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物理学 | 本质 / 体系 / 应用 / 教育启示

news 来源：原创 2025/6/17 11:31:40

注：本文为“物理学”相关合辑。

英文引文，机翻未校。
中文引文，略作重排。
如有内容异常，请看原文。

Unlocking the Secrets of Physics: Exploring its Essence and Mechanisms

解锁物理学的秘密：探索其本质与机制

Understanding Physics: The Foundation of Natural Science

理解物理学：自然科学的基础

Introduction to Physics

物理学导论

Physics, the fundamental science that seeks to understand the universe’s underlying principles and phenomena, offers a captivating journey into the heart of nature’s mysteries.
物理学是一门基础科学，致力于探索宇宙的基本原理和现象，它带领我们踏上一场深入自然奥秘核心的迷人之旅。

At its core, physics delves into the fundamental aspects of matter, energy, space, and time, unraveling the intricate relationships that govern the cosmos.
物理学的核心在于研究物质、能量、空间和时间的基本特性，揭示支配宇宙的复杂关系。

From the microscopic world of subatomic particles to the vast expanses of the cosmos, physics provides a unified framework for comprehending the workings of the universe and everything within it.
从微观的亚原子粒子世界到浩瀚的宇宙空间，物理学为理解宇宙及其内部一切事物的运行机制提供了一个统一的框架。

One of the central themes in physics is the quest to uncover the fundamental forces and laws that govern the behavior of matter and energy.
物理学的一个核心主题是探索支配物质和能量行为的基本力和定律。

From Isaac Newton’s laws of motion to Albert Einstein’s theory of relativity, physicists have strived to formulate comprehensive theories that describe the fundamental interactions of the universe.
从艾萨克・牛顿的运动定律到阿尔伯特・爱因斯坦的相对论，物理学家们一直致力于构建能够描述宇宙基本相互作用的全面理论。

These theories not only provide insights into the behavior of objects on Earth but also shed light on the nature of space, time, and gravity on cosmic scales.
这些理论不仅揭示了地球上物体的行为规律，还阐明了宇宙尺度上空间、时间和引力的本质。

Isaac Newton

艾萨克・牛顿

In the early 20th century, Albert Einstein revolutionized the field with his theory of relativity, fundamentally altering our perception of space, time, and gravity.
在 20 世纪初，阿尔伯特・爱因斯坦凭借其相对论彻底改变了物理学领域，从根本上改变了我们对空间、时间和引力的认知。

Einstein’s contributions, along with the advent of quantum mechanics, which explores the behavior of particles at the atomic and subatomic levels, have propelled physics into new realms of discovery.
爱因斯坦的贡献，加上量子力学的出现 —— 量子力学研究原子和亚原子水平上粒子的行为 —— 推动物理学进入了新的探索领域。

Albert Einstein

阿尔伯特・爱因斯坦

Physics is not a monolithic discipline but encompasses various subfields, each focusing on specific phenomena.
物理学并非单一的学科，而是涵盖了多个子领域，每个子领域都专注于特定的现象。

Classical mechanics deals with the motion of bodies under the influence of forces, while electromagnetism explores the interactions between electric and magnetic fields.
经典力学研究物体在力的作用下的运动，而电磁学则研究电场和磁场之间的相互作用。

Thermodynamics examines the principles governing heat and energy transfer, whereas quantum mechanics delves into the probabilistic nature of particles at the smallest scales.
热力学研究支配热量和能量传递的原理，而量子力学则深入研究最小尺度上粒子的随机性质。

Relativity, both special and general, addresses the fabric of spacetime and gravitational effects.
狭义相对论和广义相对论则研究时空结构和引力效应。

The significance of physics extends beyond theoretical exploration.
物理学的意义远不止于理论探索。

It serves as a cornerstone for technological advancements, from the development of semiconductors and quantum computers to the exploration of space.
它为技术进步奠定了基石，从半导体和量子计算机的开发到太空探索。

By unraveling the fundamental principles governing our universe, physics not only enhances our scientific knowledge but also paves the way for innovations that transform our everyday lives.
通过揭示支配我们宇宙的基本原理，物理学不仅丰富了我们的科学知识，还为改变我们日常生活的创新铺平了道路。

Applications and Importance of Physics

物理学的应用与重要性

Physics, as a cornerstone of natural science, extends far beyond theoretical constructs and deeply influences various aspects of our daily lives.
作为自然科学的基石，物理学远远超出了理论构建的范畴，深刻影响着我们日常生活的各个方面。

Its practical applications are diverse, permeating numerous industries and driving innovation across multiple domains.
其实际应用广泛，渗透到众多行业，并推动了多个领域的创新。

One of the most profound impacts of physics is observed in the medical field.
物理学最深远的影响之一体现在医学领域。

Technologies such as Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Computed Tomography (CT) scans rely heavily on the principles of physics to provide detailed images of the human body, aiding in accurate diagnosis and treatment of medical conditions.
像磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）这样的技术，严重依赖物理学原理来提供人体的详细图像，从而帮助准确诊断和治疗疾病。

These advanced imaging techniques are indispensable in modern healthcare, showcasing how physics underpins vital medical advancements.
这些先进的成像技术在现代医疗保健中不可或缺，展示了物理学如何支撑关键的医学进步。

In the realm of renewable energy, physics plays a critical role in the development and optimization of sustainable power solutions.
在可再生能源领域，物理学在开发和优化可持续能源解决方案中发挥着关键作用。

Solar panels, for instance, operate on the principles of photovoltaics, converting sunlight into electricity through semiconductor materials.
例如，太阳能电池板基于光伏原理运行，通过半导体材料将阳光转化为电能。

Similarly, wind turbines harness kinetic energy from wind, transforming it into mechanical energy through physical principles.
同样，风力涡轮机利用物理原理，将风的动能转化为机械能。

These technologies are essential in the global effort to mitigate climate change and reduce dependency on fossil fuels, illustrating the importance of physics in fostering environmental sustainability.
这些技术在全球应对气候变化和减少对化石燃料依赖的努力中至关重要，展示了物理学在促进环境可持续性方面的重要性。

Transportation and communication technologies are also profoundly influenced by physics.
交通运输和通信技术也深受物理学的影响。

The principles of aerodynamics, electromagnetism, and quantum mechanics have led to significant advancements in these fields.
空气动力学、电磁学和量子力学的原理推动了这些领域的重大进步。

For example, the efficiency of modern aircraft is greatly enhanced by understanding and applying aerodynamic principles, while fiber optic communication relies on the transmission of light through optical fibers, a concept grounded in the physics of light.
例如，现代飞机的效率通过理解和应用空气动力学原理得到了极大提升，而光纤通信则依赖于光在光纤中的传输，这一概念基于光的物理学原理。

These innovations have revolutionized how we travel and communicate, making them faster, safer, and more efficient.
这些创新彻底改变了我们的出行和通信方式，使它们更快、更安全、更高效。

