高中物理第c册 光导纤维 朕网(示意图) 20世纪70年 代,微观物理方 面的重大突破开 创了微电子工业, 从而触发了第三 次产业革命。世 界开始进入以电 子计算机应用为 特征的信息时代 图011信息时代 物理学与思维观念 物理学极大地丰富了人类对物质世界的认识,也改变和扩展着人类的思维方式。物理学 的每一个重大进展,都是人类思维观念进步的伟大阶梯。图012到图0-14反映了这一阶梯 的几个台阶。 图0-12甲古人 心中的“宇宙 地球 图0-12乙16世纪,人们认识到 图0-12丙现代天文学家已经观 地球和行星都在绕太阳运动。 测到距我们约140亿光年的天体 在人类文眀的初期,人们认为大地是一个大扁盘,物理学的发展使人类对大地乃至宇宙 的认识发生了翻天覆地的变化。从“天地方”到“地心说”;从“地心说”到“日心说”; 从太阳系到河外星系;从静态的宇宙到膨胀的宇宙;从“盘古开天地”到“大爆炸”的宇宙 演化论…
图0-13甲哈留彗星和它的公转轨道。公元前 远日点 613年至公元1910年,中国有它3次回归的记 录.1705年,英国天文学家哈雷根据牛顿的万 有引力定律正确地预言了它的回归 海王星轨通 物理学与人类文明 天王星轨道 发现哈雷替时人们所 的量外一行星 土星轨道 木星轨 太阳 地球轨道近日点 图0-13乙 哈雷彗星 图0-13丙单变量数值仿真 洛伦兹①将仅仅相差00001 的两个初始条件输入一个数 学方程,计算得出的两条曲 线不久就分道扬,南辕北 辙。真是“差之毫厘,以 千里” 在牛力学建立后,人们能精确地预言哈雷彗星每76年回归地球一次。这意味着,已 知受力情况和初始条件—物体的位置和速度,就可以求出以后任何时刻物体的位置和速度。 由此,人们形成了“机械决定论”"的恐维方式。很自然地,人们梦想对天气也能做同样的预 报。20世纪60年代初,美国气象学家洛伦兹研究了服从三个含有非线性项方程的气象模型 系统,揭示了复杂系统的行为对微小初值差异的敏感依赖性,从而断言长期天气预报不可能 实现。为此,他提岀了“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,有可能在美国得克萨斯引起一场龙卷风” 的说法,被称为“蝴蝶效应。这就动摇了长期在人们头脑中占主导地位的“机械决定论”的 思维方式 ①洛伦兹( Edward N. Lorentz),美国麻省理工学院的气象学家。他于1960年发现,一个复杂系统初始条件的微小差 异可能使结果产生巨大偏差
高中物理第c册 科学活动是人类认识自然的活动、现代技术已经 与科学活动密不可分了。科学技术方面的突破,对于 社会发展会起到至关重要的作用。正是科学成果在技 术上的应用,才创造了我们今天的物质文明,然而事 实表明,技术是一把“双刃剑”。当人类合理而明智 地利用技术时,它给人类带来许多思患;但是,如果 利用不当,甚至滥用,就会给人类带来诸加生态失 衡、貴源枯竭等问题。人们有任避免技术的濫用, 既要大力发展和应用先进的技术,还必须细致分析技 术的正、负面效应,积极开展技术评价和技术预见工 图014我国秦山核电站 作,让技术更好地服务于人类。 物理学的未来 19世纪下半叶,以经典力学、热力学、统计物理学和经典电动力学为主要内容的物理 学,几乎能解释当时已知的所有物理现象。因此,当20世纪第一个春天来临之际,久负盛 名的英国物理学家、被英王授予“开尔文勋爵”的威廉·汤姆孙在《新春献词》的演说中, 踌躇满志地宣告:“科学大厦已经基本建成……后辈物理学家只需做一些零碎的修补工作就 行了。”但话音刚落,他的预言就被一个接一个的重大发现所粉碎。 