物理學(xué)研究方法

物理學(xué)的方法和科學(xué)態(tài)度：提出命題 → 理論解釋 → 理論預(yù)言 → 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 → 修改理論。

現(xiàn)代物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精確科學(xué)，它的產(chǎn)生過(guò)程如下：

1. 物理命題一般是從新的觀測(cè)事實(shí)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)中提煉出來(lái)，或從已有原理中推演出來(lái)；

2. 首先嘗試用已知理論對(duì)命題作解釋、邏輯推理和數(shù)學(xué)演算。如現(xiàn)有理論不能完美解釋，需修改原有模型或提出全新的理論模型；

3. 新理論模型必須提出預(yù)言，并且預(yù)言能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)所證實(shí)；

4. 一切物理理論最終都要以觀測(cè)或?qū)嶒?yàn)事實(shí)為準(zhǔn)則，當(dāng)一個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符時(shí)，它就面臨著被修改或被推翻。

● 怎樣學(xué)習(xí)物理學(xué)？

著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)：“科學(xué)是一種方法。它教導(dǎo)人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，了解到了什么程度，如何對(duì)待疑問(wèn)和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象？”著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：“發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化。”

● 學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué)，了解物理學(xué)中各個(gè)分支之間的相互聯(lián)系。

● 物理學(xué)的本質(zhì)：物理學(xué)并不研究自然界現(xiàn)象的終極機(jī)制（或者根本不能研究），我們只能在某些現(xiàn)象中感受自然界的規(guī)則，并試圖以這些規(guī)則來(lái)解釋自然界所發(fā)生任何的事情。我們有限的智力總試圖在理解自然，并試圖改變自然，這是物理學(xué)，甚至是所有自然科學(xué)共同追求的目標(biāo)。

以物理學(xué)為基礎(chǔ)的相關(guān)科學(xué)有：化學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、自然地理學(xué)等。

●伽利略·伽利雷（1564~1642），人類現(xiàn)代物理學(xué)的創(chuàng)始人，奠定了人類現(xiàn)代物理科學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)。

● 1900~1926年 建立了量子力學(xué)。

● 1926年 建立了費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。

● 1927年 建立了布洛赫波的理論。

● 1928年 索末菲提出能帶的猜想。

● 1929年 派爾斯提出禁帶、空穴的概念，同年貝特提出了費(fèi)米面的概念。

● 1947年 貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克萊發(fā)明了晶體管，標(biāo)志著信息時(shí)代的開(kāi)始。

● 1957年 皮帕得測(cè)量了第一個(gè)費(fèi)米面超晶格材料納米材料光子。

● 1958年 杰克·基爾比發(fā)明了集成電路。

● 20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路。

物理與物理技術(shù)的關(guān)系：

● 熱機(jī)的發(fā)明和使用，提供了第一種模式：技術(shù) —— 物理 —— 技術(shù)

● 電氣化的進(jìn)程，提供了第二種模式：物理 —— 技術(shù) —— 物理

當(dāng)今物理學(xué)和科學(xué)技術(shù)的關(guān)系兩種模式并存，相互交叉，相互促進(jìn)。“沒(méi)有昨日的基礎(chǔ)科學(xué)，就沒(méi)有今日的技術(shù)革命”。例如：核能的利用、激光器的產(chǎn)生、層析成像技術(shù)（CT）、超導(dǎo)電子技術(shù)、粒子散射實(shí)驗(yàn)、X 射線的發(fā)現(xiàn)、受激輻射理論、低溫超導(dǎo)微觀理論、電子計(jì)算機(jī)的誕生。幾乎所有的重大新（高）技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)立，事先都在物理學(xué)中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的醞釀。

物理學(xué)研究的領(lǐng)域可分為下列四大方面：

1. 凝聚態(tài)物理——研究物質(zhì)宏觀性質(zhì)，這些物相內(nèi)包含極大數(shù)目的組元，且組元間相互作用極強(qiáng)。最熟悉的凝聚態(tài)相是固體和液體，它們由原子間的鍵和電磁力所形成。更多的凝聚態(tài)相包括超流和玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（在十分低溫時(shí)，某些原子系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)）；某些材料中導(dǎo)電電子呈現(xiàn)的超導(dǎo)相；原子點(diǎn)陣中出現(xiàn)的鐵磁和反鐵磁相。凝聚態(tài)物理一直是最大的的研究領(lǐng)域。歷史上，它由固體物理生長(zhǎng)出來(lái)。1967年由菲立普·安德森最早提出，采用此名。

