精品課程：緒論(光)

1、大學物理學大學物理學論論緒緒“探索未知探索未知”大學物理學大學物理學緒論緒論( (一)什么是物理學什么是物理學( (二二) )為什么要學物理學為什么要學物理學( (三三) )怎樣學習物理學怎樣學習物理學物理學物理學是研究自然界中物質的基本結構是研究自然界中物質的基本結構 及其基本運動規(guī)律的科學及其基本運動規(guī)律的科學地位：地位：物理學是自然科學的基礎物理學是自然科學的基礎, ,是帶頭科學。是帶頭科學。 緒緒 論論一、一、 什么是物理學什么是物理學中國科學院院士馮端教授說：中國科學院院士馮端教授說：“物理學作為嚴格物理學作為嚴格的、定量的自然科學的帶頭科學，一直在科學技的、定量的自然科學的帶頭科學

2、，一直在科學技術發(fā)展中發(fā)揮極其重要的作用，過去是如此，現(xiàn)術發(fā)展中發(fā)揮極其重要的作用，過去是如此，現(xiàn)在是如此，展望將來還將是如此。在是如此，展望將來還將是如此?！?.物理學的研究對象物理學的研究對象研究的對象：宇宙研究的對象：宇宙 為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫為人們描繪出一副五彩繽紛的圖畫宇觀、宏觀、微觀宇觀、宏觀、微觀宇：宇：天地四方，空間天地四方，空間宙：宙：繼往開來，時間繼往開來，時間撞擊慧星發(fā)出的閃光撞擊慧星發(fā)出的閃光力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學、核物理學力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學、核物理學 2.物理學的分類及其層次結構物理學的分類及其層次結構實物粒子、場物質實物粒子

3、、場物質微觀客體（電子、質子、光子等）微觀客體（電子、質子、光子等）具有波粒二象性具有波粒二象性 粒子物理、核物理、原子物理、分子物理粒子物理、核物理、原子物理、分子物理 原子簇物理、凝聚態(tài)物理、天體物理、宇宙學物理原子簇物理、凝聚態(tài)物理、天體物理、宇宙學物理 按分支學科分類：按分支學科分類： 按物質形體大小分類：按物質形體大小分類： 按物質形態(tài)分類：按物質形態(tài)分類： 按物理常數(shù)按物理常數(shù)c、h分類：分類：sJhsmc 341810626176. 6109979. 2v vccvcvch h00經(jīng)經(jīng)典理典理論論相相對論對論h h00量子量子論論相相對論對論性量子性量子論論b空間尺度空間尺度(

4、(相差相差1010454510104646) )101026 26 m m( (約約150150億光年億光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) )物理世界的層次結構物理世界的層次結構仙仙女女座座大大星星云云b時間尺度時間尺度( (相差相差10104545) )10101818s s （150150億年）億年）( (宇宙年齡宇宙年齡) )-10-10- -2727s s( (硬硬 射線周期射線周期) )b速率范圍速率范圍0 0( (靜止靜止) ) - 3- 310108 8 m/sm/s( (光速光速) )接近光速運動的太空船接近光速運動的太空船人們不斷向小尺度

5、開拓，人們不斷向小尺度開拓， 以以探索物質的組成探索物質的組成, ,物理學上對物理學上對應應 粒子物理學粒子物理學目前物理學界公認組成物質的目前物理學界公認組成物質的最小單元是夸克最小單元是夸克, ,即認為即認為quarkquark沒有內部結構沒有內部結構但近來有消息稱但近來有消息稱: : quark quark 也可一分為二也可一分為二 說明認識無止境說明認識無止境 物質世界總圖象物質世界總圖象 人們從自己向人們從自己向大尺度追問以探索大尺度追問以探索宇宙的奧秘宇宙的奧秘 物理學上對應物理學上對應 天體物理學天體物理學黑眼星云黑眼星云神秘星云哈雷慧星哈雷慧星1. 1. 明確明確課程定位，強化

