物理学思想概论新编(教学版)

第 1 章 力学中的物理学思想 1 1.1 物体为什么会运动以及怎样运动的运动观思想 3 1.1.1 “动，或徒也”——古代人们关于机械运动的思想 3 1.1.2 “力，刑之所以奋也”——古代人们关于力和运动关系的思想 4 1.1.3 运动的“四因说”——亚里士多德提出“运动四因”的思想 5 1.1.4 自然运动和强迫运动——亚里士多德对运动的分类思想 5 1.1.5 物体究竟怎样下落——伽利略提出的运动学思想 7 1.2 万事万物由什么构成的物质观的思想 11 1.2.1 自然之道和“五行说”——中国古代关于物质本原的思想 11 1.2.2 “万物始基”和“万物之本”——西方关于物质本原的思想 15 1.2.3 物质究竟无限可分还是不可分——关于物质结构的哲学思辨 18 1.2.4 原子论的再生和确立——从哲学思辨走向假设推理证明 19 1.2.5 “物质之量”和质点模型的提出——原子论在力学中的具体体现 21 1.2.6 原子究竟具有怎样的内部结构——近代物理学的一个前沿研究课题 22 1.3 机械运动是绝对性的还是相对性的时空观思想 23 1.3.1 万事万物究竟是运动还是静止——运动的绝对性和相对性思想 23 1.3.2 “静而生阴，动之静也”——我国古代关于“动”和“静”的思想 24 1.3.3 牛顿提出的绝对空间和绝对时间——经典力学的时空观思想 25 1.4 物体运动为什么会发生变化的“时钟式”机械因果观思想 30 1.4.1 物体为什么会这样运动——关于机械运动的因果观思想 30 1.4.2 牛顿**定律的物理意义——定性的机械因果观思想 34 1.4.3 牛顿第二定律的物理意义——定量的机械因果观思想 37 1.4.4 牛顿第三定律的物理意义——两个物体直接接触的相互作用思想 40 1.4.5 牛顿三大定律是无法证明的——经典力学的公理性和整体性思想 42 1.4.6 牛顿三大定律和万有引力定律的比较——公理和定律的区别 46 1.4.7 经典力学中的机械确定论思想——“时钟”式的确定性因果关系图像 47 1.5 质量分布的集中度和分散度与刚体运动的几何学思想 49 1.5.1 从质点模型到刚体模型的深化——刚体的运动几何学思想 49 1.5.2 刚体的质心——刚体平动的“质点化”集中度思想 51 1.5.3 从平动的“线量”到转动的“角量”——“异中求同”和“同中求异”的类比思想 53 1.5.4 刚体的转动惯量——刚体质量分布的“分散度”思想 54 1.6 力学中的“能量”以及围绕运动量量度之争的能量观 55 1.6.1 什么是“能量”——用做功本领量度物质及其运动的属性 55 1.6.2 “死力”和“活力”——对物体运动量的两种量度之争 57 1.6.3 做功“储存”的能量——势能思想的提出 59 1.6.4 动能是“能量”把运动物体作为“载体”的表现——“能量” 的一个新的物理观念 61 1.7 力学中的对称性——三大守恒定律的对称性思想 62 第 2 章 热学中的物理学思想 66 2.1 古代人们对热现象和热的本质的朴素认识 67 2.1.1 “动静相摩，所以生火也”——古代人们对热的本质的朴素认识 67 2.1.2 “尺热曰病温，尺不热脉滑曰病风”——古代人们对物体温凉冷热的认识 68 2.2 温度定义体现的演绎推理的抽象化和符号化的思想 70 2.2.1 热的“热质说”和“唯动说”——人们对热和温度的早期探讨 70 2.2.2 以热平衡定律为基础进行演绎推理——对温度的抽象化符号判断的思想 72 2.3 热力学系统体现的系统论和概率论的统计思想 76 2.3.1 从质点和刚体到热力学系统——热学与力学不同的研究对象 76 2.3.2 从经典力学的确定性到统计平均和统计分布的概率性——热学与力学不同的研究方法 78 2.4 热力学平衡态和状态方程体现的物理思想 79 2.4.1 “静中有动”——热力学平衡态体现的统计思想 79 2.4.2 “物理约束”——物态方程和过程方程体现的物理思想 81 2.5 弹性小球的理想模型与热运动包含的统计思想 84 2.5.1 弹性小球假设的提出——导出压强和温度的微观解释的物理模型 84 2.5.2 从确定性描述到统计性描述——弹性小球模型包含的物理思想 85 2.6 压强和温度的微观解释和统计平均值体现的物理思想 87 2.6.1 概率统计思想进入物理学殿堂的重要一步——压强和温度的微观解释 87 2.6.2 两个假设和两个公式——分子运动统计平均值所体现的随机量的统计集中度思想 88 2.7 麦克斯韦速率分布函数体现的统计思想 89 2.7.1 麦克斯韦速率分布函数的导出——分子速率分布函数体现的统计分散度思想 89 2.7.2 