物理學(自然科學學科):基本定義,分類簡介,研究領域,物理學史,學科性質,基本性質-九游会j9

物理學是一種自然科學，注重於研究物質、能量、空間、時間，尤其是它們各自的性質與彼此之間的相互關係。物理學是關於大自然規律的知識；更廣義地說，物理學探索分析大自然所發生的現象，以了解其規則。

物理學（physics）：、、物質相互作用、物質運動規律。

物理學研究的範圍 ——物質世界的層次和

空間尺度：

原子、、基本、dna長度、最小的細胞、哈勃半徑、星系團、、的距離、太陽系、等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質空間尺寸的層次。

（microscopic）：質子 m

物質（mesoscopic）

物質（macroscopic）

宇觀物質（cosmological）m

時間尺度：

不同物理學分支對自然界基本構成的認識

壽命 10^-25s

宇宙壽命 10¹⁸s

按空間尺度劃分：、、

按速率大小劃分： 相對論物理學、非相對論物理學

按客體大小劃分：、、、宇觀

按劃分： 低速，中速，高速

按研究方法劃分：、、

●（newton mechanics）與分析力學（analytical mechanics）研究物體的基本規律及關於時空相對性的規律

●（electromagnetism）與電動力學（electrodynamics）研究電磁現象，物質的電磁運動規律及電磁輻射等規律

●（thermodynamics）與統計力學（statistical mechanics）研究物質的統計規律及其巨觀表現

●（special relativity）研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規律。

●（general relativity）研究在大質量物體附近，物體在強下的動力學行為。

●（quantum mechanics）研究微觀物質運動現象以及基本運動規律

此外，還有：

、、原子與分子物理學、、、、、、、等等。

物理學研究的領域可分為下列四大方面：

1.——研究物質巨觀性質，這些物相內包含極大數目的組元，且組員間相互作用極強。最熟悉的凝聚態相是固體和液體，它們由原子間的鍵和所形成。更多的凝聚態相包括超流和波色-愛因斯坦凝聚態（在十分低溫時，某些原子系統內發現）；某些材料中導電電子呈現的超導相；原子點陣中出現的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態物理一直是最大的的研究領域。歷史上，它由固體物理生長出來。1967年由菲立普·安德森最早提出，採用此名。

2.原子，分子和光學物理——研究原子尺寸或幾個範圍內，物質-物質和光-物質的相互作用。這三個領域是密切相關的。因為它們使用類似的方法和有關的能量標度。它們都包括經典和量子的處理方法；從微觀的角度處理問題。原子物理處理原子的殼層，集中在原子和離子的量子控制；冷卻和誘捕；低溫碰撞動力學；準確測量基本常數；電子在結構動力學方面的集體效應。原子物理受核的影晌。但如核分裂，核合成等核內部現象則屬高能物理。 分子物理集中在多原子結構以及它們，內外部和物質及光的相互作用，這裡的光學物理只研究光的基本特性及光與物質在微觀領域的相互作用。

3.高能/——粒子物理研究物質和能量的基本組元及它們間的相互作用；也可稱為高能物理。因為許多基本粒子在自然界不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現。據基本粒子的相互作用標準模型描述，有12種已知物質的基本粒子模型（夸克和輕粒子）。它們通過強，弱和電磁基本力相互作用。標準模型還預言一種希格斯-波色粒子存在。現正尋找中。

4.——天體物理和天文學是物理的理論和方法用到研究星體的結構和演變，太陽系的起源，以及宇宙的相關問題。因為天體物理的範圍寬。它用了物理的許多原理。包括力學，，統計力學，熱力學和。1931年卡爾發現了天體發出的無線電訊號。開始了無線電天文學。天文學的前沿已被空間探索所擴展。地球大氣的干擾使觀察空間需用紅外，超紫外，伽瑪射線和x-射線。物理宇宙論研究在宇宙的大範圍內宇宙的形成和演變。愛因斯坦的相對論在現代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀早期從圖中發現了宇宙在膨脹，促進了宇宙的穩定狀態論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發現，證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個理論框架上：愛因斯坦的廣義相對論和宇宙論原理。宇宙論已建立了acdm宇宙演變模型；它包括宇宙的膨脹，黑能量和黑物質。 從費米伽瑪-射線望運鏡的新數據和現有宇宙模型的改進，可期待出現許多可能性和發現。尤其是今後數年內，圍繞黑物質方面可能有許多發現。