2. 原子、分子和光學(xué)物理——研究原子尺寸或幾個(gè)原子結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，物質(zhì)-物質(zhì)和光-物質(zhì)的相互作用。這三個(gè)領(lǐng)域是密切相關(guān)的。因?yàn)樗鼈兪褂妙愃频姆椒ê陀嘘P(guān)的能量標(biāo)度。它們都包括經(jīng)典和量子的處理方法；從微觀的角度處理問(wèn)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(dòng)力學(xué)；準(zhǔn)確測(cè)量基本常數(shù)；電子在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的集體效應(yīng)。原子物理受核的影晌。但如核分裂、核合成等核內(nèi)部現(xiàn)象則屬高能物理。 分子物理集中在多原子結(jié)構(gòu)以及它們，內(nèi)外部和物質(zhì)及光的相互作用，這里的光學(xué)物理只研究光的基本特性及光與物質(zhì)在微觀領(lǐng)域的相互作用。

3. 高能/粒子物理——粒子物理研究物質(zhì)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?yàn)樵S多基本粒子在自然界原本并不存在，只在粒子加速器中與其它粒子高能碰撞下才出現(xiàn)。據(jù)基本粒子的相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型描述，有12種已知物質(zhì)的基本粒子模型（夸克和輕粒子）。它們通過(guò)強(qiáng)、弱和電磁基本力相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型還預(yù)言一種希格斯-玻色粒子存在?，F(xiàn)正尋找中。

4. 天體物理——天體物理和現(xiàn)代天文學(xué)是將物理的理論和方法應(yīng)用于研究星體的結(jié)構(gòu)和演變、太陽(yáng)系的起源，以及宇宙的相關(guān)問(wèn)題。因?yàn)樘祗w物理的范圍寬，它利用了物理的許多原理，包括力學(xué)、電磁學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、熱力學(xué)和量子力學(xué)。1931年，卡爾發(fā)現(xiàn)了天體發(fā)出的無(wú)線電訊號(hào)，開(kāi)始了無(wú)線電天文學(xué)。天文學(xué)的前沿已被空間探索所擴(kuò)展。地球大氣的干擾使觀察空間需要用到紅外、超紫外、伽瑪射線和X射線。物理宇宙論研究在宇宙的大范圍內(nèi)宇宙的形成和演變。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論在現(xiàn)代宇宙理論中起了中心的作用。20世紀(jì)早期哈勃從圖中發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，促進(jìn)了宇宙的穩(wěn)定狀態(tài)論和大爆炸之間的討論。1964年宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，證明了大爆炸理論可能是正確的。大爆炸模型建立在二個(gè)理論框架上：愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)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、暗能量和暗物質(zhì)。 從費(fèi)米伽瑪-射線望遠(yuǎn)鏡的新數(shù)據(jù)和現(xiàn)有宇宙模型的改進(jìn)，可期待出現(xiàn)許多可能性和發(fā)現(xiàn)。尤其是今后數(shù)年內(nèi)，圍繞暗物質(zhì)方面可能有許多發(fā)現(xiàn)。

●牛頓力學(xué)（Newtonian mechanics）與分析力學(xué)（analytical mechanics）研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律及關(guān)于時(shí)空相對(duì)性的規(guī)律。

●電磁學(xué)（electromagnetism）與電動(dòng)力學(xué)（electrodynamics）研究電磁現(xiàn)象、物質(zhì)的電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律。

●熱力學(xué)（thermodynamics）與統(tǒng)計(jì)力學(xué)（statistical mechanics）研究物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)。

●狹義相對(duì)論（special relativity）研究物體的高速運(yùn)動(dòng)效應(yīng)以及相關(guān)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

●廣義相對(duì)論（general relativity）研究在大質(zhì)量物體附近，物體在強(qiáng)引力場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)行為。

●量子力學(xué)（quantum mechanics）研究微觀物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象以及基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

此外，還有：

粒子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、原子與分子物理學(xué)、固體物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、激光物理學(xué)、等離子體物理學(xué)、地球物理學(xué)、生物物理學(xué)、天體物理學(xué)等。

物理學(xué)是一門自然科學(xué)，注重于研究物質(zhì)、能量、空間、時(shí)間，尤其是它們各自的性質(zhì)與彼此之間的相互關(guān)系。物理學(xué)是關(guān)于大自然規(guī)律的知識(shí)；更廣義地說(shuō)，物理學(xué)探索并分析大自然所發(fā)生的現(xiàn)象，以了解其規(guī)則。

物理學(xué)（physics）的研究對(duì)象：物理現(xiàn)象、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

