国，中国近代物理学的起步比西方晚了200多年。其中深刻的原因十分复杂，需要历史学家从各个角度仔细研究才搞得清楚。一方面可能在长期封建统治下的伦理道德与文化观念，包括“君君、臣臣、父父、子子”，“唯君是从”，“唯古是尊”等等，不利于讲究“求真唯实”的近代科学的萌发；加上清代“闭关锁国”的政策又阻止了西方近代科学的传入。另一方面我国的传统文化比较讲究实用，缺乏科学探索和建立理性思维体系的动力也可能是其中的原因之一。我们往往讲“学以致用”讲得很多，而对“学以致知”讲得不够。这样的文化可以有利于技术研究的开展，却不足以推动科学探索的发展。结果我国不乏优秀的技术发明，但往往止步于其应用上的成就而很少形成系统的科学理论。尽管科学研究与技术研究在形式和方法上并没有什么不同，但技术研究的动机全在于应用，而基础科学则代表着一种探索，其目标在于揭示和认识客观世界的基本规律；它的动机是求知、求真，对客观真理的追求。“落后就要挨打”，中国科技大幅度地落后，形成了前所未有的被动挨打的局面。1840年的鸦片战争和后来1894年中日甲午海战中国都以惨败告终。这些惨痛教训，激励国人“兴学救国”，开始以译书、建学、派遣留学生等方式向西方学习现代科学技术。我国正式用物理学作为Physic的学名也是于1900年从日文翻译的“物理学”出版开始的。然而那时的学习还只停留于“西学为用”的层面上，没有深入到学习先进的科学与人文精神与先进的文化观念中去。1919年的“五四”运动高举“科学、民主”的大旗，才真正开始发展中国的近代物理和近代科学，成为中国人民摒弃陈腐思想、制度，争取民族独立解放，建立新中国的重要组成部份。当时许多人在西方留学完成学业之后，立即返回苦难深重的祖国，发展教育，培养青年人才，并逐步开展中国物理学的研究。1919年我国首次在北京大学设立“物理学系”，开设完整的本科课程和实验。之后清华、南京、东南、中央等大学先后建立物理教育中心。1930年前后，全国有2百多所高等院校设物理系。其中北大、清华、浙大、中大、燕京等若干大学等已开展物理学研究。1928-1929年间，中央研究院物理研究所也先后于上海和北京成立。1930年左右，全国的物理学工作者发展到三百人左右。中国物理学界还积极地与西方物理学界建立了广泛联系。著名物理学家爱因斯坦在1922年底、1932年初两度来上海访问，朗之万、狄拉克、玻尔等著名科学家也先后来华访问。1931年保尔·朗之万在北京建议中国物理学工作者联合起来成立中国物理学会并参加国际纯粹与应用物理学会联合会IUPAP。正是在这样的背景下，在日军侵华前夕，中国物理学会于1932年8月23日在清华大学正式成立。中国物理学会成立之后，即为发展中国的物理学努力奋斗，学会坚持不渝地每年举行一次年会，坚持出版物理学报，论文用英、法、德三种文字发表，附以中文

