大學物理緒論2

1、We have answered the questions,“ What is the world made of? and “ What holds it together? “ The world is made of six quarks and six leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks and leptons. There are four fundamental forces.(有四種基本相互作用：有四種基本相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用強相互作

2、用、弱相互作用)緒緒 論論世界由什么構世界由什么構成？它們是如成？它們是如何聚集的？何聚集的？ 20世紀60年代，美國物理學家默里蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質(zhì)子這一類強子是由更基本的單元夸克(quark)組成的，很多中國物理學家稱其為“層子”。它們具有分數(shù)電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。 輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種，包括電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子。電子、子和子是帶電的，所有的中微子都不帶電；子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子，不參與強作用，屬于輕子，但是它的質(zhì)量很重，是電子的3600倍，質(zhì)子的1

3、.8倍，因此又叫重輕子。分子分子原子原子原子核原子核質(zhì)子質(zhì)子光子光子物質(zhì)存在的基本形式物質(zhì)存在的基本形式實物實物場場中子中子電子電子夸克夸克（輕子）（輕子）（規(guī)范粒子）：光子，（規(guī)范粒子）：光子，W,ZW,Z玻玻色子，膠子（引力子？）色子，膠子（引力子？） 這這些粒子對應的規(guī)范場，可以些粒子對應的規(guī)范場，可以傳遞各種相互作用。傳遞各種相互作用。 光子，光子，電磁作用；電磁作用；W,Z W,Z 弱作用；弱作用； 膠膠子，強相互作用；子，強相互作用； 引力子，引力子， 引力作用（引力子是否存在引力作用（引力子是否存在未知）。未知）。一一. .為什么非物理專業(yè)的學生也需要學習物理為什么非物理專業(yè)的學

4、生也需要學習物理 “ “科學乃是統(tǒng)一的整體，它被分為不同領域，與其說科學乃是統(tǒng)一的整體，它被分為不同領域，與其說是由事物本身性質(zhì)決定的是由事物本身性質(zhì)決定的, ,還不如說是由于人類認識能力還不如說是由于人類認識能力的局限性造成的的局限性造成的”。普朗克普朗克(18581947)德意志帝國物理學家，量子物理學的德意志帝國物理學家，量子物理學的開創(chuàng)者和奠基人，開創(chuàng)者和奠基人，1918年年諾貝爾諾貝爾物理物理學獎金的獲得者。學獎金的獲得者。（1）各門科學是統(tǒng)一的整體 教育的目的是克服狹隘，開闊眼界。教育的目的是克服狹隘，開闊眼界。（2）人類社會及個人自身可持續(xù)發(fā)展的需要 可持續(xù)發(fā)展是既要滿足現(xiàn)代人的

5、需求，又要不可持續(xù)發(fā)展是既要滿足現(xiàn)代人的需求，又要不損害后代人滿足需求的能力。換句話說，就是指經(jīng)損害后代人滿足需求的能力。換句話說，就是指經(jīng)濟、社會、資源和環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展。濟、社會、資源和環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展。 原子、人、汽車、太陽甚至銀河等原子、人、汽車、太陽甚至銀河等質(zhì)點 通過學習物理，可以培養(yǎng)學生科學素質(zhì)和創(chuàng)新精神，通過學習物理，可以培養(yǎng)學生科學素質(zhì)和創(chuàng)新精神，掌握科學研究的一般方法，為學好專業(yè)打下良好的數(shù)理基掌握科學研究的一般方法，為學好專業(yè)打下良好的數(shù)理基礎。例如：物理學自身發(fā)展過程中處處體現(xiàn)出實用的方法礎。例如：物理學自身發(fā)展過程中處處體現(xiàn)出實用的方法論，其中最基礎的方法就是抽象和模

