物理學(xué)和力學(xué)附矢量分析

物理學(xué)和力學(xué)附矢量分析第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六1.什么是物質(zhì)，什么是意識？它們之間的關(guān)系如何？（唯物、唯心有什么區(qū)別？）2.世界到底是物質(zhì)的，還是僅僅只是一個空洞的“空間”？到底怎么樣來描述、理解這個世界？物理理論到底是真實的，還是臆造的模型？物理能賦予我們?nèi)祟愂裁矗α浚?.物體之間的“作用”或“力”是什么？若有，它是物質(zhì)的固有屬性，還是空間的一個性質(zhì)？4.什么是能量？能量守恒是什么？5.宇宙是有限的還是無限的，有界還是無界的？它有沒有歷史和未來？6.天體（星系）是圓的、橢圓的，還是扁平的？為什么？7.……困擾物理學(xué)家的若干問題第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六格物致理：就是研究事物，推敲道理——了解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和規(guī)律；——它的理論具有物質(zhì)運動規(guī)律的普適性，即自然界和物質(zhì)運動的最基本的規(guī)律。物理學(xué)與哲學(xué)密不可分，他們關(guān)心共同的問題：——自然界的基本規(guī)律

物理是什么？第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六物理學(xué)的研究對象

物理現(xiàn)象的普通性使得物理學(xué)基本知識成為研究任何科學(xué)技術(shù)所不可缺少的基礎(chǔ)。

物理學(xué)是研究物質(zhì)運動的普遍性質(zhì)和基本規(guī)律的科學(xué)，研究物質(zhì)運動最基本形態(tài)以及他們之間相互轉(zhuǎn)化的一門基礎(chǔ)科學(xué)。

物理學(xué)的基本概念、基本規(guī)律和基本研究方法，以及根據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計制造的各種儀器設(shè)備，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于所有自然科學(xué)的各個學(xué)科之中，推動了各學(xué)科領(lǐng)域和技術(shù)部門的飛速發(fā)展。

第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六時期經(jīng)典物理時期近代物理時期第一次大綜合第二次大綜合第三次大綜合第四次大綜合第五次大綜合內(nèi)容經(jīng)典力學(xué)熱學(xué)統(tǒng)計物理電磁學(xué)相對論量子力學(xué)代表科學(xué)家伽利略牛頓邁爾焦耳克勞修斯玻耳茲曼吉布斯麥克斯韋法拉第赫芝愛因斯坦玻爾德布羅意薛定諤海森堡第一次工業(yè)革命經(jīng)典物理的困難物理學(xué)發(fā)展：各種分支、邊緣及交叉學(xué)科第二次工業(yè)革命第三次工業(yè)革命第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六力學(xué)流體力學(xué)固體力學(xué)空氣動力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)熱學(xué)熱動力學(xué)傳熱學(xué)燃燒學(xué)工程熱力學(xué)電磁學(xué)電機(jī)學(xué)電子學(xué)電力學(xué)無線電學(xué)近代物理

相對論激光物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)等離子體物理學(xué)超導(dǎo)物理學(xué)高能物理學(xué)第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六

物理學(xué)是技術(shù)發(fā)展的主要源泉，三次產(chǎn)業(yè)革命（蒸氣機(jī)、電氣化、信息化）均來自物理學(xué)或與物理學(xué)緊密相關(guān)。

目前世界范圍內(nèi)以信息技術(shù)為前導(dǎo)，以微電子學(xué)和電子計算機(jī)技術(shù)為標(biāo)志的科學(xué)技術(shù)革命，從根本上講來源于20世紀(jì)初物理學(xué)的三大成就。

與其它學(xué)科密切結(jié)合，產(chǎn)生分支學(xué)科和交叉學(xué)科：物理化學(xué)、生物物理、天體物理、地球物理、量子生物、量子化學(xué)等。

第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六1kcal=4,184J焦耳實驗：熱功當(dāng)量邁爾：能量的轉(zhuǎn)換和守恒各種形式的能量（機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、電能、磁能等）能相互轉(zhuǎn)換，且總量保持不變。宏觀熱現(xiàn)象和微觀個體運動之間的關(guān)系第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六熱力學(xué)第一定律：能量的轉(zhuǎn)換和守恒定律；