摘要，做了大量的工作。

1937年7月7日日寇在卢沟桥发起侵华战争。八年抗战中，各地区的教育和研究机构被迫西迁到四川、云南、广西、贵州、陕西等地区，在极端艰难困苦的条件下，坚持物理教学和研究，从未停息。在海外从事前沿研究的爱国学者也不断回国工作，竭尽全力使中国物理教育达到先进水平。周培源关于湍流模式理论的奠基性工作、王淦昌提出的中微子探测方法、吴大猷的《多原子分子结构和振动光谱》专著、王竹溪和汤佩松关于植物细胞水势的研究等，都是当时具有国际影响的成果。西南联大等校还培养出以杨振宁、李政道、黄昆等为杰出代表的一批优秀学者。抗战期间中国物理学会坚持开了六次年会，出版了六期学报。1942年还开报告会纪念牛顿诞生300周年。一些努力为近代物理学在中国的发展培养了人才，奠定了基础，先辈们艰苦创业的精神令人钦佩。新中国成立之后，我国物理学家在党和政府的领导下，建立起完整的物理学教育和研究体系，在数十所大学设立物理系，物理学教育的规模和质量空前提高，各大学物理系每年招生的数目，远远超过解放前各大学物理系所有在校学生的总和；还建立了几十个与物理有关的专业研究院所，从事物理学基础和应用研究。当时在国外的一大批中国物理学者，周培源、赵忠尧、钱三强、何泽慧、王大珩、胡宁、黄昆、朱光亚等相继归来，他们和留在国内的老一辈物理学家相结合，大大增强了中国物理学队伍的实力。五十年代后期，许多优秀的物理工作者，坚决服从国家需要，放弃自己熟悉的专业，投入到“两弹一星”的研制工作中去。他们和其他方面的专家、干部、工人及解放军指战员一起，在当时国家经济困难、技术基础薄弱和工作环境十分艰苦的条件下，依靠自主创新，用较少的投入和较短的时间，突破了原子弹、氢弹和人造地球卫星等尖端技术，取得了举世瞩目的成就。1999年9月18日中央决定表彰为研究“两弹一星”做出突出贡献的23名科技专家并授予“两弹一星功勋奖章”，其中物理学家有王淦昌、邓稼先、钱三强、郭永怀、于敏、王大珩、朱光亚、吴自良、陈能宽、周光召、钱学森、程开甲、彭桓武等13人。他们是中国优秀物理学工作者的代表，也是中国物理学工作者的楷模。我们要学习他们爱国奉献的精神和高贵品格！另一方面，从他们的贡献中我们既看到了物理学的发展对加强国防建设和提高综合国力竞争的重大意义，也看到了物理探索与需求牵引相结合对发展科学技术和国防安全的重要作用。例如，为了制造原子弹，我们从教科书上就知道，必须使裂变材料达到临界体积，发生链式反应才能爆炸。但用什么方式来达到？怎么来提高爆炸的威力？这些都是高度机密的问题，谁都不会让你知道。这里涉及裂变物理、中子物理、爆轰物理、高压物理、流体物理等一系列复杂的物理问题。我们只能在没有任何设计资料和关键数据的条件下，靠自己的智慧，通过物理分析，来进行物理设计和研制。那时候，在彭桓武先生的领导下，周光召等理论物理学家，为了确定设计中的一个疑点，就用理想条件下炸药爆炸的最大功从头进行计算，经过反复9次仔细计算最后终于实现并确认了总体设计。1964年10月16日中国原子弹爆炸成功了。这是自主创新取得的一次重大胜利！1960年，前苏联毁约撤走专家时，曾有专家断言中国人20年搞不出原子弹来，结果我们短短四年就成功了。爆炸成功后，美国人通过尘埃测试不得不承认中国采用了先进的内爆型设计技术。我们依靠自主创新在物理上解决了热核点火和自持燃烧的关键。在原子弹爆炸两年零两个月之后又成功地突破了氢弹的研制，创造了核武器发展的最快速度。我们之所以能这么快和好的掌握核武器，除了有党中央的英明决策之外，最重要的是有像邓稼先、郭永怀等一心献身祖

国的科学家。

改革开放以来，科教兴国的战略为物理学在中国的发展提供了新的机遇，注入了新的活力。首先是国家大幅度增加了对科技和教育的投入，包括建立国家自然科学基金资助自由探索，启动“863”计划、攀登计划和“973”计划，结合国家需求推动前沿物理研究。实施“科教兴国”的战略以来，年均科研投入的增长在22%以上。为了加强青年人才的培养，国家在发展高等教育规模的基础上，建立学位制度，强化了高层次人才的教育，还通过设立“国家杰出青年基金”、资助创新团队等其他举措，培育高素质科技创新人才。1993年来，物理学科上已有4500余人获得博士学位，150余人获国家杰出青年基金，资助总额1亿元，还有7个物理学的研究团队获“创新群体”资助。与此同时，国家还以较大的经费力度先后建造了一批物理学的重大科学工程（如正负电子对撞机，同步辐射装置、重离子加速器，用于核聚变研究的托卡马克装置等）和一批国家重点实验室。这些重大举措为加快中国物理学赶上世界先进水平的步伐奠定了坚实的基础。国家“科教兴国”战略的实施和中国物理学会各方面的努力，为中国物理学的大发展创造了极为有利的环境和条件，在物理学的各个领域都出现了空前良好的发展势头。在国际重要期刊上发表文章的数量迅速攀升。国家大型科学工程上做出了诸如t-轻子质量精密测定、新的放射性核素，包括超重核素的合成、利用同步辐射光分析确定SARS病毒的结构等一系列为我国在世界同行中占有一席之地的工作。物理的各个领域包括理论物理、激光物理、微结构物理、高温超导、晶体生长、X-光结构分析以及碳纳米管等，都有一批高水平的工作。如上海光机所徐至展等发展了基于OPCPA的太瓦激光装置，他们还用超短超强激光与大尺度原子和分子团簇作用产生了高能离子（如1.3MeV氮）。更加令人欣喜的是，近年来，我们有一批中青年科学家，在前沿领域，做出了不少在国际上有较大影响的工作。如在量子信息方面，中国科大潘建伟小组，创造了在13公里内自由通讯的纪录；中科院物理所薛其坤等在纳米超导体方面发现了量子尺效应导致的金属薄膜材料的奇异超导性质——超导转变温度随薄膜厚度的振荡现象等等.物理学是人类对物质世界基本认识的结晶，是人类探究物质世界实践经验的概括和总结物理学的基本使命是认识物质世界，并以概念、规律、方法、理论等形态，客观反映物质世界，以正确地揭示物质世界现象和过程的本质。物理学作为一门探索物质结构和物质运动基本规律的科学，是公认具有基础性和应用性的重要学科。物理学作为一门成熟的科学有着巨大的物质价值，物理知识可以被转化为技术和产品，对人类的物质生活产生深刻的影响。众所周知，从17世纪至18世纪，牛顿力学和热力学对机械工业，尤其是热机的发展起了巨大的推动作用；19世纪，不断发展的经典电磁理论，促进了工业电气化和无线电通信的发展；20世纪上半叶，随着相对论和量子力学的创立，人类的认识深入到原子和原子核内部，人类开始进入了核能时代和信息时代。此外物理学还有着丰富的精神价值：物理学的发展深深地影响着人类的思维方式和认识方式；物理学和哲学有着密切的关系，辩证唯物主义的产生和发展，从物理学中汲取了许多“营养”；物理学与数学在形成和发展过程中共同建立起来的“实验方法”、“逻辑方法”和“概念方法，在科学研究中得到普遍的应用，成为科学方法论的三大支柱。因此，物理学对人类文明进步做出了积极的贡献，成为当代人类文化的一个重要组成部分。

