高職高專物理學(xué)-課程概述省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

物理學(xué)高職高專教育.1/28課程概述物理學(xué).宇宙最不可了解之處，就在于它是能夠了解。

A=X+Y+Z。A代表成功，X代表艱辛勞動，Y代表正確方法，Z代表少說空話。

——愛因斯坦

經(jīng)常有同學(xué)問我做物理工作成功要素是什么？我想要素能夠歸納為三個P，Perception,Persistence,andPower。Perception——眼光，看準(zhǔn)了什么東西，就要抓住不放；Persistence——堅持，看對了就要堅持；Power——力量，有了力量能夠闖過關(guān)，碰到困難你要闖下去?！獥钫駥幹灰o我一個支點(diǎn)，我就能夠撬動地球?！⒒椎?/p>

2/28☆.什么是物理學(xué)

物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動規(guī)律自然科學(xué)。是一門以試驗為基礎(chǔ)自然科學(xué),物理學(xué)一個永恒主題是尋找各種序（orders）、對稱性（symmetry）和對稱破缺（symmetry-breaking）、守恒律（conservationlaws）或不變性（invariance）。“物理”一詞最先出自希臘文φυσικ，原意是指自然。古時歐洲人稱呼物理學(xué)作“自然哲學(xué)”。從最廣泛意義上來說即是研究大自然現(xiàn)象及規(guī)律學(xué)問。漢語、日語中“物理”一詞起自于明末清初科學(xué)家方以智百科全書式著作《物理小識》。在物理學(xué)領(lǐng)域中，研究是宇宙基本組成要素：物質(zhì)、能量、空間、時間及它們相互作用；借由被分析基本定律與法則來完整了解這個系統(tǒng)。物理在經(jīng)典時代是由與它極相像自然哲學(xué)研究所組成，直到近代物理才從哲學(xué)中分離出來成為一門實證科學(xué)。課程概述.3/28☆.物理學(xué)學(xué)科性質(zhì)

物理學(xué)是人們對無生命自然界中物質(zhì)轉(zhuǎn)變知識做出規(guī)律性總結(jié)。這種運(yùn)動和轉(zhuǎn)變應(yīng)有兩種。一是早期人們經(jīng)過感官視覺延伸。二是近代人們經(jīng)過創(chuàng)造創(chuàng)造供觀察測量用科學(xué)儀器，試驗得出結(jié)果。物理學(xué)從研究角度及觀點(diǎn)不一樣，可分為微觀與宏觀兩部分，宏觀是不分析微粒群中單個作用效果而直接考慮整體效果，是最早期就已經(jīng)出現(xiàn)，微觀物理學(xué)伴隨科技發(fā)展理論逐步完善。課程概述.4/28其次，物理又是一個智能，是概括規(guī)律性總結(jié)，是概括經(jīng)驗科學(xué)性理論認(rèn)識。誠如諾貝爾物理學(xué)獎得主、德國科學(xué)家玻恩所言：“與其說是因為我發(fā)表工作里包含了一個自然現(xiàn)象發(fā)覺，倒不如說是因為那里包含了一個關(guān)于自然現(xiàn)象科學(xué)思想方法基礎(chǔ)?！蔽锢韺W(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門主要科學(xué)，不但僅在于它對客觀世界規(guī)律作出了深刻揭示，還因為它在發(fā)展、成長過程中，形成了一整套獨(dú)特而卓有成效思想方法體系。正因為如此，使得物理學(xué)當(dāng)之無愧地成了人類智能結(jié)晶，文明瑰寶。課程概述.☆.物理學(xué)學(xué)科性質(zhì)5/28☆.物理學(xué)學(xué)科性質(zhì)大量事實表明，物理思想與方法不但對物理學(xué)本身有價值，而且對整個自然科學(xué)，乃至社會科學(xué)發(fā)展都有著主要貢獻(xiàn)。有些人統(tǒng)計過，自20世紀(jì)中葉以來，在諾貝爾化學(xué)獎、生物及醫(yī)學(xué)獎，甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)獎獲獎?wù)咧?