物理是研究物質結構、物質相互作用和運動規律的自然科學。是一門以實驗為基礎的自然科學，物理學的一個永恆主題是尋找各種序（orders）、對稱性（symmetry）和對稱破缺（symmetry-breaking）10、守恆律（conservation laws）。
物理學是研究宇宙間物質存在的基本形式、性質、運動和轉化、內部結構等方面，從而認識這些結構的組成元素及其相互作用、運動和轉化的基本規律的科學。物理學的各分支學科是按物質的不同存在形式和不同運動形式劃分的。人對自然界的認識來自於實踐，隨著實踐的擴展和深入，物理學的內容也在不斷擴展和深入。
基本介紹
- 中文名：學科教材教法
- 外文名：Subject teaching
- 相關學科：物理
- 物理學分類：力學，光學，熱學
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物理學分類
力學
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高壓物理學 金屬物理學 表面物理學
物理學的經典
經典力學
經典力學是研究巨觀物體做低速機械運動的現象和規律的學科。巨觀是相對於原子等微觀粒子而言的；低速是相對於光速而言的。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。人們日常生活直接接觸到的並首先加以研究的都是巨觀低速的機械運動。
牛頓深入研究了這些經驗規律和初步的現象性理論，發現了巨觀低速機械運動的基本規律，為經典力學奠定了基礎。亞當斯根據對天王星的詳細天文觀察，並根據牛頓的理論，預言了海王星的存在，以後果然在天文觀察中發現了海王星。於是牛頓所提出的力學定律和萬有引力定律被普遍接受了。
在經典力學中，力學系統的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發展表明，任何一個孤立的物理系統，無論怎樣變化，其總能量和總動量數值是不變的。這種守恆性質的適用範圍已經遠遠超出了經典力學的範圍，現在還沒有發現它們的局限性。
早在19世紀，經典力學就已經成為物理學中十分成熟的分支學科，它包含了豐富的內容。例如：質點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經典力學的套用範圍，涉及到能源、航空、航天、機械、建築、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。當然，工程技術問題常常是綜合性的問題，還需要許多學科進行綜合研究，才能完全解決。
熱學、熱力學和經典統計力學
熱學是研究熱的產生和傳導，研究物質處於熱狀態下的性質及其變化的學科。人們很早就有冷熱的概念。對於熱現象的研究逐步澄清了關於熱的一些模糊概念(例如區分了溫度和熱量)，並在此基礎上開始探索熱現象的本質和普遍規律。關於熱現象的普遍規律的研究稱為熱力學。到19世紀，熱力學已趨於成熟。
物體有內部運動，因此就有內部能量。19世紀的系統實驗研究證明：熱是物體內部無序運動的表現，稱為內能，以前稱作熱能。19世紀中期，焦耳等人用實驗確定了熱量和功之間的定量關係，從而建立了熱力學第一定律：巨觀機械運動的能量與內能可以互相轉化。就一個孤立的物理系統來說，不論能量形式怎樣相互轉化，總的能量的數值是不變的，因此熱力學第一定律就是能量守恆與轉換定律的一種表現。
深入研究熱現象的本質，就產生了統計力學。統計力學套用數學中統計分析的方法，研究大量粒子的平均行為。統計力學根據物質的微觀組成和相互作用，研究由大量粒子組成的巨觀物體的性質和行為的統計規律，是理論物理的一個重要分支。
在一定時期內，人們對客觀世界的認識總是有局限性的，認識到的只是相對的真理，經典力學和以經典力學為基礎的經典統計力學也是這樣。經典力學套用於原子、分子以及巨觀物體的微觀結構時，其局限性就顯示出來，因而發展了量子力學。與之相應，經典統計力學也發展成為以量子力學為基礎的量子統計力學。
經典電磁學、經典電動力學
經典電磁學是研究巨觀電磁現象和客觀物體的電磁性質的學科。人們很早就接觸到電和磁的現象，並知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發現電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連線線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發現電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發現電和磁之間的聯繫。
19世紀前期，奧斯特發現電流可以使小磁針偏轉。而後安培發現作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之後，法拉第又發現，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯繫。