第四篇：物理学史对我的影响和感想

玻尔对物理学的贡献和对我的启迪

夏毛

（重庆文理学院电子电气工程学院，09物理学重庆永川）

摘 要：简要介绍牛顿对物理学的重要贡献，总结了牛顿的几个重大成就，并从产生背景、牛顿思考过程、解决的问题和结果做出分析讨论。介绍了牛顿除了作为一个物理学家外，社会方面也对世界做过贡献。玻尔创建的建立微积分学说，对当今影响巨大，切牛顿的作风和品质值得我们学习。

关键词： 牛顿；二项式定律；建立微积分；方程式和变分法；牛顿运动定律；光学贡献

牛顿（1643年1月4日~1727年3月31日）爵士，英国皇家学会会员，是一位英国物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士，著有《自然哲学的数学原理》、《光学》、《二项式定理》和《微积分》。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里牛顿像(21张)物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。

在力学上，牛顿阐明了动量角动量守恒之原理。在光学上，他发明了反射式望远镜，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了颜色理论。他还系统地表述了冷却定律，并研究了音速。在数学上，牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理，提出了“牛顿法”以趋近函数的零点，并为幂级数的研究作出了贡献。在2005年，英国皇家学会进行了一场“谁是科学史上最有影响力的人”的民意调查，牛顿被认为比阿尔伯特·爱因斯坦更具影响力。二项式定理

在一六六五年，刚好二十二岁的牛顿发现了二项式定这对于微积分的充分发展是必不可少的一步。二项式定理在组合理论、开高次方、高阶等差数列求和，以及差分法中有广泛的应用。

二项式级数展开式是研究级数论、函数论、数学分析、方程理论的有力工具。在今天我们会发觉这个方法只适用于ｎ是正整数，当ｎ是正整数１，２，３，.......，级数终止在正好是ｎ＋１项。如果ｎ不是正整数，级数就不会终止，这个方法就不适用了。但是我们要知道那时，莱布尼茨在一六九四年才引进函数这个词，在微积分早期阶段，研究超越函数时用它们的级来处理是所用方法中最有成效的。

2建立微积分

在牛顿的全部科学贡献中，数学成就占有突出的地位。他数学生涯中的第一项创造性成果就是发现了二项式定理。据牛顿本人回忆，他是在1664年和1665年间的冬天，在研读沃利斯博士的《无穷算术》时，试图修改他的求圆面积的级数时发现这一定理的。

笛卡尔的解析几何把描述运动的函数关系和几何曲线相对应。牛顿在老师巴罗的指导下，在钻研笛卡尔的解析几何的基础上，找到了新的出路。可以把任意时刻的速度看是在微小的时间范围里的速度的平均值，这就是一个微小的路程和时间间隔的比值，当这个微小的时间间隔缩小到无穷小的时候，就是这一点的准确值。这就是微分的概念。

