物理学史及其研究方法

高中物理学史

熟记物理学史，包括科学家的贡献，如亚里士多德、伽利略、牛顿、卡文迪许、库仑、安培、奥斯特、法拉第等；熟悉物理常用的思想方法：等效替代法、控制变量法、理想实验法、理想模型、放大(或缩小) 思想(比如累积) 、比值定义法、归纳演绎法、类比、推理等方法。

1、伽利略对物理学的贡献

（1）1638年，意大利物理学家伽利略用科学推理论证重物体和轻物体下落一样快；推翻了古希腊学者亚里士多德的观点；

提出假说：自由落体运动是一种对时间均匀变化的最简单的变速运动；

数学推理：由初速度为零、末速度为v 的匀变速运动平均速度

得出s =s 1s 2s 3=2=2=2t 1t 2t 3和=1v 21v 1vt ；再应用a =从上式中消去v ，导出s =at 2即s ∝t 2。 2t 2

实验验证：由于自由落体下落的时间太短，直接验证有困难，伽利略用铜球在阻力很小的斜面上滚下，上百次实验表明：s 1s 2s 3=2=2=t 12t 2t 3；换用不同质量的小球沿同一斜面运动，

位移与时间平方的比值不变，说明不同质量的小球沿同一斜面做匀变速直线运动的情况相同；不断增大斜面倾角，重复上述实验，得出该比值随斜面倾角的增大而增大，说明小球做匀变速运动的加速度随斜面倾角的增大而变大。

合理外推：把结论外推到斜面倾角为90°的情况，小球的运动成为自由落体，伽利略认为这时小球仍保持匀变速运动的性质。（用外推法得出的结论不一定都正确，还需经过实验验证）

注：伽利略对自由落体的研究，开创了研究自然规律的一种科学方法。

（2）伽利略通过理想斜面实验指出：在水平面上运动的物体若没有摩擦，将保持这个速度一直运动下去；得出结论：力是改变物体运动的原因，推翻了亚里士多德的观点：力是维持物体运动的原因。同时代的法国物理学家笛卡儿进一步指出：如果没有其它原因，运动物体将继续以同速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

2、牛顿对物理学的贡献

牛顿在伽利略、笛卡儿、开普勒、惠更斯等人研究的基础上，采用归纳与演绎、综合与分析的方法，总结出一套普遍适用的力学运动规律——牛顿运动定律和万有引力定律，建立了完整的经典力学（也称牛顿力学或古典力学）体系，物理学从此成为一门成熟的自然科学 经典力学的建立标志着近代自然科学的诞生。

牛顿通过牛顿运动定律和开普勒行星运动定律得出万有引力定律（仅仅是定性讨论，没有定量计算，因为万有引力常数还没测出来）；卡文迪许利用扭秤实验装置比较准确地测出了引力常量（利用转换放大的思想），被称为“测量地球质量的第一人”； 经典力学的基础是牛顿运动定律；

经典力学的局限性： 牛顿运动定律和万有引力定律适用于宏

观、低速、弱引力。

牛顿设想，物体被抛出速度很大时，就不会落回地面

3、胡克对物理学的贡献：胡克定律——胡克认为只有在一定的条件下，弹簧的弹力才与弹簧的形变量成正比

4、人们根据日常的观察和经验，提出“地心说”，古希腊科学家托勒密是代表；而哥白尼提出了“日心说”，大胆反驳地心说。

5、开普勒在其导师第谷的行星观测记录基础上，通过数学分析，得出开普勒三大行星运动定律（不仅适用于行星绕太阳的运动，也适用于卫星绕行星的运动）；开普勒第三定律对我r 3

们解决问题很重要2 K (只要围绕同一个中心天体旋转，无论是椭圆还是圆都适用) T

6、1846年，英国剑桥大学学生亚当斯和法国天文学家勒维烈（勒维耶）应用万有引力定律，计算并观测到海王星（笔尖下的发现的行星）。

第一宇宙速度又叫环绕速度，第二宇宙速度又叫逃逸速度。

黑洞：质量大，半径小，密度极大，光只进不出。

7、富兰克林命名了正负电荷（丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，毛皮摩擦过的橡胶棒带负电）并独立提出电荷守恒定律。

8、密立根通过油滴实验精确测定了元电荷e 数值。所有带电体所带的电荷量都是元电荷的整数倍——电荷量是不连续变化的物理量。质子、正电子、电子所带的电量的绝对值都是元电荷的数值。英国物理学家汤姆生发现电子，并指出：阴极射线是高速运动的电子流。汤姆生(JJ Thomson) 试验测定电子的比荷（带电体都带的电荷量与质量的比值）

