物理學(xué)1-引言省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

物理學(xué)1

引言張宏浩第1頁教師介紹張宏浩博士副教授中山大學(xué)物理學(xué)院，研究興趣：理論物理清華大學(xué)博士（年）清華大學(xué)學(xué)士（年）Email:honghaoAT歡迎發(fā)郵件反饋教學(xué)情況第2頁教學(xué)內(nèi)容力學(xué)（經(jīng)典力學(xué)，相對(duì)論力學(xué)）熱學(xué)（氣體動(dòng)理論，熱力學(xué)基礎(chǔ)）電磁學(xué)振動(dòng)和波動(dòng)光學(xué)量子物理總結(jié)，復(fù)習(xí)第3頁教材和參考書目ppt講義《普通物理學(xué)》（第五版），程守洙，江之水《大學(xué)物理學(xué)》（第二版），張三慧《大學(xué)物理學(xué)》，盧德馨《Physics》（第五版），Resnick，Halliday，Krane《伯克利物理學(xué)教程》（一套五冊(cè)）《新概念物理教程》力學(xué)，熱學(xué)，趙凱華，羅蔚茵………………第4頁課程成績(jī)期末考試成績(jī)期中考試成績(jī)平時(shí)作業(yè)成績(jī)課堂小測(cè)與考勤成績(jī)選做大作業(yè)：較復(fù)雜或較難附加題，由教師在課程中不定時(shí)布置

能夠很好完成課程大作業(yè)者，能夠適當(dāng)給予附加分目標(biāo)：勉勵(lì)學(xué)有余力學(xué)生擴(kuò)寬知識(shí)面，但不作為基本要求。總成績(jī)共100分第5頁關(guān)于學(xué)習(xí)方法和學(xué)風(fēng)要求▲嚴(yán)守課堂紀(jì)律（不遲到，不隨便說話）。

要勤于思索,悟物窮理，不停建立自己物理圖象?！磳?duì)應(yīng)試觀點(diǎn)，重視素質(zhì)和能力培養(yǎng)，特別是創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)?！龅絿?yán)謹(jǐn)、求實(shí)，反對(duì)浮躁和急功近利?！哔|(zhì)量地及時(shí)完成作業(yè)，擯棄“題海戰(zhàn)術(shù)”?！匾曨A(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，主動(dòng)培養(yǎng)自學(xué)能力，適應(yīng)

“粗線條”

講課方式（講思緒、講背景、講重點(diǎn)難點(diǎn)）。第6頁物理學(xué)研究對(duì)象

物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量和它們相互作用學(xué)科。

第23屆國際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)（IUPAP）大會(huì)（99.3.16—21）經(jīng)過“決議五”中十分精辟地指出：第7頁7

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本形態(tài)科學(xué)

物理學(xué)研究范圍——物質(zhì)世界層次和數(shù)量級(jí)物理學(xué)(Physics)質(zhì)子

10-15m空間尺度：物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)相互作用物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質(zhì)mesoscopic宏觀物質(zhì)macroscopic宇觀物質(zhì)cosmological類星體

10

26m時(shí)間尺度：基本粒子壽命10-25s宇宙壽命1018s物理學(xué)研究對(duì)象第8頁8第9頁第10頁能量時(shí)間10-44s10-36s10-10s1s1010y105y1019GeV1015GeV102GeV1MeV0.3eV2.610-4eV時(shí)空起源輕元素起源（D、Li、He核）星體起源現(xiàn)在電弱相變?nèi)踝饔秒姶庞钪嫜莼粚?duì)稱起源引力強(qiáng)作用電弱（1032K）（1028K）（1015K）（1010K）（3500K）（3K）第11頁11物理學(xué)研究方法提出命題應(yīng)用修改理論試驗(yàn)檢驗(yàn)理論預(yù)言▲

物理學(xué)是一門理論和試驗(yàn)高度結(jié)合準(zhǔn)確物理直覺和想象力及洞察力也經(jīng)常產(chǎn)生重大突破和發(fā)覺其研究方法可概括為：科學(xué)，觀察、試驗(yàn)推測(cè)答案第12頁

▲對(duì)稱性分析

▲守恒量利用

▲簡(jiǎn)化模型選取

▲概念和方法類比

從方法論上講，物理學(xué)研究方法可分為：▲演繹法：▲歸納法：

基本定律→推理、演算→新理論歸納試驗(yàn)、觀察事實(shí)→假設(shè)、模型→新理論詳細(xì)地說，物理學(xué)還有許多有特色方法，▲定性和半定量分析▲量綱分析▲能量分析