第一類永動機(jī)是不可能造成的。熱力學(xué)第二定律：熵增加原理；

第二類永動機(jī)是不可能造成的。蒸發(fā)器水泵冷凝器蒸汽窩輪機(jī)Q1A2Q2A1蒸汽機(jī)發(fā)明和應(yīng)用為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六電磁波麥克斯韋方程組法拉第電磁感應(yīng)電、磁、光現(xiàn)象的統(tǒng)一電機(jī)電器工業(yè)電器化、電力和信息的傳遞第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六燃煤電廠中的蒸汽循環(huán)化學(xué)能高溫蒸汽電能動能勢能熱能氣輪機(jī)泵凝結(jié)器冷卻水發(fā)電機(jī)煙氣燃燒爐燃燒槍循環(huán)水預(yù)熱裝置熱能熱能熱能熱能河流燃燒爐鍋爐管道氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)化學(xué)能高溫蒸汽電能動能勢能熱能氣輪機(jī)泵凝結(jié)器冷卻水發(fā)電機(jī)燃燒爐燃燒槍循環(huán)水預(yù)熱裝置熱能熱能熱能熱能河流燃燒爐鍋爐管道氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)化學(xué)能高溫蒸汽電能動能勢能熱能氣輪機(jī)泵冷卻水發(fā)電機(jī)燃燒爐燃燒槍循環(huán)水熱能熱能熱能熱能河流燃燒爐鍋爐管道氣輪機(jī)發(fā)電機(jī)煙氣凝結(jié)器電力的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的第二次工業(yè)革命第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六近代物理中的兩朵烏云：量子論相對論邁克爾遜-莫雷實驗鏡子鏡子半透辦反鏡單色光源干涉條紋維恩公式實驗曲線M

(10-9W/m2·Hz)54321瑞利-金斯公式普朗克公式熱輻射實驗0123(1014Hz)第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六1905狹義相對論1916廣義相對論第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六愛因斯坦用相對論時空觀代替了牛頓的絕對時空觀，把物質(zhì)運動、空間和時間統(tǒng)一起來。把牛頓力學(xué)所處理的物質(zhì)運動的速度范圍從低速擴(kuò)展到到接近光速的高速。把物質(zhì)的能量和質(zhì)量聯(lián)系起來。第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六MaxPlanckNielsBohrMaxBornHeisenbergSchr?dingerPaulDiracdeBroglie量子論：進(jìn)一步把實物和場統(tǒng)一起來，揭示了物質(zhì)的

波粒二向性，找到了微觀的運動規(guī)律。第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六1927SolvayConference

HeldinBelgium,theconferencewasattendedbytheworld'smostnotablephysiciststodiscussthenewlyformulatedquantumtheory.HerzenLangmuirCurieDebyeLorentzRichardsonCompton第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六能源技術(shù)第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六航空航天神州5,6號第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六登陸火星太空技術(shù)第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六納米材料C60第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六生命科學(xué)DNA第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六信息產(chǎn)業(yè)集成電路第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六物理學(xué)大蟒：物理學(xué)的尺度和統(tǒng)一第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六

物理學(xué)的基本特征是一門實驗科學(xué)，從“觀察”開始，最終歸于“實踐”；物理規(guī)律是理性認(rèn)識，是通過歸納、推理、演繹或頓悟得到的道理——一個理論的提出往往是“直覺”或“悟”得到的；物理規(guī)律的普適性總是要求它的描述具有簡潔、優(yōu)美、對稱的形式——“美”和“邏輯性”追求是物理永恒的主題。利用“理想模型”來描述物體是物理常用的簡單方法。（如果一個“理想模型”和實際有出入，就要修正，即重新建立更好的模型。—理想模型：如質(zhì)點、剛體等）第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六提出命題（觀測、推演）物理的發(fā)展過程和研究方法推測答案（惟象，解釋，提出新理論）理論預(yù)言（新理論的證實或證偽）實踐檢驗（新理論的證實或證偽）修正理論（改良或發(fā)展新理論）……第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六震撼人類思想的七大學(xué)說（思想）1.日心說1542年：哥白尼（1473-1542）發(fā)表《天體運行論》，創(chuàng)立日心說1609年：開普勒（1571-1630）太陽系天體運動的第一、第二定律，9年后發(fā)表第三定律，否定了托勒密的“地心說”。第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六2.絕對時空加利略（1564-1642）：提出“自然法則”或“物理定律”的概念；創(chuàng)立以觀察、測量、分析和演繹為基礎(chǔ)的“實驗物理”；首先進(jìn)行“運動”的數(shù)學(xué)描述，初步給出“慣性定律”；奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)。牛頓（1642-1727）：1687年發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，提出運動的三個定律和萬有引力定律，創(chuàng)立了微積分方法；創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)；建立了統(tǒng)治人類幾百年的“絕對時空觀”和“決定論”力學(xué)體系。

