大學物理：緒論2011

1、大學物理學緒論斯蒂芬. 霍金 1942年生于英國。21歲患重癥肌無力，全身致殘。以堅強的毅力進行科研。是繼愛因斯坦后最偉大的物理學家。把量子力學和廣義相對論結(jié)合起來，提出了宇宙“ 開放暴脹論”什么是物理學？ 物理學是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、運動、相互作用形式及其相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學。1、物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)2、物質(zhì)間的相互作用引力作用、電磁作用、強相互作用、弱相互作用3、物質(zhì)最基本、最普遍的運動形式 及轉(zhuǎn)化規(guī)律機械運動熱運動電磁運動（光）原子和原子核內(nèi)部的運動 目前，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最新認識：1、物質(zhì)由分子、原子所組成 ；原子由原子核和核外電子組成 ；原子核由質(zhì)子和中子組成 ；質(zhì)子和中子分別由夸克所組成 ；傳

2、遞夸克之間相互作用的是膠子。2、物質(zhì)的最小構(gòu)成單元是：夸克、輕子和傳播子。3、對微觀世界的認識尺度已經(jīng)達到 m 粒子物理學的實驗研究需要在很高能量下產(chǎn)生粒子并進行探測，因此，粒子物理學又稱為高能物理。2、粒子間的四種相互作用力 1、引力 （宇觀、宏觀 ，在微觀世界不考慮）： 一切質(zhì)量不為零的粒子之間都存在引力作用。但在微觀世界由于引力太小，一般不考慮。 2、電磁力 （宏觀、微觀） 一切帶電粒子或有磁矩的粒子之間都存在電磁力。強度是強力的1/100，是長程力。 3、強力 （微觀） 4、弱力 力的強度：強力 電磁力 弱力 引力 力的作用范圍：引力 電磁力 強力 弱力 強力和弱力只有在微觀世界才顯示

3、出來強度最大，但作用范圍極小，約小于強度比引力強，比電磁力弱，作用范圍更小，約為三、粒子的分類1、基本粒子的種類基本粒子是指構(gòu)成物質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)單元。目前，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子有3種：輕子、夸克、傳播子。（1）輕子有六種：電子、電中微子、u子、u中微子、子、 中微子。 再加上它們的反粒子，共計有12個輕子。（2）夸克有六種（味）：上夸克、下夸克、 夸克、奇異夸克、頂夸克和底夸克。 每種夸克有三種色，再加上它們的反粒子，故總共有36個夸克。（3）傳播子有四種：光子、中間波色子、膠子和引力子（目前尚未發(fā)現(xiàn)）。 光子是它自己的反粒子； 中間波色子有3種：2個帶電的 和1個中性的 ； 膠子有8種； 引力子尚

4、未發(fā)現(xiàn)，因此，共計有12個傳播子。目前，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子共60個，加上尚未發(fā)現(xiàn)的引力子和希格斯粒子，總共62個。物理學研究對象在十分廣泛范圍內(nèi)運動 空間尺度（相差1046 m） 1026 m（約150億光年）（宇宙）10-20 m（夸克） 時間尺度 （相差1045 s ） 1018 s（150億年）（宇宙年齡）10-27 s（硬 射線周期） 速率范圍 0（靜止）3108 m/s（光速） 不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理理論研究1m10-2010-1510-1010-5101510410101025 1020W+粒子原子DNA人山地球太陽系星系星系團原子核微觀介觀宏觀宇觀天體物理粒子物理兩

5、大尖端緊密銜接時間：表征物質(zhì)存在的持續(xù)性，物質(zhì)運動的階段性和順序性。用能周期性重復的現(xiàn)象來計量時間。時間的國際單位是秒（s）a.定義1秒為平均太陽日的1/86400。（一個太陽日就是太陽相繼兩次經(jīng)過同一子午面的時間間隔。平均太陽日就是全年太陽日的平均）b.1956年定義1秒為1900年太陽年1/31556925.9747。（一太陽年為太陽兩次通過春分點的時間間隔） c.1967年第13屆國際計量大會決定定義1秒等于銫133原子基態(tài)的兩個超細能級之間躍遷相對應(yīng)的輻射周期的9192631770倍。這就是原子鐘。精度為空間：表征物質(zhì)存在的廣延性，物質(zhì)之間的排列順序?？臻g兩點的距離為長度，任何長度的測

6、量都是通過某一長度基準進行的。長度的米制標準起源于法國。a.最早的米定義是通過巴黎的一條子午線從北極到赤道的一千萬分之一。b.1889年的一屆國際計量大會通過，將保存在法國國際計量局中的鉑銥合金棒的兩條刻線間距離定義為1米。c.1983年的十七屆國際計量大會通過，光在真空中（1/299792458）秒內(nèi)運行的路程定義為1米。 經(jīng)典 相對論 狹義相對論 廣義相對論時間和空間是一切物質(zhì)運動和存在的基本形式二、物理學的發(fā)展2600年前 古希臘的自然科學。 1687年 牛頓自然哲學的數(shù)學原理發(fā)表 物理學真正成為一門精確的科學； 17 世紀 在伽利略、開普勒工作基礎(chǔ)上，牛 頓建立了完整的經(jīng)典力學理論 ；