，有二分之一以上人含有物理學(xué)背景；——這意味著他們從物理學(xué)中汲取了智能，轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里取得了成功?！催^來，卻從未發(fā)覺有非物理專業(yè)出身科學(xué)家問鼎諾貝爾物理學(xué)獎事例。這就是物理智能力量。難怪國外有教授十分尖銳地指出：沒有物理涵養(yǎng)民族是愚蠢民族！課程概述.6/28總來說，物理學(xué)研究內(nèi)容十分廣泛，自然界發(fā)生一切物理現(xiàn)象，諸如物理位置變動，聲、熱、光、電、磁等現(xiàn)象，以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)和各種特征，都是物理學(xué)所要研究。按照所研究物質(zhì)運(yùn)動和詳細(xì)對象不一樣，通常物理學(xué)分為力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、分子原理、原子原理、原子核物理等分支。課程概述.☆.物理學(xué)研究內(nèi)容7/28☆.物理學(xué)研究內(nèi)容力學(xué)研究是物體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律。聲學(xué)研究聲波產(chǎn)生、傳輸、接收和作用等問題。熱學(xué)研究分子、原子、電子、光子等質(zhì)點(diǎn)做不規(guī)則運(yùn)動所引發(fā)熱現(xiàn)象極其熱運(yùn)動規(guī)律。電磁學(xué)研究電和磁現(xiàn)象及其電流、電磁輻射、電磁場等。光學(xué)研究光本性，光發(fā)射、傳輸和接收規(guī)律，光和其它物質(zhì)相互作用（如光吸收、散射，光機(jī)械作用和光熱、電、化學(xué)效應(yīng)等）及其應(yīng)用。分子物理學(xué)則是依據(jù)分子結(jié)構(gòu).分子間互作用力和分子運(yùn)動性質(zhì)，研究物質(zhì)性質(zhì)和狀態(tài)。原子物理是研究原子結(jié)構(gòu)及其原子中發(fā)生運(yùn)動。原子核物理是研究原子核結(jié)構(gòu).性質(zhì)和改變規(guī)律。課程概述.8/28物理學(xué)分類不是固定不變，伴隨科學(xué)發(fā)展，人們對物理現(xiàn)象認(rèn)識不停深入，它分類也不停改變，越來越細(xì)。近代科學(xué)發(fā)展早期，物理學(xué)還包含天文學(xué)、氣象學(xué)等部分，以后這些部分很快成為獨(dú)立學(xué)科。經(jīng)歷長久發(fā)展，現(xiàn)在力學(xué)也成為獨(dú)立學(xué)科，并產(chǎn)生了許多分支，如流體力學(xué)、彈性力學(xué)等。伴隨物理學(xué)廣泛應(yīng)用，它與其它學(xué)科結(jié)合，還出現(xiàn)了一系列邊緣科學(xué)，如化學(xué)物理、天體物理、地球物理、生物物理等。與此同時，又分化出一些尖端科學(xué)技術(shù)部門，如原子能、半導(dǎo)體、激光等課程概述.☆.物理學(xué)分類依據(jù)9/28按照研究方法不一樣，物理學(xué)又能夠分為試驗物理和理論物理倆大類。物理學(xué)是試驗科學(xué)，試驗物理主要是經(jīng)過觀察、測試為理論物理搜集感性材料和發(fā)覺物理事實，處理試驗設(shè)計和試驗過程中技術(shù)問題。理論物理主要任務(wù)是，把觀察.試驗得到結(jié)果和已發(fā)覺原理、定律，形成對比，分析概括，并利用數(shù)學(xué)進(jìn)行推理，研究物理量之間定量關(guān)系，建立統(tǒng)一物理理論體系。課程概述.☆.物理學(xué)分類依據(jù)10/28☆.物理學(xué)分類依據(jù)按研究方向不一樣，大致可做以下分類：經(jīng)典力學(xué)及理論力學(xué)(Mechanics)研究物體機(jī)械運(yùn)動基本規(guī)律規(guī)律。電磁學(xué)及電動力學(xué)(ElectromagnetismandElectrodynamics)研究電磁現(xiàn)象，物質(zhì)電磁運(yùn)動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律。熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)(ThermodynamicsandStatisticalPhysics)研究物質(zhì)熱運(yùn)動統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)。相對論和時空物理(Relativity)研究物體高速運(yùn)動效應(yīng)，相關(guān)動力學(xué)規(guī)律以及關(guān)于時空相對性規(guī)律。量子力學(xué)(Quantummechanics)研究微觀物質(zhì)運(yùn)動現(xiàn)象以及基本運(yùn)動規(guī)律。課程概述.11/28從古時候起，人們就嘗試著了解這個世界：為何物體會往地上掉，為何不一樣物質(zhì)有不一樣性質(zhì)等等。宇宙性質(zhì)一樣是一個謎，譬如地球、太陽以及月亮這些星體終究是遵照著什么規(guī)律在運(yùn)動，而且是什么力量決定著這些規(guī)律。人們提出了各種理論試圖解釋這個世界，然而其中大多數(shù)都是錯誤。這些早期理論在今天看來更像是一些哲學(xué)理論，它們不像今天理論通常需要被有系統(tǒng)試驗證實。像托勒密（Ptolemy）和亞里士多德（Aristotle）提出理論，其中有些與我們?nèi)粘Ｋ^察到事實是相悖。當(dāng)然也有例外，譬如印度一些哲學(xué)家和天文學(xué)家在原子論和天文學(xué)方面所給出許多描述是正確，再比如希臘思想家阿基米德（Archimedes）在力學(xué)方面導(dǎo)出了許多正確結(jié)論，像我們熟知阿基米德定律。課程概述.☆.物理學(xué)發(fā)展歷史12/28物理學(xué)真正建立是在十六世紀(jì)以后，因為人們愿意對原先持有真理提出疑問并尋求新答案，最終造成了重大科學(xué)進(jìn)展，這個時期現(xiàn)在被稱為科學(xué)革命。其中起到奠基作用就是我們熟知伽利略。在他影響下，科學(xué)研究采取了系統(tǒng)試驗方法，并在此基礎(chǔ)上發(fā)覺了許多前所未見事實，從而很快建立了一套完整理論，最終在牛頓手上發(fā)展到了一個頂峰。在科學(xué)上人們把它稱為經(jīng)典理論物理學(xué)，或叫古典理論物理學(xué)。經(jīng)典物理學(xué)以經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)、經(jīng)典點(diǎn)動力學(xué)為基礎(chǔ)，組成一個完整.嚴(yán)密理論體系。這幾個體系建立，標(biāo)志著人類對物理現(xiàn)象認(rèn)識第一次巨大飛躍，它對生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展起了很大推進(jìn)作用。課程概述.☆.物理學(xué)發(fā)展歷史13/28到十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，物理學(xué)又發(fā)覺了一系列新試驗事實，如電子和放射性現(xiàn)象；邁克耳遜—莫雷測量以太試驗得出負(fù)結(jié)果；黑體輻射試驗等。這些事實沖擊了經(jīng)典物理理論，使得物理學(xué)經(jīng)歷了一次比以前更為深刻變革，由此誕生了當(dāng)代物理學(xué)。研究高速（靠近光速）物理現(xiàn)象相對論，和研究微觀量子力學(xué)，乃是當(dāng)代物理學(xué)兩大基礎(chǔ)理論。課程概述.☆.物理學(xué)發(fā)展歷史14/28物理學(xué)迅猛發(fā)展也引發(fā)了20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)空前高速發(fā)展。在此世紀(jì)內(nèi)，人類社會在科技進(jìn)步上經(jīng)歷了一個又一個劃時代變革。這個世紀(jì)之初，人類社會就全方面地進(jìn)入了“電氣化時代”。