大學物理緒論 (1)

1、1 大學物理大學物理主講教師：馬健主講教師：馬健2第一篇第一篇 緒緒 論論解決兩個問題：解決兩個問題：* * 明確為什么學？學什么？怎樣學？明確為什么學？學什么？怎樣學？* * 了解物質(zhì)世界的整體圖象。了解物質(zhì)世界的整體圖象。 目的：目的：獲得學習獲得學習“大學物理大學物理”的自覺意識和較高的起點。的自覺意識和較高的起點。 3一一. . 為什么要學習為什么要學習“大學物理大學物理”？ 物理學研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、基物理學研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、基本相互作用和最普遍的運動規(guī)律。本相互作用和最普遍的運動規(guī)律。 我們把不依賴于人的意識而獨立存在我們把不依賴于人的意識而獨立存在的的客觀實在稱為物質(zhì)。

2、與其它科學相比，物客觀實在稱為物質(zhì)。與其它科學相比，物理理學更著重于物質(zhì)世界普遍而基本的規(guī)律的學更著重于物質(zhì)世界普遍而基本的規(guī)律的追追求。求。 1：什么是物理學：什么是物理學42：物理學發(fā)展歷程物理學發(fā)展歷程 以公元以公元1600年為界，在這以前，叫物理年為界，在這以前，叫物理學的前科學時期，這一時期，物理學還不學的前科學時期，這一時期，物理學還不是一門獨立的學科。是一門獨立的學科。 16001800年，在這一時期，物理形年，在這一時期，物理形成了一門學科，牛頓完成了牛頓力學。成了一門學科，牛頓完成了牛頓力學。 18001900年，電磁學、熱力學、波年，電磁學、熱力學、波動光學、經(jīng)典統(tǒng)計物理學

3、等的發(fā)展完善了經(jīng)動光學、經(jīng)典統(tǒng)計物理學等的發(fā)展完善了經(jīng)典力學。典力學。 上世紀初，上世紀初，20世紀自然科學領(lǐng)域最偉大的兩個理世紀自然科學領(lǐng)域最偉大的兩個理論出現(xiàn)了：量子力學和相對論論出現(xiàn)了：量子力學和相對論近代物理近代物理的開始。的開始。經(jīng)典物理學經(jīng)典物理學5當今，物理學與其它學科的交叉誕生了生物科學、化當今，物理學與其它學科的交叉誕生了生物科學、化學物理、地球物理、天體物理等新型學科，人們公認：學物理、地球物理、天體物理等新型學科，人們公認：當今最有生命力的是不同學科交叉的領(lǐng)域。當今最有生命力的是不同學科交叉的領(lǐng)域。 每一個工程技術(shù)人員都應該加強自身的數(shù)理知每一個工程技術(shù)人員都應該加強自身

4、的數(shù)理知識的培養(yǎng)與積累識的培養(yǎng)與積累,以適應新形式的要求。以適應新形式的要求。 隨著科學的發(fā)展，從物理學中不斷分化出諸如粒子物隨著科學的發(fā)展，從物理學中不斷分化出諸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚態(tài)物理、激光理、原子核物理、原子分子物理、凝聚態(tài)物理、激光物理、電子物理、等離子體物理、半導體物理等名目物理、電子物理、等離子體物理、半導體物理等名目繁多的新分支。繁多的新分支?，F(xiàn)代物理學發(fā)展的現(xiàn)代物理學發(fā)展的兩個趨勢兩個趨勢： （1）自身的細化、分支多；（）自身的細化、分支多；（2）與其他學科的交叉）與其他學科的交叉6*第一次工業(yè)革命（第一次工業(yè)革命（1718世紀）：建立在牛頓力學和世紀）

5、：建立在牛頓力學和熱力學發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標志是以蒸汽機為代表的一熱力學發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標志是以蒸汽機為代表的一系列機械的產(chǎn)生和應用。系列機械的產(chǎn)生和應用。 *第二次工業(yè)革命（第二次工業(yè)革命（19世紀）：建立在電磁理論發(fā)展的世紀）：建立在電磁理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標志是發(fā)電機、電動機、電訊設(shè)備的出現(xiàn)基礎(chǔ)上，其標志是發(fā)電機、電動機、電訊設(shè)備的出現(xiàn)和應用。和應用。*第三次工業(yè)革命（第三次工業(yè)革命（20世紀）：建立在相對論和量子世紀）：建立在相對論和量子力學發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標志是以信息技術(shù)為代表的力學發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標志是以信息技術(shù)為代表的一系列新學科、新材料、新能源、新技術(shù)的興起和一系列新學科、新材料