●（1564~1642年）人類現代物理學的創始人，奠定了人類現代物理科學的發展基礎。

● 1900~1926年 建立了。

● 1926年 建立了統計。

● 1927年 建立了的理論。

● 1928年 索末菲提出的猜想。

● 1929年 派爾斯提出、的概念，同年貝特提出了的概念。

● 1947年的巴丁、和發明了電晶體，標誌著資訊時代的開始。

● 1957年 皮帕得測量了第一個費米面超晶格材料納米材料光子。

● 1958年傑克.基爾比發明了。

● 20世紀70年代出現了大規模積體電路。

物理與物理技術的關係：

● 熱機的發明和使用，提供了第一種模式：技術—— 物理—— 技術

● 電氣化的進程，提供了第二種模式：物理—— 技術—— 物理

當今物理學和科學技術的關係兩種模式並存，相互交叉，相互促進“沒有昨日的就沒有今日的技術革命”。例如：核能的利用、雷射器的產生、層析成像技術(ct)、電子技術、粒子散射實驗、x 射線的發現、理論、低溫超導微觀理論、電子計算機的誕生。幾乎所有的重大新(高)技術領域的創立，事先都在物理學中經過長期的醞釀。

物理學的方法和科學態度：提出命題 → 理論解釋 → 理論預言 → 實驗驗證 →修改理論。

現代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，它的產生過程如下：

①物理命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來，或從已有原理中推演出來；

②首先嘗試用已知理論對命題作解釋、邏輯推理和數學演算。如現有理論不能完美解釋，需修改原有模型或提出全新的；

④新理論模型必須提出預言，並且預言能夠為實驗所證實；

⑤一切物理理論最終都要以觀測或實驗事實為準則，當一個理論與實驗事實不符時，它就面臨著被修改或被推翻。

● 怎樣學習物理學？

著名物理學家費曼說：科學是一種方法，它教導人們：一些事物是怎樣被了解的，什麼事情是已知的，了解到了什麼程度，如何對待疑問和不確定性，證據服從什麼法則；如何思考事物，做出判斷，如何區別真偽和表面現象？著名物理學家說：發展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業知識放在首位.如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，並且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節知識為其培訓內容的人來，他一定會更好地適應進步和變化 。

● 學習的觀點：從整體上邏輯地，協調地學習物理學，了解物理學中各個分支之間的相互聯繫。

● 物理學的本質：物理學並不研究自然界現象的機制（或者根本不能研究），我們只能在某些現象中感受自然界的規則，並試圖以這些規則來解釋自然界所發生任何的事情。我們有限的智力總試圖在理解自然，並試圖改變自然，這是物理學，甚至是所有自然科學共同追求的目標。

以物理學為基礎的相關科學：化學，天文學，等。

物理學是人們對無生命自然界中物質的轉變的知識做出規律性的總結。這種運動和轉變應有兩種。一是早期人們通過感官視覺的延伸，二是近代人們通過發明創造供觀察測量用的科學儀器，實驗得出的結果，間接認識物質內部組成建立在的基礎上。物理學從研究角度及觀點不同，可分為與巨觀兩部分，巨觀是不分析微粒群中的單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經出現的，微觀物理學隨著科技的發展理論逐漸完善。

其次，物理又是一種智慧型。

誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家所言：“如其說是因為我發表的工作里包含了一個自然現象的發現，倒不如說是因為那裡包含了一個關於自然現象的科學思想方法基礎。”物理學之所以被人們公認為一門重要的科學，不僅僅在於它對客觀世界的規律作出了深刻的揭示，還因為它在發展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。正因為如此，使得物理學當之無愧地成了人類智慧型的結晶，文明的瑰寶。

大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發展都有著重要的貢獻。有人統計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學的背景；——這意味著他們從物理學中汲取了智慧型，轉而在非物理領域裡獲得了成功。——反過來，卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智慧型的力量。難怪國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養的民族是愚蠢的民族！

總之，物理學是對自然界概括規律性的總結，是概括經驗科學性的理論認識。

1.真理性：物理學的理論和實驗揭示了自然界的奧秘，反映出物質運動的客觀規律。

2.和諧統一性：神秘的太空中天體的運動，在的描繪下，顯出多么的和諧有序。物理學上的幾次大統一，也顯示出美的感覺。牛頓用三大定律和把天上和地上所有巨觀物體統一了。麥克斯韋電磁理論的建立，又使電和磁實現了統一。又把建立了統一。光的波粒二象性理論把、波動性實現了統一。愛因斯坦的又把時間、空間統一了。

3.簡潔性：物理規律的數學語言，體現了物理的簡潔明快性。如：牛頓第二定律，愛因斯坦的，。

4.對稱性：對稱一般指物體形狀的對稱性，深層次的對稱表現為事物發展變化或客觀規律的對稱性。如：物理學中各種晶體的具有高度的對稱性。、、波動鏡像對稱、磁電對稱、作用力與反作用力對稱、正粒子和反粒子、正物質和反物質、正電和負電等。