Moreover, physics is instrumental in addressing global challenges and driving scientific and technological progress.
此外，物理学在应对全球挑战和推动科学技术进步方面发挥着重要作用。

From developing new materials and energy - efficient technologies to enhancing computational methods and understanding the universe’s fundamental forces, physics provides the foundation for countless innovations.
从开发新材料和节能技术到改进计算方法和理解宇宙的基本力，物理学为无数创新奠定了基础。

As we continue to face complex global issues, a deep understanding of physics will be crucial in devising effective solutions and fostering a sustainable future for all.
随着我们继续面临复杂的全球问题，深入理解物理学对于制定有效的解决方案和为所有人创造可持续的未来至关重要。

The essence of physics lies in its ability to answer fundamental questions about the nature of reality.
物理学的本质在于它能够回答关于现实本质的基本问题。

By studying the behavior of particles, waves, and fields, physicists seek to understand the origin of the universe, the nature of dark matter and dark energy, and the fundamental building blocks of matter itself.
通过研究粒子、波和场的行为，物理学家试图理解宇宙的起源、暗物质和暗能量的性质以及物质本身的最基本构成单元。

Through experiments conducted at particle accelerators, observatories, and laboratories around the world, physicists continue to push the boundaries of knowledge, uncovering new phenomena and refining our understanding of the cosmos.
通过在世界各地的粒子加速器、天文台和实验室进行的实验，物理学家不断拓展知识的边界，发现新的现象并完善我们对宇宙的理解。

Moreover, physics plays a crucial role in driving technological innovation and shaping the modern world.
此外，物理学在推动技术创新和塑造现代世界方面发挥着关键作用。

From the invention of the transistor to the development of quantum computers, many of the technologies that define the 21st century have their roots in fundamental physics research.
从晶体管的发明到量子计算机的开发，许多定义 21 世纪的技术都源于基础物理研究。

By harnessing the principles of electromagnetism, thermodynamics, and quantum mechanics, physicists have revolutionized fields such as telecommunications, computing, medicine, and renewable energy.
通过利用电磁学、热力学和量子力学的原理，物理学家彻底改变了电信、计算、医学和可再生能源等领域。

In essence, physics is not merely a scientific discipline but a profound exploration of the universe’s inner workings and the fundamental laws that govern its behavior.
本质上，物理学不仅仅是一门科学学科，而是对宇宙内部运作和支配其行为的基本规律的深刻探索。

By unraveling the secrets of physics, we gain deeper insights into the nature of reality and our place within it, empowering us to unlock new frontiers of knowledge and shape the future of humanity.
通过揭示物理学的秘密，我们能够更深入地理解现实的本质以及我们在其中的位置，从而赋予我们解锁新知识前沿和塑造人类未来的力量。

The Different Fields of Physics

By Andrew Zimmerman Jones
M.S., Mathematics Education, Indiana University
B.A., Physics, Wabash College

Andrew Zimmerman Jones is a science writer, educator, and researcher. He is the co-author of “String Theory for Dummies.”
安德鲁・齐默尔曼・琼斯是一位科学作家、教育家和研究员，是《弦理论入门》的合著者。

Updated on May 04, 2025

Key Takeaways

要点总结

Physics has two main categories: Classical Physics and Modern Physics, each with unique study areas.
物理学分为两大类：经典物理学和现代物理学，每类都有其独特的研究领域。
Classical Physics includes fields like acoustics, astronomy, and electromagnetism that study everyday phenomena.
经典物理学包括声学、天文学和电磁学等领域，研究日常生活中的现象。
Modern Physics explores advanced areas such as quantum mechanics, relativity, and high - energy physics.
现代物理学探索量子力学、相对论和高能物理等前沿领域。

Physics is the branch of science concerned with the nature and properties of non - living matter and energy that are not dealt with by chemistry or biology, and the fundamental laws of the material universe. As such, it is a huge and diverse area of study.
物理学是研究非生命物质和能量的性质与特性以及物质世界的根本规律的科学领域，这些内容不属于化学或生物学的研究范畴。因此，它是一个庞大且多样化的研究领域。

In order to make sense of it, scientists have focused their attention on one or two smaller areas of the discipline. This allows them to become experts in that narrow field, without getting bogged down in the sheer volume of knowledge that exists regarding the natural world.
为了更好地理解物理学，科学家们通常专注于该学科的一个或两个较小的领域。这使他们能够在该狭窄领域成为专家，而不会被自然世界中庞大的知识体系所淹没。

The Fields of Physics

物理学的领域

Physics is sometimes broken into two broad categories, based on the history of the science: Classical Physics, which includes studies that arose from the Renaissance to the beginning of the 20th century; and Modern Physics, which includes those studies which have been begun since that period. Part of the division might be considered scale: modern physics focuses on tinier particles, more precise measurements, and broader laws that affect how we continue to study and understand the way the world works.
物理学有时根据其历史被分为两大类：经典物理学，包括从文艺复兴时期到 20 世纪初的研究；以及现代物理学，包括自那以后开始的研究。这种划分部分可以被认为是基于尺度：现代物理学专注于更微小的粒子、更精确的测量以及更广泛的规律，这些规律影响着我们对世界运行方式的持续研究和理解。

Another way to divide physics is applied or experimental physics (basically, the practical uses of materials) versus theoretical physics (the building of overarching laws as to how the universe works).
另一种划分物理学的方式是应用物理学或实验物理学（基本上是材料的实际用途）与理论物理学（构建关于宇宙运行方式的总体规律）。

As you read through the different forms of physics, it should become obvious that there is some overlap. For example, the difference between astronomy, astrophysics, and cosmology can be virtually meaningless at times. To everyone, that is, except the astronomers, astrophysicists, and cosmologists, who can take the distinctions very seriously.
当你阅读物理学的不同分支时，你会发现它们之间存在一些重叠。例如，天文学、天体物理学和宇宙学之间的区别有时几乎毫无意义。当然，对于天文学家、天体物理学家和宇宙学家来说，这些区别可能非常重要。

Classical Physics

经典物理学

Before the turn of the 19th century, physics concentrated on the study of mechanics, light, sound and wave motion, heat and thermodynamics, and electromagnetism. Classical physics fields that were studied before 1900 (and continue to develop and be taught today) include:
在 19 世纪之前，物理学主要集中在力学、光、声和波的运动、热和热力学以及电磁学的研究上。以下是在 1900 年之前研究的经典物理学领域（至今仍在发展并被教授）：

