大自然的万物或者说组成它的微粒子,与生俱来就具有物质性和运动性。微观粒子有个“测不准原则”,它总是在不停运动,你根本无法测定,它下一刻出现在什么地方。牛顿说过:“物质即能量、能量即物质”。它们之间的互相转化,就是一种运动。
物质与运动,常常以形态、运动形式的方式来表现它们的存在;但是我们怎样去把握它,这就靠量值。量值(物理量),往往反映的是物质与运动中最本质的东西。
所以我们对物理的把握常常从物质的形态(属性)、运动(规律)及它们各自状态的量值(物理量)去认识它们。首先说一下物理量,再通过物理量去认识形态与运动。
一、物理量
科学家开尔文说:
“当你能够量度你所说的东西,并且能用‘数’来表示,那你就对它有所了解了,如果你不能量度而且不能用‘数’来表示它,那你的知识便是贫乏的和不能令人满意的。”
在物理学中,把反应物质与运动中那些最本质的量值,统称为物理量。
大凡物理量都是有名称的,物理量的名称就是我们通常所说的物理概念。比如,温度、密度、气压等等。物理量的单位常用科学家的名字命名,比如温度的单位华氏(华伦海特(1686—1736))、摄氏(摄尔修斯(1701—1744))。
物理这门科学从某种意义上也可以讲,它是科学家们在寻找物理量,并发现物理量之间关系的一门科学。
二、关于物质的一些基础认知
1、物质在空间尺度上的划分
科学家们通常将物质占据的空间划分为四类。
一是宏观,指人类肉眼看得见的物体尺度。
二是微观,指人类肉眼看不见的分子、原子尺度。
三是介观,指分子、原子尺度和肉眼看得见的最小微粒之间的尺度。
比如纳米(10-9m)微粒,就属于介观尺度范围。该尺度的微观粒子通常都具有许多奇特的性质。例如,纳米陶瓷、纳米钢管、纳米磁性材料、纳米复合材料(能吸收电磁波,进而可用作隐形飞机的涂料)等,都具有各种奇特的性质。这也是物质在运动变化过程中,由量变到质变的表现。
四是宇观,指离我们非常遥远的天体尺度。
(从大到小排列:宇观、宏观、介观、微观)
2、物质的形态
物质的形态有固态、液态、气态,它们在一定条件下会相互转化。如果物质从固态直接变成气态叫升华,如香皂发出气味这就是固体表面发生升华;反之叫凝华,如冬天窗户上的冰花、霜、雾凇等都是凝华。
物质的形态变化就其本质而言,都是因物质内部我们看不见的大量分子在不停地做无规则运动,以及分子间存在相互作用力的结果。
通常情况下,物质吸热时,其内部分子运动会变得激烈一些,于是,就会有一些运动速度较大的分子,挣脱固态物质内部分子的引力作用,离开固态物质直接变成气态。当形成的气态物质放热时,其内部的分子运动又会变得缓慢起来,于是,它们又会在分子引力作用下凝结在一起,又变回到固态。
这就是物质的升华和凝华现象产生的本质原因。
3、物质的属性
物质的属性也就是物理属性。在物理学中,我们还常常看到“物理现象”、“物理变化”的说法,它们指的是当物质本身不发生质的变化时,所表现出来的各种现象、变化和性质。即物理现象、物理变化、物理属性。
例如,“金属导热”的现象是物理现象,“金属熔化”的现象是物理变化,“金属熔化过程中温度不变”的现象是物理属性。这些现象、变化和性质,均属于物理学所研究的内容。因此,人们又常常说“
物理学是研究物质的性质和物质运动与变化的现象,以及这些现象在运动与变化中所遵循的规律的一门科学
”。
物质的物理属性包括:状态、硬度、密度、透明度、导电性、导热性、磁性(物体能够吸引铁、钴、镍等物质的性质)、弹性与范性(范性是指作用力撤消,不再发生弹性变形;与弹性相对);
此外还有:脆性、抗压性、抗拉性、延展性、粘度、颜色、韧性、耐腐蚀、透风性、吸水牲等(只要我们能想到的,基本都是;所以物质与物质之间都是千丝万缕的连系的,若干年前都是一个根系的)。
不同物质具有不同的物理属性,性质决定了用途。对于无数的物体,如果按照物质的物理属性加以分类、研究,是研究问题的比较简单的方法,科学家与发明家常用这种方法并取得了丰硕的果实。
4、量值
物质的量值有长度、时间、温度、质量、密度、......,每一种属性都有它的量值,也都源于自然。比如质量:
人们将1000立方厘米的纯水,在4℃时的质量规定为1千克(kg)。
这是单一单位,在物理学中,还有一种复合单位。比如人们常用求比值和乘积的方法导出新的物理量。由于比值和乘积通常都涉及两个物理量,它们各自都有自己的单位,因此,新物理量的单位就由这两个相关物理量的单位来组合而成,通常称复合单位。用比值和乘积方法能精准地描述物理现象或物理事实(数学是精雕细刻大自然的最佳工具)。
三、题外:科学的一般认知规律
物理是个通过实验或者现象,经过归纳、概括和总结得出一种一般性规律然后再去不断验证的科学。当然,这也是人类的一种能力。归纳的方式有提纲式、表格式以及方框图式等。
科学家们就常用文字、图表(图像、表格)和公式(描述)三种方法,来呈现自己科学研究成果的;物理教材也基本这样编写。
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