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第二章 物理学习的内容 　　物理学习理论应当建立在物理学习的事实基础之上，认识这些事实是研究物理学习的重要任务。物理学习的事实来源于物理学习的现象，但比现象更集中、更概括地反映了物理学习活动的本质。只有深入分析物理学习内容和物理学习过程中的最根本的层次，才能透过现象把握这些基本事实。在本章和以后的两章中，揭示和描述这些事实，就给出了对物理学习的认识，它可以看作是由直接概括事实而总结出来的初级理论。而初级理论将成为建设系统的物理学习理论的基础。 　　物理学习的特殊规律首先来自于它的学习内容的特殊性。本章从物理科学的内容及其特点入手，研究物理科学内容转换成物理学习内容后出现的新的特征，并在对物理学习内容进行分类的基础上分析各类学习内容的特点。 第一节 物理科学的基本内容 　　物理科学是物理学习的对象，从根本上讲，物理学习的内容主要取决于物理科学的内容。 　　有人认为物理科学的内容就是物理知识，这是一种片面的理解。这种理解往往导致学生不能学到完整的物理，往往使学生感到学习只是不断往高堆积知识的“积木”而失去对科学的热情。事实上，物理科学的内容除了物理知识之外，还包括重要程度并不亚于物理知识的物理观念、方法和实验基础。只有把知识、观念、方法和实验基础有机结合起来，才是对物理科学内容的完整描述。 　　我们通过物理科学发展的历史线索，来展示物理知识的体系、物理观念的发展、物理学方法的运用以及相应的实验基础。通过这样的描述，我们将对物理科学的内容是什么这一基本问题获得比较全面、清晰的认识，并以此为出发点去讨论学习中的问题。 　　物理学是研究物质运动基本规律和物质基本结构的一门科学。最初的物理学是哲学的一部分，直到16世纪末才从哲学中分离出来，成为一门独立的科学。到19世纪末，经典物理学已经发展得相当完善，但同时也发现了一些经典物理学无法解释的物理现象。20世纪初，物理学进入现代物理学的新时代，获得了前所未有的高速发展。下面，我们分经典物理学和现代物理学两个部分，来描述物理科学的基本内容。 　　一 经典物理学的基本内容 　　经典物理学包括力学、热学、电磁学、声学和光学五个部分。这些部分还可以合并而总结成三个方面：经典力学、热力学和经典统计力学、经典电动力学。 　　1.经典力学 　　伽利略（Galileo Galilei，1564—1642）是经典力学的奠基人。从16世纪末到17世纪初，他把观察实验、物理思维和数学演绎三种科学方法巧妙结合起来，以确凿的实验事实、严格的逻辑推理和清晰的物理观念，批驳了统治两千年之久的亚里士多德（Aristotle，公元前384—前332）的错误运动观念，阐明了他的运动理论。伽利略的运动理论包括：运动的描写和分类，自由落体定律，加速度的概念，惯性原理，抛体运动轨迹和相对性原理，等等。经典力学的基本理论体系是由牛顿（Isaac Newton，1642—1727）在1687年建立起来的，因此经典力学也常称作牛顿力学。牛顿先用实验归纳的方法，总结了伽利略等人的研究成果，建立若干最一般、最明白的定义、公理，然后用严谨的推理建立起一个完整的演绎结构，最后又将这种演绎结果与实验事实相比较。牛顿对经典力学的伟大贡献主要包括：严格定义了质量、动量、惯性、外加力、向心力等基本概念，总结出机械运动的三个基本定律，得出了力的合成分解、运动叠加原理、动量守恒原理、相对性原理等重要推论，发现了万有引力定律，等等。在牛顿之后，18、19世纪的物理学家继续发展、完善牛顿的力学理论，最终完成了自洽的经典力学体系。这个期间，确立了三大守恒原理：质心运动守恒原理、动量矩守恒原理和活力（动能）守恒原理。同时，矢量描写和运算的困难促使物理学家寻找牛顿力学新的表述形式，从虚功原理、最小作用原理发展为变分方法，逐步形成了分析力学的理论体系。 　　经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律。宏观，是相对于原子等微观粒子而言；低速，是相对于光速而言。经典力学的时空观建立在欧几里德几何学的基础上，空间向四方延伸，与时间无关；时间从过去流向未来，与空间无关。物体的长度是与测量参照系无关的绝对量，任何两个事件的同时性是绝对的。 　　经典力学的基本理论有三种表述形式：牛顿运动方程形式、拉格朗日的微分形式和哈密顿的积分形式。 　　经典力学包含质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、流体力学、声学等。理论的基本部分还可分为运动学、静力学和动力学。 　　2.热力学和经典统计力学 　　18世纪初蒸汽机的出现，促使人们对热现象进行深入的研究。系统的计温学和量热学的建立，标志着对热现象的研究走上了实验科学的道路。这时，一些人根据片面的实验事实，认为热是一种没有质量的流质，提出了当时颇为流行的热质说。与热质说相对立，另一些人认为热是物质运动的一种表现，以摩擦生热的事实沉重地打