6、、新能源、新技術(shù)的興起和發(fā)展。發(fā)展。二：物理學與技術(shù)二：物理學與技術(shù)7物理學與技術(shù)關(guān)系的兩種模式物理學與技術(shù)關(guān)系的兩種模式*技術(shù)技術(shù) 物理物理 技術(shù)（典型例子：熱學）技術(shù)（典型例子：熱學）*物理物理 技術(shù)技術(shù) 物理（典型例子：電磁學）物理（典型例子：電磁學） 在現(xiàn)代社會中主要以第二種方式進行。在現(xiàn)代社會中主要以第二種方式進行。例：例：計算機技術(shù)是這個嶄新的信息時代的關(guān)鍵，其計算機技術(shù)是這個嶄新的信息時代的關(guān)鍵，其基礎(chǔ)正是過去大半個世紀的現(xiàn)代物理學的研究成果基礎(chǔ)正是過去大半個世紀的現(xiàn)代物理學的研究成果8以計算機為代表的電子和信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)以計算機為代表的電子和信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1925年年

7、量子力學建立量子力學建立1926年年 Fermi-Dirac 統(tǒng)計法提出統(tǒng)計法提出1929年年 能帶理論提出并得到證實，從理論上解釋了能帶理論提出并得到證實，從理論上解釋了 導體、半導體、絕緣體的性質(zhì)和區(qū)別；導體、半導體、絕緣體的性質(zhì)和區(qū)別； Fermi面概念及其可測量的提出面概念及其可測量的提出1947年年 發(fā)明晶體管（獲發(fā)明晶體管（獲1956年諾貝爾物理獎）年諾貝爾物理獎）1957年年 建立建立Fermi面編目面編目1962年年 制成集成電路（制成集成電路（IC）70年代末年代末 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLIC）、量子信息處理編碼量子計算機、量子比特子糾纏態(tài)量

8、子力學疊加原理、量9激光技術(shù)的物理基礎(chǔ)激光技術(shù)的物理基礎(chǔ)1860年年 Maxwell 建立光的電磁理論建立光的電磁理論1900年年 Planck 提出能量子理論提出能量子理論1917年年 Einstein 提出受激輻射理論提出受激輻射理論1953年年 制成微波激射器（制成微波激射器（maser）1960年年 Maiman制成紅寶石激光器制成紅寶石激光器6070年代年代 激光器及其應用高速發(fā)展，月球上設(shè)置激光器及其應用高速發(fā)展，月球上設(shè)置 激光反射器激光反射器1982年年 激光全息術(shù)激光全息術(shù)8090年代年代 激光外科手術(shù)，通訊，光盤，激光武器激光外科手術(shù)，通訊，光盤，激光武器.10核技術(shù)的物理

9、基礎(chǔ)核技術(shù)的物理基礎(chǔ)1896年年 Becquerel 發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性1905年年 Einstein 創(chuàng)立狹義相對論，得創(chuàng)立狹義相對論，得1911年年 Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的有核模型1925年年 量子力學建立量子力學建立1932年年 建立原子核的建立原子核的 質(zhì)子質(zhì)子中子中子 模型模型1933年年 發(fā)現(xiàn)人工放射性發(fā)現(xiàn)人工放射性1945年年 實現(xiàn)核裂變實現(xiàn)核裂變原子彈原子彈1952年年 實現(xiàn)核聚變實現(xiàn)核聚變氫彈氫彈1954年年 建立第一座核電站建立第一座核電站2mcE 11物理學物理學提供科學原理提供科學原理指導技術(shù)路線的選擇和技術(shù)方案的改進指導技

10、術(shù)路線的選擇和技術(shù)方案的改進培養(yǎng)技術(shù)人員的科學品格和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)技術(shù)人員的科學品格和創(chuàng)新能力，使其眼光遠，層次高，后勁足使其眼光遠，層次高，后勁足全世界工科大學無一例外將物理作為重要基礎(chǔ)課全世界工科大學無一例外將物理作為重要基礎(chǔ)課12二二.學什么？學什么？知識、方法、科學觀念知識、方法、科學觀念“物物”物質(zhì)世界物質(zhì)世界 “理理”普遍規(guī)律普遍規(guī)律1.學習物理知識要注意學習物理知識要注意整體性整體性、發(fā)展性發(fā)展性和和遷移性遷移性。整體性注意掌握知識的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系注意掌握知識的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系形成物質(zhì)世界的整體物理圖象形成物質(zhì)世界的整體物理圖象教材結(jié)構(gòu)和主線教材結(jié)構(gòu)和主線基本基本粒子粒子實物的實物的 運動