6、科學素質教育課程定位，強化科學素質教育工科物理是基礎課，但更重要的是科學素質課工科物理是基礎課，但更重要的是科學素質課二、為什么要學物理學二、為什么要學物理學自然科學的帶頭科學自然科學的帶頭科學( (自然科學的基礎）自然科學的基礎）新學科和高科技產生和發(fā)展的動力與源泉新學科和高科技產生和發(fā)展的動力與源泉培養(yǎng)學生辨證唯物主義世界觀和科學的宇宙觀培養(yǎng)學生辨證唯物主義世界觀和科學的宇宙觀的最生動最有效的學科體系的最生動最有效的學科體系研究方法涵蓋了現(xiàn)代科學研究方法論中的各種研究方法涵蓋了現(xiàn)代科學研究方法論中的各種有效的研究方法有效的研究方法與數(shù)學、化學、計算機、材料等學科相互滲透與數(shù)學、化學、計算機

7、、材料等學科相互滲透產生的邊緣學科產生的邊緣學科物理學是研究物質的結構、相互作用及其運動規(guī)物理學是研究物質的結構、相互作用及其運動規(guī)律的科學。與其他學科相比，物理學更著重于對物質律的科學。與其他學科相比，物理學更著重于對物質世界世界最普遍、最基本運動規(guī)律最普遍、最基本運動規(guī)律的探求。的探求。1）體系構建以宇觀、宏觀、微觀世界的基本規(guī)律）體系構建以宇觀、宏觀、微觀世界的基本規(guī)律為架構為架構（知識教育與科學素質教育）（知識教育與科學素質教育）2）20世紀物理學的發(fā)展大踏步的進入課堂世紀物理學的發(fā)展大踏步的進入課堂（教學內容現(xiàn)代化）（教學內容現(xiàn)代化）非線性物理（非線性動力學、非平衡熱力學、非線性光學

8、）非線性物理（非線性動力學、非平衡熱力學、非線性光學） 相對論相對論 量子力學粒子物理量子力學粒子物理 宇宙學宇宙學2. 2. 教學體系與教學內容改革教學體系與教學內容改革量子力學量子力學固體能帶理論固體能帶理論半導體半導體晶體管晶體管 集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路電磁波理論電磁波理論光量子理論光量子理論受激輻射受激輻射激光器激光器激光通訊激光通訊狹義相對論狹義相對論(E=mc(E=mc2 2) )重核裂變重核裂變反應堆反應堆核電站核電站b觀察法觀察法b實驗法實驗法b理想化方法理想化方法b歸納、演繹法歸納、演繹法b類比法類比法b分析與分析與綜合法綜合法b假說法假說法b數(shù)學方法數(shù)

9、學方法 b非常規(guī)科學思維方法非常規(guī)科學思維方法（如直覺、靈感、頓悟如直覺、靈感、頓悟等等 ）3. 物理學與科學研究方法物理學與科學研究方法德國物理學家亥姆霍茲曾德國物理學家亥姆霍茲曾說過這樣一段話：說過這樣一段話：“我欣然把我欣然把自己比做山中的漫游者，他不自己比做山中的漫游者，他不諳山路，緩慢吃力的攀登，不諳山路，緩慢吃力的攀登，不時要止步回頭，因為前面已經(jīng)時要止步回頭，因為前面已經(jīng)是絕境。突然，或許念頭一閃，是絕境。突然，或許念頭一閃，或是由于幸運，他發(fā)現(xiàn)一條通或是由于幸運，他發(fā)現(xiàn)一條通往前面的蹊徑。等他最后登上往前面的蹊徑。等他最后登上山頂時，他羞愧的發(fā)現(xiàn)，如果山頂時，他羞愧的發(fā)現(xiàn)，如果

10、他當初具有找到正確道路的智他當初具有找到正確道路的智慧，本有一條陽關大道可以直慧，本有一條陽關大道可以直通頂巔。通頂巔?！?觀察觀察 、 實驗實驗 、 假設假設 、 理論理論 觀察觀察-對現(xiàn)象的考察和研究對現(xiàn)象的考察和研究 1581年伽利略在年伽利略在教堂作禮拜，司事教堂作禮拜，司事灌注油燈后，觀察灌注油燈后，觀察燈擺動的等時性，燈擺動的等時性， 丹麥科學家第谷布拉赫觀察天上的星星達二十年丹麥科學家第谷布拉赫觀察天上的星星達二十年之久，為開普勒發(fā)現(xiàn)行星三大定律奠定了基礎。之久，為開普勒發(fā)現(xiàn)行星三大定律奠定了基礎。哈勃望遠鏡哈勃望遠鏡 目前哈勃望遠鏡也是為了觀察宇宙星系的變化目前哈勃望遠鏡也是為