6、型。論，其中最基礎的方法就是抽象和模型。五彩繽紛、美妙神奇的物理世界五彩繽紛、美妙神奇的物理世界美麗的北極光美麗的北極光滴水滴水（3）物理學與其他科學的相互滲透和協(xié)調(diào) 物理學是最基礎的、包羅萬象的學科，它對整個科學物理學是最基礎的、包羅萬象的學科，它對整個科學的發(fā)展有過深遠的影響。眾多其他科學，如數(shù)學、化學、的發(fā)展有過深遠的影響。眾多其他科學，如數(shù)學、化學、天文學、生物學、醫(yī)學、機械、建筑學，甚至其他社會天文學、生物學、醫(yī)學、機械、建筑學，甚至其他社會學科，如哲學、經(jīng)濟學等等，都包含著物理過程和物理學科，如哲學、經(jīng)濟學等等，都包含著物理過程和物理現(xiàn)象，不能和物理規(guī)律相矛盾?，F(xiàn)象，不能和物理規(guī)律

7、相矛盾。 比如：比如： 生物學以顯微鏡作為基本研究工具生物學以顯微鏡作為基本研究工具;而能量守恒定而能量守恒定律卻是物理學三大守恒定律之一。律卻是物理學三大守恒定律之一。二二. .物理學的研究對象物理學的研究對象物理學是研究自然界物質(zhì)物理學是研究自然界物質(zhì)最基本、最普遍最基本、最普遍的運動形的運動形式和物質(zhì)相互作用以及物質(zhì)結(jié)構的科學。式和物質(zhì)相互作用以及物質(zhì)結(jié)構的科學。 物理學是一門實驗科學，實驗是理論正確與否的唯物理學是一門實驗科學，實驗是理論正確與否的唯一仲裁者。一仲裁者。如：電磁波的預言、物質(zhì)波的預言、宇宙大爆炸模型如：電磁波的預言、物質(zhì)波的預言、宇宙大爆炸模型英文英文“Physics”

8、源于希臘文源于希臘文“”一詞，一詞，意思是意思是“自然自然”。自然界的物質(zhì)自然界的物質(zhì)實物實物場場 世界是物質(zhì)的世界是物質(zhì)的 物質(zhì)是運動的物質(zhì)是運動的 運動是永恒的運動是永恒的物質(zhì)運動形式物質(zhì)運動形式 機械運動機械運動熱運動熱運動 電磁運動電磁運動 微觀運動微觀運動粒子原子核原子最小的細胞DNA的長度太陽太陽系最近的恒星銀河系超星系團星系團哈勃半徑人山2710m1510m 1m宇宙四十二階梯“核天相連”空間尺度（米）空間尺度（米）實物實物1027宇宙引力半徑宇宙引力半徑1023星系團星系團1020地球到銀河系中心的距離地球到銀河系中心的距離1016地球到最近恒星的距離地球到最近恒星的距離101

9、1地球到太陽的距離地球到太陽的距離109太陽的半徑太陽的半徑108地球到月亮的距離地球到月亮的距離106地球半徑地球半徑103地球上高山地球上高山100人的身高人的身高10-5細菌細菌10-8大分子大分子10-10原子原子10-15核子核子 物質(zhì)世界的空間尺度物質(zhì)世界的空間尺度 人類已經(jīng)研究的領域：人類已經(jīng)研究的領域： 哈勃半徑哈勃半徑 宇觀尺度宇觀尺度 核子線度核子線度 1027 m 1024 m 10-15 m 現(xiàn)代科學研究過的空間尺度已經(jīng)跨越了現(xiàn)代科學研究過的空間尺度已經(jīng)跨越了42個數(shù)量級，有充分證據(jù)表明許多物理規(guī)律，如個數(shù)量級，有充分證據(jù)表明許多物理規(guī)律，如能量守恒，相對論，量子論等是

