物理概念与规律的含义

第一节　物理概念与规律的含义

一、物理概念的含义

物理概念是反映物理事物本质属性的一种思维形式，它是构成物理判断和进行物理推理的基本要素，也是物理知识的最基本的组成部分。一般而言，物理概念形成的过程，要经历对物理事物的感知，对事物的属性进行分析、综合、比较，舍弃它的非本质属性，抽象出它的本质属性，并把这种本质属性概括到同一类物理事物中去等几个阶段。物理概念包括其内涵和外延。

（一）物理概念的内涵

物理概念的内涵就是物理概念所反映的物理现象、物理过程的本质属性。这种本质属性使该物理事物区别于其他事物。物理概念的内涵也称为它的物理意义。物理概念大致上可以分为两类：一类是定性概念；另一类是不仅有“质”的属性，同时还有某种“量”的属性。定性物理概念的内涵反映了物理概念所反映的物理现象、物理过程具有某种“质”的属性。这类物理概念常用文字来定义。如质点的定义是“用来代替物体有质量的点”。因而，其特点是“具有质量”，但是忽略其大小和形状。它的质量就是它所代替物体的质量。这种定义概括出主要因素，忽略次要因素，从而将实际物体简化为物理模型。许多物理概念，如刚体、光线、理想气体等，也是这样加以定义的。物理概念“量”的属性指物理学的“量度方式”和“量度单位”。这类概念可以用一个可测量的量来表示，所以又称物理量。如速度、重力、温度、密度、比热、电阻等就是这种类型的物理量。这类物理量常常是利用计算式来定义。

（二）物理概念的分类

按照所反映事物的不同属性，物理量可以分为：

1.状态量与过程量

状态量是描述事物状态的物理量。研究对象处于某一状态，就有确定的量值。如速度、位置坐标是从运动学角度描述物体运动状态的物理量；动量、动能和势能是从动力学角度描述物体运动状态的物理量；压强、体积和温度是描述气体状态的物理量。过程量是描述物体运动或变化过程的物理量，如功是描写力对空间积累作用的物理量。力学中的冲量、热学中的热量等都是过程量。一般来说，不同的过程，具有不同的量值。

2.性质量和作用量

性质量是描写物体某种性质的量，如密度、劲度系数、比热容、电阻、电场强度、介电常数、磁感应强度、电容等等。作用量是描写物体之间相互作用才表现出来的物理量，如力、力矩、功、冲量等等。

3.微观量与宏观量

微观量是描述单个微观粒子的量，如分子或原子的质量、电量、速度，单个分子或原子的动能等等。宏观量是描述宏观物体或系统性质或状态的量。其中有些宏观量是描述大量分子、原子或大量基本粒子运动所表现出来的宏观性质。如气体的压强、温度、热容都是大量分子热运动的统计平均值。这些物理量对单个分子、原子是没有意义的。

4.矢量和标量

有些物理量既有大小又有方向，是矢量，如力、速度、加速度、动量、电场强度等等。矢量合成遵守几何学法则，即三角形法则或者平行四边形法则。只有大小、没有方向的量是标量，如时间、质量、功、能、电势、电流等等。标量的运算遵循代数学法则。

5.广延量与强度量

有些物理量，如质量、空间、时间等，具有可以直接相加的性质。如A、B物体的质量等于A物体的质量和B物体的质量之和。这类物理量在物理学中属于广延量。有些物理量，如温度、压强、密度等，不具有直接相加的性质。如不能把A的温度与B的温度之和说成是A、B物体的温度。这类物理量在物理学中属于强度量。

6.相对量和绝对量

凡是与选择参照物或坐标系有关的物理量都是相对量，如位移、速度、动量、动能、势能、功、电场强度、磁感应强度等等。凡与参照系选择无关的物理量都是绝对量，如各种普适恒量。

7.基本物理量和导出物理量

基本物理量是为描述物理学概念需要而选定的最基本的量。基本量不是用其他物理量定义的。基本物理量的数目是能融洽一致地描述物理学中所有各量所必需的最小数目。现有国际单位制（SI）中，有七个基本物理量，即长度、质量、时间、电流、热力学温度、发光强度和物质的量。它们的计量单位分别是米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉和摩尔。国际单位制还有两个辅助单位，即弧度和球面度。除了基本物理量之外还有导出物理量。导出物理量是以基本物理量为基础，按照某种定义或根据有关公式推导出来的物理量。因此一切导出量都可以用基本物理量的组合方式来表示。对某些SI导出单位，国际计量大会通过了专门的名称和符号。这些专门名称以及用它们表示其他导出单位更为方便、明确。如力的单位是kg・m/s²，为了纪念牛顿，把kg・m/s²称作“牛顿”，用符号N表示。此外，还有功率单位（1 W＝1J/s）是瓦特，符号是W；压强单位（1 Pa＝1 N/m²）是帕斯卡，符号是Pa等等。

（三）物理概念的外延

概念的外延是指概念所反映的属性那类事物的数量和范围。在物理学中，物理概念的外延通常就是物理概念的适用条件和范围。物理概念的适用范围是指概念所反映的事物在某一层次或某一范围具有的属性。如质点的外延，即物体可以看成质点的条件：如果在研究的问题中，某个物体的形状、大小及物体上各部分运动的差异是次要或不对研究产生影响，就可以把这个物体看做一个有质量的点。同一个物体有时可以看做质点，有时又不能看做质点，这要看具体的情况和研究目的。如在地球绕太阳的公转中，地球中任一点对太阳的位移、速度和加速度都略有差别，但地球半径远小于地球太阳间的距离，上述差别可以忽略不计，仍可视公转为质点运动。但研究地球的自转，地球内各点的位移、速度和加速度的方向及大小差别悬殊，不能忽略，地球就不能视为质点。有时一个物体可以看做质点，在另外一种情形下它的某个部分不能看成质点。如研究列车沿平直的轨道运动时，车厢各点的运动完全一样，可以用车上某一点的运动代表列车的运动。这时研究列车的运动可以把它当成质点。而研究列车车轮的运动时，就不能将列车的车轮看做质点。