对机械确定性因果观的冲击——麦克斯韦速率分布函数体现的 “统计确定性”因果观 91 2.8 准静态过程体现的动中有静的物理思想 92 2.8.1 “动中有静”——准静态过程体现的统计思想 92 2.8.2 外力做的功与热力学系统状态量的变化关系——准静态过程的重要地位 93 2.9 热力学**定律体现的能量守恒和运动转化的思想 94 2.9.1 热力学**定律——普遍的能量守恒及其转化定律的具体体现 94 2.9.2 传热与做功——“量”的等当性和“质”的转换性思想 96 2.10 内能的统计定义以及能量均分的统计思想 97 2.10.1 内能的统计定义——宏观能量的确定性和微观能量不确定性的对应 97 2.10.2 分子无规则运动能量的再分配——能量均分定理的统计思想 98 2.11 热力学第二定律以及熵与能量品质退降的物理思想 98 2.11.1 热力学第二定律——对自然宏观过程能量转化方向认识的深化 98 2.11.2 熵的地位比能量更重要——熵的变化与能量品质退降的物理思想 100 2.11.3 热学规律不再具有时间反演不变性——熵的微观本质及其统计思想 102 2.11.4 进化与退化的两种“时间箭头”——与自然界的新对话 104 2.11.5 “熵是一个物质性的物理量”——熵的一个新的物理观念 107 2.12 热力学的三个基本定律与否定式的因果观思想 108 第 3 章 电磁学中的物理学思想 111 3.1 古人对于静电现象的认识 112 3.1.1 “云雨至，则雷电击”——古人对于雷电现象的认识 112 3.1.2 “顿牟掇芥”——古人对于摩擦起电现象的认识 114 3.2 场的概念的形成和发展是电磁学理论的一条思想主线 115 3.2.1 “非接触力的相互作用”——库仑定律与万有引力定律的类比思想 115 3.2.2 “伟大的力线概念”——电场概念是怎样提出来的 117 3.3 静电学包含的“从头开始”的思想 119 3.3.1 力学和静电学的不同研究对象——静电学包含的研究对象“从头开始”的思想 119 3.3.2 力学和静电学研究的不同逻辑层次——静电学包含的逻辑层次“从头开始”的思想 120 3.4 对电荷连续分布的带电体求场强的“从部分到整体”的思想 121 3.4.1 “从点到体”——计算电场强度的认识逻辑顺序 121 3.4.2 “先分割，再分解，后叠加”——“从部分到整体”的思想 122 3.4.3 还原和不可分割——从分割研究对象的还原论到注重对象的不可分割 123 3.5 电势梯度与电场强度的关系式描述静电场的非定域思想 124 3.5.1 从电势梯度求场强——电势和电场强度的空间变化关系 124 3.5.2 静电场的有势特征——电场“状态”的非定域性描述 125 3.6 对电荷对称性分布的带电体求场强的“从整体到部分”的思想 126 3.6.1 “对称性、高斯面、后运算”——“从整体到部分”的思想 126 3.6.2 部分和整体“不可分割”——部分和整体关系的复杂性思想 127 3.7 电场与物质中电荷相互作用的思想 128 3.7.1 导体和介质中的电荷分布——场与物质中电荷的相互作用 128 3.7.2 从力学平衡、热动平衡到静电平衡——静电平衡也是“动平衡” 129 3.7.3 从“极化现象”到“面束缚电荷”——电位移矢量引入的意义 130 3.8 电场和磁场“同中求异”的类比思想 131 3.8.1 “异中求同”——刚体与质点的类比思想 131 3.8.2 “同中求异”——电场和磁场的类比思想 131 3.9 电场和磁场的“力线”和场的初步物质观思想 134 3.9.1 “电力线”和“磁感应线”的引入——电磁场物质观思想的初步体现 134 3.9.2 《电磁通论》巨著的问世——电磁理论上一次伟大的变革 136 3.10 电场和磁场的互相转化和电磁场的因果观思想 137 3.10.1 电流产生的磁效应——物理学发展的一条崭新的道路 137 3.10.2 电可以产生磁，磁又可以产生电——多元因果逻辑层次上的“因果观”思想 138 第 4 章 波和光学中的物理学思想 142 4.1 古代人们对振动和声波现象的朴素认识 144 4.1.1 “形气者，声之源”——有形之物和无形之气的运动发声的思想 144 4.1.2 “纵横寻丈而犹未歇”——声波传播与水波传播类比的思想 144 4.2 机械振动和机械波 145 4.2.1 简谐振动和简谐波——从本体论到物理建模的思想 145 4.2.2 简谐振动和简谐波的时空变化和能量传播——运动的周期性思想 147 4.2.3 确定性运动和非确定性运动——周期运动和非周期运动可以互相转换的思想 150 4.3 简谐振动的合成和分解 151 4.3.1 