這是19世紀(jì)安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學(xué)家和愛迪生等創(chuàng)造家努力結(jié)果。從上個世紀(jì)之交放射性發(fā)覺，經(jīng)過近半個世紀(jì)原子物理、核物理研究，40年代物理學(xué)使人類掌握了核能奧秘，把人類社會帶進(jìn)了“原子時代”。今天核技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)不止于為社會提供長久可靠能源，放射性與核磁共振在醫(yī)學(xué)上診療與治療作用，已為人所共知。這個結(jié)果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居里夫人和她女婿和女兒約里奧-居里夫婦、海森伯、費(fèi)米、哈恩等一大串光芒名字分不開。課程概述.☆.物理學(xué)發(fā)展歷史15/28☆.物理學(xué)發(fā)展歷史到了50、60年代，物理學(xué)家又創(chuàng)造了激光，它理論基礎(chǔ)是愛因斯坦1916年提出光受激發(fā)射過程。今天激光技術(shù)已廣泛應(yīng)于尖端科學(xué)研究、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、計算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億巨大產(chǎn)業(yè)。1947年底，巴丁、肖克萊、布賴頓等三位物理學(xué)家創(chuàng)造了晶體管，取代了真空管，標(biāo)志著“信息時代”誕生。從物理學(xué)角度看來，這個嬰兒在娘胎里最少孕育了20年。這就是說，20年代建立量子力學(xué)之后，物理學(xué)家發(fā)展了費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計、能帶論，從此有了電子和空穴概念。爾后用摻雜方法產(chǎn)生了N型和P型半導(dǎo)體，這才為晶體管創(chuàng)造打下基礎(chǔ)。而當(dāng)代計算機(jī)硬件關(guān)鍵是半導(dǎo)體集成電路，PN結(jié)是基礎(chǔ)。以上結(jié)果又是和一連串物理學(xué)家光芒名字——薛定諤、海森伯、狄拉克、泡利、布洛赫、索末菲等聯(lián)絡(luò)在一起?，F(xiàn)在，人類對物理現(xiàn)象探索，已經(jīng)在一條更為遼闊更為深入陣線上展開，原子核物理和“基本”粒子物理學(xué)，凝聚態(tài)物理學(xué)、統(tǒng)一場論，是當(dāng)代物理學(xué)中最活躍部門。課程概述.16/28物理學(xué)與其它許多自然科學(xué)息息相關(guān)，如數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物和地理等。尤其是數(shù)學(xué)、化學(xué)、地理學(xué)?；瘜W(xué)與一些物理學(xué)領(lǐng)域關(guān)系深遠(yuǎn)，如量子力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)，而數(shù)學(xué)是物理基本工具，地理地質(zhì)學(xué)要用到物理力學(xué)，氣象學(xué)和熱學(xué)相關(guān)。課程概述.☆.物理學(xué)地位17/28一、物理學(xué)和天文學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)由來已久血緣關(guān)系，是有目共睹。當(dāng)今物理學(xué)研究領(lǐng)域里有兩個尖端，一個是高能或粒子物理，另一個是天體物理。前者在最小尺度上探索物質(zhì)更深層次結(jié)構(gòu)，后者在最大尺度上追尋宇宙演化和起源?？墒墙鼛资赀M(jìn)展表明，這兩個極端竟奇妙地銜接在一起，成為一對密不可分姊妹學(xué)科。課程概述.☆.物理學(xué)地位18/28二、物理學(xué)和化學(xué)物理學(xué)和化學(xué)從來就是并肩前進(jìn)。自從伽利略、牛頓以來，物理學(xué)與天文學(xué)已是精密理論科學(xué)，然而長久以來，包含化學(xué)在內(nèi)其它自然科學(xué)卻一直是經(jīng)驗性科學(xué)。