孩子们兴奋之余,没忘了请老师讲话。老师说:“同 学们,你们干了伟大的事。虽然你们得到的结论早已写在 物理教科书里,但你们干的,是三个半世纪前伟人们干的 事。15世纪欧洲文艺复兴时期,有多位大师参与了落体 定律的创立。艺术巨匠列昂纳多·达·芬奇( Leonardo da Vini,见图2)提出的落体定律就是红孩的1:2:3:4: 5律,物理学的创立人之一的伽利略·伽利莱( Galileo Galilei)提出的落体定律就是蓝仔的1:3:5:7:9律,最 后是伽利略自己用精巧的斜面验证了它,建立了不朽的 图2列昂纳多达·芬奇落体定律,至今每个中学生都在学习它。你们还没学物理 ( Leonardo da Vinci 1452-1519) 就自己找到了它,多么了不起! 绿妹插嘴道:“列昂纳多达·芬奇的名画我见过一张,叫《蒙娜丽莎》(见图3) 是在我哥哥带回家来的一本世界名函集中看到的,我哥哥在美术学院学习。”老师补充 说:“挂在蒙娜丽莎嘴角上那一丝‘神秘的微笑’令世人倾倒。应当指出,达·芬奇不 仅是艺术家,他还是一位工程师和科学家哩。他设计了多种机器、武器和建筑,搞过 人体解剖。科学和艺术是相通的嘛。” 分析起来你们的研究还真有点几符合物理学的科学方法哩。”老师继续说:“物 理学是探索自然界最基本、最普遍规律的科学,物理学的一般探索过程是通过观察 和实验积累经验,在经验事实的基础上建立物理模型,提出(往往是猜测出)简洁 的物理规律(物理学要求这些规律是定量化的,也就是用公式或数字表达的),用 它们去预言未知现象,再用新的实验去检验这些物 理模型和物理规律,去否定或进一步修正它们。”黄 娃插问:“老师,什么是物理模型?”老师解释道: 实际问题往往是复杂的,其中包含一些非本质的枝 节,物理模型就是把实际问题理想化,先略去一些 次要因素,突出其主要因素。不这样做我们就得不 到简洁的物理规律。拿你们研究的落体规律来说, 空气的阻力或料面的摩擦力就是次要因素,不排除 和忽略它们,我们就得不到简洁的落体定律。你黄 娃的书包在滑梯上滑不下去,不是再好不过地说明 了这个问题吗?”白胖问:老师,您说简洁的物理 规律是什么意思?”老师说:“对问题认识得越深 图3《蒙娜莎》 刻,得到的规律就显得越简洁。你不觉得蓝仔的整
数的平方律1:2:32:4:5比奇数律1:3:5:7:9更优美吗?其实还有更简洁 的说法。物理学把每秒内速度的增加量叫做‘加速度’,这个概念是伽利略在研究 落体定律时创建的。蓝仔的(其实也是你白胖的)落体模型可以概括为‘落体运动 是加速度不变的运动’,这不是更简洁吗?物理学中把这种运动叫做匀加速运动’, 即‘落体运动是匀加速运动’。认识一步一步地深入要靠逻辑推理,要靠数学,数 学可以把表面上看起来不同的说法联系在一起,在认识上把它们统一起来。 黑柱忽然问:“落体就是越落越快呗,研究得那么细有什么用?”大家面面相 觑,都愣住了。 老师从皮包里掏出一张画,上面画的是一个航天员站在月球的表面,双手各丢 下一把榔头和一根鹰的羽毛,检验它们在月球上没有空气的条件下是否落得一样快。 这位航天员是阿波罗15号的斯科特(D.R.Scot),他说,如 果没有伽利略落体定律的发现,他就不可能站在那个地方。 于是他情不自禁地在月球上重复他在中学时就在抽空的玻璃 管内看到的鸡毛铜钱实验(见图4)。老师说:“航天员深刻地 知道,虽然仅靠伽利略的落体定律还不能登月,但没有以伽 利略落体定律为代表的科学基础,人类社会是不会有今天辉 煌的科学技术成就的。物理学是所有现代技术的基础,也是 其他自然科学(如化学、生命科学)的基础。同学们今天学 习物理学,主要不是马上去用它,而是为将来掌握高科技打 好基础。学物理就得从根上学起,从伽利略的加速度概念和 落体定律开始。” 图4真空玻璃管内的 孩子们又活跃起来,热切希望跟老师学好物理课 鸡毛、铜钱同时下落 5
