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序言
物理學：
物質及其運動規律的科學
高中物理人教版（2019）必修第一冊
人類自古以來就對自然界充滿好奇。日出日落、辰宿列張、春華秋實、寒來暑往，大自然的各種神奇現象讓人們驚嘆不已，強烈渴望弄清其背后的規律和聯系。這種好奇心和人類提高生產力水平的需求，構成了自然科學發展最主要的兩個動力。在它們的驅使下，人類對自然規律進行著不懈的探索。物理學是這些探索過程中結出的最重要的果實之一。
洞天察地，萬物之理——物理學概述
早在2 000 多年前的古希臘時期，亞里士多德、阿基米德等一批科學家就開始了對物理現象和規律的探索，并發現了杠桿原理、浮力定律等規律。這是物理學的萌芽時期。16~17 世紀，伽利略和牛頓等人在前人工作的基礎上創立了系統性的力學理論，建立了實驗觀測和理論分析計算相結合的現代研究方式。1687 年，牛頓出版了他的名著《自然哲學的數學原理》。這標志著現代意義的物理學正式誕生。
經過四個世紀的發展，物理學已經成為一門分支眾多、深刻影響當代科學技術發展乃至人類社會文明進步的基礎學科。
亞里士多德（Aristotle公元前384～前322）
古代先哲，古希臘人，世界古代史上偉大的哲學家、科學家和教育家之一，堪稱希臘哲學的集大成者。他是柏拉圖的學生，亞歷山大的老師。
古希臘百科全書式的學者和思想家，西方古典政治學的創始人。
阿基米德（公元前287年—公元前212年）
古希臘哲學家、數學家、物理學家。后成為數學家與力學家的偉大學者，并享有“力學之父”的美稱。阿基米德流傳于世的數學著作有10余種，多為希望文手稿。
伽利略（1564-1642）
意大利偉大的物理學家和天文學家和哲學家，近代實驗科學的先驅者。
牛頓 （1643-1727）
英國科學家，發現了萬有引力，提出并驗證了“牛頓三定律”，最早提出了發射人造衛星的設想。舉世聞名的巨著《自然哲學的數學原理》是近代科學上的里程碑。創立了力學理論，是經典力學的奠基人，被譽為力學之父，是世界上對人類文明作出劃時代貢獻的科學家之一。
牛頓《自然哲學的數學原理》第一版的復印件，這部著作被譽為科學史上最重要的著作之一
阿爾伯特·愛因斯坦（1879—1955），出生于德國符騰堡王國烏爾姆市，1905年，愛因斯坦獲蘇黎世大學物理學博士學位，并提出光子假設、成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。愛因斯坦于1905年創立狹義相對論，1915年創立廣義相對論。愛因斯坦的理論為核能的開發奠定了理論基礎，為幫助對抗納粹，1939年他在利奧·西拉德的協助下曾致信美國總統富蘭克林·羅斯福、直接促成了曼哈頓計劃的啟動，而二戰后他積極倡導和平、反對使用核武器，并簽署了《羅素—愛因斯坦宣言》。愛因斯坦開創了現代科學技術新紀元，被公認為是繼伽利略、牛頓以來最偉大的物理學家。
遠到宇宙深處，近至咫尺之間，面對廣袤蒼穹之浩瀚、基本粒子之精微，物理學定量地研究物質的存在形式、基本性質以及運動和轉化規律。物理學不僅要探索物質的深層次結構，還要在不同層次上認識物質的組成部分及其相互作用。因此，說物理學是關于“萬物之理”的學問并不為過。
物理學是一門實驗科學，也是一門崇尚理性、遵循邏輯推理的理論科學。由于物質世界紛繁復雜，有限的實驗和觀察難以完全揭示其背后的本質規律和內在聯系。因此，在依賴先進的科學裝置的同時，物理學的發展也必須借助于強有力的數學工具和大型計算技術，以及深刻的洞察力和豐富的想象力。
觀察現象，揭示本質——物理學研究的特點
物質世界的空間尺度
物理學通過定量的實驗和嚴謹的邏輯分析，不斷地揭示出自然界的客觀規律和各種現象的內在聯系。其中有的和直覺吻合，也有很多與直覺不盡相同，需要通過嚴密的實驗和思考，才能透過表象看到本質。這些成果極大地豐富了人類對物質世界的認識，也展現了人類理性思維的巨大威力。這可以從物理學發展中的幾個典型例子看出。
古人曾憑直覺認為，地球是宇宙的中心。16~17 世紀，哥白尼、第谷和開普勒等人通過詳盡地觀測和分析，逐漸認識到地球和其他行星都在繞著太陽運動，并找到了這些運動的規律。最終，依據這些觀測和分析，牛頓發現了萬有引力定律，揭示了這些運動規律的根源。伽利略和牛頓還認識到物體即便在不受力的情況下也會一直運動下去，這也與通常的直覺相反。這種對內在規律深刻的認識，靠的是精確的實驗和嚴密的邏輯分析，二者缺一不可。
19世紀初，人們已經知道電流能產生磁場，于是很自然地問：電能生磁，那么磁應該也能生電吧？英國科學家法拉第對此進行了大量實驗。一開始，他從直覺出發，認為既然穩定的電流能產生磁場，那么穩定的磁場也應該能產生電場，但是實驗都失敗了。后來他偶然發現，變化的磁場才能產生電場，這就是著名的電磁感應定律。總的來說，磁能生電的規律是符合直覺的，但其產生方式卻和最初的直覺很不相同。可見，客觀規律是否與直覺一致，是不能一概而論的，需要針對具體情況通過認真地研究才能搞清楚。