11、了觀察宇宙星系的變化例如：例如：電磁感應定律電磁感應定律是是法拉第經(jīng)過實驗室中法拉第經(jīng)過實驗室中10年反復研究得到的。年反復研究得到的。 1974年年11月月16日丁肇日丁肇中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn) J粒子粒子也是在實也是在實驗室發(fā)現(xiàn)。驗室發(fā)現(xiàn)。NS實驗：實驗：把自然界的現(xiàn)象經(jīng)過人把自然界的現(xiàn)象經(jīng)過人為簡化為簡化(乃至建立模型）在實驗乃至建立模型）在實驗室重現(xiàn)，或進行計算機模擬室重現(xiàn)，或進行計算機模擬 等，等，然后進行反復研究然后進行反復研究榮獲諾貝爾獎的第三位榮獲諾貝爾獎的第三位華裔學者華裔學者觀察和實驗是我們獲得第觀察和實驗是我們獲得第一手材料的主要途徑。一手材料的主要途徑。楊振寧、李正道因提出弱相互

12、作用楊振寧、李正道因提出弱相互作用下宇稱不守恒而獲得下宇稱不守恒而獲得1957年諾貝爾年諾貝爾物理學獎。物理學獎。理論物理學家是偉理論物理學家是偉大的，實驗物理學大的，實驗物理學家同樣偉大！家同樣偉大！假說假說：在事實較少和有限的情況下，提出的在事實較少和有限的情況下，提出的一種理論。但假說不等于瞎說。一種理論。但假說不等于瞎說。很多理論往往是通過多次假說，依據(jù)新的實很多理論往往是通過多次假說，依據(jù)新的實驗事實逐漸修正得到的。驗事實逐漸修正得到的。如光的理論、量子理論等等如光的理論、量子理論等等。理論理論:在有充分實驗事實的基礎上歸納出來的原理、定在有充分實驗事實的基礎上歸納出來的原理、定律、

13、規(guī)律等。律、規(guī)律等。當然，理論應當足夠準確地反映物質運動的規(guī)律。當然，理論應當足夠準確地反映物質運動的規(guī)律。還要在實驗中進一步檢驗，當發(fā)現(xiàn)新事實，還要還要在實驗中進一步檢驗，當發(fā)現(xiàn)新事實，還要不斷修正、完善理論。實際上經(jīng)歷了一個實踐、不斷修正、完善理論。實際上經(jīng)歷了一個實踐、認識、再實踐、再認識認識、再實踐、再認識-循環(huán)往復的過程循環(huán)往復的過程。沒有沒有!那么上升為理論后就完事了嗎？那么上升為理論后就完事了嗎？結論：結論： 物理學是一門實驗的科學物理學是一門實驗的科學磁單極理論磁單極理論：N“上蒼天，入黃泉，兩手上蒼天，入黃泉，兩手茫茫不見茫茫不見”目前仍沒有找到單一的磁目前仍沒有找到單一的磁

14、極開鉉開鉉閉鉉閉鉉空間距離為空間距離為10-35 m，目前還無法用實驗驗證。，目前還無法用實驗驗證。超鉉理論超鉉理論：能將四種相互作用力：能將四種相互作用力統(tǒng)一起來統(tǒng)一起來。 物理學為其他學科創(chuàng)立技術和原理物理學為其他學科創(chuàng)立技術和原理 重大新技術領域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷長期的物理醞釀重大新技術領域的創(chuàng)立總是經(jīng)歷長期的物理醞釀4. 物理學與科學技術物理學與科學技術物理學既是伴隨著人類的生存、生產活動發(fā)展起來物理學既是伴隨著人類的生存、生產活動發(fā)展起來的，同時也是科學技術和社會發(fā)展的巨大推動力。的，同時也是科學技術和社會發(fā)展的巨大推動力。物理學的發(fā)展與生產力的提高總是相輔相成的。如物理學的發(fā)展與生產力