Acoustics:The study of sound and sound waves. In this field, you study mechanical waves in gases, liquids, and solids. Acoustics includes applications for seismic waves, shock and vibration, noise, music, communication, hearing, underwater sound, and atmospheric sound. In this way, it encompasses earth sciences, life sciences, engineering, and the arts.
声学：研究声音和声波。在这个领域，你研究气体、液体和固体中的机械波。声学包括地震波、冲击和振动、噪声、音乐、通信、听力、水下声音和大气声音等应用。因此，它涵盖了地球科学、生命科学、工程学和艺术。
Astronomy:The study of space, including the planets, stars, galaxies, deep space, and the universe. Astronomy is one of the oldest sciences, using mathematics, physics, and chemistry to understand everything outside of the Earth’s atmosphere.
天文学：研究太空，包括行星、恒星、星系、深空和宇宙。天文学是最古老的科学之一，利用数学、物理和化学来理解地球大气层以外的一切。
Chemical Physics:The study of physics in chemical systems. Chemical physics focuses on using physics to understand complex phenomena at a variety of scales from the molecule to a biological system. Topics include the study of nano - structures or chemical reaction dynamics.
化学物理学：研究化学系统中的物理现象。化学物理学专注于利用物理学来理解从分子到生物系统的各种尺度上的复杂现象。主题包括纳米结构或化学反应动力学的研究。
Computational Physics:The application of numerical methods to solve physical problems for which a quantitative theory already exists.
计算物理学：应用数值方法解决已经存在定量理论的物理问题。
Electromagnetism:The study of electrical and magnetic fields, which are two aspects of the same phenomenon.
电磁学：研究电场和磁场，它们是同一现象的两个方面。
Electronics:The study of the flow of electrons, generally in a circuit.
电子学：研究电路中电子的流动。
Fluid Dynamics / Fluid Mechanics:The study of the physical properties of “fluids,” specifically defined in this case to be liquids and gases.
流体动力学 / 流体力学：研究液体和气体的物理特性。
Geophysics:The study of the physical properties of the Earth.
地球物理学：研究地球的物理特性。
Mathematical Physics:Applying mathematically rigorous methods to solving problems within physics.
数学物理学：应用严格的数学方法解决物理学中的问题。
Mechanics:The study of the motion of bodies in a frame of reference.
力学：研究物体在参考系中的运动。
Meteorology / Weather Physics:The physics of the weather.
气象学 / 天气物理学：研究天气的物理特性。
Optics / Light Physics:The study of the physical properties of light.
光学 / 光物理学：研究光的物理特性。
Statistical Mechanics:The study of large systems by statistically expanding the knowledge of smaller systems.
统计力学：通过统计方法扩展对小系统的知识来研究大系统。
Thermodynamics:The physics of heat.
热力学：研究热的物理特性。

Modern Physics

现代物理学

Modern physics embraces the atom and its component parts, relativity and the interaction of high speeds, cosmology and space exploration, and mesoscopic physics, those pieces of the universe that fall in size between nanometers and micrometers. Some of the fields in modern physics are:
现代物理学涵盖了原子及其组成部分、相对论和高速相互作用、宇宙学和太空探索，以及介观物理学（介于纳米和微米之间的宇宙部分）。现代物理学的一些领域包括：

Astrophysics:The study of the physical properties of objects in space. Today, astrophysics is often used interchangeably with astronomy and many astronomers have physics degrees.
天体物理学：研究太空物体的物理特性。如今，天体物理学常常与天文学互换使用，许多天文学家拥有物理学学位。
Atomic Physics:The study of atoms, specifically the electron properties of the atom, as distinct from nuclear physics which considers the nucleus alone. In practice, research groups usually study atomic, molecular, and optical physics.
原子物理学：研究原子，特别是原子的电子特性，与只考虑原子核的核物理学不同。实际上，研究小组通常研究原子、分子和光学物理学。
Biophysics:The study of physics in living systems at all levels, from individual cells and microbes to animals, plants, and entire ecosystems. Biophysics overlaps with biochemistry, nanotechnology, and bio - engineering, such as the derivation of the structure of DNA from X - ray crystallography. Topics can include bio - electronics, nano - medicine, quantum biology, structural biology, enzyme kinetics, electrical conduction in neurons, radiology, and microscopy.
生物物理学：研究生物系统中所有层面的物理现象，从单个细胞和微生物到动物、植物和整个生态系统。生物物理学与生物化学、纳米技术和生物工程学重叠，例如通过 X 射线晶体学推导 DNA 的结构。主题可以包括生物电子学、纳米医学、量子生物学、结构生物学、酶动力学、神经元中的电传导、放射学和显微镜学。
Chaos:The study of systems with a strong sensitivity to initial conditions, so a slight change at the beginning quickly becomes major changes in the system. Chaos theory is an element of quantum physics and useful in celestial mechanics.
混沌理论：研究对初始条件高度敏感的系统，初始的微小变化会迅速导致系统中的重大变化。混沌理论是量子物理学的一个分支，在天体力学中很有用。
Cosmology:The study of the universe as a whole, including its origins and evolution, including the Big Bang and how the universe will continue to change.
宇宙学：研究整个宇宙，包括其起源和演化，包括大爆炸以及宇宙将如何继续变化。
Cryophysics / Cryogenics /Low - Temperature Physics:The study of physical properties in low - temperature situations, far below the freezing point of water.
低温物理学 / 低温学：研究远低于水的冰点的低温情况下的物理特性。
Crystallography:The study of crystals and crystalline structures.
晶体学：研究晶体和晶体结构。
High Energy Physics:The study of physics in extremely high energy systems, generally within particle physics.
高能物理学：研究极高能量系统中的物理现象，通常在粒子物理学范围内。
High - Pressure Physics:The study of physics in extremely high - pressure systems, generally related to fluid dynamics.
高压物理学：研究极高压力系统中的物理现象，通常与流体动力学有关。
Laser Physics:The study of the physical properties of lasers.
激光物理学：研究激光的物理特性。
Molecular Physics:The study of the physical properties of molecules.
分子物理学：研究分子的物理特性。
Nanotechnology:The science of building circuits and machines from single molecules and atoms.
纳米技术：从单个分子和原子构建电路和机器的科学。
Nuclear Physics:The study of the physical properties of the atomic nucleus.
核物理学：研究原子核的物理特性。
Particle Physics:The study of fundamental particles and the forces of their interaction.
粒子物理学：研究基本粒子及其相互作用的力。
Plasma Physics:The study of matter in the plasma phase.
等离子体物理学：研究等离子体状态下的物质。
Quantum Electrodynamics: The study of how electrons and photons interact at the quantum mechanical level.
量子电动力学：研究电子和光子在量子力学水平上的相互作用。
Quantum Mechanics / Quantum Physics: The study of science where the smallest discrete values, or quanta, of matter and energy become relevant.
量子力学 / 量子物理学：研究物质和能量的最小离散值或量子变得相关的科学。
Quantum Optics: The application of quantum physics to light.
量子光学：将量子物理学应用于光。
Quantum Field Theory: The application of quantum physics to fields, including the fundamental forces of the universe.
量子场论：将量子物理学应用于场，包括宇宙的基本力。
Quantum Gravity: The application of quantum physics to gravity and unification of gravity with the other fundamental particle interactions.
量子引力：将量子物理学应用于引力，以及将引力与其他基本粒子相互作用统一起来。
Relativity: The study of systems displaying the properties of Einstein’s theory of relativity, which generally involves moving at speeds very close to the speed of light.
相对论：研究展示爱因斯坦相对论特性的系统，通常涉及接近光速的运动。
String Theory / Superstring Theory:The study of the theory that all fundamental particles are vibrations of one - dimensional strings of energy, in a higher - dimensional universe.
弦理论 / 超弦理论：研究所有基本粒子是一维能量弦的振动，存在于更高维度的宇宙中的理论。