物理學(xué)研究的尺度——物質(zhì)世界的層次和數(shù)量級(jí)

空間尺度：

原子、原子核、基本粒子、DNA長(zhǎng)度、最小的細(xì)胞、星系團(tuán)、銀河系、恒星的距離、太陽(yáng)系、超星系團(tuán)，哈勃半徑等。人蛇吞尾圖形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次。

微觀粒子（microscopic）：質(zhì)子

介觀物質(zhì)（mesoscopic）

宏觀物質(zhì)（macroscopic）

宇觀物質(zhì)（cosmological）類星體

時(shí)間尺度：

基本粒子壽命 10^-25s

宇宙壽命 10¹⁸s

按空間尺度劃分：量子力學(xué)、經(jīng)典物理學(xué)、宇宙物理學(xué)。

按速率大小劃分： 相對(duì)論物理學(xué)、非相對(duì)論物理學(xué)。

按客體大小劃分：微觀、介觀、宏觀、宇觀。

按運(yùn)動(dòng)速度劃分：低速、中速、高速。

按研究方法劃分：實(shí)驗(yàn)物理學(xué)、理論物理學(xué)、計(jì)算物理學(xué)。

物理學(xué)基本性質(zhì)

物理學(xué)是人們對(duì)自然界中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變的知識(shí)做出規(guī)律性的總結(jié)，這種運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)變應(yīng)有兩種。一是早期人們通過(guò)感官視覺(jué)的延伸；二是近代人們通過(guò)發(fā)明創(chuàng)造供觀察測(cè)量用的科學(xué)儀器，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，間接認(rèn)識(shí)物質(zhì)內(nèi)部組成建立在的基礎(chǔ)上。物理學(xué)從研究角度及觀點(diǎn)不同，可大致分為微觀與宏觀兩部分：宏觀物理學(xué)不分析微粒群中的單個(gè)作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經(jīng)出現(xiàn)的；微觀物理學(xué)的誕生，起源于宏觀物理學(xué)無(wú)法很好地解釋黑體輻射、光電效應(yīng)、原子光譜等新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。它是宏觀物理學(xué)的一個(gè)修正，并隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)與理論物理的發(fā)展而逐漸完善。

其次，物理又是一種智能。

誠(chéng)如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、德國(guó)科學(xué)家玻恩所言：“如其說(shuō)是因?yàn)槲野l(fā)表的工作里包含了一個(gè)自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，倒不如說(shuō)是因?yàn)槟抢锇艘粋€(gè)關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)思想方法基礎(chǔ)?！蔽锢韺W(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門重要的科學(xué)，不僅僅在于它對(duì)客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示，還因?yàn)樗诎l(fā)展、成長(zhǎng)的過(guò)程中，形成了一整套獨(dú)特而卓有成效的思想方法體系。正因?yàn)槿绱?，使得物理學(xué)當(dāng)之無(wú)愧地成了人類智能的結(jié)晶，文明的瑰寶。

大量事實(shí)表明，物理思想與方法不僅對(duì)物理學(xué)本身有價(jià)值，而且對(duì)整個(gè)自然科學(xué)，乃至社會(huì)科學(xué)的發(fā)展都有著重要的貢獻(xiàn)。有人統(tǒng)計(jì)過(guò)，自20世紀(jì)中葉以來(lái)，在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、生物及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)咧校幸话胍陨系娜司哂形锢韺W(xué)的背景——這意味著他們從物理學(xué)中汲取了智能，轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里獲得了成功。反過(guò)來(lái)，卻從未發(fā)現(xiàn)有非物理專業(yè)出身的科學(xué)家問(wèn)鼎諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的事例。這就是物理智能的力量。難怪國(guó)外有專家十分尖銳地指出：沒(méi)有物理修養(yǎng)的民族是愚蠢的民族！

總之，物理學(xué)是對(duì)自然界概括規(guī)律性的總結(jié)，是概括經(jīng)驗(yàn)科學(xué)性的理論認(rèn)識(shí)。

物理學(xué)六大性質(zhì)

1. 真理性：物理學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)揭示了自然界的奧秘，反映出物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律。

2. 和諧統(tǒng)一性：神秘的太空中天體的運(yùn)動(dòng)，在開(kāi)普勒三定律的描繪下，顯出多么的和諧有序。物理學(xué)上的幾次大統(tǒng)一，也顯示出美的感覺(jué)。牛頓用三大定律和萬(wàn)有引力定律把天上和地上所有宏觀物體統(tǒng)一了。麥克斯韋電磁理論的建立，又使電和磁實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程又把質(zhì)量和能量建立了統(tǒng)一。光的波粒二象性理論把粒子性、波動(dòng)性實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。愛(ài)因斯坦的相對(duì)論又把時(shí)間、空間統(tǒng)一了。