9、库仑利用扭秤实验发现了电荷之间的相互作用规律——库仑定律，并测出了静电力常量k 的值。

10、法拉第引入了电场、电场线的概念。

伏特发明电容器，发明“伏特电池”，世界上第一个电池

11、德国物理学家欧姆通过实验得出欧姆定律。

12、荷兰科学家昂尼斯（或昂纳斯）发现大多数金属在温度降到某一值时，都会出现电阻突然降为零的现象——超导现象。

13、焦耳和楞次先后各自独立发现电流通过导体时产生热效应的规律，即楞次-焦耳定律。

14、奥斯特在一次课堂演示实验后注意到电流引起的磁针偏转（电生磁）。随后奥斯特证明这个效应具有反比关系。这个工作启动了电学和磁学的统一进程。

15、法拉第发现了法拉第发现了由磁场产生电流的条件和规律——法拉第发现了电磁感应现象（磁生电）；纽曼和韦伯在对理论和实验资料进行严格分析后，得出法拉第电磁感应定律（此定律并非法拉第总结，电磁感应现象是法拉第发现的，为了纪念法拉第而以他的名字命名）

16、安培发现两根通有同向电流的平行导线相吸，反向电流的平行导线则相斥，同时提出了安培分子电流假说；并总结出安培定则（右手螺旋定则）判断电流与磁场的相互关系和左手定则判断通电导线在磁场中受到磁场力的方向。

17、荷兰物理学家洛仑兹提出运动电荷产生了磁场和磁场对运动电荷有作用力（洛仑兹力）的观点。

18、汤姆生的学生阿斯顿设计的质谱仪可用来测量带电粒子的质量和分析同位素。

19、1932年，美国物理学家劳伦兹发明了回旋加速器能在实验室中产生大量的高能粒子。（最大动能仅取决于磁场和D 形盒直径。带电粒子圆周运动周期与高频电源的周期相同；但当粒子动能很大，速率接近光速时，根据狭义相对论，粒子质量随速率显著增大，粒子在磁场中的回旋周期发生变化，进一步提高粒子的速率很困难。

20、俄国物理学家楞次发表判断感应电流方向的定律——楞次定律。

21、1835年，美国科学家亨利发现自感现象（因电流变化而在电路本身引起感应电动势的现象），日光灯的工作原理即为其应用之一。

物理研究方法：

一、控制变量法：

在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的因素或条件加以人为控制，使其中的一些条件按照特定的要求发生变化或不发生变化，最终解决所研究的问题。

1、导体的电阻与哪些因素有关；

2、滑动摩擦力的大小与哪些因素有关；

3、压力的作用效果与哪些因素有关；

4、动能、重力势能大小与哪些因素有关；

5、研究电阻一定、电流与电压的关系；研究电压一定、电流和电阻的关系；研究电流做功的多少跟哪些因素有关系；

6、电流的热效应与哪些因素有关；

7、研究电磁铁的磁性强弱跟哪些因素有关系；

8、研究影响力的作用效果的因素；

9、研究通电导体在磁场中的受力与哪些因素有关；

10、研究影响感应电流的方向因素等均应用了这种科学方法；

11、研究电磁感应现象；

二、等效替代法：

比如在研究合力时，一个力与两个力使弹簧发生的形变是等效的，那么这一个力就替代了两个力所以叫等效替代法；在研究串、并联电路的总电阻时，也用到了这样的方法。在平面镜成像的实验中我们利用两个完全相同的蜡烛，验证物与像的大小相同，因为我们无法真正的测出物与像的大小关系，所以我们利用了一个完全相同的另一根蜡烛来等效替代物体的大小。再如：平均速度的引入。

三、转换法（间接推断法）

一些比较抽象的看不见、摸不着的物质的微观现象，要研究它们的运动等规律，使之转化为学生熟知的看得见、摸得着的宏观现象来认识它们。这种方法在科学上叫做“转换法”。 如：分子的运动，电流的存在等。

空气看不见、摸不到，我们可以根据空气流动（风）所产生的作用来认识它；分子看不见、摸不到，不好研究，可以通过研究墨水的扩散现象去认识它；电流看不见、摸不到，判断电路中是否有电流时，我们可以根据电流产生的效应来认识它；磁场看不见、摸不到，我们可以根据它产生的作用来认识它。

有一些物理量不容易测得，我们可以根据定义式转换成直接测得的物理量。在由其定义式计算出其值，如电功率（我们无法直接测出电功率只能通过P ＝UI 利用电流表、电压表测出U 、I 计算得出P ）、电阻、密度等。