微积分的创立是牛顿最卓越的数学成就。牛顿为解决运动问题，才创立这种和物理概念直接联系的数学理论的，牛顿称之为“流数术”。它所处理的一些具体问题，如切线问题、求积问题、瞬时速度问题以及函数的极大和极小值问题等，在牛顿前已经得到人们的研究了。但牛顿超越了前人，他站在了更高的角度，对以往分散的结论加以综合，将自古希腊以来求解无限小问题的各种技巧统一为两类普通的算法——微分和积分，并确立了这两类运算的互逆关系，从而完成了微积分发明中最关键的一步，为近代科学发展提供了最有效的工具，开辟了数学上的一个新纪元。

牛顿没有及时发表微积分的研究成果，他研究微积分可能比莱布尼茨早一些，但是莱布尼茨所采取的表达形式更加合理，而且关于微积分的著作出版时间也比牛顿早。

在牛顿和莱布尼茨之间，为争论谁是这门学科的创立者的时候，竟然引起了一场悍然大波，这种争吵在各自的学生、支持者和数学家中持续了相当长的一段时间，造成了欧洲大陆的数学家和英国数学家的长期对立。英国数学在一个时期里闭关锁国，囿于民族偏见，过于拘泥在牛顿的“流数术”中停步不前，因而数学发展整整落后了一百年。

1707年，牛顿的代数讲义经整理后出版，定名为《普遍算术》。他主要讨论了代数基础及其(通过解方程)在解决各类问题中的应用。书中陈述了代数基本概念与基本运算，用大量实例说明了如何将各类问题化为代数方程，同时对方程的根及其性质进行了深入探讨，引出了方程论方面的丰硕成果，如:他得出了方程的根与其判别式之间的关系，指出可以利用方程系数确定方程根之幂的和数，即“牛顿幂和公式”。

牛顿对解析几何与综合几何都有贡献。他在1736年出版的《解析几何》中引入了曲率中心，给出密切线圆(或称曲线圆)概念，提出曲率公式及计算曲线的曲率方法。并将自己的许多研究成果总结成专论《三次曲线枚举》，于1704年发表。此外，他的数学工作还涉及数值分析、概率论和初等数论等众多领域。牛顿在数学上最卓越的成就是创建微积分。他超越前人的功绩在于，他将古希腊以来求解无限小问题的各种特殊技巧统一为两类普遍的算法－－微分和积分，并确立了这两类运算的互逆关系，如：面积计算可以看作求切线的逆过程。那时莱布尼兹刚好亦提出微积分研究报告，更因此引发了一场微积分发明专利权的争论，直到莱氏去世才停息。后世认为牛顿提出微积分概念虽然更早，但莱布尼兹的方法更加完善。微积分方法上，牛顿所作出的极端重要的贡献是，他不但清楚地看到，而且大胆地运用了代数所提供的大大优越于几何的方法论。他以代数方法取代了卡瓦列里、格雷哥里、惠更斯和巴罗的几何方法，完成了积

分的代数化。从此，数学逐渐从感觉的学科转向思维的学科。

微积分产生的初期，由于还没有建立起巩固的理论基础，被有些喜爱思考的人研究。更因此而引发了著名的第二次数学危机。这个问题直到十九世纪极限理论建立，才得到解决。

3方程论与变分法

牛顿在代数方面也作出了经典的贡献，他的《广义算术》大大推动了方程论。他发现实多项式的虚根必定成双出现，求多 项式根的上界的规则，他以多项式的系数表示多项式的根ｎ次幂之和公式，给出实多项式虚根个数的限制的笛卡尔符号规则的一个推广。

牛顿在还设计了求数值方程的实根近似值的对数和超越方程都适用的一种方法，该方法的修正，现称为牛顿方法。

牛顿在力学领域也有伟大的发现，这是说明物体运动的科学。

第—运动定律是伽利略发现的。这个定律阐明，如果物体处于静止或作恒速直线运动，那么只要没有外力作用，它就仍将保持静止或继续作匀速直线运动。这个定律也称惯性定律，它描述了力的一种性质：力可以使物体由静止到运动和由运动到静止，也可以使物体由一种运动形式变化为另一种形式。此被称为牛顿第一定律。力学中最重要的问题是物体在类似情况下如何运动。牛顿第二定律解决了这个问题；该定律被看作是古典物理学中最重要的基本定律。牛顿第二定律定量地描述了力能使物体的运动产生变化。它说明速度的时间变化率（即加速度a与力F成正比，而与物体的质量里成反比，即a=F/m或F＝ma；力越大，加速度也越大；质量越大，加速度就越小。力与加速度都既有量值又有方向。加速度由力引起，方向与力相同；如果有几个力作用在物体上，就由合力产生加速度，第二定律是最重要的，动力的所有基本方程都可由它通过微积分推导出来。