Sources

参考资料

Simonyi, Karoly. “A Cultural History of Physics.” Trans. Kramer, David. Boca Raton: CRC Press, 2012.
Phillips, Lee. “The Never - Ending Conundrums of Classical Physics.” Ars Technica, August 4, 2014.
Teixeira, Elder Sales, Ileana Maria Greca, and Olival Freire. “The History and Philosophy of Science in Physics Teaching: A Research Synthesis of Didactic Interventions.” Science & Education 21.6 (2012): 771–96. Print.

Essential Physics Formulas: A Quick Reference

基本物理公式

October 22, 2023 by JoyAnswer.org

What are the basic physics formulas?

基本物理公式

Physics is a vast field with a wide range of formulas and equations that describe various physical phenomena. Here are some basic physics formulas that cover fundamental concepts in mechanics, electricity, and thermodynamics:
物理学是一个涵盖广泛公式和方程的庞大领域，这些公式和方程描述了各种物理现象。以下是一些涵盖力学、电学和热力学基本概念的基本物理公式：

Mechanics:
力学：

Newton’s Second Law: $F = ma$

牛顿第二定律
- $F$ : Force 力
- $m$ : Mass 质量
- $a$ : Acceleration 加速度
Gravitational Force: $\cdot \frac {m_1 \cdot m_2}{r^2}$

万有引力
- $F$ : Gravitational force 万有引力
- $G$ : Gravitational constant 万有引力常数
- $m_1, m_2$ : Masses of two objects 两个物体的质量
- $r$ : Distance between the centers of the two objects 两物体中心之间的距离
Kinematic Equations:These equations describe motion under constant acceleration.

运动学方程：这些方程描述恒定加速度下的运动。
- $\frac {1}{2} at^2$
- $v = u + a t$
- $v^2 = u^2 + 2as$
- Here, $s$ represents displacement, $u$ is initial velocity, $v$ is final velocity, $a$ is acceleration, and $t$ is time.
- 其中， $s$ 表示位移， $u$ 是初速度， $v$ 是末速度， $a$ 是加速度， $t$ 是时间。

Electricity and Magnetism:
电学与磁学：

Ohm’s Law: $V = I R$

欧姆定律
- $V$ : Voltage 电压
- $I$ : Current 电流
- $R$ : Resistance 电阻
Coulomb’s Law: $\cdot \frac {q_1 \cdot q_2}{r^2}$

库仑定律
- $F$ : Electrostatic force 静电力
- $k$ : Coulomb’s constant 库仑常数
- $q_1, q_2$ : Charges of two objects 两个物体的电荷量
- $r$ : Distance between the charges 电荷之间的距离
Kirchhoff’s Laws:These are used to analyze electrical circuits.

基尔霍夫定律
- Kirchhoff’s Current Law: 基尔霍夫电流定律
  $\Sigma I_{\text {in}} = \Sigma I_{\text {out}}$
- Kirchhoff’s Voltage Law: 基尔霍夫电压定律
  $\Sigma V_{\text {in}} = \Sigma V_{\text {out}}$

Thermodynamics:
热力学：

First Law of Thermodynamics (Law of Energy Conservation): $\Delta U = Q - W$

热力学第一定律（能量守恒定律）
- $\Delta U$ : Change in internal energy 内能的变化
- $Q$ : Heat added to the system 加入系统的热量
- $W$ : Work done by the system 系统所做的功
Ideal Gas Law: $P V = n RT$

理想气体定律
- $P$ : Pressure 压强
- $V$ : Volume 体积
- $n$ : Number of moles 摩尔数
- $R$ : Universal gas constant 普适气体常数
- $T$ : Absolute temperature (in Kelvin) 绝对温度（开尔文）
Second Law of Thermodynamics:This law states that heat naturally flows from a hot body to a cold one and not in the reverse direction.
第二定律表明，热量会自然地从高温物体流向低温物体，而不会反向流动。

These are just a few of the basic physics formulas, and there are many more that cover a wide range of topics in physics, including optics, waves, and nuclear physics. The specific formulas you need to use depend on the particular physics problem or topic you’re studying.
这些只是基本的物理公式的一部分，还有许多其他公式涵盖了物理学中的广泛主题，包括光学、波动和核物理学。你需要使用的具体公式取决于你正在研究的特定物理问题或主题。

Newton’s Laws of Motion: What are they and how do they work?

牛顿运动定律：它们是什么，如何起作用？

Newton’s laws of motion are three physical laws that, together, laid the foundation for classical mechanics. They describe the relationship between a body and the forces acting on it, and its motion in response to those forces.
牛顿运动定律是三条物理定律，共同奠定了经典力学的基础。它们描述了物体与作用在其上的力之间的关系，以及物体对这些力的运动响应。

Newton’s first law of motion, also known as the law of inertia, states that an object at rest will remain at rest, and an object in motion will remain in motion at a constant velocity, unless acted upon by an external force.
牛顿第一定律，也称为惯性定律，指出静止的物体会保持静止，运动的物体会保持匀速直线运动，除非受到外力作用。

Newton’s second law of motion, also known as the law of acceleration, states that the acceleration of an object is directly proportional to the net force acting on it and inversely proportional to its mass.
牛顿第二定律，也称为加速度定律，指出物体的加速度与作用在其上的合力成正比，与物体的质量成反比。

Newton’s third law of motion, also known as the law of action and reaction, states that for every action, there is an equal and opposite reaction.
牛顿第三定律，也称为作用与反作用定律，指出对于每一个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力。

Newton’s laws of motion have many applications in the real world. For example, they are used to design and build vehicles, airplanes, and other machines. They are also used to understand the motion of planets, stars, and other objects in the universe.
牛顿运动定律在现实世界中有许多应用。例如，它们被用于设计和制造汽车、飞机和其他机械。它们还被用于理解宇宙中行星、恒星和其他天体的运动。

What are the fundamental equations of electromagnetism?