11、規(guī)律運動規(guī)律相互作用相互作用和場和場振動和振動和波動波動量子現(xiàn)象和量子現(xiàn)象和量子規(guī)律量子規(guī)律多粒子體系多粒子體系的熱運動的熱運動13發(fā)展性不斷從新的角度審視和理解物理概念和不斷從新的角度審視和理解物理概念和規(guī)律，關(guān)注其內(nèi)涵的豐富，應用的擴展，規(guī)律，關(guān)注其內(nèi)涵的豐富，應用的擴展，相互關(guān)系的變化。相互關(guān)系的變化。例如：例如：質(zhì)量質(zhì)量m高中：高中：maF 慣性質(zhì)量；慣性質(zhì)量；2rGmMF 引力質(zhì)量引力質(zhì)量初中：初中：VmVm循環(huán)定義？循環(huán)定義？前沿：前沿： 質(zhì)量究竟是什么？是如何產(chǎn)生的？質(zhì)量究竟是什么？是如何產(chǎn)生的？ 什么是物質(zhì)？什么是物質(zhì)？“有質(zhì)量就是物質(zhì)有質(zhì)量就是物質(zhì)”的觀點正確的觀點正確 嗎？

12、場也是物質(zhì)的一種形式嗎？場也是物質(zhì)的一種形式大學：大學：2mcE 能量載體；能量載體；慣引mm（1）概念的發(fā)展；（）概念的發(fā)展；（2）框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展；）框架結(jié)構(gòu)的發(fā)展；（3）數(shù)學手段的發(fā)展）數(shù)學手段的發(fā)展14例如：例如：力力F近代物理：以能量為中心的表述優(yōu)于以力為中心的表述。近代物理：以能量為中心的表述優(yōu)于以力為中心的表述。中心：中心：守恒量守恒量動量、角動量、能量動量、角動量、能量守恒定律與自然界對稱性的聯(lián)系守恒定律與自然界對稱性的聯(lián)系amF對時間積累對時間積累ptFI 動量定理動量定理動量守恒動量守恒對空間積累對空間積累kcosEFSA 動能定理動能定理機械能守恒機械能守恒力矩力矩FdM

13、定軸轉(zhuǎn)動物體的平衡定軸轉(zhuǎn)動物體的平衡中學：以中學：以“力力”為中心。為中心。15注意提高應用物理知識理解、解注意提高應用物理知識理解、解決實際問題的能力。決實際問題的能力。 2. 學習物理方法學習物理方法觀察、實驗、模擬、演繹、歸納、分析、綜合、觀察、實驗、模擬、演繹、歸納、分析、綜合、類比、理想化、假說類比、理想化、假說.指導性原理指導性原理: * 簡單性原理：邏輯前提越簡單，普遍程度越高。簡單性原理：邏輯前提越簡單，普遍程度越高。 * 對應原理對應原理 ：新理論應包容在一定條件下被證實是：新理論應包容在一定條件下被證實是正確的舊理論，并在極限條件下過渡到舊理正確的舊理論，并在極限條件下過渡

14、到舊理論。論。 .遷移性遷移性16例如：例如：理想化方法理想化方法理想模型（單擺、彈簧振子、理想氣體理想模型（單擺、彈簧振子、理想氣體)理想實驗（伽利略、牛頓理想實驗（伽利略、牛頓. ）理想過程理想過程 (準靜態(tài)、絕熱準靜態(tài)、絕熱)實質(zhì)實質(zhì): 簡化、純化，抓住主要矛盾，摒棄次要因素。簡化、純化，抓住主要矛盾，摒棄次要因素。復習復習質(zhì)點、質(zhì)點系、剛體質(zhì)點、質(zhì)點系、剛體質(zhì)點質(zhì)點：當物體的線度和形狀在所研究的問題中的作：當物體的線度和形狀在所研究的問題中的作用可以忽略不計時，將物體抽象為一個具有質(zhì)量，用可以忽略不計時，將物體抽象為一個具有質(zhì)量，占有位置，但無形狀大小的占有位置，但無形狀大小的“點點”