此外，牛顿根据这两个定律制定出第三定律。牛顿第三定律指出，两个物体的相互作用总是大小相等而方向相反。对于两个直接接触的物体，这个定律比较易于理解。书本对子桌子向下的压力等于桌子对书本的向上的托力，即作用力等于反作用力。引力也是如此，飞行中的飞机向上拉地球的力在数值上等于地球向下拉飞机的力。牛顿运动定律广泛用于科学和动力学问题上。

4牛顿运动定律

牛顿运动定律是艾萨克·牛顿提出了物理学的三个运动定律的总称，被誉为是经典物理学的基础。

为“牛顿第一定律（惯性定律：一切物体在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动 状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。——它明确了力和运动的关系及提出了惯性的概念）”、“牛顿第二定律（物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。）公式：F=kma（当m单位为kg，a单位为m/s2时，k=1）、牛顿第三定律（两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。光学贡献

在牛顿以前，墨子、培根、达·芬奇等人都研究过光学现象。反射定律是人们很早就认识的光学定律之一。近代科学兴起的时候，伽利略靠望远镜发现了“新宇宙”，震惊了世界。荷兰数学家斯涅尔首先发现了光的折射定律。笛卡尔提出了光的微粒说„„

牛顿以及跟他差不多同时代的胡克、惠更斯等人，也像伽利略、笛卡尔等前辈一样，用极大的兴趣和热情对光学进行研究。1666年，牛顿在家休假期间，得到了三棱镜，他用来进行了著名的色散试验。一束太阳光通过三棱镜后，分解成几种颜色的光谱带，牛顿再用一块带狭缝的挡板把其他颜色的光挡住，只让一种颜色的光在通过第二个三棱镜，结果出来的只是同样颜色的光。这样，他就发现了白光是由各种不同颜色的光组成的，这是第一大贡献。

牛顿为了验证这个发现，设法把几种不同的单色光合成白光，并且计算出不同颜色光的折射率，精确地说明了色散现象。揭开了物质的颜色之谜，原来物质的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。公元1672年，牛顿把自己的研究成果发表在《皇家学会哲学杂志》上，这是他第一次公开发表的论文。

许多人研究光学是为了改进折射望远镜。牛顿由于发现了白光的组成，认为折射望远镜透镜的色散现象是无法消除的(后来有人用具有不同折射率的玻璃组成的透镜消除了色散现象)，就设计和制造了反射望远镜。

牛顿不但擅长数学计算，而且能够自己动手制造各种试验设备并且作精细实验。为了制造望远镜，他自己设计了研磨抛光机，实验各种研磨材料。公元1668年，他制成了第一架反射望远镜样机，这是第二大贡献。公元1671年，牛顿把经过改进得反射望远镜献给了皇家学会，牛顿名声大震，并被选为皇家学会会员。反射望远镜的发明奠定了现代大型光学天文望远镜的基础。

同时，牛顿还进行了大量的观察实验和数学计算，比如研究惠更斯发现的冰川石的异常折射现象，胡克发现的肥皂泡的色彩现象，“牛顿环”的光学现象等等。牛顿还提出了光的“微粒说”，认为光是由微粒形成的，并且走的是最快速的直线运动路径。他的“微粒说”与后来惠更斯的“波动说”构成了关于光的两大基本理论。此外，他还制作了牛顿色盘等多种光学仪器。对我的启迪

牛顿对物理学的贡献巨大，是他奠定了他物理学泰斗的基础。他专注、专心是做好事情的基础，牛顿对于科学研究的专心到了痴情的地步。据说有一次牛顿煮鸡蛋，他一边看书一边干活，糊里糊涂地把一块怀表扔进了锅里，等水煮开后，揭盖一看，才知道错把怀表当鸡蛋煮了。还有一次，一位来访的客人请他估价一具棱镜。牛顿一下就被这具可以用作科学研究的棱镜吸引住了，毫不迟疑地回答说：“它是一件无价之宝！”客人看到牛顿对棱镜垂涎三尺，表示愿意卖给他，还故意要了一个高价。牛顿立即欣喜地把它买了下来，管家老太太知道了这

件事，生气地说：“咳，你这个笨蛋，你只要照玻璃的重量折一个价就行了！”

