1、檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺殣殣殣殣中学理科课程资源探究物理历程李重华 编远方出版社图书在版编目（）数据探究物理历程李重华编 版呼和浩特：远方出版社，（中学理科课程资源）探 李 物理学史青少年读物 中国版本图书馆 数据核字（）第 号中学理科课程资源探究物理历程编者李重华出版远方出版社社址呼和浩特市乌兰察布东路 号邮编 发行新华书店印刷廊坊市华北石油华星印务有限公司版次 年 月第版印次 年 月第次印刷开本 印张 字数 千印数 标准书号 总 定 价 元（共 册）远方版图书，版权所有，侵权必究。远方版图书，印装错误请与印刷厂退换。书书书前言随着人们对新课程观的理解，课程资源的开发和利
2、用越来越受到重视，其开发和利用是保证新课程实施的基本条件。新课程倡导学生主动参与、探究发现、交流合作，而课程资源对学生的发展具有巨大的推动作用，因此开发利用一切课程资源，为实施新课程提供环境成为当务之急。在执行新课程计划中，应当树立新的课程资源观，教师应该成为学生开发和利用课程资源的引导者。学生应该成为课程资源的主体和学习的主人，应当学会主动地有创造性地利用一切可用资源，为自身的学习、实践、探索性活动服务。为此，我们开发了 中学理科课程资源 丛书。这套丛书共 本，分为数学、物理和化学三个方面。根据新课标的改革方向，每个方面又分为教学、百科和新方位三个方向，是针对中小学教师和学生而编写的精品丛书
3、。中学理科课程资源 的开发和利用说到底是为了学生的发展而展开的，让每一位理科教师在进行理科课程资源的开发和利用时能更多地关注学生自身存在的一切资源，激发和唤醒学生的多种潜能，为学生以后能主动学习、主动探索、主动发展奠定坚实的基础。在本套丛书的编写过程中，我们得到了许多理科方面的专家及学者的指导和帮助，在此表示衷心的感谢。由于编者水平有限，错误、疏漏之处，希望广大读者批评、指正。编者目录第一章经典力学体系的创建第一节牛顿之前的科学巨人们第二节牛顿对力学的综合 第二章电磁的发展历程 第一节奥斯忒和安培 第二节法拉第 第三节麦克斯韦 第三章热力学和能量守恒定律 第一节卡诺 第二节能量守恒定律的发现
4、第三节热力学第二定律 第四节热力学第二定律与进化论 第五节关于永动机的历史 第六节吉布斯 第四章量子的发展历程 第一节连续性与不连续性 第二节物质和电的基本量子 第三节光量子 第四节光谱 第五节物质波 第六节几率波 第七节物理学与实在 第八节玻尔的原子殿堂 第五章近代物理学的早期发展 第一节研究磁的吉伯 第二节奇妙的电世界 第六章现代物理学的革命历程 第一节经典物理学的危机 第二节关于“紫外灾难”第三节 世纪末物理学界的三大发现 第四节爱因斯坦与相对论 第五节量子历程 第六节原子弹的诞生 第七章天文物理学的发展历程 第一节追溯天文学起源 第二节哥白尼日心说的诞生 第三节哥白尼日心说的传播 第四
5、节第二次天文学革命 探 究 物 理 历 程中学理科课程资源第一章经典力学体系的创建现在，对于我们大多数人来说，科学研究是那么神秘，令人感到高不可攀。确实，用现代昂贵、大型的仪器武装起来的现代科学研究越来越不平易近人了，普通人只能望而却步。人们已形成了这样一种观念：科学研究是社会精英们的事，与我无关。其实，这是一个误区。因为不管科研的过程和手段多么复杂，它最初的思想一定是简单而朴素的，许多科学研究问题的本身就是在日常生活中提出来的。而这些又恰恰是普通人最感兴趣也能理解的。比如，夜晚，当你仰望满天的星星时，你是否曾想过这样一个问题：这些星星为什么既不掉下来，也不飞走，还不相撞，到底是什么力量的作用
6、？可是决大多数人却不曾这样想过，因为我们对夜夜都出现的星空已经熟视无睹了。然而，近代科学史上的大师们正是从这个问题开始探索，创立经典力学体系的。探 究 物 理 历 程中学理科课程资源第一节牛顿之前的科学巨人们科学革命后，自然科学从宗教神学的禁锢中解放出来，首先发展并成熟起来、形成独立体系的是经典力学。因为，与其他学科相比，力学比较简单、直观。这也符合人类认识从简单到复杂的规律。经典力学也称牛顿力学，是牛顿把地面和天空的力学统一到一个基本的力学体系中而创立的。它实现了自然科学的第一次大统一，是人类对自然界认识的一次大飞跃。但是，经典力学体系的创立不是一个人的功劳，而是那个时代一批科学家共同努力的
