一、物理学的意义
物理可以引导人们对生活中最基本的现象进行分析、理解和判断。比如，生活中最普通的物质——水，它结冰时温度总是0℃，沸腾时温度总是100℃。为什么吸管中的水会随着我们的吸力上升？为什么在烧热的油锅内滴入水会产生剧烈的爆鸣？为什么热水在保温瓶中可以长时间地保温？如果你学习了物理，那么就会对水的这些现象做出合理、科学的解释。物理学是一门以实验为基础的自然科学，是发展成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被人们公认为最重要的基础科学。物理学取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识，有力地促进了人类文明的进步。国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议“物理学对社会的重要性”指出：“物理学是一项国际事业，对人类未来的进步起着关键性的作用：探索自然，驱动技术，改善生活以及培养人才。”[1]
可以说，大到广袤苍穹，小到分子与原子，都属于物理学的研究范畴。它不仅研究物体的运动规律，比如月亮为什么会绕着地球转；还研究物体为什么会做那样的运动，即物理学还研究物体之间相互作用的规律，比如对于刚才的问题，现在笔者可以回答，是因为地球对月球存在引力。
用较为严谨的语言来说，物理学是研究物质存在的基本形式、本质和运动规律以及物体之间的相互作用和转化的规律的科学。它崇尚理性，重视逻辑推理。可以说，物理学是关于“万物之理”的科学。在学习物理时，应注重“理”字。
经过300多年的发展，物理学作为一门独立的科学，有着完整的科学体系；而且物理学的基本理论、基本实验方法和精密测试技术，已经越来越广泛地应用于其他学科，极大地推动了科学技术的创新与革命，促进了社会的发展与人类文明的进步。
以统一性为例，当代物理学的发展正朝着两个相反的研究方向延伸：最宏大的宇宙与最微小的粒子。令人感到惊讶的是，随着研究的深入，二者并非分道扬镳、越走越远，反而显示出不少殊途同归、相辅相成的迹象。
例如，粒子物理学的一些研究成果常被天体物理学家借鉴，用来探寻宇宙早期演化的图像；反过来，宇宙物理学的研究也为粒子物理学家提供了丰富的信息与印证。在自然科学群体中，物理学处于基础和领导地位。如今，物理学仍是一门充满生机和活力的学科，它的创造性进展日新月异，遇到的挑战也越来越大。同时，21世纪科学技术的发展在很大程度上依赖于物理学的发展。物理学仍在科学技术的发展中占主导地位，而且物理学对当代以及未来高新技术的发展会提供更大的推动力。
首先，就数学而言，数学本身不能回答其自身的数学形式逻辑体系的客观真实性问题，而数学形式体系的客观真实性要靠物理学去认证；数学的发展有两个动力，即数学逻辑发展的动力和外部的物理学等学科的需要与直观的动力。正是这种外部物理学的需要与直观的动力，使美国物理学家、数学家威腾和英国数学家唐纳森发展了现代数学，并因此获得了菲尔兹奖；量子论促成了非对易几何学的出现；超弦理论促成了新的数学观点的出现。数学是伟大的，它像语言一样，是人类进行交流和表达思维的工具。对于现代科技，它更是不可或缺的工具。
其次，就化学而言，量子力学和统计热力学是表述化学定律的基础，因而现代化学在理论上离不开量子力学，在实验上离不开现代物理学测量技术。
最后，就生物学而言，量子力学和量子统计是在分子层次上认识生命现象的基础，所以生物物理学使生物学更定量、更精确。
20世纪初，相对论和量子力学的建立为物理学的飞速发展插上了双翅，取得了空前辉煌的成就，以至于人们将20世纪称作“物理学的世纪”。有一种流行的说法：21世纪是生命科学的世纪。其实，这句话更确切的表述应该是，21世纪是物理学全面介入生命科学的世纪。生命科学只有与物理学相结合，才能取得更大的发展。