在测量滑动摩擦力时转换成测拉力的大小

通过电流的效应来判断电流的存在（我们无法直接看到电流），

通过磁场的效应来证明磁场的存在（我们无法直接看到磁场），

在研究电热与电流、电阻的因素时，我们将电热的多少转换成液柱上升的高度。 在我们研究电功与什么因素有关的时候，我们将电功的多少转换成砝码上升的高度。 密度、功率、电功率、电阻、压强（大气压强）等物理量都是利用转换法测得的。 物体发生形变或运动状态改变可证明此物受到力的作用；苹果落地可证明重力存在；

奥斯特实验可证明电流周围有磁场；指南针指南北可证明地磁场的存在；手机能打电话可证明电磁波的存在；扩散现象可证明分子做无规则运动；

运动的物体能对外做功可证明它具有能。在我们回答动能与什么因素有关时，我们回答说小球在平面上滑动的越远则动能越大，就是将动能的大小转换成了小球运动的远近。

四、放大法

在有些实验中，实验的现象我们是能看到的，但是不容易观察。我们就将产生的效果进行放大再进行研究。 比如音叉的振动很不容易观察，所以我们利用小泡沫球将其现象放大。观察压力对玻璃瓶的作用效果时我们将玻璃瓶密闭，装水，插上一个小玻璃管，将玻璃瓶的形变引起的液面变化放大成小玻璃管液面的变化。严格说放大法也属于转换法。

五、类比法

在我们学习一些十分抽象的，看不见、摸不着的物理量时，由于不易理解我们就拿出一个大家能看见的与之很相似的量来进行对照学习。如电流的形成、电压的作用通过以熟悉的水流的形成，水压使水管中形成了水流进行类比，从而得出电压是形成电流的原因的结论。学生在学习电学知识时，在老师的引导下，联想到：水压迫使水沿着一定的方向流动，使水管中形成了水流；类似的，电压迫使自由电荷做定向移动使电路中形成了电流。抽水机是提供水压的装置；类似的，电源是提供电压的装置。水流通过涡轮时，消耗水能转化为涡轮的动能；类似的，电流通过电灯时，消耗的电能转化为内能。我们学习分子动能的时候与物体的动能进行类比；学习功率时，将功率和速度进行类比。

六、科学推理法：

当你在对观察到的现象进行解释的时候就是在进行推理，或说是在做出推论，例如当你家的狗在叫的时，你可能会推想有人在你家的门外，要做出这一推论，你就需要把现象（狗的叫声）与以往的知识经验，即有陌生人来时狗会叫结合起来。这样才能得出符合逻辑的答案 如：在进行牛顿第一定律的实验时，当我们把物体在越光滑的平面运动的就越远的知识结合

起来我们就推理出，如果平面绝对光滑物体将永远做匀速直线运动。如：在做真空不能传声的实验时，当我们发现空气越少，传出的声音就越小时，我们就推理出，真空是不能传声的。

七、归纳法：

通过样本信息来推断总体信息的技术。要做出正确的归纳，就要从总体中选出的样本，这个样本必须足够大而且具有代表性。在我们买葡萄的时候就用了归纳法，我们往往先尝一尝，如果都很甜，就归纳出所有的葡萄都很甜的，就放心的买上一大串。比如铜能导电，银能导电，锌能导电则归纳出金属能导电。在实验中为了验证一个物理规律或定理，反复的通过实验来验证他的正确性然后归纳、分析整理得出正确的结论。在阿基米德原理中，为了验证F 浮＝G 排，我们分别利用石块和木块做了两次实验，归纳、整理均得出F 浮＝G 排，于是我们验证了阿基米德原理的正确性，使用的正是这种方法。在验证导体的电阻与什么因素有关的时候，经过多次的实验我们得出了导体的电阻与长度，材料，横截面积，温度有关，也是将实验的结论整理到一起后归纳总结得出的。在所有的科学实验和原理的得出中，我们几乎都用到了这种方法。运用归纳法得出的结论更具有普遍性。运用这种思维方法时实验一定要改变条件多做几次，否则得出的结论可能是特殊结论，而不具备普遍性。

八、比较法（对比法）

当你想寻找两件事物的相同和不同之处，就需要用到比较法，可以进行比较的事物和物理量很多，对不同或有联系的两个对象进行比较，我们主要从中寻找它们的不同点和相同点，从而进一步揭示事物的本质属性。

九、逆向思维法

例：由电生磁想到磁生电。