7、结果。牛顿只是经典力学体系的最终完成者。对此牛顿曾有过这样一句名言：“如果我比别人看得远些，那是因为我站在巨人们的肩上。”确实，如果没有这些科学巨人们开创性的工作，牛顿是不可能发现万有引力定律及完成经典力学的综合工作的。这些科学家主要有伽利略、开普勒、惠更斯、笛卡儿、胡克、哈雷等。伽利略伽利略是开启近代科学的大师，在近代科学史上占有突出的地位。因为是他开创了实验和数学相结合的科学研究方法。他的生平和在天文学上的贡献这里就不介 探 究 物 理 历 程中学理科课程资源绍了。而他所以能被誉为科学大师则主要是基于他对力学的贡献，这一贡献为牛顿完成经典力学的综合工作奠定了基础。青年时代的伽利略，思想就非
8、常活跃。他自幼喜爱机械，学习能力异常惊人。岁时，他在教堂里看到灯在风中摆动，从而发现了摆的等时性原理，即在摆长固定的情况下，不管摆的幅度多大，它所需的时间相等。后来惠更斯就是根据这个原理制成了钟表。他根据摆的等时性原理制成了一架脉搏仪，供医生用来测量病人的脉搏。伽利略只读了一年大学就因经济困难而失学。但他勤奋好学，一面钻研古代原子论、欧几里得几何学、阿基米德和亚里士多德的物理学等古希腊名著，一面对物理现象进行独立的研究。当时，伽利略在比萨大学担任数学教授。但是真正使伽利略成为科学史上巨人的是他的重物实验。这是伽利略向陈腐的传统观念的挑战，正是他的这一行为揭开了近代科学的序幕。在伽利略时代，人们
9、对物体下落的认识还停留在亚里士多德 物理学 的水平上。亚里士多德有一个著名的“落体运动法则”：落体的速度与重量成正比。这就是说，一个重 千克的物体，其下落速度一定是重千克的物体的 倍。伽利略觉得这一法则既不符合他平时观察到的现象，也违背了事物的逻辑。他设想，假如把一个 探 究 物 理 历 程中学理科课程资源 千克的铁球和一个千克的铁球拴在一起，按照亚里士多德法则，就会得出相互矛盾的结果：如果把它们当作两个物体，则下落得慢的小球一定会拖住下落得快的大球，使它们下落的速度小于 千克铁球的下落速度；如果把它们当作一个物体，则总重量达 千克，它们的下落速度应大于 千克铁球的下落速度。显然，亚里士多德的
10、法则无法成立。然而，正确的结论又是什么呢？伽利略决定通过实验来证明。根据伽利略晚年的学生维维亚尼的记载，伽利略曾在意大利比萨斜塔上做过自由落体的实验。结果两个重量相差 倍的球同时落地，证明了亚里士多德的观点是错误的。不过经后世史学家考证，伽利略并没有在比萨斜塔上做过落体实验。其实，是否确有其事这本身在科学史上并不重要。不过人们是宁愿信其有的。不管怎样，比萨斜塔却因此成为意大利的国宝和世界旅游胜地却是千真万确的。这就是科学文化的魅力。现代史家对落体实验比较一致的看法是这样的：在伽利略之前荷兰工程师斯台文曾做讨一个反对亚里士多德观点的实验，他用两个铅球，其重量一个是另一个的 倍，把它们从 英尺的高
11、度同时丢下，落在一块木板上，它们发出的声音就像一个声音一样。但该实验不是在比萨斜塔做的。伽利略也曾做过一个类似的实验，但 探 究 物 理 历 程中学理科课程资源由于空气阻力，效果并不好，但也不是在比萨斜塔做的。不过，确实有一个人于 年在比萨斜塔做过这样的实验，但这个人是支持亚里士多德观点的，是为了反驳伽利略而做这个实验的。结果并不是同时到达地面，对伽利略是不利的。事实是，为了通过实验证明，伽利略设计了著名的斜面实验来代替落体实验，使球沿斜面下滑的速度减小到便于精确测量的程度。伽利略用不同重量的球，在不同的倾斜度下做实验。由此得出以下结果：（）当斜面倾角固定时，球通过的距离与所用的时间的平方之比