物理学的进展密切联系着工业、农业等的发展，也同人类文明的进步息息相关。例如，从电话的发明到当代互联网络实现的实时通信、从蒸汽机车的制造成功到磁悬浮列车的投入运行、从晶体管的发明到高速计算机技术的成熟等，无不体现着物理学对社会进步与人类文明的贡献。当今时代，物理学前沿领域的重大成就又将引领人类文明进入一片新天地。大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学乃至社会的发展都有着重要的贡献。
物理学的发展引起了一次又一次的产业革命，推动着社会和人类文明的发展。可以说，社会的每一次大的进步都与物理学的发展紧密相连。没有物理学的发展，就没有人类社会和文明的巨大进步。
（一）物理学是自然科学的带头学科
物理学作为严格的定量的自然科学的带头学科，一直在科学技术的发展中发挥着极其重要的作用。它与数学、天文学、化学和生物学之间有着密切的联系，它们之间相互作用，促进了物理学与其他学科的发展。
物理学与数学之间有着深刻的内在联系。物理学不满足于定性地说明现象，或者简单地用文字记载事实。为了尽可能准确地从数量关系上去掌握物理规律，数学就成为物理学不可缺少的工具；而丰富多彩的物理世界又为数学研究开辟了广阔的天地。所以说，物理学与数学关系密切。历史上有许多著名科学家，如牛顿、欧拉、高斯，对于这两门科学都作出了重要贡献。19世纪末20世纪初的一些大数学家，如彭加勒、克莱因、希尔伯特，尽管他们的学术倾向不同，但都精通理论物理。此外，近代物理学中关于混沌现象的研究也是物理学与数学相互结合的结果。
物理学与天文学的关系更是密不可分，可以追溯至早期德国天文学家、物理学家、数学家开普勒与英国物理学家、数学家牛顿对行星运动的研究。现在提供天文学信息的波段从可见光频段扩展到从无线电波到X射线宽广的电磁波频段，已采用了现代物理所提供的各种探测手段。另外，天文学提供了地球上实验室所不具备的极端条件，如高温、高压、高能粒子、强引力，构成了检验物理学理论的理想的实验室。几乎所有的广义相对论的证据都来自天文观测。例如，正电子和μ子都是首先在宇宙线研究中观测到的，为粒子物理学的创建作出了贡献；热核反应理论是为了解释太阳能源问题而提出的；中子星理论则因脉冲星的发现得到了证实；而现代宇宙论的标准模型——大爆炸理论是完全建立在粒子物理理论基础上的。
物理学与化学本是唇齿相依、息息相关的。化学中的原子论和分子论的发展为物理学中气体动理论的建立奠定了基础，从而使人们对物质的热学、力学、电学性质做出了满意的解释；而物理学中量子理论的发展、原子的电子壳层结构的建立又从本质上说明了元素性质周期变化的规律。同时，量子力学的诞生以及随后固体物理学的发展使物理学与化学研究的对象日益深入到更加复杂的物质结构的层次，对半导体、超导体的研究越来越需要化学家的配合与协助，而在液晶科学、高分子科学和分子膜科学取得的进展是化学家、物理学家共同努力的结果。另外，近代物理的理论和实验技术又推动了化学的发展。
物理学在生物学发展中的贡献体现在两个方面：一是为生命科学提供了现代化的实验手段，如电子显微镜、X射线衍射、核磁共振、扫描隧道显微镜；二是为生命科学提供了理论概念和方法。从19世纪起，生物学家在生物遗传方面进行了大量的研究工作，提出了基因假设。但是，基因的物质基础问题仍然是一个疑问。20世纪40年代，奥地利物理学家薛定谔提出了遗传密码存储于非周期晶体的观点。同时期，英国剑桥大学的卡文迪什实验室开展了对肌红蛋白的X射线结构分析，经过长期的努力，终于确定了脱氧核糖核酸的晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是20世纪生物科学的最重大突破。由于分子生物学构成了生命科学的前沿领域，所以生物物理学显然也是大有可为的。
（二）物理学是现代技术革命的先导
一般来说，物理学与技术的关系存在两种基本模式：第一，由于生产实践的需要而创建了技术，如18至19世纪蒸汽机等热机技术，然后提高到理论上来，建立了热力学，再反馈到技术中，促进技术的进一步发展；第二，先在实验室中揭示基本规律，建立比较完整的理论，然后在生产中发展成为一种全新的技术。19世纪电磁学的发展提供了第二种模式的范例。在英国物理学家、化学家法拉第发现电磁感应和英国物理学家、数学家麦克斯韦确立了电磁场方程组的基础上，产生了今日的发电机、电动机、电报、电视、雷达，创建了现代的电力工程与无线电技术。正如美籍华裔物理学家李政道所说：“没有昨日的基础科学，就没有今日的技术革命。”[2]
