大学物理绪论

1、1 大学物理大学物理2绪绪 论论说明两个问题：说明两个问题：* * 明确为什么学？学什么？怎样学？明确为什么学？学什么？怎样学？* * 了解物质世界的整体图象。了解物质世界的整体图象。 目的：目的： 获得学习获得学习“大学物理大学物理”的自觉意识。的自觉意识。 3一一. . 为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？ 物理学是研究物质世界的基本结构、物理学是研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律的科学。基本相互作用和最普遍的运动规律的科学。 我们把不依赖于人的意识而独立存在我们把不依赖于人的意识而独立存在的的客观实在称为物质。与其它科学相比，物客观实在称为物质。与其它科学相

2、比，物理理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追追求。求。 1：什么是物理学：什么是物理学42：物理学发展历程物理学发展历程 以公元以公元1600年为界，在这以前，叫物理年为界，在这以前，叫物理学的前科学时期，这一时期，物理学还不学的前科学时期，这一时期，物理学还不是一门独立的学科。是一门独立的学科。 16001800年，在这一时期，物理形年，在这一时期，物理形成了一门学科，牛顿完成了牛顿力学。成了一门学科，牛顿完成了牛顿力学。 18001900年，电磁学、热力学、波年，电磁学、热力学、波动光学、经典统计物理学等的发展完善了经动光学、经典统计物理学等的发展完

3、善了经典力学。典力学。 上世纪初，上世纪初，20世纪自然科学领域最伟大的两个理世纪自然科学领域最伟大的两个理论出现了：量子力学和相对论论出现了：量子力学和相对论近代物理近代物理的开始。的开始。经典物理学经典物理学5当今，物理学与其它学科的交叉诞生了生物物理、化当今，物理学与其它学科的交叉诞生了生物物理、化学物理、地球物理、天体物理等新型学科，人们公认：学物理、地球物理、天体物理等新型学科，人们公认：当今最有生命力的是不同学科交叉的领域。当今最有生命力的是不同学科交叉的领域。 每一个科研和工程技术人员都应该加强自身的每一个科研和工程技术人员都应该加强自身的数理知识的培养与积累数理知识的培养与积累

4、,以适应新发展的要求。以适应新发展的要求。 随着科学的发展，从物理学中不断分化出诸如粒子物随着科学的发展，从物理学中不断分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、计算物理、等离子体物理、半导体物物理、电子物理、计算物理、等离子体物理、半导体物理等名目繁多的新分支。理等名目繁多的新分支。现代物理学发展的现代物理学发展的两个趋势两个趋势： （1）自身的细化、分支多；（）自身的细化、分支多；（2）与其他学科的交叉）与其他学科的交叉6*第一次工业革命（第一次工业革命（1718世纪）：建立在牛顿力学和世纪）：建立在牛顿力学

5、和热力学发展的基础上，其标志是以热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机蒸汽机为代表的一为代表的一系列机械的产生和应用。系列机械的产生和应用。 *第二次工业革命（第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展的世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发基础上，其标志是发电电机、电动机、电讯设备的出现机、电动机、电讯设备的出现和应用。和应用。*第三次工业革命（第三次工业革命（20世纪）：建立在世纪）：建立在相对论和量子相对论和量子力学力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和一系列新学科、新材料、新能源、新技术

6、的兴起和发展。发展。3：物理学与技术：物理学与技术7物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式*技术技术 物理物理 技术（典型例子：力、热技术（典型例子：力、热学）学）*物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）物理（典型例子：电磁学） 在现代社会中主要以第二种方式进行。在现代社会中主要以第二种方式进行。例：例：通讯技术和激光技术是这个崭新的信息时代的通讯技术和激光技术是这个崭新的信息时代的关键，其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的关键，其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。研究成果。8以计算机为代表的电子和信息技术的物理基础以计算机为代表的电子和信息技术的物理基础19

7、25年年 量子力学建立量子力学建立1926年年 Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出1929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释了能带理论提出并得到证实，从理论上解释了 导体、半导体、绝缘体的性质和区别；导体、半导体、绝缘体的性质和区别； Fermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出1947年年 发明发明晶体管晶体管（获（获1956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）1957年年 建立建立Fermi面编目面编目1962年年 制成集成电路（制成集成电路（IC）70年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLIC）、量子信息处理编码量子计算机、量子比特