1998年諾貝爾化學(xué)獎頒給了瓦爾特?科恩（W.Kohn）和約翰?波普爾（J.A.Pople），以表彰他們在量子化學(xué)方面所做開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。頒獎公報說，量子化學(xué)將化學(xué)帶入一個新時代，化學(xué)不再是純試驗科學(xué)了?；瘜W(xué)是研究分子學(xué)科。以前，假如說物理化學(xué)還是物理學(xué)和化學(xué)在較唯象層次上結(jié)合，則量子化學(xué)已深入到化學(xué)現(xiàn)象微觀機(jī)理。近年來，量子化學(xué)、激光化學(xué)、分子反應(yīng)動力學(xué)、固體表面催化和功效材料等物理學(xué)與化學(xué)間交叉學(xué)科，取得了長足進(jìn)展，今后兩學(xué)科之間合作將更為興旺發(fā)達(dá)。課程概述.☆.物理學(xué)地位19/28三、物理學(xué)和生物學(xué)物理學(xué)和生物學(xué)相互滲透，前途是不可估量。早在40年代，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一薛定諤在《生命是什么？》一書里預(yù)言：“生命物質(zhì)載體是非周期性晶體，遺傳基因分子正是這種有大量原子秩序井然地結(jié)合起來非周期性晶體；這種非周期性晶體結(jié)構(gòu)，能夠有沒有限可能排列，不一樣式排列相當(dāng)于遺傳微型密碼；……”他所說這種“非周期性晶體”，就是存在于細(xì)胞核染色體中DNA分子。1953年沃森(J.D.Watson，年青細(xì)菌遺傳學(xué)博士)和克里克(F.H.C.Crick，一位二戰(zhàn)前受過傳統(tǒng)物理學(xué)訓(xùn)練人，戰(zhàn)后轉(zhuǎn)為生物物理學(xué)碩士)共同發(fā)覺DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)。核物理學(xué)家伽莫夫(G.Gamow，大爆炸宇宙論創(chuàng)始人)用信息論方法推測，DNA遺傳密碼中，每個“單詞”都是用三個“字母”組成。這些推測相繼得到試驗證實，20世紀(jì)60年代三聯(lián)密碼逐一被破譯。課程概述.☆.物理學(xué)地位20/28薛定諤在《生命是什么？》一書中還有另一段名言：“生命之所以能存在，就在于從環(huán)境中不停得到‘負(fù)熵’”。作者還說：“有機(jī)體是依賴負(fù)熵為生”。這就是生命熱力學(xué)基礎(chǔ)。60年代比利時科學(xué)家普里高津(I.Prigogine)耗散結(jié)構(gòu)理論，證實了薛定諤預(yù)言。當(dāng)前生命科學(xué)中分子生物學(xué)、量子生物學(xué)、遺傳信息學(xué)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)等新興學(xué)科研究正方興未艾。人們說21世紀(jì)是生命科學(xué)世紀(jì)，一位物理學(xué)家則說，21世紀(jì)是物理科學(xué)全方面介入生命科學(xué)世紀(jì)。課程概述.☆.物理學(xué)地位21/28四、物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)1997年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎授予項目，是一個對全球金融產(chǎn)生巨大影響期權(quán)定價模型—BlackScholes公式。公式主要創(chuàng)建人布萊克（F.S.Black）學(xué)歷背景以下：1959年畢業(yè)于哈佛大學(xué)物理系，1964年獲該校應(yīng)用數(shù)學(xué)系博士，1971年任芝加哥大學(xué)經(jīng)濟(jì)系教授?？上?995年逝世，未能享受諾貝爾獎（被授獎是他合作者梅倫?斯科爾斯）殊榮。當(dāng)前出身數(shù)理人躋身于經(jīng)濟(jì)學(xué)界大有些人在。