在当今世界中，第二种模式的重要性更为显著。物理学已成为现代高技术发展的先导与基础学科；反过来，高技术发展对物理学提出了新的要求，提供了先进的研究条件与手段。所谓高技术，指的是那些对社会经济发展起到极大推动作用的当代尖端技术。下面就物理学的基础研究在当前最引人注目的高端技术，即核能技术、超导技术、信息技术、激光技术、电子技术中所起的突出作用做简要介绍。
能源的获取和利用是工业生产的头等大事，20世纪物理学的一项重大贡献就在于对核能的利用。1905年，美国科学家、物理学家爱因斯坦提出了质能关系式，确立了核能利用的理论基础；英国物理学家查德威克于1932年发现了中子；德国放射化学家、物理学家奥托·哈恩于1938年发现在中子引起铀核裂变时可释放能量，同时有更多的中子发射，于是提出利用“链式反应”来获得原子能的概念；20世纪40年代，美籍意大利物理学家费米根据重核裂变能量释放的原理建立了原子反应堆，使核裂变能的利用成为现实；20世纪50年代，前苏联物理学家塔姆和萨哈罗夫根据氢核在聚变时能量释放的原理设计了受控聚变反应堆。聚变能不仅丰富，而且安全清洁。而现在，可控热核聚变能的研究将为解决21世纪的能源问题开辟道路。
在能源和动力方面，无损耗地传输电流的超导体的广泛应用也可能导致一场革命。1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现纯的水银样品在4.2K附近电阻突然消失，接着又发现其他一些金属也有类似的现象。这一发现开辟了一个崭新的超导物理领域。1957年，BCS理论进一步揭示了超导电性的微观机理；1962年，约瑟夫森效应的发现又将超导的应用扩展至量子电子学领域。在液氦温区（1～5.2K）工作的常规超导体所绕成的线圈，已在加速器、磁流体发电装置及大型实验设备中用来产生强磁场，可以节约大量电能；在发电机和电动机上应用超导体，已经制成接近实用规模的试验性样机。由于这些成功的应用，再加上超导储能、超导输电和悬浮列车等的应用，可以看到高温超导体具有广阔的应用前景。自从1987年美籍华裔物理学家朱经武和中国科学院的赵忠贤等人发现液氮温区（63～80K）的高温超导体以来，超导材料的实用化已取得较大进展，它在大电流技术中的应用前景最为激动人心。
信息技术在现代工业中的地位日趋重要，计算技术、通信技术和控制技术已经从根本上改变了当代社会的面貌。如果说第一次工业革命是动力或能量的革命，那么第二次工业革命就是信息或负熵的革命。人类迈向信息时代，面对着内容繁杂、数量庞大、形式多样的信息，迫切要求信息的处理、存储、传输等技术从原来依赖“电”的行为转向依赖“光”的行为，从而促进“光电子学”和“光子学”的兴起。光电子技术最杰出的成果体现在光通信、光全息、光计算等方面。光通信于20世纪60年代开始提出，20世纪70年代得到迅速发展，具有容量大、抗干扰强、保密性高、传输距离长的特点。光通信以激光为光源，以光导纤维为传输介质，比电通信容量大10亿倍。一根头发丝粗细的光纤可传输几万路电话和几千路电视，20根光纤组成的光缆每天通话可达7.6万人次，光通信开辟了高效、廉价、轻便的通信新途径。以光盘为代表的信息存储技术具有存储量大、时间长、易操作、保密性好、成本低的优点，光盘存储量是一般磁存储量的1000倍。新一代的光计算机的研究与开发已成为国际高科技竞争的又一热点。