判天她之美,万物之理。 庄子① 物理学与人类文明 在初中,大家已经学习了一些物理知识和科学方法。进入高中之后,你们将会见识更为 丰富多彩的物理现象,学到更为深刻的物理知识,进一步领悟科学研究的方法,增进对科学 的感情,受到科学精神的陶冶 现在,让我们在新的高度上概要了解一下,物理学研究哪 些问题,它与其他科学和技术的关系,以及它对人类文明所起 的作用。 物理学 物理学是一门自然科学。它起始于伽利略和牛顿的年代。 经过三个多世纪的发展,它已经成为一门有众多分支的、令人 尊敬和热爱的基础科学。 在远到宇宙深处,近至咫尺之间,大到广袤苍穹,小到微 观粒子的浩瀚而又精细的时空中,物理学研究物质存在的基本 形式,以及它们的性质和运动规律。物理学还研究物质的内部 结构,在不同层次上认识物质的各种组成部分及其相互作用, 以及它们运动和转化的规律。因此,说物理学是关于“万物之 理”的学间并不为过。 物理学是一门实验科学,也是一门崇尚理性、重视逻辑推 理的科学。由于自然界并不自动地展现其背后的本质、规律和图01“长征二号”F型火箭 内在联系,所以物理学又是极富洞察力和想像力的科学。在物载着神舟号载人航天器直入 理学研究中形成的基本概念和理论、基本实验方法和精密测试云,物理学的基本理论是 技术,已经越来越广泛地应用于其他学科,进而极大地丰富了 空间披术的基础 人类对物质世界的认识,极大地推动了科学技术的创新和革命, 极大地促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步。 ①庄子(名周,约前69一前286),战国时期杰出的思想家,对中国古代哲学的发展具有重要影响
高中物理第c册 物理学与其他科学技术 物理学的发展,促进了技术的进步,引发了一次又一次产业革命。现代物理学更是成为 高新科披的基础。通过图01到图08展示的内容可以窺见一斑。 原子核物理 学的进展,使人类 直接利用射线与 核能成为现实。 图02电视机显像管的剖面图 带电粒子在电璇场中的运动规律 在科学技术的许多领域都有重大意 义。电子显微镜、电視显像管、磁控 图03患肿瘤的病人 管、粒子加速器等都与它密切初关。 在接受放射治疗 图04半导体芯片的照片 图05光彩夺目的激光束 20世纪初相对论和量子力学的建立,是物理 20世纪60年代初,激光器涎生。激 学史上惊天动地的革命。由此生的近代物理学光物理的进展为激光在制造业、医疗技 以雷霆万钧之势将世界带入高科技时代。組成物术和国防工业中的应用打开了大门。 履的微粒服从量子规律,囚此,半导体芯片等产业 离不开量子力学的理论支撑。可以说,没有量子力 当温度低于超导转变 学就没有现代技术,也就没有现代化的生活。 点时、超导体具有宽全抗 磁性,下方的超导体如同 块和上方的永磁体同极 初对的磁铁一样,使永磁 图06超导磁悬浮照片 体片飘浮起来。20世纪80 图中上面是用超强永磁 年代,高温超导的研究取 体制成的圆片,下面是 得重大突破,为超导的实 烧制的高温超导体。 际应用开蹄了道路
20世纪90年代发展起来的纳米科技,使人们可 以按自己的需要去设计并重新排列原子或原子团,物 () 使其具有人们希望的特性。这使人类在材料科学的理 研究中迈出了极其重要的一步 与 rom 类 文 图07量子围栏。它是用扫描隧道显微镜把 48个Fe原子到Cu表面上构成的。 生命科学的重大进展离不开物理学的基础 脱氧核糖核酸(DNA)是存在于细胞核中的一种重 要物质,它是储存和传遒生命信息的物质基础 1953年,生物学家沃森和物理学家克里克利用X射 图08DNA 线衍射的方法在卡文迆许实验室成功地测定了 的双螺旋结 DNA的双螺旋结构。 构模型 物理学与社会进步 物理学的发展孕育了技术的革新,促进了物质生产的繁荣,改变了人类的生产和生活方 式,推动了杜会的进步。图09到图011表示这一进程的几个重大事件。 18世纪中叶,蒸汽机的改进和广泛应用 得益于热学的研究。汽机的广泛使用,促 进了手工生产向机械化大生产的转变,并使 陆上和海上大规模的长途运榆成为可能,这 大大推动了社会发展。 图09第一辆蒸 汽机车(模型) 高压输电线 19世纪后半叶 在电磁学研究的基 础上发展起来的电 力工业,给生产和生 活带来深刻的影响, 使人类社会进入了 电气时代。 图010我们生活在电气化的时代