正是牛顿潜心于科学、宇宙的探究，使他错过了两次甜蜜的爱情。牛顿实在太忙了，他连做梦想的都是宇宙、科学。他往往领带不结，鞋带不系好，马裤也不扣好，就走进大学餐厅。科学上许多新的问题不断扑向牛顿的脑海，他整个热情都集中到了科学事业上。可以说，每一个伟大的科学家，都是富的激情、富有理想的诗人，但牛顿是一个追求用科学中的光线谱来解释他的理想的特殊类型的诗人。他让他的思想展翅飞翔，以整个宇宙作为藩篱。在他的整个心田里，填满了自然、宇宙，也许这是他终身未娶的最根本原因。牛顿虽然是科学巨将，但做人很低调。对于他的发明和发现，他这样说：“我不知道在别人看来，我是什么样的人，但在我自己看来，我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”牛顿的专心，认真，谦卑都是我们这些晚辈学习的榜样。也正是牛顿的这些品质让他成为了后人敬仰和崇拜的人。这也是牛顿这位科学伟人给我的启示，值得我一辈子去学习。

参考文献：

[1] 褚圣麟．原子物理学［M］．北京：高等教育出版社，2010．26-70

[2] 郭奕玲，沈慧君．物理学史［M］．北京：清华大学出版社，2010．232-262

第五篇：物理学史对中学物理教育的重要作用

论

文

物理学史对初中物理教育的重要作用

杨建华

物理学史对初中物理教育的重要作用

摘要：

物理学史是研究物理学发展历史的科学，它不仅真正地记载了物理科学形成发展的历程，而且解释与分析了历程的形成背景与规律，不仅包含物理科学知识体系逐渐成熟发展的过程，也包含科学家们的探索、追求真理的事实与故事，包含着丰富的“教书育人”因素。在物理教学中渗透物理学史，以其学科内容的特点以及所具有的丰富的教育因素，不但可以培养学生好的科学态度，而且可以培养学生创造能力，同时还可以培养学生正确的科学思想和方法。在素质教育中发挥“教书育人”的独特功能，使学生的科学素质得到全面的培养，效果显著 关键字：物理教学 物理学史 素质教育

正文：

把物理学史引入物理教学正越来越成为国际上物理教学改革的引人注目的课题。物理教育工作者日益深刻地认识到物理学史对提高物理教育水平的重要作用。在向素质教育转轨的今天，探索通过引入物理学史，对学生进行正确的理论思维和研究方法等方面的教育，帮助学生形成辩证唯物主义世界观基础，尤其必要

物理学史教育是通过传授物理学史方面的知识，培养学生科学意识、科学精神及科学方法等多方面品质的过程。物理学史教育是中学物理教学中的重要部分，尤其在当前大力推进素质教育，进而对发展中学生综合素质提出了更高的要求，物理学史的教育成功则更加明显。因此，在高中物理教学中引入物理学史教育具有非常重要的意义。诚然，中学物理教学中不可能进行完整的学史教育，只有从中选取很少部分内容。尽管如此，它仍具有多方面的教育功能，主要有以下几个方面： 1． 体会物理方法

开阔物理思路

通过知识教育渗透物理方法教育固然重要。但是正像每一种物理方法都是其局限性样，这种进行物理方法教育的方法也存在着不足。中学物理的绝大多数知识是已经建立起严密逻辑体系的经典物理学知识，教材无论如何刻意组织内容和教师无论怎样注意渗透方法，绝大多数情况下也只能涉及逻辑的方法，对于知觉、灵感、信念等非逻辑色彩的但具有创造性的思维方式很难涉及到，而且考虑到教学效率问题，对于经典物理学的内容，我们有可能也有必要尽可能地简化知识的教学过程。这样，知识的教学过程就很难充分反映出方法的各个侧面。比如说我们通过洛伦兹力的教学传授假说方法，教学过程中很难将假说需要根据实验结果不断地修正和完善，最后发展为理论的特点反映出来。对于这一问题我们可以求助于历史教学来解决。这里所说的“历史教学”并不是让学生把物理学史当作一门课程来学习，而是指给学生开设历史讲座，在教材中插入有关历史的阅读材料等，重点在于分析一些重要概念、规律、假说、模型的形成和发展过程。

物理教学是教学双方通过各种教学手段相互促进、制约的一个特殊过程。如同其他学科一样，凡一个公式的导出、一个定律或定理的建立，及至每道习题的分析演算，都有它固定的逻辑思维过程和数学推演程序。我们现在当作物理教本上的内容是前人长期探索研究的结晶。随着科学发展和人类进步，对物理教科书基础知识的表诉方法和思想方法也愈益显现出其先进性、适用性和强烈的时代感。根据教材编排特点，分单元讲解分析其发展史不仅有助于学生了解各概念、定理、定律的来龙去脉和科学知识的运动过程，而且有助于学生按已有的形式和体系来理解和把握物理知识，从而逐步掌握正确的科学思维方法。例如，在讲到“力”的概念时，从古希腊的亚里士多德到伽利略、牛顿，循着为人的研究历程，从而加深学生对力的概念的理解；在讲“电磁感应”的时候，以奥斯特发现电流的磁效应为线索，向学生介绍人类对磁及电和磁关系的认识过程，通过讲解安培、法拉弟、等人在揭示电磁关系工作中的艰辛努力和所取得的成果，使学生在有了对电磁发展总体认识的基础上加深对教材的理解和对左、右手定则、法拉第电磁感应、等关键点的把握。