简谐振动合成和分解——不同运动形式之间的互相转换的思想 151 4.3.2 简谐振动合成的四种基本类型——初相位差的决定性作用 152 4.4 线性波的叠加和波的能量 155 4.4.1 线性波的叠加原理——波的独立性原理的思想 155 4.4.2 线性波能量的叠加原理——能量在介质中重新分布的思想 155 4.4.3 多普勒效应与波动频率的相对性 158 4.5 光的干涉和光的衍射与光的相干性 160 4.5.1 笛卡儿假设和惠更斯原理——光的波动思想的提出 160 4.5.2 杨氏双缝干涉实验——光的相干思想的形成 162 4.5.3 菲涅耳衍射理论和实验——光的相干思想的发展 163 4.6 光的偏振与介质对光矢量的选择性 165 4.6.1 光的偏振——光与介质的相互作用 165 4.6.2 马吕斯定律——光的起偏与光强度变化的思想 166 第 5 章 相对论中的物理学思想 168 5.1 时空观是物理学中*基本的物理思想 169 5.1.1 空间是一个“大容器”，时间是物体某些属性“流逝”的表现——日常生活中的朴素时空观 169 5.1.2 看不见的三维空间和微观世界——对空间和时间的隐喻模式 170 5.2 牛顿相对性原理和经典力学的绝对时空观 171 5.2.1 伽利略变换——牛顿相对性原理的思想 171 5.2.2 绝对运动和绝对时空观——对时间和空间的理性认识的**次大飞跃 174 5.3 狭义相对论的相对性原理和相对时空观 176 5.3.1 经典物理学中的不对称性——爱因斯坦对经典时空观的超越 176 5.3.2 时间和空间的相对性和统一性——狭义相对论的一个核心思想 178 5.3.3 相对论时空观下的质量和能量——狭义相对论质量观和能量观 183 5.4 广义相对论的相对性原理和等效原理以及时空几何化 186 5.4.1 物理定律在任何参考系中都是适用的——广义相对论的相对性原理 186 5.4.2 “我们根本不需要重力”——广义相对论的加速度与重力等效的思想 187 5.4.3 平直空间与弯曲空间——广义相对论的时空几何化思想 189 5.4.4 洛伦兹变换不是普适的——非线性变换下的场方程的协变性思想 190 第 6 章 量子论中的物理学思想 193 6.1 “量子化”思想是 20 世纪物理学的重要思想 194 6.1.1 物理学产生革命性变革的开端——“量子化”思想提出的“革命性” 194 6.1.2 从“能量子”到“光量子”——“量子化”思想的形成和发展的“连续性” 195 6.1.3 “紫外灾难”——黑体辐射面临的思想上的“灾难性” 196 6.1.4 两个经验公式的提出——能量“量子化”假设的思想 198 6.1.5 光电效应——爱因斯坦的“光量子”假设的思想 200 6.2 三种原子结构模型和“量子化”思想的发展 201 6.2.1 三种原子结构模型的提出——20 世纪创立量子力学的重要起点 201 6.2.2 从理论假设到实验验证——三种原子结构模型包含的物理学思想 204 6.3 物质波理论和“量子化”思想的提升 205 6.3.1 微观粒子的“波粒二象性”——微观粒子的本质属性 205 6.3.2 物质波理论和德布罗意关系式——微观客体“非此非彼”的复杂性思想 206 6.3.3 波函数及其动力学方程——波函数的概率性因果观思想 208 6.4 海森伯不确定原理和现代复杂性科学中的“不确定性”思想 213 6.4.1 海森伯不确定原理——微观粒子的内在不确定性思想 213 6.4.2 非线性科学的出现——现代复杂性科学中的“不确定性”思想 218 第 7 章 大学物理课程的“学科文化”思想 221 7.1 大学物理课程是进入教育领域的一种物理学科文化 221 7.1.1 物理学科文化——科学的一种文化形态 221 7.1.2 大学物理课程——进入物理教育领域的一种特定的物理学科文化 222 7.2 大学物理课程的“学科结构”体系是“物理学科文化”的体现 222 7.2.1 “动态历程”和“心智地图”——构建“学科结构”体系的文化 222 7.2.2 构建“学科结构”体系的文化意义——三个“有利于”的思想 223 7.3 不同学科文化理念形成的两种大学物理的“学科结构”体系 225 7.3.1 “金字塔”体系——基于“逻辑统一性”的大学物理“学科结构”体系 226 7.3.2 “细胞型”体系——基于“层次相关性”的大学物理“学科结构”体系 227 7.4 大学物理课程“学科结构”体系的复杂性思想探讨 230 7.4.1 “整体”与“部分”的关系——“整体思维”：复杂性理念的一种表现 230 7.4.2 “分解”和“关联”的关系——“关联思维”：复杂性理念的一种表现 232 主要参考文献 234