在電和磁之間的聯繫被發現以後，人們認識到電磁力的性質在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產生電力線，並在此基礎上產生了電磁場的概念。
事實上，發電機無非是利用電動力學的規律，將機械能轉化為電磁能：電動機無非是利用電動力學的規律將電磁能轉化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經典電磁學和經典電動力學發展的產物。經典電動力學對生產力的發展起著重要的推動作用，從而對社會產生普遍而重要的影響。
光學和電磁波
光學研究光的性質及其和物質的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長範圍在電磁波中只占很窄的一個波段，但是早在人們認識到光是電磁波以前，人們就對光進行了研究。
17世紀對光的本質提出了兩種假說：一種假說認為光是由許多微粒組成的；另一種假說認為光是一種波動。19世紀在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現象，以後的實驗證明光是電磁波。20世紀初又發現光具有粒子性，人們在深入入研究微觀世界後，才認識到光具有波粒二象性。
光學方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結構的非常有效的方法。利用光的干涉效應可以進行非常精密的測量。物質所放出來的光攜帶著關於物質內部結構的重要信息，例如：原子所放出來原子光譜的就和原子結構密切相關。
在經典電磁學的建立與發展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學其後的發展中，場成了非常基本、非常普遍的概念。在現代物理學中，場的概念已經遠遠超出了電磁學的範圍，成為物質的一種基本的、普遍的存在形式。
狹義相對論和相對論力學
在經典力學取得很大成功以後，人們習慣於將一切現象都歸結為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以後，人們假設存在一種名叫“以太”的媒質，它瀰漫於整個宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動，沒有質量，對物體的運動不產生任何阻力，也不受萬有引力的影響。可以將以太作為一個絕對靜止的參照系，因此相對於以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。
在慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應該隨著波的傳播方向而改變。但實驗表明，在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關。特別是麥可遜和莫雷進行的非常精確的實驗，可靠地證明了這一點。這一實驗事實顯然同經典物理學中關於時間、空間和以太的概念相矛盾。愛因斯坦從這些實驗事實出發，對空間、時間的概念進行了深刻的分析，提出了狹義相對論，從而建立了新的時空觀念。
狹義相對論的基本假設是：
時間簡史
時間簡史①在一切慣性參照系中，基本物理規律都一樣，都可用同一組數學方程來表達；
②對於任何一個光源發出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結果都相等。
在狹義相對論中，空間和時間是彼此密切聯繫的統一體，空間距離是相對的，時間也是相對的。因此尺的長短，時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中，並不是一切都是相對的。
相對論力學的另一個重要結論是：質量和能量是可以相互轉化的。假使質量是物質的量的一種度量，能量是運動的量的一種度量，則上面的結論：物質和運動之間存在著不可分割的聯繫，不存在沒有運動的物質，也不存在沒有物質的運動，兩者可以相互轉化。這一規律己在核能的研究和實踐中得到了證實。
當物體的速度遠小於光速時，相對論力學定律就趨近於經典力學定律。固此在低速運動時，經典力學定律仍然是很好的相對真理，非常適合用來解決工程技術中的力學問題。
狹義相對論對空間和時間的概念進行了革命性的變革，並且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的恃殊形式。由於空間和時間是物質存在的普遍形式，因此狹義相對論對於物理學產生了廣泛而又深遠的影響。
廣義相對論和萬有引力的基本理論
狹義相對論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產生和到達是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對牛頓的萬有引力定律也要加以改造。