第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六3.能量守恒

R.邁爾（1818-1878）：最早提出能量守恒概念焦耳（1818-1889）：1843年在《論電磁的熱效應(yīng)和熱的機(jī)械值》中正式提出能量守恒，并從試驗上進(jìn)行了研究霍姆赫茲（1821-1894）：1847年發(fā)表《論力的守恒》，從物理假設(shè)出發(fā)論證了能量守恒和轉(zhuǎn)化；建立了世界運動的永恒性和多樣性

第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六4.熵和概率

克勞修斯（1882-1888）：把能量守恒定律描述成熱力學(xué)第一定律；提出“熵”的概念，并引入統(tǒng)計概念。開爾文男爵（1824-1907）：在《熱的動力理論》中提出熱力學(xué)第二定律的開爾文表述（單一熱源不可能只作功而不產(chǎn)生其它影響）麥克斯韋（1831-1879）：將“幾率”引入物理學(xué)，并提出著名的麥克斯韋分布率玻爾茲曼（1844-1906）：對熱力學(xué)第二定律進(jìn)行了統(tǒng)計解釋，給出普里高津：提出非平衡統(tǒng)計理論，將有序與熵聯(lián)系起來，提出系統(tǒng)可以自組織，產(chǎn)生“有序性”或“負(fù)熵”

把概率引入物理，使有序—無序的產(chǎn)生具有新的概念和含義。第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六5.相對論

馬赫（1838-1916）：1883年在《力學(xué)》中公開反對“絕對時空”，提出只有可觀察到的量才是真正的物理量和研究對象，反對著名的“水桶實驗”，提出了著名的“馬赫原理”：即勻速或非勻速運動是相對的，慣性力來自宇宙的其它物體；洛侖茲（1853-1928）：提出只有空間收縮（1－2）1/2，才能使光速不變；彭加勒（1854-1912）：引進(jìn)四維時空，并指出物理規(guī)律對洛侖茲變換的不變性；愛因斯坦（1879-1995）：1905年，提出狹義相對論（光速不變和相對性原理），為紀(jì)念這一年，后來稱為愛因斯坦年，每100年稱為“物理年”；

1916年，廣義相對論（局部空間的引力場與加速度等效；即慣性力與引力等效），后來又提出“統(tǒng)一場”設(shè)想。

相對論摧毀了人們習(xí)以為常的絕對時空觀，把時空聯(lián)系起來，但仍沒有解決時空的本質(zhì)第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六6.量子論N.玻爾（1885-1962）：原子論；“哥本哈根”學(xué)派創(chuàng)始人普朗克（1857-1947）：1900年能量量子化假設(shè)；德布羅意（）：1924年物質(zhì)波，波粒二象性；泡利（1900-1961）：1925年，電子排布的泡利不相容原理；海森堡（1901-1976）：1923年矩陣力學(xué)；1927年不確定關(guān)系薛定諤（1887-1961）：1926年著名的薛定諤方程；狄拉克（1902-1984）：1925年《量子力學(xué)的基本方程》；1930年《量子力學(xué)原理》，是“量子力學(xué)的圣經(jīng)”；

1928年創(chuàng)立“相對論量子力學(xué)”，預(yù)言正電子的存在，并在1932年被安德森發(fā)現(xiàn)（36年獲NobelPrize）。

