前 言

《物理学基本概念与基本定律溯源》是部大学物理教学参考书。

本书以一系列论文式的专题组成其独特的体系，不同于单纯的概述性体系。每篇论文构成一个独立的主题。陈述某一物理学概念是怎样形成的， 某一物理学定律是怎样得来的，或者某一物理学理论是怎样建立的。全书所选的 14 个主题均是高等院校普通物理学课程中的重点内容，包括力、热、电、光与近代物理等各个部分。作者从物理学史的角度，对这些概念的起源和定律的建立作了论述。

物理学中一些基本概念都有一个形成过程。例如能量是个守恒量这一概念就是人们对自然界各种运动形式相互转化长期认识的结果，从机械能守恒到得出能量守恒与转化定律其间经历了大约 150 年的时间。在这些概念的形成过程中，包含了大量丰富多彩的内容。但是现有的物理学教材基本上是按演绎法编写的，能量概念是从推导动能定理中引进的，舍弃了历史发展过程中那些生动具体的细节，内容较为枯燥。本书从掌握概念的需要出发，对教学中一些重要而又难于理解的概念，如“熵”、“感生电场”、“位移电流”、“同时性的相对性”、“波粒二象性”等等，着力揭示它们的孕育和发展的历史脉络，使学生对其物理实质有较深入的理解。

在物理学概念形成的过程中曾经有过曲折与反复、分歧与斗争、停滞与突破。把这些过程介绍给学生，可使学生有身临其境的参与感，而且从正反两方面的对比中更能加深对概念的理解。例如力学和电学中超距作用和近距作用之争；热学中热的运动说和热质论之争：光学中波动说和粒子说之争；近代物理中在对波函数的物理解释上爱因斯坦与哥本哈根学派之争等。在现有的物理教材中往往缺乏这些两种物理学说论战史的介绍，常会造成一种物理学中无矛盾的假象，使学生难于从理性思维的高度把握本门学科的发展，也难于启发学生创造性的思维能力。本书力图弥补教材的这种不足。

本书以物理学家的原始论文为依据，在介绍物理定律建立的过程中， 努力揭示物理学家的研究思路、创造性工作的特点以及所运用的研究方法，使学生可以从中受到丰富的科学方法论的教益与启迪。例如在发现万有引力定律的过程中，牛顿所采用的抽象简化、建立理想模型的方法就起了非常重要的作用。我们知道宇宙系统是一个多元的复杂系统，每个星体都是一个引力中心，都有一定的形状和大小，每个行星既不完全在椭圆上运动，也不在同一轨道上旋转两次，正如牛顿所说：“同时考虑所有这些运动之起因，是整个人类智力所不能胜任的。”牛顿采用简化模型的方法： 从圆运动到椭圆运动；从质点到球体；从单体问题到两体问题。每次将他的理想模型与实际比较，再适当加以修正，最后使物理模型与物理世界基本符合。现有的物理教材所强调的是逻辑推理方法，对于在实际的科学发现中物理学家所使用的创造性思维方法，如物理类比、理想模型、理想实验、科学想像、科学直觉、试探猜测等等，都很少介绍，这就不利于发展学生的能力和培养开创性的人材。

全部物理学史告诉我们，新的物理概念和物理观念的确立是人类认识史上的一个飞跃，只有冲破旧的传统观念的束缚才能得以问世。例如，普朗克的能量子假设是在突破了“能量连续变化”的传统观念的基础上建立

的。同样，狭义相对论也是爱因斯坦在突破了传统的时空观念束缚的基础上建立的。这个思想发展的历程并不是一帆风顺的，而是经过不少思想上的曲折、困惑、疑虑、矛盾斗争，有时甚至动摇退却。在现有的物理教材中一般只把这一认识的结果，又是经过后人多次消化了的材料介绍给学生，使学生较难体会到科学工作者正确的科学观与世界观、科学素质与革命气质对科学发展的重要作用。本书努力于揭示物理学家这一心理发展过程，使读者从他们的成功与失败的经验教训中获得启示与鉴戒。

在编写本书的过程中得到了我校物理系教授张三慧、秦明华、徐亦庄、张泽瑜和副教授王以炳的热情帮助和具体指导，他们分别审阅了部分论文初稿，并提出了中肯的意见。国内物理史学界邹延肃、申先甲、杨福征等先生审阅了本书的初稿并提出了宝贵的意见。复旦大学物理系 85 年举办的量子物理史讲习班以及他们提供的参考资料对本书的编写也有不少帮助， 作者在此一并表示衷心的感谢。

向义和1992.7