15、的提高總是相輔相成的。如當今世界公認的六大高新技術（信息技術、新材料當今世界公認的六大高新技術（信息技術、新材料技術、新能源技術、生物技術、空間技術、海洋技技術、新能源技術、生物技術、空間技術、海洋技術）均是以物理學為基礎的，反過來，高新技術的術）均是以物理學為基礎的，反過來，高新技術的迅猛發(fā)展促進了物理學研究的進一步深入。迅猛發(fā)展促進了物理學研究的進一步深入。三次工業(yè)革命都是由于物理學的重大突破：三次工業(yè)革命都是由于物理學的重大突破：第一次工業(yè)革命：動力機械第一次工業(yè)革命：動力機械第二次工業(yè)革命：電氣化的進程第二次工業(yè)革命：電氣化的進程第三次工業(yè)革命：信息革命第三次工業(yè)革命：信息革命b盧瑟福

16、盧瑟福 a a 粒子散射實驗粒子散射實驗(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年后年后) )b愛因斯坦受激輻射理論愛因斯坦受激輻射理論(1917)(1917) 第一臺激光器第一臺激光器(1960)(1960)b量子力學量子力學, ,費米狄拉克統(tǒng)計費米狄拉克統(tǒng)計, ,固體能帶理論固體能帶理論(20(20年代年代) ) 晶體管誕生晶體管誕生(1947),(1947),集成電路集成電路(1962),(1962),大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 (70(70年代后期年代后期) )由原理轉變?yōu)榧夹g的周期越來越短：由原理轉變?yōu)榧夹g的周期越來越短：b從高溫超導體的發(fā)現(xiàn)到應用：從高溫超導體的發(fā)現(xiàn)到

17、應用：3年年32倍倍人類正是在這循環(huán)往復的認識過程中，創(chuàng)人類正是在這循環(huán)往復的認識過程中，創(chuàng)造出輝煌的業(yè)績來造出輝煌的業(yè)績來HeNe激光器激光器Laser亮度亮度大功率激光器大功率激光器121791010srWcmI可使一切非金屬可使一切非金屬化為一縷青煙化為一縷青煙可使一切金屬熔化可使一切金屬熔化原子彈爆炸發(fā)出巨大的能量原子彈爆炸發(fā)出巨大的能量現(xiàn)在人類正在向征服宇宙進發(fā)?，F(xiàn)在人類正在向征服宇宙進發(fā)。物理學的每一進展都帶來生產力物理學的每一進展都帶來生產力巨大發(fā)展巨大發(fā)展導體表面導體表面 自由自由電子電子探針探針 表面電流表面電流表面結構表面結構UUE 獅子的能量必須滿足獅子的能量必須滿足才能

18、越過高墻才能越過高墻按經(jīng)典的觀點：按經(jīng)典的觀點：E量子：量子：同樣用勢能表示同樣用勢能表示UE 獅子可能穿過獅子可能穿過勢壘到左方勢壘到左方實際：實際：UE勢壘勢壘如：掃描隧道顯微鏡如：掃描隧道顯微鏡 (STM)(STM)的發(fā)明的發(fā)明 說明：深厚的科學素質的重要性說明：深厚的科學素質的重要性 7070年代年代 羅伯特羅伯特. .楊楊 制成場發(fā)射顯微鏡制成場發(fā)射顯微鏡1981年 賓尼和羅雷爾應用隧道效應改進了場發(fā)射顯微鏡設計出掃描式隧道效應顯微鏡得益于深厚的科學素養(yǎng)得益于深厚的科學素養(yǎng)19861986年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎圖為鑲嵌了圖為鑲嵌了48個個Fe原子的原子的Cu表面掃描隧道顯微

19、鏡照片。表面掃描隧道顯微鏡照片。48個個Fe原子形成原子形成“量子圍欄量子圍欄”，圍欄中的，圍欄中的電子形成駐波電子形成駐波。 三、怎樣學習物理學三、怎樣學習物理學掌握各階段的基本理論及實驗，學會運用基本掌握各階段的基本理論及實驗，學會運用基本規(guī)律解決實際問題從而提高分析問題和解決問題規(guī)律解決實際問題從而提高分析問題和解決問題的能力。的能力。. 物理學與數(shù)學物理學與數(shù)學. 研究型學習研究型學習總之，要學好物理學，總之，要學好物理學，關鍵是勤于思考，悟物窮理。關鍵是勤于思考，悟物窮理。物理學是定量的科學物理學是定量的科學。為了盡可能準確地從數(shù)。為了盡可能準確地從數(shù)量關系上掌握物理規(guī)律，數(shù)學就成為