15、。17質(zhì)點系質(zhì)點系：質(zhì)點的集合。：質(zhì)點的集合。剛剛 體體：任意兩質(zhì)點間距離保持不變的質(zhì)點系。：任意兩質(zhì)點間距離保持不變的質(zhì)點系。質(zhì)點質(zhì)點質(zhì)點系質(zhì)點系剛體剛體集合集合特例特例*思考:質(zhì)點和幾何學上的點有什么不同？質(zhì)點和幾何學上的點有什么不同？例如：例如：科學假說方法科學假說方法牛頓時代牛頓時代：以經(jīng)驗觀察，邏輯歸納為主。：以經(jīng)驗觀察，邏輯歸納為主?，F(xiàn)代物理現(xiàn)代物理：問題：問題假說假說(實踐實踐)科學科學 （證偽）（證偽）新問題新問題新假說新假說.“不是由觀察結(jié)果歸納出理論，而是由理論決定不是由觀察結(jié)果歸納出理論，而是由理論決定觀察什么觀察什么?！?愛因斯坦愛因斯坦18定位：定位：物理教育物理教育

16、科學素質(zhì)教育科學素質(zhì)教育不僅僅是為后續(xù)課服務(wù)不僅僅是為后續(xù)課服務(wù)不僅僅是為專業(yè)服務(wù)不僅僅是為專業(yè)服務(wù)立足于提高自身科學素質(zhì)，有益于終身學習和發(fā)展立足于提高自身科學素質(zhì)，有益于終身學習和發(fā)展合格大學生的標準：合格大學生的標準：（1）力所能及地培養(yǎng)自己的自然科學和社會科學素）力所能及地培養(yǎng)自己的自然科學和社會科學素質(zhì)，提高自己綜合能力，復合性人才更有競爭力。質(zhì)，提高自己綜合能力，復合性人才更有競爭力。（2）以良好的心態(tài)對待你學的每一門課程。）以良好的心態(tài)對待你學的每一門課程。19“學校的目標應當是培養(yǎng)有獨立行動和獨立思考的個人，學校的目標應當是培養(yǎng)有獨立行動和獨立思考的個人，不過他們要把為社會服務(wù)

17、看作是自己的最高目的。不過他們要把為社會服務(wù)看作是自己的最高目的?！?“學校的目標始終應當是：青年人在離開學校時，是作為學校的目標始終應當是：青年人在離開學校時，是作為一個和諧的人，而不是作為一個專家。一個和諧的人，而不是作為一個專家。發(fā)展獨立思考發(fā)展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把和獨立判斷的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎(chǔ)理專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎(chǔ)理論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培

18、訓內(nèi)容的人路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內(nèi)容的人來講，他一定會更好地適應進步和變化。來講，他一定會更好地適應進步和變化?！?愛因斯坦愛因斯坦論教育論教育 20一一. .物質(zhì)世界的空間尺度物質(zhì)世界的空間尺度宇宙的宇宙的42個臺階個臺階（1）小尺度）小尺度最小的哺乳動物和鳥類：最小的哺乳動物和鳥類： 10-1m數(shù)量級數(shù)量級 昆蟲：昆蟲： 10-210-3m數(shù)量級數(shù)量級細菌或典型的真核細胞直徑：細菌或典型的真核細胞直徑：1010-5-5m m數(shù)量級數(shù)量級細胞的最小直徑：細胞的最小直徑： 1010-7-7m m數(shù)量級數(shù)量級原子的尺度：原子的尺度： 1010-10-10m m數(shù)量級數(shù)量級 原

19、子核的線度：原子核的線度： 1010-14-141010-15-15m m的數(shù)量級的數(shù)量級 夸克：夸克： 無法確定大小無法確定大小 納米：材料顆粒為10-9米時，一些新特性出現(xiàn)。21通過移走原子構(gòu)成的圖形通過移走原子構(gòu)成的圖形22（2）大尺度）大尺度鯨：鯨： 101m數(shù)量級數(shù)量級紅杉樹：紅杉樹： 102m數(shù)量級數(shù)量級珠穆朗瑪峰，馬里亞納海溝：珠穆朗瑪峰，馬里亞納海溝：104m數(shù)量級數(shù)量級月球半徑，地球半徑：月球半徑，地球半徑： 10106 6m m數(shù)量級數(shù)量級 太陽系的直徑太陽系的直徑: : 1013m數(shù)量級數(shù)量級星系團尺度星系團尺度: 10: 102323m m數(shù)量級數(shù)量級 超星系團超星系團