5.預測性：正確的物理理論，不僅能解釋當時已發現的物理現象，更能預測當時無法探測到的物理現象。例如麥克斯韋預測電磁波存在，預言中子的存在，菲涅爾的衍射理論預言圓盤衍射中央有，狄拉克預言電子的存在。

6.精巧性：物理實驗具有精巧性，設計方法的巧妙，使得物理現象更加明顯。

歷屆諾貝爾物理學獎獲得者：

本專業培養掌握物理學的基本理論與方法，具有良好的數學基礎和實驗技能，能在物理學或相關的科學技術領域中從事科研、教學、技術和相關的管理工作的高級專門人才。

本專業學生主要學習物質運動的基本規律，接受運用物理知識和方法進行科學研究和技術開發訓練，獲得基礎研究或套用基礎研究的初步訓練，具備良好的科學素養和一定的科學研究與套用開發能力。

1、掌握物理學的基本理論和基本方法，具有較高的物理學修養；

2、掌握堅實的、系統的物理學基礎理論及較廣泛的物理學基本知識和基本實驗方法，具有一定的基礎科學研究能力和套用開發能力；

3、了解相近專業的一般原理和知識；

4、了解物理學發展的前沿和科學發展的總體趨勢；

5、了解國家科學技術、智慧財產權等有關政策和法規；

6、掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法；具有-定的實驗設計，創造實驗條件，歸納、整理、分析實驗結果，撰寫論文，參與學術交流的能力。

包括生產實習，科研訓練，畢業論文等。一般安排10-20周。

物理學

高等數學、力學、熱學、光學、電磁學、原子物理學、固體物理學、結構和物性

數學物理方法、理論力學、熱力學與統計物理、電動力學、量子力學、計算物理學入門等。

套用物理學專業的畢業生主要在物理學或相關的科學技術領域中從事科研、教學、技術開發和相關的管理工作。科研工作包括物理前沿問題的研究和套用，技術開 發工作包括新特性物理套用材料如半導體等，套用儀器的研製如醫學儀器、生物儀器、科研儀器等。套用物理專業的就業範圍涵蓋了整個物理和工程領域，融物理理 論和實踐於一體，並與多門學科相互滲透。

套用物理學專業的學生如具有紮實的物理理論的功底和套用方面的經驗，能夠在很多工程技術領域成為專家。我國每年培養本科套用物理專業人才約12000人。和該專業存在交叉的專業包括物理專業，工程物理專業，半導體和材料專業等。人才需求方面，我國對套用物理專業的人才需求仍舊是供不應求。

本專業在大學物理專科的基礎上經過兩年半系統的函授學習，使學員系統掌握物理學的基礎理論、基本知識、實驗技能以及學習本專業所必需的高等數學知識；獲得進行科學研究的初步訓練，成為能在高等和中等學校進行物理學教學的教師、教育科研人員和其他教育工作者。

本專業在大學物理專科的基礎上學習物理學的基礎知識、基本理論，得到物理實驗以及教育理論與實踐的基本訓練，初步具備進行物理學基本理論及其套用研究能力、從事物理教學和教學研究的基本能力。

1、數學物理方法

本課程內容包括複變函數論基礎，傅立葉級數和傅立葉積分，數學物理方程的導出和定解問題、分離變數法、二階常微分方程的級數解法及特殊函式

2、理論力學

理論力學是普通物理力學的延續課，包括質點力學、質點系力學、剛體力學、分析力學等。

3、電動力學

本課程內容包括真空和介質中的靜電場和靜磁場以及它們在兩種介質分界面上的規律；變化的電磁場的激發和傳播的規律；與電磁現象的參照系變換相聯繫的時空理論——狹義相對論。

4、熱力學與統計物理

本課程內容包括熱力學、統計物理學兩部分。主要內容包括熱力學基本定律，熱力學函式及其套用，相平衡和化學平衡，不可逆過程熱力學簡介，機率論的基本知識，統計物理學的基本概念，玻耳茲曼統計分布律，量子統計，系統理論和漲落理論。

5、量子力學

本課程主要內容包括微觀粒子的波粒二象性與德布羅意假設，波函式與薛丁格方程，力學量的算符表示，定態微擾論，電子自旋與全同粒子體系。

6、近代物理實驗

本課程是物理學專業的一門重要的基礎實驗課程，所涉及的物理知識面廣，並具有較強的綜合性和技術性。

7、物理教學論

本課程主要內容包括中學物理教學的目的和任務、中學物理學科的內容和結構、中學物理教學過程的規律和特點、中學生物理學習的認知特點和心理特徵、中學物理概念和規律的教學研究、中學物理教學測量與評價的理論與方法、中學物理教材分析等。