20、物理學不可缺少量關系上掌握物理規(guī)律，數(shù)學就成為物理學不可缺少的工具。的工具。1、要學好數(shù)學、要學好數(shù)學數(shù)學為物理學研究提供精確的形式化語言和表述數(shù)學為物理學研究提供精確的形式化語言和表述工具。在物理學研究中，數(shù)學成了量化物理變量、定工具。在物理學研究中，數(shù)學成了量化物理變量、定義物理概念、表述物理過程的主要工具。如用位移對義物理概念、表述物理過程的主要工具。如用位移對時間的微商表示瞬時速度，力對空間的積分表示變力時間的微商表示瞬時速度，力對空間的積分表示變力所作的功，所作的功，既簡潔方便、又嚴格明了既簡潔方便、又嚴格明了。若使用普通語。若使用普通語言是無法實現(xiàn)這一目標的。言是無法實現(xiàn)這一目標的

21、。用數(shù)學方法研究物理問題本身就需要經(jīng)歷一個抽象用數(shù)學方法研究物理問題本身就需要經(jīng)歷一個抽象思維的過程，有時甚至需要建立數(shù)學模型，這就培養(yǎng)了思維的過程，有時甚至需要建立數(shù)學模型，這就培養(yǎng)了物理學工作者的抽象能力。物理學工作者的抽象能力。例例1. 牛頓用他自己發(fā)明的微積分（微積分是牛頓和萊布尼茨牛頓用他自己發(fā)明的微積分（微積分是牛頓和萊布尼茨（G. W. Leibniz）各自獨立發(fā)明的）對力學規(guī)律進行表述和）各自獨立發(fā)明的）對力學規(guī)律進行表述和推算，使力學成為具有簡明數(shù)學形式的統(tǒng)一理論體系。推算，使力學成為具有簡明數(shù)學形式的統(tǒng)一理論體系。例例2. 1854年，麥克斯韋閱讀了法拉第的年，麥克斯韋閱讀

22、了法拉第的電學的實驗研究電學的實驗研究，發(fā)現(xiàn)法拉第的發(fā)現(xiàn)法拉第的“力線力線”思想和思想和“場場”的模型具有非凡的價值，的模型具有非凡的價值，但他也看到了法拉第只是定性地表述這些新思想的弱點。于是但他也看到了法拉第只是定性地表述這些新思想的弱點。于是他抱著給法拉第的新觀念他抱著給法拉第的新觀念“提供數(shù)學基礎提供數(shù)學基礎”的愿望，開始了他的愿望，開始了他的研究工作。他把電磁現(xiàn)象與流體力學現(xiàn)象進行類比，發(fā)展引的研究工作。他把電磁現(xiàn)象與流體力學現(xiàn)象進行類比，發(fā)展引入了位移電流和渦旋電場，通過嚴密的數(shù)學推導，用一組偏微入了位移電流和渦旋電場，通過嚴密的數(shù)學推導，用一組偏微分方程全面、系統(tǒng)、完整地表達電磁運動的基本規(guī)律，建立了分方程全面、系統(tǒng)、完整地表達電磁運動的基本規(guī)律，建立了電磁場理論，從解電磁場方程組預言電磁波的存在。標志著經(jīng)電磁場理論，從解電磁場方程組預言電磁波的存在。標志著經(jīng)典電磁學的建立。典電磁學的建立。物理理論與數(shù)學方法的緊密結合，使人類對物理學的研究物理理論與數(shù)學方法的緊密結合，使人類對物理學的研究如虎添翼，所以我們在學習物理學原理的同時，應該學會運用如虎添翼，所以我們在學習物理學原理的同時，應該學會運用數(shù)學方法。在學習中學物理時，我們運用的是初等數(shù)學。在學數(shù)學方法。在學習中學物理時，我們運用的是初等數(shù)學。在學習大學物理的今天，我們應該養(yǎng)成自覺運用高等數(shù)學的良好習習大學