物理规律多样性表述事例其

从物理学的发展可以看出,人类对自然规律的认识经历了漫长的过程.由于不同时期、不同物理学家个人的局限性,提出了适应自己认识自然的概念体系、并建立了该阶段物理理论,这些理论我们可以称之为有效理论.由于不同科学家对自然规律的认识角度、认识深度等方面的不同,对同一物理现象将会得出自己的结论.这在客观上就形成了物理理论的不同表述.下面针对力学、热力学第二定律、黑体辐射规律、粒子波粒二象性、量子力学、最小作用原理等规律的表述进行分析讨论.

1.力学

经典物理的理论力学按照研究方法不同可分为：牛顿力学、分析力学.牛顿力学与分析力学是两套平行的力学理论体系,他们用不同的数学语言表达了机械运动的同一客观规律.

1.1 牛顿力学

牛顿力学把系统中每个质点或刚体作为研究对象,然后根据研究对象的不同,分别建立不同形式的动力学方程.系统中各研究对象的位置和运动之间的联系则通过附加方程来体现.当力学体系受有约束时,还需补充约束方程,约束越多,需要求解的方程越多.

1.2 分析力学

分析力学把系统作为一个整体来处理,所以动力学方程描述了整个系统的运动规律.动力学方程的形式不随广义坐标的选取而发生变化.

1.3 分析

从理论上看,牛顿力学是从物体受力的角度导出其动力学方程的,分析力学则是从能量的角度来导出其动力学方程的.力仅是力学范围内的一个物理量,而能量则是整个物理学的一个基本物理量.分析力学通过虚位移原理、拉格朗日方程、最小作用原理,把全部力学建立在能量不灭原理基础之上,从而为现代力学奠定了基础.同牛顿力学相比,分析力学的表述方法具有更大的普遍性,在解决许多复杂的力学问题时具有独特的优越性.哈密顿原理更是深刻揭示了客观事物之间的紧密联系,把力学原理归结成了一般的形式,不仅给出了解决力学问题的统一的观点和方法,而且成为新的科学研究的起点,为自然科学的发展提供了新的思路.分析力学在量子力学和相对论力学中都有重要应用.分析力学特性充分表明了它的重要性和生命力.分析力学架起了通往近代物理的桥梁,成为处理整个物理学领域的方法.

2.热力学第二定律

2.1 克劳修斯表述

不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生其它影响.

2.2 开尔文的表述

不可能从单一热源吸热,使之完全变成有用功而不产生其它影响.

2.3 熵增加定律

任何物理过程中各个参与者的总熵必定不会减少.

2.4 微观表述

一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行的.

2.5 分析

热力学第二定律的克劳修斯表述和开尔文表述,从表面上看互不相干,其实是等效的.它们表述了功变热和热传导两种典型的热现象的不可逆性.自然中一切不可逆过程都存在内在联系,可以从一个不可逆过程推导另一个不可逆过程,而且这些不可逆过程完全是等效的,可以任选一种不可逆过程作为热力学第二定律的表述,所以热力学第二定律有多种表述方式,不论采用何种表述方式,其实质都是揭示热现象过程的不可逆性.

3.黑体辐射规律

科学家对黑体辐射的能量密度分布实验研究得知：当黑体热平衡时,其辐射能量密度按波长分布的曲线形状和位置,仅与黑体的绝对温度有关,而与空腔的形状和组成物质无关.

3.1 瑞利-金斯公式(经典公式)

1900年,英国物理学家瑞利利用统计力学与经典电磁理论推导出一个经典分布公式,后由美国物理学家金斯于1905年对它作了修改,即瑞利-金斯公式.与实验图线的对比,显示瑞利-金斯公式仅在长波部分与实验相符,而在短波部分与实验极其不符.并且在波长较短时,能量密度趋向无穷大,这即是物理学史上的“紫外区灾难”.

3.2 维恩公式(经典公式)

1896年,德国物理学家维恩通过热力学的讨论,得出一个半经验的能量密度分布公式.与实验曲线对比,显示维恩公式仅在短波部分与实验结果相符.

3.3 普朗克黑体辐射公式

1900年,德国物理学家普朗克引进能量子概念提出了与实验结果符合得很好的黑体辐射公式——普朗克黑体辐射公式.

3.4 分析

普朗克黑体辐射公式,当辐射频率较低时,可简化为瑞利-金斯公式；当辐射频率较高,可简化为维恩公式.

从黑体辐射规律的研究过程可以看出,如果在科学研究中,对同一现象的描述不能得到符合整体的结论,那结论只是近似的、经验的结论.由于自然的简单性、统一性,如果我们研究得出的结论不能简单地、统一地解释自然现象,说明结论不能反映自然现象的内在联系,还需建立新的概念体系,才可能找到符合物理规律的正确理论.

4.波粒二象性

4.1 光的波粒二象性

牛顿提出了光的微粒说；托马斯扬利用“双缝”实验观察到光的干涉图案,证明光具有波动性.爱因斯坦在普朗克的量子检测说基础上,提出光量子检测说,得出光的波粒二象性结论.

4.2 实物粒子的波粒二象性

德布罗意从几何光学与经典力学的相似性出发,根据类比的方法,提出微观粒子具有波粒二象性.实物粒子都是粒子性和波动性的对立统一体.

4.3 分析

20世纪前的光的微粒说、波动说与现代物理学的光具有波粒二象性,只是概念的名称相同而已.现在我们知道：光既不是经典的机械波,也不是经典的实物粒子,更不是两者的混合.实物粒子具有波动性,这里说的波也不是经典的机械波,是物质波,是具有新物理含义的全新物理概念.实物粒子的波粒二象性(包括光子)是在新概念建立后更高层次上、赋予新内涵的对立统一规律.

5.量子力学

量子力学有两种表述方式,即波动力学表述方式和矩阵力学表述方式.

5.1 矩阵力学

1925年,海森伯提出微观粒子的不可观察的力学量,如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算(矩阵法则)来表示.随后他与玻恩、约当合作,建立了矩阵力学.