电磁学的基本方程

The fundamental equations of electromagnetism are four equations that describe the behavior of electric and magnetic fields. They were developed by James Clerk Maxwell in the 19th century.
电磁学的基本方程是四个描述电场和磁场行为的方程。它们由詹姆斯・克拉克・麦克斯韦在 19 世纪提出。

The four fundamental equations of electromagnetism are:
电磁学的四个基本方程

Gauss’s law for electricity（高斯电学定律）
Gauss’s law for magnetism（高斯电磁学定律）
Faraday’s law of induction（法拉第电磁感应定律）
Ampère’s circuital law（安培环路定律，麦克斯韦修正版）

这四个方程通过电场（ $\mathbf{E}$ ）、磁感应强度（ $\mathbf{B}$ ）、电荷与电流（ $\rho$ 、 $\mathbf{J}$ ）的相互作用，完整构建了经典电磁学的理论框架，预言了电磁波的存在并统一了电与磁的现象。

These equations can be used to describe a wide range of phenomena, including the behavior of electric circuits, the propagation of electromagnetic waves, and the forces between charged particles.
这些方程可以用来描述广泛的物理现象，包括电路的行为、电磁波的传播以及带电粒子之间的力。

Exploring the equations of kinetic energy and potential energy in physics

探索物理学中的动能和势能方程

Kinetic energy and potential energy are two forms of energy that are important in physics.
动能和势能是物理学中两种重要的能量形式。

Kinetic energy is the energy of motion. It is calculated using the following equation:
动能是运动的能量，其计算公式为：

$\frac {1}{2} \cdot m \cdot v^2$

where $K E$ is kinetic energy, $m$ is mass, and $v$ is velocity.
其中， $K E$ 是动能， $m$ 是质量， $v$ 是速度。

Potential energy is the stored energy of an object due to its position or configuration. It is calculated using the following equation:
势能是由于物体的位置或配置而储存的能量，其计算公式为：

$\cdot g \cdot h$

where $PE$ is potential energy, $m$ is mass, $g$ is acceleration due to gravity, and $h$ is height.
其中， $PE$ 是势能， $m$ 是质量， $g$ 是重力加速度， $h$ 是高度。

Kinetic energy and potential energy can be converted into each other. For example, when a ball is thrown upward, it has kinetic energy. As it rises, its kinetic energy is converted into potential energy. At the highest point of its trajectory, the ball has all potential energy and no kinetic energy. As the ball falls, its potential energy is converted back into kinetic energy.
动能和势能可以相互转化。例如，当一个球被向上抛出时，它具有动能。随着它上升，其动能转化为势能。在轨迹的最高点，球全部是势能，没有动能。当球下落时，其势能又转化为动能。

The Role of the Universal Gravitational Constant in Physics

万有引力常数在物理学中的作用

The universal gravitational constant is a physical constant that describes the gravitational force between two objects. It is denoted by the letter $G$ .
万有引力常数是一个描述两个物体之间引力的物理常数，用字母 $G$ 表示。

The universal gravitational constant is calculated using the following equation:
万有引力常数的计算公式为：

$\cdot \frac {m_1 \cdot m_2}{r^2}$

where $F$ is the gravitational force, $m_1$ and $m_2$ are the masses of the two objects, and $r$ is the distance between the two objects.
其中， $F$ 是引力， $m_1$ 和 $m_2$ 是两个物体的质量， $r$ 是两个物体之间的距离。

The universal gravitational constant is a very important constant in physics. It is used to calculate the gravitational force between planets, stars, and other objects in the universe.
万有引力常数是物理学中一个非常重要的常数，它被用来计算宇宙中行星、恒星和其他天体之间的引力。

How to calculate velocity, acceleration, and distance using basic physics formulas?

如何使用基本物理公式计算速度、加速度和距离？

Velocity, acceleration, and distance are three important concepts in physics. They can be calculated using the following basic formulas:
速度、加速度和距离是物理学中的三个重要概念，它们可以通过以下基本公式计算：

Velocity: $\frac {d}{t}$
Acceleration: $\frac {v_2 - v_1}{t}$
Distance: $\cdot t$

where $v$ is velocity, $a$ is acceleration, $t$ is time, and $d$ is distance.
其中， $v$ 是速度， $a$ 是加速度， $t$ 是时间， $d$ 是距离。

For example, to calculate the velocity of a car, you would divide the distance traveled by the time it took to travel that distance. To calculate the acceleration of a car, you would divide the change in velocity by the time it took to change velocity. And to calculate the distance traveled by a car, you would multiply the velocity by the time.
例如，要计算汽车的速度，你需要将行驶的距离除以所花费的时间。要计算汽车的加速度，你需要将速度的变化除以所花费的时间。要计算汽车行驶的距离，你需要将速度乘以时间。

These are just a few of the many important concepts and formulas in physics. By understanding these basics, you can begin to explore the world of physics and learn more about how the universe works.
这些只是物理学中许多重要概念和公式的一部分。通过理解这些基础知识，你可以开始探索物理学的世界，进一步了解宇宙的运行方式。

论物理学科本质及其对物理教育的启示

邢红军¹，董鑫鑫¹，石尧²

¹首都师范大学教师教育学院，北京 100048；²北京中学，北京 100048

摘要

在对国内外物理学科本质研究的基础上，基于物理学三维结构模型、核心素养理论以及物理核心素养理论，给出了物理学科本质的构成要素，包括：物理知识、物理方法、物理思想、物理观念、物理实验、数学、科学精神与人文精神。这不仅为物理学科本质的研究提供了新的视角，也为在物理教育教学中发展学生的物理核心素养开辟了新的途径。

关键词

科学本质；物理学科本质；核心素养；物理核心素养

1 物理学科本质的研究思路

物理学的本质是什么？目前，国内物理教育界对该问题研究的通常做法是以科学本质代替物理学科本质进行研究。

1989年，美国科学促进协会认为应该从3个维度来理解科学本质：

科学世界观 —— 世界是可被认知的；科学理念是不断变化的；科学知识是相对持久的；科学家不能完美地回答所有问题。
科学探究观 —— 科学需要证据作为支持；科学融合了逻辑和想象；科学需要解释和预见；科学家要努力避免偏见；科学不依赖于仰仗权威。
科学事业观 —— 科学是一项复杂的社交活动；科学由学科内容组成，有不同的研究机构；科学研究有普遍接受的道德规范；科学家在参与公共事务时的身份既是科学家又是公民。

1996年，Drifer等人认为科学本质包括：科学目的、科学知识的地位和性质、科学作为一种社会事业。我国学者李醒民也在其著作《科学论：科学的三维世界》中将科学本质划分为三层，即作为知识体系的科学、作为研究活动的科学、作为社会建制的科学。经过多年理论探讨，人们对科学本质的认识已基本达成共识，即科学本质应当包括科学过程、科学结果以及科学事业对人类社会的影响。

科学学科群虽然包括物理学，但物理学并不等同于科学。这是因为科学本质是上位概念，而物理学科本质是下位概念，二者的内涵有交集，但又具有很大的不同。科学本质的范畴与内涵并不能直接外推到物理学科本质的研究中，也不能直接外推到物理学科本质教育中。因此，科学本质的研究范式只能对物理学科本质研究提供启示，但无法准确界定与诠释物理学科本质的内涵。

