物理学与人类文明教学设计第二课时

物理学的发展与社会生产力的进步

一、

物理学概述

物理学是一门探究一切物质的组成及其运动规律，揭示它们之间的联系和各种运动之间的关系的广博而丰富的学问。物理学的进展密切联系着工业，农业等的发展，也同人类文明的进步息息相关。从电话的发明到当代互联网络实现的实时通信；从蒸汽机车的制造成功到磁悬浮列车的投入运行；从晶体管的发明到高速计算机技术的成熟等等。这些无不体现着物理学对社会进步与人类文明的贡献。当今时代，物理学前沿领域的重大成就又将会引领着人类文明进入一片新天地。

二、物理学发展与科技进步

“科学技术是第一生产力。”这个观点是邓小平同志于1988年9月在会见捷克斯洛伐克总统时提出来的。当前，深刻理解和把握科学技术是第一生产力的丰富内涵，对于十九大报告中提出的“中华民族伟大复兴”战略具有重大的理论和现实意义。

物理学对科学技术和生产力的发展起着最直接地推动作用，几次工业革命便是最好的验证。其都是由于物理学深刻地揭示了自然规律，构成了认识自然、改造自然的巨大力量，为科技发展提供了方法和技能。近一个世纪以来，物理学又有了崭新的进展，带来相应的新技术革命。

（1）

蒸汽机的发明和牛顿力学的建立，导致了第一次工业革命

17世纪，牛顿完成了划时代的伟大巨著《自然哲学之数学原理》，其奠定了整个经典物理学的基础，并对其他自然科学的发展起了极大的推动作用。牛顿力学的建立，是自然科学从自然哲学中分化出来的第一重大事件，实现了自然科学的第一次大综合，使人类对自然界的认识跨进了划时代的一大步。经典物理学的思想方法、定量规律及实验基础，使科学技术的发展摆脱了当时多少还带有经验式的、工匠式的、思辨色彩的落后状态，加快了科学技术的发展步伐，为第一次工业革命大规模发明和使用机械打下了基础。

17世纪，英国的资本主义生产大发展，采矿业，航海业甚至战争等的规模扩大都遇到了一定的困难。然而，它们都涉到动力机问题。从17世纪初已经有很多人着手这方面的工作，但都没取得重大进展。直到1698年，英国的赛维利（Thomas Savery,1650~1715）才研制成功实用的蒸汽水泵。1705年，英国的纽可门（Thomas Newcoman,1663~1729），发明了第一台蒸汽推动活塞工作的抽水机。瓦特（James Watt,1736~1819）对蒸汽机的改革取得了历史性的突破。1765年，他把蒸汽的冷凝过程安排在汽缸外进行，实现了汽缸的恒温。这是对原始蒸汽机的关键改革。蒸汽机的研制是以力学和热学为基础的。那时，对温度计、量热学（比热、潜热）、热传导及热的本质的研究等都取得了重大发展。

蒸汽技术革命引起了社会的全面变革，带来了社会生产力的极大飞跃，蒸汽技术应用在轮船上，开创了新航海时代；应用在机车上，开创了铁路运输的时代……技术的革命使得产业结构发生了巨大变化，机械制造业和加工业取代了农牧业而成为产业结构中核心支柱产业。

牛顿力学和蒸汽机的发明，使人类进入了机械化时代。

（2）

电磁理论的发现和建立, 使人类进入了电气化时代

第二次工业革命发生在十九世纪下半叶，它以电磁理论的建立和发展，电气技术开发和应用为基础，极大促进了社会生产力的发展，引起了社会经济结构和生产结构的巨大变革。同时，电磁场理论的发展拓展了科学研究领域，带动了一些新兴学科和相关交叉学科的发展。

历史上第一个对电磁现象进行系统研究的是英国的吉尔伯特（William Gilbert,1540~1603），但其研究停留于现象层面。此后一百多年，电和磁的研究非常缓慢。18 世纪，美国的富兰克林（Benjamin Franklin,1706~1806）证明了电的同一性，还定义了正负电荷，提出了电荷守恒定律。法国科学家库仑（Charles Augustin Coulomb,1736~1806）借助扭秤实验得到了静电作用的平方反比定律。1820年，丹麦的奥斯特（Hans Christian Oersted,1777~1851）发现了电流的磁效应，首次得出了电磁统一的思想。不久，法国的安培（Andre Marie Ampere,1775~1836）提出了电流相互作用的安培定律，为电动力学的创立作了开创性的工作。后来，英国的法拉弟（Michael Faraday,1791~1867）通过10年的努力，终于在1831年发现了电磁感应现象，并在实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了重要的理论基础和实验基础。麦克斯韦于1873年建立了经典电磁理论方程组——麦克斯韦方程组。其中，麦克斯韦提出了“涡旋电场”和“位移电流”假说，预言了电磁波的存在，算出了电磁波的传播速度，从理论上证明了光是一种电磁波。电磁理论发展到了一个辉煌的时期。10年后，德国的赫兹（Heinrich Hertz,1857~1894）在实验室实现了电磁波的发送和接收规律，还证明了电磁波的一系列光学性质，为麦克斯韦理论的确立给出了权威性的证明。这样就实现了物理学的第三次大综合即电、磁、光的综合。