10、普遍適用的。能量守恒，相對論，量子論等是普遍適用的。 Albert Einstein The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.（世界上最難以理解的事情是它是可以理解的）（世界上最難以理解的事情是它是可以理解的）時間尺度（秒）時間尺度（秒）物質(zhì)的運動周期、壽命物質(zhì)的運動周期、壽命10101818宇宙年齡宇宙年齡10101717地球年齡地球年齡10101515恐龍絕滅恐龍絕滅10101414出現(xiàn)古人類出現(xiàn)古人類10101111人類文明史人類文明史10109 9人類的壽命人類的壽命101

11、07 7地球公轉(zhuǎn)周期地球公轉(zhuǎn)周期10106 6月球的周期月球的周期10104 4地球自轉(zhuǎn)周期地球自轉(zhuǎn)周期10100 0鐘擺的周期鐘擺的周期1010-3-3聲波的周期聲波的周期1010-6-6m m子的壽命子的壽命1010-8-8p p介子的壽命介子的壽命1010-16-16p p0 0介子的壽命介子的壽命1010-19-19S S0 0超子的壽命超子的壽命1010-25-25Z Z0 0（中間玻色子）的壽命（中間玻色子）的壽命物質(zhì)世界的時標物質(zhì)世界的時標 三三. .物理簡史物理簡史 物理學的歷史可以上溯到古希臘的自然哲學。觀點：地上的物體由水、火、土、氣四種元素組成；物體觀點：地上的物體由水、

12、火、土、氣四種元素組成；物體的運動分為自然運動和強迫運動；自然界中有等級之分，的運動分為自然運動和強迫運動；自然界中有等級之分，重的東西不如輕的東西高貴，天尊地卑，推動者比被推動重的東西不如輕的東西高貴，天尊地卑，推動者比被推動者高貴，靈魂比肉體高貴。者高貴，靈魂比肉體高貴。亞里士多德亞里士多德 古希臘哲學家，柏拉圖的學生、也是亞歷古希臘哲學家，柏拉圖的學生、也是亞歷山大大帝的老師。他在許多領域都留下廣泛著山大大帝的老師。他在許多領域都留下廣泛著作，包括了物理學、形而上學、詩歌、生物學、作，包括了物理學、形而上學、詩歌、生物學、動物學、邏輯學、政治、政府、以及倫理學。動物學、邏輯學、政治、政府

13、、以及倫理學。蘇格拉底、柏拉圖、以及亞里士多德三人被廣蘇格拉底、柏拉圖、以及亞里士多德三人被廣泛認為是西方哲學的奠基者。泛認為是西方哲學的奠基者。希臘人在學術討論希臘人在學術討論 從戰(zhàn)國時期到明朝中葉，中國的封建社會優(yōu)越于西方從戰(zhàn)國時期到明朝中葉，中國的封建社會優(yōu)越于西方的奴隸制；中國綜合國力遠遠超過了西方的奴隸制；中國綜合國力遠遠超過了西方 ，然而，中國，然而，中國在數(shù)學、科學、藝術和體育方面都不及西方。有人說：在數(shù)學、科學、藝術和體育方面都不及西方。有人說：“ “中國的諸子百家，單單缺少歐幾里德這一家。中國的諸子百家，單單缺少歐幾里德這一家?！边@就為中國后來的落后，埋下了種子。這就為中國后

14、來的落后，埋下了種子。作為科學意義上的物理學發(fā)展經(jīng)歷了兩個時期：作為科學意義上的物理學發(fā)展經(jīng)歷了兩個時期：經(jīng)典經(jīng)典力學力學熱力學及統(tǒng)熱力學及統(tǒng)計物理學計物理學電磁學電磁學及光學及光學相對論相對論量子力學量子力學近代物理近代物理經(jīng)典物理經(jīng)典物理古代自然哲學古代自然哲學 物理學發(fā)展到物理學發(fā)展到19世紀末期，可以說是達到相當完美、世紀末期，可以說是達到相當完美、相當成熟的程度相當成熟的程度 完美的經(jīng)典物理大廈完美的經(jīng)典物理大廈 19世紀的最后一天，歐洲著名世紀的最后一天，歐洲著名的科學家歡聚一堂。會上，英國著的科學家歡聚一堂。會上，英國著名物理學家名物理學家W湯姆孫（即開爾文湯姆孫（即開爾文男爵）