长期以来，人们一直采用以科学本质代替物理学科本质来展开研究。造成这种现象的原因可能在于：a. 研究者默认科学本质就是物理学科本质，认为按照这样的方式进行研究就不会出现问题；b. 国际科学界对于科学本质的研究汗牛充栋，按照拿来主义的方式进行研究非常顺手，且可以在此基础上侃侃而谈。不幸的是，这种研究范式虽然省时省力，但其研究结果却与物理学科本质南辕北辙，相去甚远。同时，以科学本质代替物理学科本质还存在指鹿为马的嫌疑。因此，物理学科本质的研究既要超越简单的拿来主义研究范式，也要超越简单的经验主义思维，摒弃没有理论依据的物理学科本质研究范式。

上世纪70年代美国学者Holton提出了物理学三维结构模型。Holton认为，物理学任何一部分的基本内容及结构都可以分解为以下3种成分：X —— 实验（事实）、Y —— 物理思想（逻辑、方法论等），Z —— 数学。这种普适性的结构模型抓住了物理学知识结构的核心，也为物理学各分支学科、单元结构及教学规律的研究奠定了基础。将三维结构投影到平面上，就形成了上（实验）、中（核心理论）、左（科学方法论）、右（数学）、下（延伸与应用）5个部分，这不仅揭示了物理学科的5个特点，而且彰显了物理知识与方法的关系。该结构图被称为物理学知识—能力结构图，如图1所示。
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图 1 物理学知识—能力结构图

深入分析物理学三维结构模型后，发现物理实验、物理思想与数学是物理学科本质的3个基本构成要素。鉴于物理学三维结构模型中对于物理思想的界定不够清晰，通过进一步结合物理学知识—能力结构图进行分析，可将物理思想明确为物理知识与物理方法。于是，物理学科本质的构成要素就初步确定为物理实验、物理知识、物理方法与数学。

为了确定物理学科本质的要素，有必要从物理学科核心素养的角度进行考查。普通高中《物理课程标准》将物理学科核心素养界定为4个方面，即物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。然而，深入分析不难发现，物理学科核心素养未能真正反映出我国物理教学的理论与实践成就，因此，物理学科核心素养需要进行重新建构。为此，本文从核心素养的内涵、特点与价值取向出发，结合物理学的学科特征，建构出了物理学科核心素养层级模型，如图2所示，其构成要素包括：物理知识与物理方法、物理思维与物理技能、物理思想与物理观念以及科学精神与人文精神。

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图 2　物理学科核心素养层级模型

认真研究物理学科核心素养层级模型，不难发现，作为物理知识与物理方法的升华，物理思想、物理观念也应纳入物理学科本质的构成要素之中。这是因为，物理思想是由物理学共同体对物理知识和方法进一步提炼而形成的关于物理本质的深层认识。它不仅能够影响物理方法的形成，还能够引领物理观念的发展。可以说，正是在物理思想的指导下，物理世界才能够从孤立的知识碎片上升为系统的知识体系，并促使感性认识逐步向理性认识过渡。物理观念是在物理学视角下形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是由物理概念和规律在人的头脑中经过提炼升华而形成的。

物理学本来就是科学与人文的统一，因此，物理教育的目的不仅在于传播物理知识与方法，培育科学精神，还需要进行人文精神的浸润与陶冶。人文精神作为具有普适价值的人类自我关怀，它表现为对人的尊严、价值、命运的维护、追求和关切，对人类所保存的各种精神文化现象的尊重与珍视，是对全面发展理想人格的肯定和塑造。因此，物理学科本质教育急需科学精神与人文精神协同共进，从而扭转物理教育中长期存在的唯科学主义倾向。

综上所述，物理学科本质的构成要素包括：物理知识、物理方法、物理思想、物理观念、物理实验、数学、科学精神与人文精神。

2 物理学科本质的内涵解读

在确定物理学科本质的基础上，需要进一步厘清物理学科本质中各个要素的内涵，从而为物理学科本质教育的开展奠定基础。

物理知识本质

知识是人们在长期实践活动中对客观世界的认识和经验的结晶，包括感性知识与理性知识。其中，感性知识反映的是事物的外在属性或外部联系，其心理表现形式为感知与表象；理性知识反映的是事物的本质属性或内部联系，其心理表现形式为概念和原理。就物理学科而言，作为一门严密的理论科学，物理学以物理概念为基石，以物理定律为主干，建立了经典物理学和现代物理学，以及各个分支物理学的严密逻辑体系。

怎样在物理教育教学中进行物理知识本质教育？这就要求教师在物理教育教学中，把握物理知识的实质，揭示物理知识的真谛。例如，在电动势教学中，虽然教材的定义为“电动势等于非静电力将单位正电荷从电源的负极搬运到正极所做的功”，但是学生对于非静电力的产生原因及“搬运”正电荷的方式并不清楚，这在一定程度上影响了学生对电动势的学习与掌握。以伏打电池为例，教师通过对电动势概念进行高端备课，发现并揭示了电动势的形成机理。即在内电路中，带正电荷的铜板与带负电荷的锌板之间形成了“板电场”，同时，锌板附近带正电荷的“薄膜”锌离子层与铜板附近带负电荷的“薄膜”电子层形成了“膜电场”，由于2个电场的方向相反，于是就形成了等效电场E非，E非 = E膜 - E板。由于E非不是静电场，故带电离子在E非中受到的力属于非静电力。可见，只有深入到电动势形成的微观机制去备课与教学，才能真正触及到物理知识的本质。

物理方法本质

物理方法是人们在认识和改造客观世界的实践活动中总结出的行为方式，是人们认识和改造自然的有效工具，对物理知识的建构有重要作用，如物理教学中常用的比值定义法、控制变量法等。虽然物理方法与物理知识都是物理学的组成部分，但严格说来，二者又具有不同的特点。物理知识与客观物质世界联系密切，是对客观世界的描述与反映；而物理方法涉及的是人类认识物质世界的途径与方式，具有高度的抽象性。同时物理方法具有自己独特的表达方式，它往往隐藏在物理知识背后，决定着物理知识的获取和应用。

以比值定义法的教学为例。中学物理教学中，许多物理量的定义都是采用比值定义法，例如速度、加速度、密度、压强等。比值定义法的运用包括4个步骤，分别是：1）选取比较的对象；2）选取比较的标准；3）研究比较的意义；4）得到比较的结论。只有按照以上步骤展开比值定义法的教学，才能称之为进行了物理方法的本质教育。除此之外，教师还要告诉学生，比值定义法中位于分子的物理量是优势变量，而位于分母的物理量是非优势变量，二者地位不平等。所以，在速度概念教学中，同等时间比位移和同等位移比时间的教学方式，其不足的根本原因在于教师不明白比值定义法的物理本质。