……比如：第13頁13微結(jié)構(gòu)物理，物理學(xué)在不停發(fā)展

▲經(jīng)典物理也在發(fā)展：波動(dòng)光學(xué)→信息光學(xué)牛頓力學(xué)決定性→內(nèi)在隨機(jī)性

……▲前沿：粒子物理，混沌學(xué)，高溫超導(dǎo)，光子學(xué)，……第14頁14物理學(xué)和生產(chǎn)

1.物理學(xué)三次大突破造成了生產(chǎn)力大飛躍（l）熱學(xué)、熱力學(xué)研究（19世紀(jì)下半葉）蒸汽機(jī)創(chuàng)造和廣泛應(yīng)用

——第一次工業(yè)革命（工業(yè)機(jī)械化）

（2）電磁感應(yīng)研究，電磁學(xué)理論建立（19世紀(jì)中葉）發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)創(chuàng)造，無線電通訊發(fā)展第二次工業(yè)革命（工業(yè)電氣化）

第15頁15

為近代物理發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，使物理學(xué)進(jìn)入高速、微觀世界，促進(jìn)了：

核物理研究和發(fā)展

核能釋放和利用

原子分子物理研究和發(fā)展

激光創(chuàng)造和應(yīng)用

半導(dǎo)體、固體物理、材料科學(xué)研究和發(fā)展晶體管、大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)創(chuàng)造和應(yīng)用第三次技術(shù)革命（信息化）（3）相對(duì)論、量子力學(xué)建立（19001930）第16頁

物理學(xué)突破會(huì)造成新技術(shù)創(chuàng)造和發(fā)展，深入就造成了生產(chǎn)大飛躍。

這些事實(shí)充分說明了：“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”

鄧小平“沒有今天基礎(chǔ)科學(xué)就沒有明天科技應(yīng)用”

李政道第17頁

（4）物理學(xué)現(xiàn)在正處于第四次重大突破前夜20世紀(jì)末，李政道先生指出,物理學(xué)晴朗天空中也有兩朵烏云:

對(duì)稱性丟失

夸克禁閉

物理學(xué)最基本規(guī)律中存在這兩大疑難，預(yù)示著新有重大意義物理規(guī)律誕生。第18頁

大型強(qiáng)子對(duì)機(jī)（LHC）

7+7TeV

（歐洲核研究中心CERN）

激光干涉引力波天文臺(tái)（LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory，縮寫為L(zhǎng)IGO）

近期觀察到了引力波（美國）

它們運(yùn)行有可能造成重大發(fā)覺，造成物理學(xué)新重大突破。1991年4月，錢三強(qiáng)、周光召等十八位物理學(xué)家上書我國相關(guān)部門，提議組織科學(xué)界抓住機(jī)遇，做好準(zhǔn)備，迎接這新突破。

當(dāng)前已經(jīng)建成一些用于物理學(xué)基礎(chǔ)研究世界級(jí)巨大科學(xué)工程，如：第19頁

2.生產(chǎn)需要是推進(jìn)物理學(xué)發(fā)展根本動(dòng)力

（1）生產(chǎn)需要推進(jìn)了物理學(xué)研究

要提升蒸汽機(jī)效率

研究熱學(xué)、卡諾循環(huán)，發(fā)展了熱力學(xué)。

德國要發(fā)展煉鋼業(yè)

研究熱輻射規(guī)律，造成量子論建立。

利用核能開發(fā)聚變能促進(jìn)了核物理、等離子體物理、輻射物理研究。第20頁

（2）生產(chǎn)為物理學(xué)發(fā)展創(chuàng)造了物質(zhì)技術(shù)條件

在孔夫子時(shí)代不可能創(chuàng)造飛機(jī)，也不會(huì)產(chǎn)生量子力學(xué)。在近代，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到科學(xué)對(duì)生產(chǎn)發(fā)展主要作用，從總體來看，物理學(xué)研究是超前于技術(shù)和生產(chǎn)，但其發(fā)展離不開當(dāng)初生產(chǎn)技術(shù)水平。