8、子纠缠态量子力学叠加原理、量9激光技术的物理基础激光技术的物理基础1860年年 Maxwell 建立光的电磁理论建立光的电磁理论1900年年 Planck 提出能量子理论提出能量子理论1917年年 Einstein 提出受激辐射理论提出受激辐射理论1953年年 制成微波激射器（制成微波激射器（maser）1960年年 Maiman制成红宝石激光器制成红宝石激光器6070年代年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置激光器及其应用高速发展，月球上设置 激光反射器激光反射器1982年年 激光全息术激光全息术8090年代年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器激光外科手术，通讯，光盘，激光武器.10核

9、技术的物理基础核技术的物理基础1896年年 Becquerel 发现铀的天然放射性发现铀的天然放射性1905年年 Einstein 创立狭义相对论，得创立狭义相对论，得1911年年 Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的有核模型1925年年 量子力学建立量子力学建立1932年年 建立原子核的建立原子核的 质子质子中子中子 模型模型1933年年 发现人工放射性发现人工放射性1945年年 实现核裂变实现核裂变原子弹原子弹1952年年 实现核聚变实现核聚变氢弹氢弹1954年年 建立第一座核电站建立第一座核电站2mcE 11物理学物理学提供提供科学原理科学原理指导指导技术路线的选择和技术方

10、案的改进。技术路线的选择和技术方案的改进。培养技术人员的科学品格和创新能力，培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼光远，层次高，后劲足使其眼光远，层次高，后劲足全世界理工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界理工科大学无一例外将物理作为重要基础课12二二.学什么？学什么？知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律1.学习物理知识要注意学习物理知识要注意整体性整体性、发展性发展性和和迁移性迁移性。整体性注意掌握知识的结构和联系注意掌握知识的结构和联系形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象教材结构和主线教材结构和主线基本基本粒子粒子

11、实物的实物的 运动规律运动规律相互作用相互作用和场和场振动和振动和波动波动量子现象和量子现象和量子规律量子规律多粒子体系多粒子体系的热运动的热运动13发展性不断从新的角度不断从新的角度审视和理解审视和理解物理概念和物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。相互关系的变化。例如：例如：质量质量m高中：高中：maF 惯性质量；惯性质量；2rGmMF 引力质量引力质量初中：初中：VmVm循环定义？循环定义？前沿：前沿： 质量究竟是什么？是如何产生的？质量究竟是什么？是如何产生的？ 什么是物质？什么是物质？“是物质就有质量是物质就有质量”的观点正

12、确的观点正确 吗？吗？场也是物质的一种形式场也是物质的一种形式大学：大学：2mcE 能量载体；能量载体；惯引mm（1）概念的发展；（）概念的发展；（2）框架结构的发展；）框架结构的发展；（3）数学手段的发展）数学手段的发展14例如：例如：力力F近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。中心：中心：守恒量守恒量动量、角动量、能量动量、角动量、能量守恒定律与自然界守恒定律与自然界对称性对称性的联系的联系amF对时间积累对时间积累ptFI 动量定理动量定理动量守恒动量守恒对空间积累对空间积累kcosEFSA 动能定理动能定理机械能守恒机械能守

13、恒力矩力矩FdM 定轴转动物体的平衡定轴转动物体的平衡中学：以中学：以“力力”为中心。为中心。15注意提高应用物理知识理解、解注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。决实际问题的能力。 2. 学习物理方法学习物理方法观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说类比、理想化、假说.指导性原理指导性原理: * 简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。 * 对应原理对应原理 ：新理论应包容在一定条件下被证实是：新理论应包容在一定条件下被证实是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理正确的旧理论，

14、并在极限条件下过渡到旧理论。论。 .迁移性迁移性16例如：例如：理想化方法理想化方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体)理想实验（伽利略、牛顿理想实验（伽利略、牛顿. ）理想过程理想过程 (准静态、绝热准静态、绝热)实质实质: 简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。复习复习质点、质点系、刚体质点、质点系、刚体质点质点：当物体的线度和形状在所研究的问题中的作：当物体的线度和形状在所研究的问题中的作用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量，用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量，占有位置，但无形状大小的占有位置，但无

15、形状大小的“点点”。17质点系质点系：质点的集合。：质点的集合。刚刚 体体：任意两质点间距离保持不变的质点系。：任意两质点间距离保持不变的质点系。质点质点质点系质点系刚体刚体集合集合特例特例*思考:质点和几何学上的点有什么不同？质点和几何学上的点有什么不同？例如：例如：科学假说方法科学假说方法牛顿时代牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。：以经验观察，逻辑归纳为主。现代物理现代物理：问题：问题假说假说(实践实践)科学科学 （证伪）（证伪）新问题新问题新假说新假说.“不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么观察什么。” 爱因斯坦爱因斯坦18定位：定位