物理思想本质

物理思想的形成经历了从物理学家的“个人科学”到物理学共同体的“公开科学”的发展过程，其中物理学家的灵感与思考、探索过程与体验是物理思想形成的重要源泉。物理思想作为独立存在的内容，能够丰富物理学的内涵与外延，并最终引领物理学的发展与完善。为了使学生充分领略物理思想的本质，须从物理思想的特征出发，归纳出物理思想的主要内容，包括：对称思想、守恒思想、不可逆思想、等效思想、假设思想、比较思想、转化思想、相干思想、量子化思想、相对性思想。

怎样在物理教育教学中进行物理思想教育？以守恒与转化思想的形成为例，中学物理教材中的能量概念定义是：能量是表明物体做功本领的物理量。对此，诺贝尔物理学奖获得者Lehrman提出了质疑。他认为，能量的定义应该同时以热力学第一定律和热力学第二定律为依据，热也应作为一种形式考虑在内。他指出，能量转化存在一定不可逆性，即一定量的功可以产生一定量的热，但一定量的热却不能在对外界无影响的情况下完全转化为功；能量在转化中总保持守恒，而做功的本领却不是守恒的，它在转化过程中会不断地损失。因此，正确的能量定义应当是：能量是表示物体做功本领和传递热本领的物理量。由此可见，要使学生真正理解能量的本质，除了正确定义外，还要使学生理解能量概念背后的守恒与转化思想。

物理观念本质

物理观念主要包括物质观、时空观、能量观、相互作用观等。其中，物质观的演变先后经历了不连续的物质观到连续的物质观，再到更高层次的物质观统一。时空观主要指物质存在的2种基本形式 —— 时间和空间。时间是物质运动持续性和顺序性的表现，空间是物质存在广延性和伸张性的体现。能量观是代表物理学属性的重要观念，即能量是对物体做功本领和传递热本领的量度。相互作用观的本质在于，当一部分物质对另一部分物质发生作用时，必然会受到反作用。物理观念是重要物理思想的浓缩，但不是所有的物理思想都可以升华为物理观念，只有代表物理学最本质的认识，才能称之为物理观念。因此，物理观念是比物理思想更加深层次的物理本质。

物理实验本质

物理学发展的历史表明，在伽利略首创将实验、物理思维和数学演绎三者结合的科学方法指引下，经典物理学才真正从自然哲学中分离，并逐渐形成独立的学科。物理实验是人们利用物理仪器和设备，控制实验条件，排除次要因素的干扰，抓住主要因素，在有利的条件下重复地去研究物理现象及其规律的活动。物理实验是手脑并用的科学活动。学生需要经历理解实验原理、观察实验现象、操作实验仪器和处理实验数据等一系列认知活动，从而不断提升自身的物理实验能力。

需要强调的是，在物理实验教学中，应当树立这样的观点，即不能把实验单纯视为操作过程，而应将其视为操作与思维相结合的活动。这是因为实验操作离不开思维的指引，实验操作只是借助仪器设备把思维活动进行了外显。同样，思维也兼具动作属性，它是一种在大脑中进行的内隐动作。由此观之，操作与思维只是动作的不同形式，在此意义上，知（思维）与行（操作）是统一的。根据皮亚杰理论，人的认识既可以是物质性的（运用物理工具在实物上进行，即物理实验的操作成分），也可以是精神性的（运用符号工具在头脑中进行，即物理实验的思维成分）。因此，在物理实验教学中，只关注实验的操作过程而忽视实验操作中的思维成分，忽视操作与思维的辩证关系，势必会造成实验活动与物理实验本质渐行渐远，甚至南辕北辙。

数学本质

从物理学的学科本质来分析，一般认为，实验是物理学的基础，理论是物理学的主干，而数学则是物理学的语言和工具。这是因为，要使物理学的学科结构能够反映出自身的基本概念、原理和基本方法之间的关系，并使物理学的表述上升到定量层面，仅凭单纯的语言文字是难以胜任的，必须有数学的参与才能完成对物理学理论的真正描述。因此，数学是物理学的一部分，物理学科本质的构成要素应该包括数学。

杨振宁教授在《美与物理学》中，给出了物理学领域，该图对理解物理学科本质与数学的关系具有重要启示。杨振宁教授指出，19世纪后半叶的许多实验工作引出了普朗克的唯象理论；经过爱因斯坦和玻尔的研究，又有一些重要发展，但这些还是唯象理论；最后通过量子力学的产生，才步入理论架构的范畴。

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图 3 几位 20 世纪物理学家的研究领域

海森堡的灵感来自于他对实验结果与唯象理论的认识，进而得到了方程式[ \Delta x \cdot \Delta p \geq \frac{\hbar}{2} ]。狄拉克的灵感源自他对数学之美的直觉欣赏，进而写出了狄拉克方程。爱因斯坦兴趣广泛，在许多领域中，如唯象理论、理论框架和数学领域都曾做出过划时代的贡献。杨振宁教授给出的物理学领域图中，虽然把数学也列在其中，并且置于最基础的位置，但却以虚线标明，以示其与实验、唯象理论和理论架构的区别与联系。杨振宁教授曾经用长在根茎上的“双叶”来形容数学与物理学之间的关系，如图4所示。一片叶子是物理学，另一片叶子是数学，两者生长在共同的根茎上，重叠的地方则是二者的根，二者的源。这充分说明了数学与物理学的同源关系。

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图 4 物理学与数学关系的“双叶”示意图

科学精神本质

科学精神的主要表现是追求真理，崇尚创新，实事求是。科学精神倡导对真理的不懈追求以及敢于质疑和创新的精神，坚持真理面前人人平等的信念，用质疑的态度不断发展物理学的知识体系。科学精神尊重物理学已有的认识，崇尚理性质疑精神，否认任何权威与教条，承认物理学的发展永无止境，鼓励发现和创造新的物理学知识。科学精神本质强调物理学的所有假设和结果都必须经过物理实验的检验才能得到承认，即实验是检验真理的黄金标准。科学精神尤其强调尊重事实，反对弄虚作假、篡改数据等不良行为。在基础教育领域，《中国学生发展核心素养》将科学精神界定为学生在学习、理解、运用科学知识和技能等方面所形成的价值标准、思维方式和行为表现，包括理性思维、批判质疑与勇于探究3个要素。理性思维是科学精神的内在基础和动力，包括：a. 崇尚真知，能理解科学原理和基本方法；b. 有实证意识和严谨求实的态度；c. 逻辑清晰，能运用科学的思维方式认识事物并解决问题等。批判质疑是科学精神的核心，构成了科学精神的内核，包括：a. 具有问题意识；b. 能够进行独立思考与判断；c. 能从多角度、辩证性地分析问题，并能作出相对最优的决策。勇于探究是科学精神的外在表现，是科学精神发展的评价依据，包括：a. 敢于克服困难，具有坚定不移的探索精神；b. 不断尝试，积极探索高效的问题解决方法等。