物理学史上可用以体会物理方法开阔学生物理思路和扩大知识视野的例子是举不胜举的。依据同一目的，我们对物理学史上曾经产生过的一些有意义的设想和悬而未决的重要课题也有向学生大体介绍的必要。如陈景润攻歌德巴赫猜想的雄心壮志就萌生于中学时代一位高明的数学教师在讲课中提及的“额外”一言。在物理学史中，向这样的问题也是不乏其例的。

2． 调动学生的非智力因素，提高教学效果

目前中学物理教学改革的关键就是在教学过程中最大限度地调动学生学习的主动性和积极性，使他们接受知识的被动地位转变为自己发现和获取知识的主动地位。教学过程是师生共同活动的过程，教学活动的本质就是教师通过合理的方式把以教材为主体的知识传授给学生并达到培养学生能力、发展学生智力的目的。在智力水平相近的情况下，非智力因素对学习起着决定性的作用。只有当学生产生浓厚的兴趣和强烈的情感时，才能对物理这门学科产生亲切感和广泛的好奇心，才能产生持之以恒的巨大的驱动力，其智力因素才能得到充分发挥。因此，激发学生的学习兴趣，养成爱学习物理的习惯，对发展学生的智力和能力产生定向推动和激励作用，从而提高学习效率。学生的兴趣不是天赋，青少年时期受环境（家庭、社会、学校）影响很大，尤其受到老师影响最深。这就要求我们在教学中不仅要把日常生活、生产劳动中发生的现象、问题与教材紧密联系起来，使学生认识到学习物理的现实意义；还须把历史引入教学中，把科学理论的建立、科学发现的过程、科技发明对人类社会发展的贡献用生动事例展示给学生。学生有好奇心理，他们对科学家刻苦自学、潜心探究的轶事倍感兴趣。诸如，伽利略在教堂里面对摆动的吊灯注目凝视；牛顿由苹果落地联想到万有引力；阿基米德在澡堂中顿捂浮体规律；爱迪生坐在鸡窝里“孵蛋”等等不胫而走的故事，即使教师不作介绍，学生们也是略知一二的，我们在教学中未尝不可以运用类似的史料来让科学家“现身说法”，以在物理现象与学生的学习兴趣之间连通一根思维的导线。比如：在讲述磁现象时，我们就可用孩提时代的爱因斯坦在看过父亲拿来的一只罗盘后，便唤起他自幼即欲探索自然奥秘的兴趣，以之诱导学生透过物理现象寻求其本质规律。又如，1820年奥斯特所做的著名的电流磁效应实验，在过去很长一段时间内被误传为一次“偶然的机遇”，其实这正是奥斯特在统一自然力思想的启迪下孜孜以求的必然结果。若无浓厚的兴趣和坚强的毅力是难以成功的，此例同样能给予学生以深刻的启发和教益。这种寓史于教、史教相融、启而后发的教学方法显然是应当加以提倡的。

3． 科学态度的培养

科学态度是现代公民必备的基本素养，是健全个性的重要组成部分，对学生将来参加社会生活具有很重要的意义。

培养学生的科学态度，要依据态度形成的规律，注意结合学校培养目标、课程目标与内容特点以及学生的实际情况选择适当的方法来进行。教师在日常的教学中，结合知识教学介绍物理学家的有关事迹，让他们知道科学态度无论对于科学家自身能否取得科学成就，还是科学事业的发展，都具有重要的意义。要使学生明确认识到科学的概念和原理都是建立在实践基础之上的，科学家在观察、实验时，必须以实事求是、认真细致的态度对待，任何模型、假说、猜想都必须经受事实检验。科学家的任何一个发明、创造以及他们所做出的贡献，既体现了他们批判地继承了前人的科学研究成果的继承精神，又体现了他们大胆创新、勇于探索、坚持实践、刻苦钻研、精益求精的科学精神和事实求是的科学态度。

如法拉第历经10年的反复实验最终发现了电磁感应定律；我们熟悉的爱迪生是从一个只读过3个月小学的失学者成长为世界发明大王的，后人曾评价爱迪生成功的基础是百分之一的灵感加上百分之九十九的汗水，是努力奋斗、坚持不懈的结果。因为严谨的科学态度是成功决定因素。4． 激发情感 创造才能