課程概述.☆.物理學(xué)地位22/28五、物理學(xué)和信息科學(xué)20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)給人類社會帶來最大沖擊，莫過于以當(dāng)代計算機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展起來信息技術(shù)。被譽(yù)為“第二次產(chǎn)業(yè)革命”。確實，計算機(jī)給人類社會帶來如此廣泛而深刻改變，是二三十年前任何有遠(yuǎn)見科學(xué)家都不可能預(yù)見到。自從40年代末晶體管問世以來，60年代制成了集成電路，從70年代后期起，發(fā)展成為大規(guī)模集成電路，而后是超大規(guī)模集成電路，集成度以每10年1000倍速度增加著。在有人看來，物理學(xué)對高技術(shù)貢獻(xiàn)屬于過去，今天我國發(fā)展高技術(shù)關(guān)鍵在于新材料、新工藝。殊不知，微電子加工和分析伎倆本身，如離子注入、激光退火、盧瑟福背散射譜、俄歇電子譜、X射線發(fā)光光譜、二次發(fā)射離子質(zhì)譜，以及高分辨電子刻蝕、同時輻射光刻，哪一樣不是從物理學(xué)各分支試驗室里移植到工業(yè)上去！課程概述.☆.物理學(xué)地位23/28☆.物理學(xué)地位學(xué)科滲透對物理學(xué)影響翻閱一下現(xiàn)在物理學(xué)許多主要期刊，或看看許多國際物理學(xué)術(shù)會議日程，就會發(fā)覺，諸如蛋白質(zhì)折疊、免疫網(wǎng)絡(luò)、化學(xué)鍵斷裂、水土流失、交通堵塞等，大量本不屬于物理學(xué)內(nèi)容標(biāo)題，赫然入目。人們不禁要問：“什么是物理學(xué)？”確實，今天再從研究對象往返答這個問題已很困難。我們看法是，不論什么問題，當(dāng)物理學(xué)家用物理學(xué)方法去研究它時，就把它變成了物理問題。物理學(xué)，是一門理論和試驗高度結(jié)合準(zhǔn)確科學(xué)。物理學(xué)中有一套最全方面最有效科學(xué)方法。我們說，在對學(xué)生科學(xué)素質(zhì)教育中，物理課有著無可替換主要作用，依據(jù)就在于此?，F(xiàn)在教育界大談素質(zhì)教育和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，不過20世紀(jì)高科技發(fā)展事實已經(jīng)證實，重大創(chuàng)造起源于新物理思想，不然只是“小打小鬧”，成不了大氣候。課程概述.24/28在小學(xué)中物理學(xué)是以《自然》或《科學(xué)》形式出現(xiàn)在小學(xué)生書本中，里面知識只包括一些最基礎(chǔ)物理學(xué)常識；在初中物理是在初二年級開設(shè)，里面就有了一些基本物理量及其簡單計算，還有一些基本物理現(xiàn)象及其了解，算是物理學(xué)一些基礎(chǔ)知識；在高中物理就比較系統(tǒng)了，分為力、熱、電、光、原五個部分，比較系統(tǒng)地介紹了物理學(xué)各部分知識，愈加重視定性定量地了解一些物理現(xiàn)象和物理情景。在大學(xué)和碩士階段，在真正分門另類地對物理進(jìn)行細(xì)化研究和學(xué)習(xí)，上面所說五部分，每一部分都能算是一個研究方向，而每一部分還能夠再細(xì)分。課程概述.☆.我國物理學(xué)教育25/28☆.我國物理學(xué)教育在小學(xué)中物理學(xué)是以《自然》或《科學(xué)》形式出現(xiàn)在小學(xué)生書本中，里面知識只包括一些最基礎(chǔ)物理學(xué)常識；在初中物理是在初二年級開設(shè)，里面就有了一些基本物理量及其簡單計算，還有一些基本物理現(xiàn)象及其了解，算是物理學(xué)一些基礎(chǔ)知識；在高中物理就比較系統(tǒng)了，分為力、熱、電、光、原五個部分，比較系統(tǒng)地介紹了物理學(xué)各部分知識，愈加重視定性定量地了解一些物理現(xiàn)象和物理情景。在大學(xué)和碩士階段，在真正分門另類地對物理進(jìn)行細(xì)化研究和學(xué)習(xí)，上面所說五部分，每