二、物理规律的含义

（一）物理规律的含义

物理规律是反映物理现象、物理过程在一定条件下必然发生、发展和变化的内在本质联系。物理规律反映了各物理概念之间相互制约关系，反映在一定条件下某种物理过程的必然性。物理规律一般是在观察与实验的基础上，通过归纳推理、演绎推理、类比推理方法得到，并用文字以及其他符号加以表述的认知结果。

（二）物理规律的分类

中学物理知识体系是由基本的物理概念和物理规律组成的知识体系。中学物理规律主要包括物理定律、定理、原理、法则、公式等内容。物理定律、定理一般以内容或发现者命名。

1.物理定律

物理定律是人们在长期的实践中，通过对个别物理事物或过程的观察和实验，归纳得出物理事物的客观规律。也就是说，物理定律是由归纳推理而得到的，这种归纳推理是从个别事物的观察实验出发，通过推理得出的一般性结论，其正确性需要实验与实践的进一步检验。如牛顿运动定律、万有引力定律、动量守恒定律、法拉第电磁感应定律、光的折射定律等都在观察和实验的基础上，通过归纳推理的方法获得的。物理定律可以用文字表述，还可以用公式表述。如牛顿第一定律：任何物体都保持静止或匀速直线运动的状态，直到受到其他物体的作用力迫使它改变这种状态为止。又如楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。物理定律还可以用文字与公式结合来表示，如牛顿第二定律，其定律内容为：物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。公式表示为F＝ma。其他的物理定律，如牛顿第三定律、开普勒三定律、万有引力定律、机械能守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律、闭合电路欧姆定律、热力学三定律、库仑定律、法拉第电磁感应定律、光的反射折射定律等，都可以用文字与公式来表述。

2.物理定理

3.物理定则

物理定则是将物理规律中各个物理概念之间关系，为了某种目的（如便于记忆或理解）具体化为一些定则（或法则），从而使物理规律中各个概念之间的关系变得形象、鲜明。如左手定则：伸开左手，拇指与其余四指垂直，磁场方向垂直穿过手心（手心对N极，手背对S极），四指方向为电流方向，则拇指方向为导体受力方向。左手定则实际上是反映了磁场方向、电流方向以及导体受力方向三者之间的关系。这种关系借助于左手定则形象地加以表示。右手定则同样形象地反映了导体运动方向、磁感应强度方向与感生电流方向之间的关系。此外，平行四边形法则、三角形法则等都反映了物理矢量的运算关系。

4.物理方程或公式

物理方程或公式用数学工具将物理规律中各个物理量关系表示出来。如理想气体状态方程是描述理想气体处于平衡态时，压强、体积、物质的量、温度这些物理量之间的关系，即PV＝nRT。它是建立在波意耳－马略特定律、查理定律、盖－吕萨克定律等经验定律之上的。此外还有质能方程、光电效应方程、麦克斯韦方程组等都是用数学关系描述出相应的物理规律。

中学物理教学中，对物理规律的命名也并非完全与上述一致。有些定律发现时主要是通过实验等方法得到，但是在中学物理教学过程中，它们可以用已有的物理概念与规律等通过演绎推理而得到。这样得到的结论仍称为定律而不称为定理。如机械能守恒定律也可以通过演绎推理得到。根据动能定理，一方面重力对物体所做的功等于物体动能的增加；另一方面，通过重力做功与重力势能的关系，即重力对物体所做的功等于重力势能的减少。这两种情况重力做功是相同的，即可得到机械能守恒定律。

三、物理概念和规律的发展性

物理概念和规律的发展性是指人们对物理概念和规律的认识不是一蹴而就的，而是经历了由浅入深、去伪存真、由表及里的过程。这一认识过程随着物理学的发展会不断地深入。物理概念的发展性体现在概念内涵与外延的发展。例如对“力”的概念，从最初的“力气”、“力量”的认识，到“力是物体之间的相互作用”，经历了漫长的岁月。经过近代与现代物理学的发展，人们对力的概念又有新的认识。目前认为有四大相互作用力：万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力。可以肯定说，对力的概念的认识还会不断地发展。又如“光”的概念也经历了牛顿所主张的粒子说、惠更斯主张的波动说、麦克斯韦的电磁说、爱因斯坦的量子说及光的波粒二象性学说的漫长过程。事实上，任何一个物理概念的形成都经历了一个动态的、历史的过程，都有一个从感性到理性、从低级到高级发展和演变的过程。随着物理概念内涵的发展，外延也随之发展变化。此外，物理学开发新的领域研究也会产生新的概念。

物理规律的发展性是指随着人类认识的深入，人们对物理规律的认识也不断地发生变化。事实上，物理学研究要对原型进行建模，使得研究对象只是一种理想化的情形。同时，在物理观察和实验中，囿于仪器的精密程度、操作技术的准确程度，不可避免出现测量误差。因此，人们对物理事物和物理现象经过意义建构而得到的物理规律，只能近似地反映客观世界。另外，因为物理规律总是在一定范围内发现的，或在一定条件下推理得到，并且在有限领域内得到检验的，所以规律必然具有局限性。物理规律总是有它的适用范围和适用条件。物理规律具有近似性和局限性，说明它们不是绝对的、僵死不变的真理。随着人类认识能力不断增强、认识手段不断提高和认识方法不断改善，物理规律也会不断发展。