20、: 10: 102424m m數(shù)量級數(shù)量級觀測的極限觀測的極限哈勃半徑哈勃半徑: 10: 102626m m數(shù)量級數(shù)量級23宇宙學、粒子物理的奇妙銜接宇宙學、粒子物理的奇妙銜接24二二. 物質(zhì)世界的時間尺度物質(zhì)世界的時間尺度時標時標s1018宇宙年齡：宇宙年齡：130 200億年億年 25地球年齡地球年齡s10106 . 4179年星系形成：星系形成：50億年億年26大氣形成大氣形成s10108168年熱電離層熱電離層對流層對流層中間層中間層平流層平流層外大氣層外大氣層臭氧層臭氧層27生命的誕生：約生命的誕生：約40億年億年脊椎動物：脊椎動物： 約約6億年億年人類出現(xiàn)人類出現(xiàn) 年年614103

21、s1028生生物物的的進進化化29地球公轉(zhuǎn)地球公轉(zhuǎn)s1037月球公轉(zhuǎn)月球公轉(zhuǎn)s106 . 26地球自轉(zhuǎn)地球自轉(zhuǎn)s105中子壽命中子壽命s103百米跑百米跑 10s 市電周期市電周期s102介子壽命介子壽命s1010178中間玻色子壽命中間玻色子壽命s1024s10s102418共計跨越了共計跨越了42個數(shù)量級個數(shù)量級30三：基本粒子三：基本粒子 是目前所認識到的組成物質(zhì)的基本單元，即是目前所認識到的組成物質(zhì)的基本單元，即人類迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的人類迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點點”粒子，粒子，是一個不斷向更深層次轉(zhuǎn)移的動態(tài)概念。是一個不斷向更深層次轉(zhuǎn)移的動態(tài)概念。要求了要求了解解三大

22、家族、四種相互作用（簡單介紹）。三大家族、四種相互作用（簡單介紹）。 1：描述粒子特性的主要物理量：描述粒子特性的主要物理量 （1）質(zhì)量）質(zhì)量 （2）電荷）電荷（3）自旋）自旋 （4）壽命）壽命2：粒子間相互作用（四種）：粒子間相互作用（四種） （1）引力相互作用）引力相互作用 （2）電磁相互作用）電磁相互作用（3）強相互作用）強相互作用 （4）弱相互作用）弱相互作用31光子（光子（20世紀世紀20年代）年代） 傳遞電磁相互作用傳遞電磁相互作用中間玻色子中間玻色子(3種種) （20世紀世紀70-80年代）年代） 傳遞弱作用傳遞弱作用膠子膠子 (8種種) （已有實驗基礎(chǔ)）（已有實驗基礎(chǔ)） 傳遞強

23、作用傳遞強作用 引力子（尚未發(fā)現(xiàn)）引力子（尚未發(fā)現(xiàn)） 傳遞引力作用傳遞引力作用（1）規(guī)范粒子：場粒子，傳遞相互作用的媒介）規(guī)范粒子：場粒子，傳遞相互作用的媒介, ,共共13種。種。3：基本粒子分類：基本粒子分類三大家族三大家族32 規(guī)范粒子規(guī)范粒子名稱名稱 符號符號靜質(zhì)量靜質(zhì)量（MeV）電荷電荷（e）自旋自旋)(壽壽 命（命（s）傳遞的傳遞的相互作用相互作用光子光子中間中間玻色子玻色子膠子膠子引力子引力子0ZW)(g?00000011121引力引力01電磁電磁弱弱強強252510)03. 060. 2(10)18. 093. 2(319116140080600玻色子（與場相關(guān)）玻色子（與場相關(guān)

24、）33（2） 輕子：共輕子：共3代代12種種 電子電子子子名稱名稱符號符號靜質(zhì)量靜質(zhì)量（MeV）電荷電荷（e）自旋自旋)(壽壽 命（命（s）代代電子中微子電子中微子子中微子子中微子 子子 子中微子子中微子一一二二三三ee0.515105106*1776.95 . 0160000-1-1-12121212121216101310費米子（與實物相關(guān)）費米子（與實物相關(guān)）* *：北京正負電子對撞機測量結(jié)果北京正負電子對撞機測量結(jié)果343. .夸克夸克: : 3代、代、6味、每味味、每味3色，共色，共36種種名名 稱稱符號符號靜質(zhì)量靜質(zhì)量（MeV）電荷電荷（e）自旋自旋)(代代一一二二三三上上夸克夸克粲粲夸克夸克奇異奇異夸克夸克頂頂夸克夸克底底夸克夸克下下夸克夸克udcstb30030050015001800005000323232313131212121212121費米子費米子35基本粒子基本粒子規(guī)范粒子規(guī)范粒子13種種輕子輕子12種種夸克夸克36種種玻色子（玻色子（引力子