改造的關鍵來自厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質量和引力質量相等，固此不論行星的質量多大多小，只要在某一時刻它們的空間坐標和速度都相同，那末它們的運行軌道都將永遠相同。這個結論啟發了愛因斯坦構想：萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現，從而提出了廣義相對論。
根據廣義相對論，空間、時間的彎曲結構決定於物質的能量密度、動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結構又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲度很小情況下，廣義相對論的結論同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的結論趨於一致；當引力較強，空間、時間彎曲較大的隋況下，就有區別。不過這種區別常常很小，難以在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現在，還只有四種實驗能檢驗出這種區別。
廣義相對論不僅對於天體的結構和演化的研究有重要意義，對於研究宇宙的結構和演化也有重要意義。
原子物理學、量子力學、量子電動力學
原子物理學研究原子的性質、內部結構、內部受激狀態，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恆不變的物質最終單元。
1897年湯姆遜發現了電子，使人們認識到原子是具有內部結構的粒子。於是，經典物理學的局限性進一步的暴露出來了。為此，德國科學家普朗克提出了同經典物理學相矛盾的假設：光是由一粒一粒光子組成的。這一假設導出的結論和黑體輻射及光電效應的實驗結果符合。於是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現了。
1911年，盧瑟福用粒子散射實驗發現原子的絕大部分質量，以及內部的正電荷集中在原子中心一個很小的區域內，這個區域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內部結構得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。
原子物理學的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛丁格、狄里克萊等所創建的量子力學和量子電動力學。它們與經典力學和經典電動力學的主要區別是：物理量所能取的數值是不連續的；它們所反映的規律不是確定性的規律，而是統計規律。
套用量子力學和量子電動力學研究原子結構、原子光譜、原子發射、吸收、散射光的過程，以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉化過程非常成功，理論結果同最精密的實驗結果相符合。
量子力學和量子電動力學產生於原子物理學的研究，但是它們起作用的範圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現象所遵循的規律，固此不僅套用於原子物理，也套用於分子物理學、原子核物理學以及巨觀物體的微觀結構的研究。量子電動力學則是所有微觀電磁現象所必須遵循的規律，直到現在，還沒有發現量子電動力學的局限性。
量子統計力學
量子力學為基礎的統計力學，稱為量子統計力學。經典統計力學以經典力學為基礎，因而經典統計力學也具有局限性。例如：隨著溫度趨於絕對零度，固體的熱也趨於零的實驗現象，就無法用經典統計力學來解釋。
根據微觀世界的這些規律改造經典統計力學，就得到量子統計力學。套用量子統計力學就能使一系列經典統計力學無法解釋的現象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱窖、固體中的電子為什麼對比熱的貢獻如此小等等，都得到了合理的解釋。
固體物理學
固體物理學是研究固體的性質、它的微觀結構及其各種內部運動，以及這種微觀結構和內部運動同固體的巨觀性質的關係的學科。固體的內部結構和運動形式很複雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內部結構簡單，而且具有明顯的規律性，較易研究。以後進一步研究一切處於凝聚狀態的物體的內部結構、內部運動以及它們和巨觀物理性質的關係。這類研究統稱為凝聚態物理學。
固體物理對於技術的發展有很多重要的套用，電晶體發明以後，積體電路技術迅速發展，電子學技術、計算技術以至整個信息產業也隨之迅速發展。其經濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學也是材料科學的基礎。
原子核物理學
原子核是比原子更深一個層次的物質結構。原子核物理學是研究原子核的性質，它的內部結構、內部運動、內部激髮狀態、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程的學科。
在原子核被發現以後，曾經以為原子核是由質子和電子組成的。1932年，英國科學家查德威克發現了中子，這才使人們認識到原子核可能具有更複雜的結構。