促進(jìn)了材料科學(xué)、表面物理、人工微結(jié)構(gòu)物理等研究。

大規(guī)模集成電路第21頁物理學(xué)理論和試驗(yàn)

1.試驗(yàn)

（l）試驗(yàn)是理論基礎(chǔ)，理論正確是否最終要接收試驗(yàn)檢驗(yàn)，如：

光電效應(yīng)試驗(yàn)

光子概念和理論—密立根試驗(yàn)、康普頓散射試驗(yàn)使光子概念和理論得到確認(rèn)。

—

疑難→弱作用宇稱不守恒理論—吳健雄等人試驗(yàn)證實(shí)了這一理論。第22頁

如：實(shí)物粒子波動(dòng)性是由光粒子性引伸而來，又要電子衍射試驗(yàn)證實(shí)。

歷史上提出過很多理論，只要和正確試驗(yàn)結(jié)果不一致就不能成立。

如：MM試驗(yàn)“零結(jié)果”否定了以太存在?！耙粋€(gè)矛盾試驗(yàn)結(jié)果就足以推翻一個(gè)理論”

愛因斯坦

有理論不是以直接試驗(yàn)為基礎(chǔ)，而是從其它理論引伸出來，但原來理論有其試驗(yàn)基礎(chǔ)，新理論也要經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)才能成立。第23頁按理論和試驗(yàn)分布以下：

獲獎(jiǎng)?lì)愋晚?xiàng)目人數(shù)試驗(yàn)83114

理論3346

試驗(yàn)+理論46

得獎(jiǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目和人數(shù)大致占總數(shù)三分之二。

（2）從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)看試驗(yàn)在近代物剪發(fā)展中所起作用1901年共發(fā)獎(jiǎng)96次（1916,1931,1934,19401942未發(fā)獎(jiǎng)），得獎(jiǎng)項(xiàng)目

120項(xiàng)，得獎(jiǎng)人數(shù)166人。第24頁→格拉肖、

溫伯格、薩拉姆1979年得獎(jiǎng)

很多理論項(xiàng)目標(biāo)得獎(jiǎng)都是在判定性試驗(yàn)結(jié)果得出后很快才授予。如：

這表明：“試驗(yàn)是最有力杠桿，我們能夠利用這個(gè)杠桿去撬開自然界秘密。在處理某一假說是保留還是摒棄這么一個(gè)問題時(shí)，這個(gè)杠桿應(yīng)該成為‘最高一級(jí)審理法院’”

倫琴電子衍射試驗(yàn)(1927)→德布洛意1929年得獎(jiǎng)吳健雄試驗(yàn)(1957年初)→李政道、揚(yáng)振寧1957年得獎(jiǎng)中性流試驗(yàn)(19731978)第25頁

2.理論

（1）理論是試驗(yàn)規(guī)律總結(jié)、提升和發(fā)展，能更深入反應(yīng)事物本質(zhì)，往往含有普遍性。主要理論建立把物理學(xué)推進(jìn)到新高度。如：

光電效應(yīng)試驗(yàn)規(guī)律(現(xiàn)象)→光量子理論(本質(zhì))

里德伯光譜公式→玻爾理論(原子能量量子化)（2）在理論建立或發(fā)展一定階段，它本身內(nèi)部矛盾和邏輯發(fā)展也會(huì)造成新理論建立。第26頁

狹義相對(duì)論（物理規(guī)律對(duì)一切慣性系含有不變性）

對(duì)非慣性系是否含有不變性?

廣義相對(duì)論建立。

光二象性

是否一切微觀粒子都有二象性?

物質(zhì)波假說

物質(zhì)波是否可用波動(dòng)理論來描述?

薛定格方程建立。

電弱統(tǒng)一理論

四種相互作用是否都能統(tǒng)一?

超大統(tǒng)一理論研究。第27頁（3）理論對(duì)試驗(yàn)研究有主要指導(dǎo)作用

戴維孫—革末試驗(yàn)

知道物質(zhì)波理論后才自覺地進(jìn)行

邁克耳孫莫雷試驗(yàn)瑞利、開爾文催促，洛侖茲提出改進(jìn)意見當(dāng)代試驗(yàn):