情感指的是人的内在体验，学生的喜怒哀乐爱恨等都在不同程度上影响着创造力。积极的创造情感是学生创造未来的力量。爱因斯坦曾经说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，提出的新问题、新可能，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”物理教学中创造欲的激发，使学生产生“我为什么就不行呢？”“我为什么就不能把事情做好呢？”等诸多为什么，我们的教学就会产生一种新的效果，同时也就可以鞭策学生做出超一般的成绩来。

才能就是知识和能力。要形成创造才能，学生需要吸收更多的知识信息，而且掌握的知识愈多，产生新的创造构想的可能性就愈大，成功的概率就愈大。现代科学技术不仅空前发展，而且不断进行大分化、大综合，要获得创造性成就，仅靠书本上有限的或局部性的知识是远远不够的，因此，在教学中教师可把前人学习的经验、物理学精华乃至他们发现问题、解决问题的精神教授给当代青少年，让他们在踏进物理学领域时有捷径可走，不让其在狭隘范围内学习，不漫无目的地涉猎，而是把别处闪光的东西“移植”到物理教学中去，研究物理，发展物理。

物理学史上有这样的一段记载：丹麦天文学家第谷虽然已看出托勒密和哥白尼学说的共同点都以观察积累的行星位置为依据及其数据的不精确，并且他自己持之以恒地对行星运动进行了三十年之久的长期观察，积累了大量的第一手感性材料，但是他长于感性认识，短于理性思维，更受地心说的羁绊，因而未能最后揭开行星运动规律所笼罩的一层面纱。当第谷的这些耗尽毕生心血的成果落在他那个善于理性思维的学生开普勒之手时，扬长避短，感性认识和理性思维珠联璧合，最终他揭示了行星运动的本质——发现行星运动三定律。无怪爱因斯坦要作出如此深刻的断论：“开普勒的惊人成就，是证实下面这条真理的一个特别美好的例子，这条真理是：知识不能单从经验中得出，而只能从理智的发明同观察到的事实两者的比较中得出。” 5． 提高道德修养

在推进素质教育中，加强思想品德教育是一项重要任务，因此，品德教育应渗透到各科教学中。在物理教学过程中，由于众多物理学史料中有很多品德教育素材，将品德教育与知识教育有机结合，能够更好地发挥物理学史的思想品德教育功能。

在物理学发展史中，许多科学家为人类的利益作出了无私的奉献：诺贝尔、卡文迪许终身未婚；为“上帝之火”——雷电的研究，富兰克林多次被击昏；居里夫人忍受清贫之苦，丧夫之痛，在探索道路上所表现出百折不挠的毅力等等，这些科学家的故事对学生有特殊的感染力，教学效果非常明显。

物理学史还有助于对学生进行爱国主义教育。我国是世界四大文明古国之一，在物理学的理论和实践上有着辉煌的成就。例如，在理论著作方面，《墨经》中对力学、光学的论述；《天工开物》中关于简单机械的记述；《梦溪笔谈》对磁角的论述；《论衡》中关于简单电现象的记述；《考工记》中关于工程技术、声音传播的记载等在当时都是遥遥领先于世界各国。在实用技术方面，更是举不胜举。众所周知的四大发明；周代已用圭表来确定季节，用漏刻来记时；春秋战国时期随着冶制铁手工业的兴起和铁制工具的使用，简单机械的制造技术已有所发展；秦汉时期，东汉的张衡设计制造了漏水转浑天仪、地动仪等。教学中结合教材内容，介绍我国在物理学方面对世界的杰出贡献，可以使学生了解祖国古代灿烂文化，激发他们的民族自尊心、自豪感和爱国热情，有助于树立为振兴中华奋发的志向。

物理学是一门以实验为基础的自然科学，它有着系统而严谨的理论体系。如果物理知识是一次能源，那么物理史则是二次能源。换言之，物理学给人以知识，物理学史则给人以智慧。中学物理教育的任务主要是传授物理知识和技能，培养学生自己学习、自己发现问题与独创性解决问题的能力为主。物理学史教育在教学过程中的角色是起到辅助作用，能很好的帮助教师调动课堂气氛，使之达到更好的教学效果，但它不是教学的全部，也不是教学的重点。故教师在利用物理学史教学时要权衡教学的主次，在适当的场合让学生知道那些受人钦佩的伟大物理学家们那种刻苦钻研、勤于思考与实践的感人毅力，勇于探索、又善于探索的超人本领，以及实事求是、严肃认真细致的科学情操和热爱祖国、愿为人类的科学事业献身的高贵品质等到底是如何形成的。通过研究物理学家的科学思想、言行、科研成果等，挖掘出所蕴涵的科学智慧！