7、 18-19世紀 在大量實驗基礎(chǔ)上，卡諾、焦耳、 開爾文、克勞修斯，建立了宏觀熱力學論； 克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼建立了 氣體分子動理論；（熱學） 庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯 韋建立了電磁學理論 。 20世紀 愛因斯坦獨立創(chuàng)立了相對論; 普朗克、愛因斯坦、玻爾 德布羅意、 海森伯、薛定諤、 玻恩等人共同努力 創(chuàng)立了量子論和量子力學。 奠定了近代物理學的理論基礎(chǔ)。 至此，經(jīng)典物理學理論體系的大廈巍然聳立! 惠更斯、菲涅爾等建立了波動光學物理學在不斷發(fā)展前沿 粒子物理、 天體物理 、 復雜性研究 經(jīng)典物理也在發(fā)展 波動光學 信息光學 21世紀物理學的發(fā)展趨勢 把對微觀世界的研究與對宏觀

8、世界的研究結(jié)合起來21世紀微觀世界兩大疑問宇宙中的兩大疑問 弱相互作用中宇稱不守恒 自由夸克沒有觀測到 暗物質(zhì)是什么 類星體具有巨大能量（二） 為什么學習物理學？2. 物理學是一切自然科學的基礎(chǔ)3. 物理學是現(xiàn)代技術(shù)革命的先導4. 物理學是認識世界，掌握世界的思維方法1. 形勢的要求1. 形勢的要求高校大規(guī)模的擴招 大學畢業(yè)生就業(yè)難 畢業(yè)生專業(yè)不對口 物理學具有全面知識，力、光、電、原子物理覆蓋了自然科學的全部領(lǐng)域。是專業(yè)的入門磚物理學的思維方法是再學習，適應(yīng)社會的需要生物化學物理自然法則應(yīng)用數(shù)學定性的和定量的人類理解 美學土木工程醫(yī) 學機械工程電氣工程結(jié)構(gòu)學機械控制 熱 力學流 體化學工程生

9、物化學工程放射學應(yīng)用生物學土力學建筑學機械原理核能電學電力機械人類利益化 工航 空 學知識之樹2. 物理學是一切自然科學的基礎(chǔ)2021世紀物理學深入滲透到其它學科化學：量子化學、激光化學、分子反應(yīng)動力學等等 1999年A.H.Zewail 成功地應(yīng)用超快激光技術(shù)（飛秒激光）研究原子的微觀運動，獲得諾貝爾化學獎。10-15秒生命科學： DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)Francis Crick & James WatsonDNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA的雙螺旋構(gòu)型物理學與醫(yī)學 核磁共振 正常 腫瘤 正電子發(fā)射層析術(shù)(PET) Positron Emission Tomography 利用發(fā)射正電子的示蹤原子 測量

10、腦的活動功能，診斷異常。物理學滲入經(jīng)濟學M.S.Scholes & F.S.Black 利用布朗運動模型和隨機微分方程導出 BlackScholes 期權(quán)定價公式，獲1997年諾貝爾經(jīng)濟學獎。 無論什么問題，當物理學家用物理方法去研究它們時，就把它們納入物理學問題，成為物理學的具體研究對象3、物理學是現(xiàn)代技術(shù)革命的先導 物理學基本規(guī)律滲透在自然科學的一切領(lǐng)域,應(yīng)用于生產(chǎn)，是工程技術(shù)特別是高新技術(shù)的基礎(chǔ)。 歷史上物理與技術(shù)的關(guān)系大致有兩種模式技術(shù) 物理 技術(shù) (以第一次工業(yè)革命為標志)物理 技術(shù) 物理 (以電氣化進程為標志) 本世紀兩種模式并存、交叉，但幾乎所有重大的新技術(shù)的創(chuàng)立，都是以物理學的

11、發(fā)展為先導的 。愛因斯坦受激輻射理論（1917）第一臺激光器誕生（1960）現(xiàn)代光學（物理）（技術(shù)）（物理） 被譽為第三次工業(yè)革命的整個信息技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展，其硬件部分幾乎都以物理學成果為基礎(chǔ)：晶體管誕生（1947）集成電路 （1962）大規(guī)模集成電路（70年代后期）量子力學費米-狄拉克統(tǒng)計固體能帶理論（20年代）微結(jié)構(gòu)物 理（物理）（技術(shù)）（物理）物理等基礎(chǔ)科學是工程技術(shù)發(fā)展的基石和原動力 第一支晶體管的誕生J.Bardeen W.Shockley W.H.Brattain1956年獲諾貝爾物理獎 在一毫米見方的單晶硅片上制成的集成電路可以穿過針眼。 90年代中期Intel公司 奔騰(Pen