从表01中可以看出,在20世纪,物理学捷报频传,重大发现此伏彼起,从来没有停 止过 表0-120世纪物理学重大发现举例 年代 重大发现和与物理学相关的重大技术进步 1900~1909阴极射线,黑体辐射理论,狭义相对论,光电效应 1910~1919 晶体的X射线衍射理论及实验,超导现象,广义相对论,威尔逊云室 1920~1929 量子力学,康普頓效应,晶体电子行射 190-1939 发现中子、正电子和宇宙射线,产生人工放射性元素,核磁共振理论 1940-1949半导体及晶体管,发现介子,氢光谐精细结构 1950~1959 弱相互作用下宇称不守恒,发现反质子,穆斯堡尔效应 1960~1969 激光器,超导体的媵道效应,宇宙微波背景辐射 1970-1979 发现J平粒子和τ轻子,弱电统一理论,非线性物理 1980~1989 发现W和Z粒子,扫描塍道显微镜,高温超导材料,超弦与大统一理论 1990~1999 介观物理理论及器件,发现C6及其家族,纳米材料与纳米结构 6
那么,21世纪又会怎样呢?还会有重要的发现吗? 著名法国物理学家、诺贝尔奖获得者德布罗意在《物理学的未来》一文中说: 物 我们的知识越是发展,自然就越是以其多种表现证明它調有无尽的财富;甚至在很先进理 的科学领域,如物理学,我们也没有理由认为我们已经“耗尽”了自然财富,或者认为我们与 已经接近完整地掌握了自然界的全部财富。 类 事实正是这样,当前还有许多困扰物理学的难题,例如,在物质结构理论中,认为“夸文 克”构成了质子、中子等强子,但是,夸克为什么不能单独存在?寻找传递强相互作用的 胶子的实验能否得出预期的结果?如何将量子力学和广义相对论结合起来,以解释宇宙的 起源和演化?此外,自然界中最常见的运动状态,往往既不是完全确定的,也不是完全随 机的,而是介于二者之间,但为理解这类现象的混沌理论还远未成熟……所有这些都有待 人们去探索。 综观世界科学技术发展史,许多科学家的重要发现和发明,都产生于风华正茂、思想敏 捷的青年时期,这是一条普遍性的规律。哥白尼提出日心说时是38岁;牛顿和莱布尼茨发 明微积分时分别是22岁和28岁;爱迪生发明留声机时是29岁,发明电灯时是31岁;贝尔 发明电话时是29岁;居里夫人发现镭、钍、钋三种元素的放射性时是31岁:爱因斯坦提出 狭义相对论时是26岁,提出广义相对论时是37岁;李政道和杨振宁指出弱相互作用下宇 称不守恒时分别为30岁和34岁;沃森和克里克提出DNA分子结构的双螺旋模型时分别是 25岁和37岁… 尽管年轻人的知识不如老年人丰富,但却很少保守思想,最具创新精神。虽然多数同 学今后未必进行基础科学的研究,但是,不论从事什么职业,高中物理学习中树立的创新 精神,学到的科学方法,积累的科学知识,将会使你终身受益。 “江山代有人才出,各领风强数百年。”同学们,努力啊!
不了解选动,就不了解自然。 —亚里士多德① 第一章运动的描述 在我们周围,到处可以看到物体在运动:汽车在公路上飞驰,江水在哮着奔向远方,鸟儿在飞 题,树叶在动……连我们脚下的地球,也在不停地自转、公转。物体的空间位置随时间的变化,是自 然界中最简单、最基本的运动形态,称为机城运动( mechanical motion)。在物理学中,研究物体做机 械运动规律的分支叫做力学( mechanies)。人们在力学的研究中,不仅了了物体做机械运动的规律, 而目还创造了科学研究的基本方法。所以霍尔顿(G. Holton)说:“无论从泼辑上还是从历史上讲,力 学都是物理学的基础,也是物理学及其他科学研究的典范……力学之于物理学如问骨之于人体。”在 这一章,我们研究怎样猫述物体的运动。 ①亚里士多德( Aristotle,前384—前322),古希腊杰出的哲学家、科学家,形式逻拥学的创始人,在物理学方面, 亚里士多德认为自然中一切对象都在不断地运动和变化,空间和位置是一切种类运动的普遍条件。他首先给出了时间的 定义,并认为既然运动是永恒的,那么时间也同样是永恒的 8