原子核主要由強相互作用將核子結合而成，當原子核的結構發生變化或原子核之間發生反應時，要吸收或放出很大的能量。一些很重的原子核(如鈾原子核)在吸收一個中子以後，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二十到三十中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出巨大的能量。這種原子核熔合過程叫作聚變。
高能物理研究發現，核子還有內部結構。原子核結構是一個比原子結構更為複雜的研究領域，目前，已有的關於原子核結構，原子核反應和衰變的理論都是模型理論，其中一部分相當成功地反映了原子核的客觀規律。
電漿物理學
電漿物理是研究電漿的形成及其各種性質和運動規律的學科。宇宙間的大部分物質處於電漿狀態。例如：太陽中心區的溫度超過一千萬度，太陽中的絕大部分物質處於電漿狀態。地球高空的電離層也處於電漿狀態。19世紀以來對於氣體放電的研究、20世紀初以來對於高空電離層的研究，推動了電漿的研究工作。從20世紀50年代起，為了利用輕核聚變反應解決能源問題，促使電漿物理學研究蓬勃發展。
粒子物理學
目前對所能探測到的物質結構最深層次的研究稱為粒子物理學，又稱為高能物理學。在20世紀20年代末，人們曾經認為電子和質子是基本粒子，後來又發現了中子。在宇宙射線研究和後來利用高能加速器進行的實驗研究中，又發現了數以百計的不同種類的粒子。這些粒子的性質很有規律性，所以現在將基本兩字去掉，統稱為粒子。
弱相互作用也有其獨特的性質。它的基本規律對於左和右，正、反粒子，過去和未來都是不對稱的。弱相互作用的不對稱就是李政道和楊振寧在1956年所預言，不久在實驗上為吳健雄所證實的宇稱在弱相互作用中的不守恆。
在量子場論中，各種粒子均用相應的量子場來反映。空間、時間中每一點的量子場均以算符來表示，稱為場算符。這些場算符滿足一定的微分方程和對應關係或反對應關係。量子場的確既能反映披粒二象性，又能反映粒子的產生和消滅，還能自然地反映正、反粒子配成對的現象。
物理學同其他自然科學和技術之間的關係
物質的各種存在形式和運動形式之間普遍存在著聯繫。隨著學科的發展，這種聯繫逐步顯示出來。物理學也和其他學科相互滲透，產生一系列交叉學科，如：化學物理、生物物理、大氣物理、海洋物理、地球物理、天體物理等等。
數學對物理學的發展起了重要的作用，反過來物理學也促進數學的發展。在物理學的基礎性研究過程中，形成和發展出來的基本概念、基本理論、基本實施手段和精密的測試方法，已成為其他許多學科的重要組成部分，並產生了良好的效果。這對於天文學、化學、生物學、地學、醫學、農業科學都是如此。
物理學研究的重大突破導致生產技術的飛躍已經是歷史事實。反過來，發展技術和生產力的要求，也有力地推動物理學研究的發展，固體物理、原子核物理、電漿物理、雷射研究、現代宇宙學等之所以迅速發展，是和技術及生產力發展的要求分不開的。
歷屆諾貝爾物理學獎獲得者
1901年 威爾姆·康拉德·倫琴（德國人）發現X 射線
喬治·斯穆特
喬治·斯穆特研究磁場對輻射的影響
1903年 安東尼·亨利·貝克勒爾（法國人）
發現物質的放射性
從事放射性研究
1904年 J.W.瑞利（英國人）
從事氣體密度的研究並發現氬元素
1905年 P.E.A.雷納爾德（德國人）
從事陰極線的研究
1906年 約瑟夫·約翰·湯姆生（英國人）
對氣體放電理論和實驗研究作出重要貢獻
1907年 A.A.麥可遜（美國人）
發明了光學干涉儀並且藉助這些儀器進行光譜學和度量學的研究
1908年 加布里埃爾·李普曼（法國人）
發明了彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）
1909年 伽利爾摩·馬可尼（義大利人）、 K . F. 布勞恩（德國人）
開發了無線電通信
O.W.理查森（英國人）
從事熱離子現象的研究，特別是發現理查森定律
1910年 翰尼斯·迪德里克·范德華（荷蘭人）
從事氣態和液態議程式方面的研究
1911年 W.維恩（德國人）
發現熱輻射定律
1938年 E.費米（義大利人）
發現中子轟擊產生的新放射性元素並發現用慢中子實現核反應
1939年 E.O.勞倫斯（美國人）
發明和發展了回旋加速器並以此取得了有關人工放射性等成果
1940年 1942年 未頒獎
1943年 O.斯特恩（美國人）
開發了分子束方法以及質子磁矩的測量
1944年 I.I.拉比（美國人）
發明了著名氣核磁共振法
1945年 沃爾夫岡·E.泡利（奧地利人）
發現不相容原理
1946年 P.W.布里奇曼（美國人）
發明了超高壓裝置，並在高壓物理學方面取得成就
1947年 E.V.阿普爾頓（英國人）
從事大氣層物理學的研究，特別是發現高空無線電短波電離層（阿普爾頓層）
1948年 P.M.S.布萊克特（英國人）
改進了威爾遜雲霧室方法，並由此導致了在核物理領域和宇宙射線方面的一系列發現
1949年 湯川秀樹（日本人）
提出核子的介子理論，並預言介子的存在