使用大型精密儀器

設(shè)計(jì)制造專用裝置

花費(fèi)大量人力物力

第28頁必須有明確物理目標(biāo)和學(xué)術(shù)意義才能開展起來并堅(jiān)持下去，這就離不開理論指導(dǎo)。

理論和試驗(yàn)關(guān)系可用李政道教授提出“物理學(xué)家定律”作為一個(gè)很好總結(jié)：“沒有試驗(yàn)家，理論家就會(huì)迷失方向；沒有理論家，試驗(yàn)家就會(huì)遲疑不決?！钡?9頁物理學(xué)相對(duì)和絕對(duì)

1.物理定理、定律、理論反應(yīng)了客觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律，含有穩(wěn)定性、可重現(xiàn)性

含有絕對(duì)真理成份。

2.定理、定律、理論又含有近似性，只在一定范圍內(nèi)才正確，因?yàn)椋?/p>

（1）客觀世界本身是不停發(fā)展改變，人認(rèn)識(shí)永遠(yuǎn)沒有完結(jié)。第30頁1)任何試驗(yàn)都不能絕對(duì)準(zhǔn)確，測(cè)量都有誤差。

2)不可能搞清楚每一現(xiàn)象和別現(xiàn)象之間全部聯(lián)絡(luò)。

所以，不能把任何物理理論看成無條件、永恒東西加以絕對(duì)化!

比如：

相對(duì)論和量子力學(xué)發(fā)展表明，經(jīng)典物理很多規(guī)律在高速、微觀世界都不適用。（2）人認(rèn)識(shí)水平受到歷史條件限制。第31頁

通常人們認(rèn)為：

光子靜止質(zhì)量為零實(shí)際測(cè)量結(jié)果是：

m10-60g電子是穩(wěn)定不變

31023y質(zhì)子是穩(wěn)定不變

11032y中微子靜止質(zhì)量為零

m

10-2eV

經(jīng)典物理規(guī)律并不都有完美試驗(yàn)驗(yàn)證萬有引力定律只在<10cm距離有扭稱試驗(yàn)證實(shí)，距地面10公里以上有些人造地球衛(wèi)星運(yùn)行證實(shí)，在中間距離過去并沒有試驗(yàn)證實(shí)，未來有可能發(fā)覺有偏差，等候天琴計(jì)劃發(fā)威。第32頁

經(jīng)典物理也有發(fā)展比如：過去認(rèn)為牛頓力學(xué)是決定論典范，

歷史經(jīng)驗(yàn)表明，理論和試驗(yàn)之間非常小不一致就能夠造成重大突破。

比如：宇稱守恒定律檢驗(yàn)

p+F19Ne20(1+)O16+He4

不守恒程度3×10--13

弱作用宇稱可能不守恒。但混沌研究表明，它含有內(nèi)在隨機(jī)性。第33頁

所以，不能盲目地相信物理定律或理論普遍適用性，要從理論和試驗(yàn)結(jié)果差異當(dāng)中去探索新天地。

當(dāng)前試驗(yàn)技術(shù)水平：

單個(gè)微觀粒子能量轉(zhuǎn)移（最大）

10TeV

最高能量分辯率E／E

10-16

能直接測(cè)量最短時(shí)間

10-16sec

最小空間分辨

3.9×10-19m

很多物理規(guī)律、結(jié)論就是在這種試驗(yàn)技術(shù)水平下（或者比這差得多水平下）得到。第34頁比如認(rèn)為電子無內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠看成點(diǎn)粒子，

所以，必須重視物理規(guī)律近似性，注意它適用范圍。不能把現(xiàn)在得到物理定律、結(jié)論看成是永恒不變、絕對(duì)正確。要注意存在矛盾，勇于突破，進(jìn)行創(chuàng)新。實(shí)際上這只是在3.9×10-19m空間分辨能力下，沒有發(fā)覺電子含有內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？臻g分辨能力進(jìn)一步提升后，很可能會(huì)發(fā)覺電子有結(jié)構(gòu)。第35頁物理學(xué)繼承和創(chuàng)新

有繼承才有創(chuàng)新，有創(chuàng)新才有發(fā)展。

1.繼承重大理論創(chuàng)建都是在繼承和總結(jié)前人結(jié)果基礎(chǔ)上加以發(fā)展才完成。

沒有繼承就不會(huì)有發(fā)展和創(chuàng)新。

▲比如，牛頓完成了經(jīng)典力學(xué)體系建立，他繼承了很多前人工作。第36頁

在牛頓以前

伽利略慣性原理

牛頓

推廣總結(jié)出第一定律

伽利略對(duì)自由落體規(guī)律研究，提出加速度概念

笛卡爾、惠更斯對(duì)碰撞問題研究

第谷天文觀察、開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律、胡克、惠更斯、哈雷關(guān)于重力、引力研究