15、發(fā)表了新年祝詞。他在回顧男爵）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。飾工作。美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了第一朵烏云：第一朵烏云：邁克耳孫邁克耳孫- -莫雷實驗莫雷實驗第二朵烏云：第二朵烏云：熱輻射實驗熱輻射實驗 尋找以太的零結(jié)果，愛因斯坦創(chuàng)立了現(xiàn)代物理尋找以太的零結(jié)果，愛因斯坦創(chuàng)立了現(xiàn)代物理大廈之一：相對論大廈之一：相對論 熱輻射的紫外災難的解決熱輻射的紫外災難的解決 ，普朗克等人建立了，普朗克等人建立了現(xiàn)代物理大廈之二：量子論現(xiàn)代物理大廈之

16、二：量子論伴隨著相對論和量子力學的創(chuàng)立，這兩朵烏云在20世紀初終被驅(qū)散。暗能量暗能量暗物質(zhì)暗物質(zhì)普通（觀測）物質(zhì)普通（觀測）物質(zhì)相對論的預言：由相對論的理論推斷出我們的世界除了普通物質(zhì)之外，還存在現(xiàn)在無法觀測的物質(zhì)和能量。 “了解暗物質(zhì)和暗能量，是21世紀科學史的大挑戰(zhàn)?！?008年10月12日，“隆重紀念望遠鏡發(fā)明400周年科學大師演講會”在北京人民大會堂舉行，1957年諾貝爾物理學獎獲得者、美國哥倫比亞大學教授李政道在演講中提出上述觀點。他指出：“宇宙總能量約5%是已知物質(zhì)的能量；約25%是暗物質(zhì)的能量，約70%是暗能量。但什么是暗物質(zhì)、暗能量，我們不知道?！?1世紀初科學最大的謎是暗物質(zhì)

17、和暗能量。它們的存在，向全世界年輕的科學家提出了挑戰(zhàn)。 暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的構成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。 暗能量更是奇怪，以人類已知的核反應為例，反應前后的物質(zhì)有少量的質(zhì)量差，這個差異轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質(zhì)的質(zhì)量全部消失，完全轉(zhuǎn)化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質(zhì)能量的14倍以上。w 暗能量是表現(xiàn)為排斥力，即反引力的物質(zhì)，學暗能量是表現(xiàn)為排斥力，即反引力的物質(zhì)，學界普遍認為它是造成宇宙加速膨脹的原因。界普遍認為它是造成宇宙加速膨脹的原因。w 暗能量基本上不成團，不會有成塊

18、結(jié)構，而是暗能量基本上不成團，不會有成塊結(jié)構，而是均勻分布于整個宇宙空間。均勻分布于整個宇宙空間。w 暗能量減少了星系的相互碰撞的幾率，遏制了暗能量減少了星系的相互碰撞的幾率，遏制了星系團的成長。星系團的成長。知識越多，才知道不懂的也越多知識越多，才知道不懂的也越多! 1915年，愛因斯坦根據(jù)他的相對論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認為，宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達到每立方厘米510的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”。 God not on

19、ly plays dice but also sometimes throws them where they cannot be seen (上帝不但會擲骰子上帝不但會擲骰子，而且有時會在未被認知的地方擲。，而且有時會在未被認知的地方擲。)God does not play dice with universe(上帝不會和宇宙擲骰子上帝不會和宇宙擲骰子) 著名美籍華人物理學家李政道認為目前物理學也存著名美籍華人物理學家李政道認為目前物理學也存在兩朵烏云，一是對稱性破缺，二是夸克禁閉。這預示在兩朵烏云，一是對稱性破缺，二是夸克禁閉。這預示著物理學將有一個大發(fā)展。著物理學將有一個大發(fā)展。四四.