3. 簡(jiǎn)潔性：物理規(guī)律的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，體現(xiàn)了物理的簡(jiǎn)潔特性。例如：牛頓第二定律、愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程、法拉第電磁感應(yīng)定律。

4. 對(duì)稱性：對(duì)稱一般指物體形狀的對(duì)稱性，深層次的對(duì)稱表現(xiàn)為事物發(fā)展變化或客觀規(guī)律的對(duì)稱性。例如：物理學(xué)中各種晶體的空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有高度的對(duì)稱性。豎直上拋運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、波動(dòng)鏡像對(duì)稱、磁電對(duì)稱、作用力與反作用力對(duì)稱、正粒子和反粒子、正物質(zhì)和反物質(zhì)、正電和負(fù)電等。

5. 預(yù)測(cè)性：正確的物理理論，不僅能解釋當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象，更能預(yù)測(cè)當(dāng)時(shí)無(wú)法探測(cè)到的物理現(xiàn)象。例如：麥克斯韋電磁理論預(yù)測(cè)電磁波存在、盧瑟福預(yù)言中子的存在、菲涅爾的衍射理論預(yù)言圓盤衍射中央有泊松亮斑、狄拉克預(yù)言電子的存在。

6. 精巧性：物理實(shí)驗(yàn)具有精巧性。設(shè)計(jì)方法的巧妙，使得物理現(xiàn)象更加明顯。

歷屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：

一個(gè)導(dǎo)體的介電常數(shù)

也是德國(guó)物理學(xué)家普朗克能量量子化假說(shuō)中的最小能量值ε（叫能量子）。

靜力學(xué)中表示線應(yīng)變。

集合符號(hào)∈由ε演變。

對(duì)數(shù)之基數(shù)

階越函數(shù)

絕緣，物理學(xué)名詞，指使用不導(dǎo)電的物質(zhì)將帶電體隔離或包裹起來(lái)，以對(duì)觸電起保護(hù)作用的一種安全措施。良好的絕緣對(duì)于保證電氣設(shè)備與線路的安全運(yùn)行，防止人身觸電事故的發(fā)生是最基本的和最可靠的手段。絕緣通?？煞譃闅怏w絕緣、液體絕緣和固體絕緣三類。在實(shí)際應(yīng)用中，固體絕緣仍是最為廣泛使用，且最為可靠的一種絕緣物質(zhì)。

中文名

絕緣

外文名

絕緣

類型

物理學(xué)名詞

作用

對(duì)觸電起保護(hù)作用

有強(qiáng)電作用下，絕緣物質(zhì)可能被擊穿而喪失其絕緣性能。在上述三種絕緣物質(zhì)中，氣體絕緣物質(zhì)被擊穿后，一旦去掉外界因素（強(qiáng)電場(chǎng)）后即可自行恢復(fù)其固有的電氣絕緣性能；而固體絕緣物質(zhì)被擊穿以后，則不可逆地完全喪失了其電氣絕緣性能。因此，電氣線路與設(shè)備的絕緣選擇必須與電壓等級(jí)相配合，而且須與使用環(huán)境及運(yùn)行條件相適應(yīng)，以保證絕緣的安全作用。

此外，由于腐蝕性氣體、蒸氣、潮氣、導(dǎo)電性粉塵以及機(jī)械操作等原因，均可能使絕緣物質(zhì)的絕緣性能降低甚至破壞。而且，日光、風(fēng)雨等環(huán)境因素的長(zhǎng)期作用，也可以使絕緣物質(zhì)老化而逐漸失去其絕緣性能。

各種線路與設(shè)備在不同條件下所應(yīng)具備的絕緣電阻大致如下：

一般情況下，新裝或大修后的低壓不應(yīng)低于100MΩ；運(yùn)行中的低壓線路與設(shè)備，其絕緣電阻不應(yīng)低于3MΩ/V；在潮濕場(chǎng)合下的設(shè)備與線路，其絕緣電阻不應(yīng)低于2.5MΩ/V；控制線中的絕緣電阻一般不應(yīng)低于1MΩ，而高壓線路與設(shè)備的絕緣電阻一般不應(yīng)低于1000MΩ。2100433B

粒子物理學(xué)是研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個(gè)物理學(xué)分支。由于許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨(dú)出現(xiàn)，物理學(xué)家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產(chǎn)和研究它們，因此粒子物理學(xué)也被稱為高能物理學(xué)。