一代代物理學家們在探究客觀世界的過程中發展了很多行之有效的研究方法。在物理學習中，我們不但要掌握具體的知識，而且要學習和體會這些科學方法，并努力運用它們解決各種實際問題。
學以致知，客觀理性——物理學背后的科學精神
首先是學以致知的探索精神。前面說過，人類對自然界的好奇心是科學發展最重要的動力之一。人們在它的驅使下研究很多問題，其中，有的能直接轉化成技術，服務于實際應用，但是也有很多是當時看不到直接用途的。比如伽利略研究的力和運動的問題、牛頓發現的萬有引力定律，當時都屬于無用之學。正是這些看似沒有用的、以求知為目的的探索，使人們獲得了對自然規律完整深入的認識。
其次是實事求是的客觀精神。物理學的目的是求真，客觀事實是判斷對錯的標準，對就是對，錯就是錯。猜想和論斷必須能經受得住實驗的檢驗和邏輯的推敲。19世紀末20世紀初，當人們發現權威的牛頓學說不適用于微觀和高速情況時，便認真地對其進行修正；1936 年，大名鼎鼎的愛因斯坦向雜志投出一篇論文，審稿人和編輯發現論文有錯，便毫不猶豫地指出并拒稿。這些都是物理學史上實事求是、務實求真的佳話。
還有就是理性分析的精神。物理學強調數學計算和邏輯分析，環環相扣，有原因才有結果。不合乎邏輯的地方必然意味著有問題，必須搞清楚。物理學的殿堂中，沒有詭辯者的位置。
需要指出的是，科學精神不僅對科學研究很重要，而且在社會生產、日常生活的各方面都是有價值的。現代社會分工精細、節奏緊湊，很多時候“失之毫厘，差之千里”。這就要求我們在工作和生活中要做到實事求是、嚴謹認真并且講求邏輯，敬畏和尊重客觀規律，從而提高效率、減少失誤。另外，秉承實事求是和講求邏輯的精神，還會使我們在碰到問題的時候，面對現實、認真分析，根據實際作出判斷與選擇，不盲從、不走極端。
揭示自然，造福人類——物理學的應用
物理學的發展，推動了工業、農業和信息技術等方面的進步，引發了一次次的產業革命，改變了人類的生產和生活方式。技術的進步又為物理學的研究提供了更為強大的手段，并引發人們對物理問題進行更深入地思考，從而反過來促進物理學的發展。
第一輛蒸汽機車（模型）
創立于17世紀的牛頓力學，被廣泛地應用于工程技術，大大推動了社會發展。18~19世紀，工程上對蒸汽機等熱機的改進需求，又迫使人們對熱的問題進行深入研究，引發了熱力學的巨大進步。
19 20世紀初，電磁學的發展，直接導致發電機和無線電通信的誕生，使電能被廣泛利用。電走進了千家萬戶，世界被電燈點亮，電話和電報把各地的人們連接起來，人類從此進入了電氣時代。
進入20世紀以后，物理學的研究范圍更加廣闊。人們掌握了微觀世界的規律，這更為有力地推動了技術的進步和社會的變革。對原子核的認識，使人們掌握了核能，建造了核電站并發展了治療腫瘤的放療等技術；對固體中電子運動的研究，引發了半導體工業的誕生，導致了晶體管、集成電路和大容量電子存儲技術的發明，從而使人們可以制造高性能電子計算機；對原子、分子物理和光學的深入研究，引發了原子鐘、激光和光纖通信等技術的誕生。原子鐘是衛星定位系統的核心，激光被廣泛用于工業、通信、醫療和國防，而遍布全球的光纖網是互聯網的物理載體，它把全世界連在一起。毫不夸張地說，20世紀是物理學的世紀，人們每時每刻都在享受物理學發展帶來的果實，今天世界的整個面貌，都和物理學的巨大進步密不可分。
半導體芯片
20世紀技術的迅猛發展，也大大推動了物理學的研究。利用現代工業手段，人們制造了巨大的望遠鏡和粒子加速器等設備，從而把研究的目光投向更深邃的宇宙和更微小的粒子；利用大型計算機，人們可以完成更為復雜和準確的計算并處理海量的實驗數據；在現代交通工具和信息技術的幫助下，學術交流變得更加便捷、高效。
粒子加速器
前景廣闊，充滿挑戰——物理學的未來
19世紀下半葉，以力學、熱學和電磁學為主要內容的經典物理學，幾乎能解釋當時已知的所有物理現象。因此，當20世紀第一個春天來臨之際，英國物理學家、被授予 “開爾文勛爵”的J. J. 湯姆孫在“新春獻詞”的演說中，躊躇滿志地宣告：“科學大廈已經基本建成……后輩物理學家只需做一些零碎的修補工作就行了。”但話音剛落，他的預言就被一個接一個的重大發現所打破。從下表中可以看出，在20世紀，物理學捷報頻傳，重大發現此伏彼起，從來沒有停止過。
那么，21世紀還會有重要的發現嗎？著名法國物理學家、諾貝爾獎得主德布羅意在《物理學的未來》一文中說:
“我們的知識越是發展，自然就越是以其多種表現證明它擁有無盡的財富，甚至在很先進的科學領域，如物理學，
我們也沒有理由認為我們已經‘耗盡’了自然財富，或者認為我們已經接近完整地掌握了自然界的全部財富。”
普朗克
居里夫人
愛因斯坦
楊振寧
李政道
丁肇中

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