1、力学-观察大学物理专题.pdf

观察——物理学研究（开端）的源头活水 物理学研究在观察中前行。观察为物理学研究带来新素材、 新证据和新动力。当一个从未被人了解的物理现象被观察到 以后，人们首先想到的是用已有的物理理论对其进行解释， 使其归入到已构建的物理体系中来。如果这种尝试失败，人 们就将另辟蹊径从一个新的角度去对这些观察事实进行研 究并逐步弄清它的全部真相。在这其中将会产生各种各样的 假设性理论，这些理论再进一步得到论证就成为一个新的物 理学理论，物理学由此获得进步。 物理学研究的前四百多年 （注：四百多年后的今天，物理 学研究的路径有了深刻的变化，但不在我们此次谈论的话题 之中）历史证明了，观察是物理学研究的源头活水： 一、观察导致科学（物理学——力学）重大发展 （1）哥白尼1543 年（卒年）发表《天体运行论》标志着自 然科学（物理学）从神学的禁锢中解放出来，誉为自然科学 的“独立宣言”（恩格斯语）。 哥白尼 30 年如一日，坚持不懈地观察天象，获取大量第一 手资料。该资料的许多数据严重与托勒密体系不相符，从而 坚定认为托勒密的体系不能只进行修修补补，必须另辟蹊径 建立新的行星运行体系—— 《天体运行论》诞生。 （2 ）第谷、开普勒1600 年相遇、合作和继承，1627 年经开 普勒整理出版《鲁道夫天文表》——当时最精确的天文表； 开普勒三定律分别发表于1609 年的《新天文学》（第一、二 定律）和1619 年出版《宇宙谐和论》（第三定律）。 第谷毕其一生精力，20 年如一日地用当时最先进的观察技术， 广泛、系统、细致、精确地观察并记录了当时人的肉眼所能 观察到的几乎所有的天象，记录的行星位置误差不超过0.067 度。其所有资料直接导致开普勒三大定律的诞生，而此定律 的确立又为牛顿的万有引力定律提供了必要的基础。 （3 ）伽利略（1564 年—1642 年）的实证与牛顿 （1643 年— 1727 年）的综合。 伽利略对地球上的力学现象给予了广泛的观察和研究，以实 验与数学——实证与数理逻辑引进现代物理学思想，先后发 现落体定律、惯性定律、相对性原理、运动的叠加原理以及 光速的有限性和单摆的周期性等物理规律。 牛顿主要综合了天上（开普勒）和地上（伽利略）的规律， 于1687 年发表《自然哲学的数学原理》，提出了万有引力和 三大运动定律，为后来三百年的物理学、工程学奠定了坚实 的理论基础。 二、观察引起的物理理论进展（举例） （1）英国植物学家布朗用显微镜观察克拉花花粉时发现， 悬浮在液体表面上的花粉总是在不停地、杂乱无章的运动着。 布朗排除一切可能的因素后自知无法解释这一观察现象，于 1828 年6 月和8 月先后发表《论植物花粉中的微粒》、《论有 机物和无机物中活性分子的普遍存在》两文，促成物理学研 究的一个新课题，最终由爱因斯坦于 1905 年 4 月从理论上 解决了此问题，并由佩兰于 1908 年用实验验证了爱因斯坦 的分子运动理论。 （2 ）查德威克1932 年发现中子 1930 年德国物理学家玻特和贝克尔用α粒子轰击铍时，观 察发现了铍上发出强度不大但穿透力极强的中性射线，在法 国物理学家约里奥—居里夫妇甚至已经做出，这种中性射线 能够再一次轰击石蜡打出质子的情况下时，他们仍然声称这 是已然发现的γ 射线。 1932 年英国卡文迪许实验室的查德威克用严格的计算和 精确的对比性实验否定了上述γ 射线，认为是他的老师卢瑟 福早就提出过的、存在于原子核中的“中子”。 中子的发现使得物理学中的一些重大问题立刻获得了解 决，所以意义非凡。 三、总结 从上述挂一漏万的实例中我们看到，无论是有意而为的观 察，还是无意巧合的观察都是物理学以至于科学研究的基础。 同时在科学观察中，当一个从未见过的新奇现象出现时，不 能囿于成见轻率地归结为已有理论的框架之中不得自拔，要 始终保持好奇、警觉和多一点的心理准备，才能够抓住机遇， 获得重大科学发现。 所以，观察是物理学或科学的源头活水