激光是20世纪60年代初出现的一门新兴科学技术。1917年，爱因斯坦提出了“受激辐射”概念，指出：“受激辐射产生的光子具有频率、相、偏振态以及传播方向都相同的特点，而且受激辐射的光获得了光的放大。”[3]他又指出：“实现光放大的主要条件是使高能态的原子数大于低能态的原子数，形成粒子数的反转分布，从而为激光的诞生奠定了理论基础。”[4]20世纪50年代，在电气工程师和物理学家研究无线电微波波段问题时，产生了量子电子学。1958年，美国物理学家汤斯提出把量子放大技术用于毫米波、红外以及可见光波段的可能性，从而建立起激光的概念。1960年，美国物理学家梅曼研制成世界上第一台激光器。经过30年的努力，激光器件已发展到相当高的水平：激光输出波长几乎覆盖了从X射线到毫米波段，脉冲输出功率达1019W／cm2，最短光脉冲达6×10-15s，等等。激光成功地渗透到近代科学技术的各个领域。因激光具有高亮度、单色性好、方向性好、相干性好的特点，故其在材料加工、精密测量、通信、医疗、全息照相、产品检测、同位素分离、激光武器、受控热核聚变等方面均获得了广泛的应用。
电子技术是在电子学的基础上发展起来的。1906年，第一只三极电子管的出现被视作电子技术的开端。1948年，美国物理学家巴丁、布莱顿和肖克莱发明了半导体晶体管。这是物理学家认识和掌握了半导体中电子运动规律并成功地加以利用的结果。这一发明开启了电子技术的新时代。20世纪50年代末发明了集成电路，而后集成电路向微型化方向发展。1967年产生了大规模集成电路，1977年超大规模集成电路诞生。1950～1980年，依靠物理知识的深化和工艺技术的进步，晶体管的图形尺寸（线宽）缩小为原来的1／1000。今天的超大规模集成电路芯片上，在一根头发丝粗细的横截面积上，可以制备40个左右的晶体管。微电子技术的迅速发展使得信息处理能力和电子计算机容量不断增长。20世纪40年代建成的第一台大型电子计算机的重量达30t，耗电200kW，占地面积150m2，运算速度为每秒数千次；而现在一台笔记本电脑的性能完全可以超过它。面对超大规模电路图形尺寸不断缩小的事实，人们已看到半导体器件基础上的微电子技术接近它的物理上和技术上的极限。所以，要求物理学家从微结构物理的研究中，制造出新的能满足更高信息处理能力要求的器件，使微电子技术得到进一步的发展。
（三）物理学是科学的世界观和方法论的基础
物理学描绘了物质世界的一幅完整图像，揭示了各种运动形态的相互联系与相互转化，充分体现了世界的物质性与物质世界的统一性。19世纪中期发现的能量守恒定律被德国哲学家恩格斯称为“伟大的运动基本定律”，是19世纪自然科学的三大发现之一，是唯物辩证法的自然科学基础。法拉第、爱因斯坦对自然力的统一性怀有坚定的信念，他们终生不渝地为证实各种现象之间的普遍联系而努力。
物理学史告诉我们，新的物理概念和物理观念的确立是人类认识史上的一个飞跃，只有冲破旧的传统观念的束缚才能得以问世。例如，德国物理学家普朗克的能量子假设由于突破了“能量连续变化”的传统观念，而遭到当时物理学界的反对。普朗克本人由于受到传统观念的束缚，在提出能量子假设后多年惴惴不安，一直徘徊不前，总想回到经典物理的立场。同样，狭义相对论也是爱因斯坦在突破了牛顿的绝对时空观的束缚、形成了相对论时空观的基础上建立的。而荷兰物理学家洛伦兹由于受到绝对时空观的束缚，虽提出了正确的坐标变换式，但不承认变换式中的时间是真实时间，一直提不出狭义相对论。这说明正确的科学观与世界观的确立对科学的发展具有重要的作用。
物理学是理论和实验紧密结合的科学。物理学中很多重大的发现、重要原理的提出和发展都体现了实验与理论的辩证关系：实验是理论的基础，理论的正确与否要接受实验的检验，而理论对实验又有重要的指导作用，二者的结合推动着物理学向前发展。一般物理学家在认识论上都坚持科学理论是对客观实在的描述，而薛定谔声称物理学是“绝对客观真理的载体”。
综上所述，通过物理教学培养学生正确的世界观是物理学科本身的特点，是物理教学的一种优势。因此，物理教学要充分发挥这一优势，提高自觉性，把世界观的培养融入教学中去。一个科学理论的形成离不开科学思想的指导和科学方法的应用。正确的科学思维和科学方法是在人的认识途径上实现从现象到本质、从偶然性到必然性、从未知到已知的桥梁。科学方法是学生在学习过程中打开学科大门的钥匙，是在未来从事科技工作时进行科技创新的锐利武器。所以，教师向学生传授知识时，要启迪引导学生掌握本门课程的方法论。这是培养具有创造性人才所必需的。