人文精神本质

物理学虽然是自然科学，但物理学科的本质仍然包含人文精神。这是因为物理学作为客观存在的知识体系，其终极价值在于为人类的生存与发展服务。科学精神与人文精神同为人类文明的重要成果，二者相辅相成，同属于人类对于真善美的共同追求。科学精神求真务实，表现为如何为人类做事的外部取向；人文精神则指向人自身的世界，是人生观、价值观和世界观的集中体现。人文精神包含人类对理想和信念的孜孜追求，对于美好品德的赞颂以及普适价值的向往。人文精神与科学精神犹如并存的两翼，千百年来和谐共存于人类的文化遗产中，科学精神保证了人文精神的真正实现，而人文精神则保证了科学精神的正确指向。

爱因斯坦是一位极具人文精神的物理学家。第二次世界大战以后，爱因斯坦深刻意识到核战争对整个人类生存发展带来的威胁，因而费尽精力为“反对核战争”奔走呼号。在他临终前7天，仍不忘为人类和平与预防核危险的事业努力，郑重签署了呼吁防止核战争的《罗素—爱因斯坦宣言》。在爱因斯坦反对核武器滥用的10年间，他不遗余力地发出政治伦理的呼吁，建议消灭和管控好核武器，有效地减缓了核军备竞赛，使人类能够驱散“核威胁”和“核讹诈”的阴霾。

朗道同样是一位伟大的物理学家，但却展现出典型的学阀作风。1932年，朗道怀着振兴苏联理论物理学的愿景和计划，担任乌克兰物理技术所理论部主任。朗道的学生皮亚季戈尔斯基担任力学项目的领导人，出于对国家发展利益的考虑，在雷达项目上对朗道的“侍从武官”科列兹提供了不利证词，招致朗道对其长达20年的学术打压。朗道的这种学阀作风处事风格，使得其学派内的学生不得不完全服从他的安排和要求，这充分说明了朗道缺乏人文精神的人格特质。

3 物理学科本质研究的启示

物理学科本质的研究需要依据理论的支撑与启迪

物理学科本质的构成要素作为一种理论建构，需要遵循理论建构的基本要求。哥德尔定理表明：一种足够丰富和论证完备的理论，是不能由它本身，或者比它更“弱”的手段来证明其自身的无矛盾性；理论体系如果只依靠自身手段为工具证明自身，必定会导出一些难以判断其真伪的系列命题。由于任何理论体系就其自身而言总是不完善的，因此若要证明自身的无矛盾性就必须跳出其中，借助比它更完善或者更“强”的理论来完成证明。

在这个意义上，缺乏坚实理论基础的物理学科本质研究，很难给出正确的物理学科本质要素。有研究认为，物理学科本质包括物理现象及实验，物理概念、定律及理论，物理学应用及物理学发展过程中所形成的方法和思维方式。这自然会导出以下疑问：物理学科本质为什么是这几个构成要素？得到这些构成要素的依据是什么？作者对此没有给出原因与解释。

相比之下，本文明确地说明了物理学科本质构成要素是基于物理学三维结构模型、物理学科核心素养层级模型以及核心素养理论而建构的，从而使所建构的物理学科本质要素具有扎实的理论基础。

物理学科本质的研究需要关注数学的价值与作用

把数学作为物理学科本质的构成要素，同样是基于物理学三维结构模型。将数学纳入物理学科本质的要素之中，在物理学科本质的研究中具有重要的价值与意义。长期以来，人们往往把数学作为物理学研究与教学的工具或基础，但没有把数学看作是物理学的一部分。杨振宁教授曾说：20世纪物理学中基本概念的发展已经纳入了数学框架，如表1所示。不难发现，每个物理学理论的背后都隐藏着与之对应的数学形式，可以说没有数学，物理学的发展就寸步难行。

表1 物理学概念与数学框架的对应关系

物理学概念	数学框架
狭义相对论	四维空间 —— 时间
广义相对论	黎曼几何
量子力学	希尔伯特空间
规范理论	纤维丛（具有拓扑复杂性）

把数学作为物理学科本质构成要素的意义还在于，已经发布的《中国学生发展核心素养》以培养“全面发展的人”为核心，包括文化基础、自主发展、社会参与3个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神等六大素养，并具体细化为国家认同的18个基本要点，但这些基本要点中并未包含数学素养。因此，把数学作为物理学科本质的构成要素，不仅有助于物理学科本质本身的理论建构，而且还有助于补充核心素养的构成要素，为《中国学生发展核心素养》的修订与完善提供有益的启示。

物理学科本质的研究需要关注精神的价值与引领

物理学与文化是息息相关的，因此，物理学科本质的研究还需要关注精神的价值与引领。这是因为，文化是人存在的根本和灵魂。尤其是基础教育，它强调学生能够在学校教育中习得人文、科学等各领域的知识与技能，继承并运用人类优秀智慧成果，陶冶内在精神品质，追求真善美的统一，发展成为有宽厚文化基础与高尚精神追求的人，这就要求物理教育所培养出来的人要具有人文精神和人文情怀。

如前所述，无论是爱因斯坦还是朗道，他们都是在物理学发展中具有里程碑式的人物。为何二人在处理人与人的关系时却有着截然不同的表现呢？这是因为，爱因斯坦始终认为要站在物理学的视域思考人与人的关系，强调物理学的社会价值和物理学家的社会作用。他的人文精神主要表现在：具有社会责任感，热爱和平，追求自由，主张民主，反对民族压迫和种族歧视等。而朗道则依仗自己的学术权威地位，做出既损人又不利己的事情，以至遭到后人非议，其根本原因在于缺乏人文精神。即使是在今天，校园里仍然存在着类似于朗道那样的欺凌现象，这就充分说明，在物理学科本质教育教学中融入科学精神与人文精神是十分必要的。

结束语

基于物理学三维结构模型、核心素养理论以及物理核心素养理论，本文给出了物理学科本质的构成要素，即物理知识、物理方法、物理思想、物理观念、物理实验、数学、科学精神与人文精神，并对这些构成要素进行了深度分析。物理学科本质的构成要素不仅为物理学科本质的研究提供了新的视角，而且为在物理教育教学中发展学生的物理核心素养开辟了新的途径。

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Unlocking the Secrets of Physics: Exploring its Essence and Mechanisms
https://krishang.eduka.co.in/what-is-physics/
What is Physics? | Understanding the Fundamental Science of the Universe
https://www.aiu.edu/blog/what-is-physics-understanding-the-fundamental-science/
Fundamental Physics: Exploring the Core Principles
https://joyanswer.org/fundamental-physics-exploring-the-core-principles
Essential Physics Formulas: A Quick Reference
https://joyanswer.org/essential-physics-formulas-a-quick-reference
Physics Fields and Disciplines of Study
https://www.thoughtco.com/what-are-the-fields-of-physics-2699068
Physics | Definition, Types, Topics, Importance, & Facts | Britannica
https://www.britannica.com/science/physics-science
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