电磁感应现象的发现奠定了电力工业最重要的基础；对电磁波运动规律的研究也是电讯技术发展所不可缺少的。19世纪80年代，欧洲各国的物理学家相继发明了交流发电机、变压器、交流感应电动机和输电系统。这些研究和发明, 为建造大容量电机，获得强大电力提供了技术上的可能性；实验室里成功的技术开发，引发了电力技术的广泛应用，导致第二次工业革命。在电力革命的过程中，电磁场理论规定着革命的方向，指导着电力系统技术体系的建立。事实再一次证实了科学包括物理学对生产力发展的先导作用。

（3）

量子理论与信息技术革命

信息革命始于20世纪40年代，以计算机问世为标志，目前方兴未艾。从1904年发明二极管起，到1946年世界上第一台电子管计算机研制成功止，是信息技术史上的“电子管时期”。1947年随着半导体晶体管问世，信息技术史进入了“晶体管时期”。此后，集成电路的发明，打破了电路与元件分离的传统观念，使电子设备微形化。经过大规模集成电路阶段后，超大规模集成电路又在迅猛发展。而计算机就是由这些物理元件组成的信息处理工具。

电子和信息技术具有物理基础。首先是1925年~1926年量子力学的建立。1926年费米—狄拉克统计法的提出，得知固体中的电子服从泡利原理。1927年Bloch(布洛赫)理论的建立，得知理想晶格中无电子散射。1928年Summerfield（索末菲）提出能带的猜想。1929年Peiels（派尔斯）提出禁带、空穴的猜想；Wilson（威尔逊）和Bloch从理论上解释了导体、绝缘体和半导体的性质和区别；Mott（茂特）和Jones（詹尼斯）用电子轰击、X射线发射和吸收等方法验证了

能带理论。1947年Bardeen，Shockley，Brattain发明晶体管。1957年Pippard测量了第一个费米面(铜的)；而后，剑桥学派建立费米面编目。1962年制成集成电路（IC）。 70年代中后期，制成大规模集成电路（LIC）；制成超大规模集成电路（VLIC）；集成度以每10年一千倍的速度增长;巨型机的向量运算超过每秒亿次；微机进入家庭。80年代以后智能计算机、光学计算机和量子计算机的研制取得一定成果，巨型机的运算速度已达数万亿次；网络时代随即到来，新物理技术，如光纤的应用，掀起了信息技术革命的又一次高潮。

（4）生物技术的物理学基础

20世纪的生命科学在物理学的基础上发生了革命性的变化，也就是DNA双螺旋结构的发现以及分子生物学的发展。在此过程中，物理学的概念与方法深入到生命科学领域。量子力学的创立者薛定谔，1944年写过《生命是什么》，这本书曾深刻地影响了一批物理学家和生物学家的思想，促成了分子生物学诞生出了三个基本的学派，这就是比德尔代表的化学学派,德尔布吕克代表的信息学派，以及肯德鲁代表的结构学派。物理学的X射线晶体衍射方式，为结构学派认识生物大分子的晶体结构提供了有力的手段。物理学家伽莫夫率先提出了三联体密码方案，有利地推动了信息学派的成长。1953年，美国生物学家沃森和英国化学家克里克发现了DNA的双螺旋结构。1954年，俄裔美国物理学家伽莫夫提出核苷酸三联体的遗传密码。1958年，克里克提出了遗传信息传递从DNA到RNA再到蛋白质的中心法则。1961年，法国生物学家雅各布和莫诺提出了基因的功能分类和调节基因的概念等等。在这以后，几乎所有对生命现象的研究，都深入到了分子水平，去寻找生命本质规律，分子生物学成为了生命现象研究的核心领域和发展生物技术原理的源泉。1970年，基因重组开辟了基因技术工程应用的可能性，从而使人类看到了运用生物技术造福人类的广阔前景。

综合以上论述，物理学自其诞生便作为一门能够不断改写和更新人类文明的学问而存在并不断丰富发展着；它对人类社会生产力的极大推动作用是每一位科学家有目共睹的。物理学不仅满足了人们探索未知世界的好奇心与求知欲，同时在其理论发展过程中对工业科技进步及其它自然科学发展潜移默化地起着举足轻重的作用。