12、tium)芯片上包含500萬個晶體管，刻蝕線寬不到微米。20世紀物理學又一重大貢獻 - 激光1960年制成第一臺紅寶石激光器此后幾十年制成各種類型、覆蓋各種頻段的激光器應(yīng)用推廣到各個領(lǐng)域：激光通訊、激光雷達、激光熔煉、激光切割、激光外科手術(shù)、激光武器等等。 激光切割 激光手術(shù) 激光光盤4. 物理學是認識世界，掌握世界的思維方法 學習科學的思維方法，增強全面素質(zhì)，對發(fā)揮人的創(chuàng)造潛力至關(guān)重要。從思維方法上講，講三種物理學的思維方法簡化模型的選取，抓主要矛盾， 例：質(zhì)點，點電荷，原子模型概念和方法的類比 例：電學和磁學的類比假說 例：量子論和量子力學具體地說，物理學還有許多有特色的方法：演繹法： 基

13、本定律 推理、演算 新理論歸納法 ： 歸納實驗或觀測事實 假設(shè)、模型 新理論對稱性分析守恒量的利用定性和半定量分析量綱分析科學家的類型：牛頓-歸納型 伽利略-觀察型 麥克斯韋-邏輯型 焦耳-動手型 愛因斯坦-狂想型不同時期決定不同類型的科學家 17世紀 牛頓 伽利略 19世紀 焦耳 麥克斯韋 20世紀 愛因斯坦新時期需要什么類型的科學家？混合型 工程技術(shù)人員良好的物理素質(zhì)表現(xiàn)在： 在工程技術(shù)問題面前，能夠從物理本質(zhì)上提出問題和做出判斷； - （分析問題） 能夠把物理學的思想、觀點、規(guī)律和方法運用到工程技術(shù)的實際中； - （解決問題） 注意物理學的發(fā)展，不斷探索如何把物理學的新成果引入到工程技術(shù)

14、中。- （不斷創(chuàng)新） 要重視提高科學素質(zhì)，不要把物理課當專業(yè)課來對待！四、學習的主要內(nèi)容及注意的幾個問題經(jīng)典物理：力學、熱學、電磁學、波動學近代物理：量子物理 、大學學習特點是進度快、內(nèi)容多，要自學、及時總結(jié)，培養(yǎng)自學能力；、注意聽課方法，注重科學的方法。重視思維能力等綜合能力的鍛煉；要培養(yǎng)獨立思考的能力；筆記； 、認真完成作業(yè)等能力訓練任務(wù)，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題能力。4、學會與老師溝通與同學間的協(xié)作。(五) 參考資料物理學教程 第二版（一套二冊），馬文蔚 新概念物理教程 （一套五冊） ，趙凱華，羅蔚茵 基礎(chǔ)物理學上、下冊，陸果 普通物理學，程守洙，江之永主編 伯克利物理學教程（一套五冊

15、） Physics，R. Resnick, D. Halliday華南理工大學大學物理網(wǎng)上學習系統(tǒng) 電子教案 基本要求 內(nèi)容提要 自測題 演示長廊 物理學家 物理學史 教學文件 本學期的教學內(nèi)容：力學熱學光學質(zhì)點運動學守恒定律剛體力學氣體動理論熱力學定律機械振動、機械波光的干涉 光的衍射光的偏振注意：課本中有星號標注的內(nèi)容不作要求，考試內(nèi)容以教學大綱為準總評成績=期末成績70%+平時成績30%平時成績 包括考勤，作業(yè)，平時上課表現(xiàn)作業(yè)每章一交，由助教批改答疑時間，地點待定 結(jié)束語 發(fā)展獨立思考和獨立創(chuàng)新的一般能力，應(yīng)當始終放在首位, 而不應(yīng)當把知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎(chǔ)理論，

16、并且學會了獨立思考與工作，他必定會找到自己的道路。而且比起那些主要以獲取細節(jié)知識為訓練內(nèi)容的人來，他一定會更好地適應(yīng)進步和變化。 愛因斯坦大爆炸宇宙學說1946年 珈莫夫、阿爾夫和赫曼提出大爆炸宇宙學說， 預(yù)言早期大爆炸的輻射仍殘存在我們的周圍。1965年 彭齊亞斯和威爾遜觀測到了充滿宇宙空間的、溫 度在2.5-4.5K之間的黑體輻射，常稱3K(或2.7K) 宇宙微波背景輻射。 宇宙背景輻射是宇宙大爆炸理論的重要實驗依據(jù)。 1929年 哈勃發(fā)現(xiàn)：星系光譜每條譜線的波長增加了， 越遠的星系以越快的速度離我們而去， 整個宇宙處在膨脹狀態(tài)。1989年11月 宇宙背景探測衛(wèi)星證明了上述結(jié)論。 在此基礎(chǔ)上，逐步形成了在廣義相對論 基礎(chǔ)上的一 種標準模型： 宇宙從一個原始火球爆炸開始，尺度隨時間增加， 溫度