量子力學(xué)將“決定論”徹底打入冷宮，并將“還原論”的短處揭開，開始了整體論。第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六7.守恒律和對稱性物理守恒律和對稱性是相對應(yīng)的：能量守恒——時間均勻動量守恒——空間均勻角動量守恒——空間各向同性粒子數(shù)守恒（重子、輕子）——粒子的內(nèi)稟對稱性宇稱守恒——空間反演不變（左右對稱）世界是非?！懊馈钡?，表現(xiàn)為“對稱性”?？墒呛髞戆l(fā)現(xiàn)所謂“-”之謎，它們除了分左右外，其它性質(zhì)完全相同；1956年，李-楊提出“宇稱不守恒”在弱相互作用中普遍存在，1957年被吳健雄博士實驗證實，使李-楊獲得1957年NobelPrize?？梢姡懊馈钡氖澜缫泊嬖谥承┎缓椭C因素。第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六巨人的肩膀最偉大的物理學(xué)家：牛頓、愛因斯坦；偉大的物理學(xué)家（對思維有重大貢獻(xiàn)）：伽利略/哥白尼、馬赫、麥克斯韋、普里高津、狄拉克、海森堡、薛定諤、湯川秀樹……大物理學(xué)家：a(對理論有重大貢獻(xiàn))：焦耳、卡諾、普朗克、玻爾茲曼、德布羅意、泡利、克勞修斯、開爾文、法拉第、庫侖、波恩、楊振寧、阿爾芬；b(有開拓性工作)：許多NobelPrize得主，如李政道/李遠(yuǎn)哲/優(yōu)秀物理學(xué)家（重要但缺乏開拓性，包括許多一般NobelPrize）：如吳健雄一般物理學(xué)家：普通物理工作者：第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六關(guān)于《普物力學(xué)》力學(xué)—Mechanics：機(jī)械運動論或機(jī)械論；是關(guān)于“機(jī)械運動”（Mechanicalmotion）及其規(guī)律的學(xué)問/科學(xué)?！傲W(xué)”概念已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了機(jī)械論的范圍：四大力學(xué)—理論、電動、統(tǒng)計、量子；還有建筑、彈性、波動；還有心理、社會群體力學(xué)等。實際上，“力學(xué)”是關(guān)于“相互作用”的科學(xué)。只要有相互作用，就可以說是力學(xué)?！傲W(xué)”也就幾乎成了整個“物理學(xué)”的代名詞力學(xué)研究是總從“機(jī)械論”開始的。普物力學(xué)（經(jīng)典力學(xué)）是研究機(jī)械運動及其基本規(guī)律的科學(xué)，是一種“狹義”的力學(xué)，是弱引力場中宏觀物體低速運動；分為運動學(xué)（Kinematics）—只描述物體的運動；動力學(xué)（Dynamics）—物體運動與物體相互作用的內(nèi)在關(guān)系，和靜力學(xué)（Statics）—物體相互作用的平衡問題。第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六《力學(xué)》的邏輯一般物理演繹法的描述過程是：

1）它是什么？

2）有什么規(guī)則？

3）按此規(guī)則該怎么辦事？具體到《力學(xué)》：怎樣描述一個對象—物體的（機(jī)械）運動狀態(tài)或規(guī)律？——“運動學(xué)”；運動狀態(tài)的變化是怎樣產(chǎn)生的，變化又遵循什么規(guī)律？——“動力學(xué)”；物質(zhì)狀態(tài)和變化之間的聯(lián)系是怎樣的？——“應(yīng)用科學(xué)”：剛體力學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)等。第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六

現(xiàn)代物理中，所有的概念、定義或定律都必須是可以通過某種方式實現(xiàn)的，即所謂的“可操作性”，否則就不具備“客觀真實性”，這是典型的“邏輯實證主義”哲學(xué)。當(dāng)然，物理也是追求“形而上”的東西，也有嚴(yán)重的“實用主義”傾向。研究物體運動的基本方法：你必須要能把這個物體從眾多的對象中隔離出來，這樣才能看清它所處的環(huán)境（受到的作用）和表現(xiàn)狀態(tài)（運動規(guī)律）。這就是現(xiàn)代物理以致于現(xiàn)代科學(xué)（西方哲學(xué)）中著名的方法論—“分割法”。它是通過孤立研究對象來研究它的運動規(guī)律，受到其它物體的作用和影響。物理哲學(xué)和方法論第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六（不完全按照書本的順序，但能在書本上找到）數(shù)學(xué)準(zhǔn)備質(zhì)點運動學(xué)質(zhì)點動力學(xué)： （1）牛頓三定律及應(yīng)用 （2）功、動能和機(jī)械能守恒律 （3）沖量、動量守恒律 （4）力矩、角動量守恒律（5）質(zhì)點組力學(xué)附：對稱性與守恒律剛體力學(xué)振動與波（時間允許的話）本課程《力學(xué)》的結(jié)構(gòu)第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六物理學(xué)的研究方法勤于思考做典型習(xí)題學(xué)習(xí)物理學(xué)必須正確理解物理學(xué)理論和概念，掌握現(xiàn)象和過程的物理圖象，弄清定理和定律的條件、適用范圍和應(yīng)用方法。簡單說就是正確理解，準(zhǔn)確運用。

第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期六教材及參考書目《費曼物理學(xué)講義》，（中、英文版），上海科學(xué)技術(shù)出版社，1983《伯克利物理教程》，1979

哈里德：《物理學(xué)》（中、英文版）趙凱華：《力學(xué)新概念物理教程》，高教向義和：《大學(xué)物理導(dǎo)論》，清華，彭亙武：《理論物理基礎(chǔ)》，北大，其它：朗道物理教程；泡利物理講義漆安慎，《力學(xué)》，高教（第二版）2005教科書：參考書：第40頁，共52頁，2023年，2