定義了質(zhì)量、力，總結(jié)出第二定律

總結(jié)出第三定律

提出萬有引力定律第37頁▲

又如，電磁理論創(chuàng)建：

庫侖定律

高斯定律

奧斯特（電流磁效應(yīng)）

安培環(huán)路定理

法拉第（電磁感應(yīng)，力線概念，場(chǎng)概念）

麥克斯韋在總結(jié)以上結(jié)果基礎(chǔ)上，提出“位移電流”和“渦旋電場(chǎng)”概念，建立了麥克斯韋方程組。第38頁▲再如，愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對(duì)論：

伽利略相對(duì)性原理

邁克耳孫—莫雷試驗(yàn)

洛侖茲提出尺度收縮假說

彭加勒提出以太可能不存在，

在上述原理、假說、試驗(yàn)基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，建立了狹義相對(duì)論。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)在標(biāo)準(zhǔn)上觀察不到。第39頁正如牛頓所說：“假如說我比笛卡爾看得更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲沂钦驹诰奕藗兗绨蛏稀?/p>

所以，要把科學(xué)發(fā)展看成是集體貢獻(xiàn)，應(yīng)該把著名科學(xué)家看作是成百上千無名科學(xué)家代表。第40頁

誰最有創(chuàng)新精神，誰勇于突破舊觀念、舊理論束縛，誰就能率先做出重大貢獻(xiàn)，

愛因斯坦創(chuàng)建相對(duì)論時(shí)是這么，

李、楊提出弱作用宇稱不守恒時(shí)也是這么。當(dāng)科學(xué)本身矛盾已經(jīng)成熟甚至剛才顯露時(shí)，科學(xué)研究貴在創(chuàng)新，創(chuàng)新是科學(xué)研究靈魂，2.創(chuàng)新對(duì)基礎(chǔ)研究來說更是這么。第41頁

（1）要有創(chuàng)新意識(shí)

不墨守成規(guī)，不人云亦云。總想探索新路徑，提出新觀念，嘗試新方法，導(dǎo)出新結(jié)論。

沒有想到創(chuàng)新人決不會(huì)有新創(chuàng)造。

創(chuàng)新精神三個(gè)要素：第42頁

不怕名人權(quán)威。在新事實(shí)面前

勇于懷疑舊理論，提出新問題。（2）要有創(chuàng)新勇氣“進(jìn)步道路上絆腳石是，也一向是，不允許懷疑傳統(tǒng)”

吳健雄第43頁

愛因斯坦、英菲爾德《物理學(xué)進(jìn)化》“提出一個(gè)問題往往比處理一個(gè)問題更主要，

提出問題是對(duì)舊理論、舊觀念懷疑和探討,是建立新觀念起點(diǎn)。從新角度去看舊問題，卻需要有創(chuàng)造性而且標(biāo)志著科學(xué)真正進(jìn)步”因?yàn)樘幚韱栴}可能僅僅是數(shù)學(xué)上或試驗(yàn)上一個(gè)技能而已。而提出新問題、新可能性，想象力，第44頁（3）勇于想象

法拉弟：電磁作用經(jīng)過場(chǎng)來傳遞，需要時(shí)間。

德布羅意：微觀粒子同時(shí)又是一個(gè)波。

狄拉克：真空充滿了負(fù)能態(tài)電子，其中空穴就是正電子。人們幻想象鳥一樣在空中飛行才創(chuàng)造了飛機(jī)，人們幻想到月球上旅行才實(shí)現(xiàn)了登月。

“想象力比知識(shí)更主要，因?yàn)橹R(shí)是有限，而想象力概括著世界上一切，推進(jìn)著進(jìn)步，而且是知識(shí)進(jìn)化源泉。嚴(yán)格地說，想象力是科學(xué)研究中實(shí)在原因”

愛因斯坦第45頁不是要知識(shí)很全才能創(chuàng)造。

在物理學(xué)發(fā)展中，做出重大創(chuàng)造性貢獻(xiàn)很多是年輕人：牛頓（16421727）

萬有引力定律

24歲（1666）麥克斯韋（18311879）

電磁場(chǎng)理