12、为一常数。（）改变斜面的倾角，常数值也随之改变。（）用质量不同的物体沿相同倾角的斜面运动，它们的加速度相等。这一结果使伽利略非常满意，因为由此可以确信“落体速度与时间成正比”的假设是正确的，并由此找到了落体速度与下落时间之间的简单关系。通过实验伽利略导出了自由落体定律。物体做斜面运动，当倾角为 度时即为自由落体运动，速度与时间关系的论断也是成立的，由此得出结论：物体自由坠落的距离与时间的平方亦成正比，自由落体是匀加速运动。在这里，伽利略使用了“理想实验”的方法。这种科 探 究 物 理 历 程中学理科课程资源学方法是伽利略首创的，奠定了近代科学实验的方法论基础。伽利略还通过斜面实验，用“理想实验
13、”的方法导出了惯性原理。根据亚里士多德的力学，物体保持匀速运动是靠外力的持续作用。“推一个物体的力不再推它时，原来运动的物体便归于静止。”但是，伽利略认为，运动是永恒的，变化是永远存在的。他用小球做斜面实验，当小球从斜面滚到平面上，如果平面很光滑，小球差不多保持匀速运动；如果另外接上一个上升的斜面，小球差不多能够达到下落前的高度。伽利略由此推翻了亚里士多德关于外力停止、运动也停止的错误观点，得出了著名的惯性原理。他指出，物体只要不受外力作用，就会保持其原来静止或运动的状态；运动并不需要力来维持，假如没有外力作用于物体，那么该物体将永远保持其原有的运动状态。伽利略的这一正确结论，后来由牛顿总结为
14、第一运动定律，即惯性定律。伽利略发现了惯性原理，很自然就提出“相对性原理”。他是这样论证的：他假设，在不长的一段时间内，可以认为地球表面上每个点都是作匀速直线运动。位于地球上的物体将与地球表面该点有相同的速度，根据惯性原理，物体将竭力保持这一速度。伽利略做了一个实验来说明这一点。他使石子从行使中的船舶的船桅顶上落下。尽管船在向前行驶并离开 探 究 物 理 历 程中学理科课程资源了石子的最初位置，但石子仍然落到船桅脚下，而不是落在船桅后面。发生这种现象的原因，就在于石子开始下落时具有与船舶同样的速度。在下落过程中石子保持着水平方向的速度并随着船舶向前运动。他强调，只有当船做匀速直线运动，并且没有
15、摇晃时，才可能出现这种情况。因此，后来人们把这个原理称为“伽利略相对性原理”或“经典的相对性原理”。“伽利略相对性原理”还正确解释了哥白尼日心说所遇到的一大困难，即关于地动抛物的问题。因为在哥白尼日心说问世之后，人们根据常识提出：既然地球是转动的，为什么不会出现反向吹来的狂风？为什么把物体抛上去会原地落下，而不是落在地球转动的后面？这些疑问，通过伽利略相对性原理很容易就能得到解释。伽利略在力学上的成就，集中反映在他的 关于两种新科学的对话 一书中。这是一部物理学名著。在这部著作中，伽利略对力学问题作了一系列精辟的论述。除了速度和加速度外，他还提出了惯性定律，论述了作用力和反作用力的问题。这些论
16、述，后来被牛顿加以发展和完善，提出了著名的运动三大定律。这本书的出版标志着经典力学作为一门独立学科的诞生。因此，在力学研究方面，伽利略可以说是经典力学的先驱之一。后人习惯上称经典力学为“伽利略牛顿力学”。探 究 物 理 历 程中学理科课程资源爱因斯坦曾这样评价伽利略在力学上的成就：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，标志着物理学的真正开端。”开普勒关于天体间引力的研究我们都知道开普勒在天文学上的贡献。他因发现行星运动三大定律而被誉为“天空立法者”。其实，严格意义上说，开普勒并不是天空“立法者”，而只是天空“解法者”。也就是说，那时开普勒已知道行星是根据他的三大定律运行的，但他并不知道行星这样运行的原因是什么，即对于行星的运动，开普勒还只知其然而并不知其所以然。回顾哥白尼日心说的传播史，不难发现，从哥白尼到开普勒，只是沉重地打击了宗教神学的地心学说，但还远远没有建立起理论基础稳固的日心说。因为从理论上说，开普勒的行星运动三大定律只能把上帝赶出地球，却无法驱逐出太阳系。只要宗教神学愿意，他们随时可以把上帝从地球挪到太阳上，用上帝来说明行星围绕太阳运行的