16、：物理教育物理教育科学素质教育科学素质教育不仅仅是为后续课服务不仅仅是为后续课服务不仅仅是为专业服务不仅仅是为专业服务立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展合格大学生的标准：合格大学生的标准：（1）力所能及地培养自己的自然科学和社会科学素）力所能及地培养自己的自然科学和社会科学素质，提高自己综合能力，复合性人才更有竞争力。质，提高自己综合能力，复合性人才更有竞争力。（2）以良好的心态对待你学的每一门课程以良好的心态对待你学的每一门课程。19一一. .物质世界的空间尺度物质世界的空间尺度宇宙的宇宙的42个台阶个台阶（1）小尺度）小尺度最小的哺乳动

17、物和鸟类：最小的哺乳动物和鸟类： 10-1m数量级数量级 昆虫：昆虫： 10-210-3m数量级数量级细菌或典型的真核细胞直径：细菌或典型的真核细胞直径：1010-5-5m m数量级数量级细胞的最小直径：细胞的最小直径： 1010-7-7m m数量级数量级原子的尺度：原子的尺度： 1010-10-10m m数量级数量级 原子核的线度：原子核的线度： 1010-14-141010-15-15m m的数量级的数量级 夸克：夸克： 无法确定大小无法确定大小 纳米：材料颗粒为10-9米时，一些新特性出现。20通过移走原子构成的图形通过移走原子构成的图形21（2）大尺度）大尺度鲸：鲸： 101m数量级数

18、量级红杉树：红杉树： 102m数量级数量级珠穆朗玛峰，马里亚纳海沟：珠穆朗玛峰，马里亚纳海沟：104m数量级数量级月球半径，地球半径：月球半径，地球半径： 10106 6m m数量级数量级 太阳系的直径太阳系的直径: : 1013m数量级数量级星系团尺度星系团尺度: 10: 102323m m数量级数量级 超星系团超星系团: 10: 102424m m数量级数量级观测的极限观测的极限哈勃半径哈勃半径: 10: 102626m m数量级数量级22宇宙学、粒子物理的奇妙衔接宇宙学、粒子物理的奇妙衔接23二二. 物质世界的时间尺度物质世界的时间尺度时标时标s1018宇宙年龄：宇宙年龄：130 200

19、亿年亿年 24地球年龄地球年龄s10106 . 4179年星系形成：星系形成：50亿年亿年25大气形成大气形成s10108168年热电离层热电离层对流层对流层中间层中间层平流层平流层外大气层外大气层臭氧层臭氧层26生命的诞生：约生命的诞生：约40亿年亿年脊椎动物：脊椎动物： 约约6亿年亿年人类出现人类出现 年年614103s1027生生物物的的进进化化28地球公转地球公转s1037月球公转月球公转s106 . 26地球自转地球自转s105中子寿命中子寿命s103百米跑百米跑 10s 市电周期市电周期s102介子寿命介子寿命s1010178中间玻色子寿命中间玻色子寿命s1024s10s10241

20、8共计跨越了共计跨越了42个数量级个数量级29三：基本粒子三：基本粒子 是目前所认识到的组成物质的基本单元，即是目前所认识到的组成物质的基本单元，即人类迄今为止尚未发现其内部结构的人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点点”粒子，粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。是一个不断向更深层次转移的动态概念。要求了要求了解解三大家族、四种相互作用（简单介绍）。三大家族、四种相互作用（简单介绍）。 1：描述粒子特性的主要物理量：描述粒子特性的主要物理量 （1）质量）质量 （2）电荷）电荷（3）自旋（角动量）自旋（角动量） （4）寿命）寿命2：粒子间相互作用（四种）：粒子间相互作用（四种） （1）引力相

21、互作用）引力相互作用 （2）电磁相互作用）电磁相互作用（3）强相互作用）强相互作用 （4）弱相互作用）弱相互作用30光子（光子（20世纪世纪20年代）年代） 传递电磁相互作用传递电磁相互作用中间玻色子中间玻色子(3种种) （20世纪世纪70-80年代）年代） 传递弱作用传递弱作用胶子胶子 (8种种) （已有实验基础）（已有实验基础） 传递强作用传递强作用 引力子引力子（尚未发现）（尚未发现） 传递引力作用传递引力作用（1）规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介）规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介, ,共共13种。种。3：基本粒子分类：基本粒子分类三大家族三大家族31 规范粒子规范粒子名称名称

22、符号符号静质量静质量（MeV）电荷电荷（e）自旋自旋)(寿寿 命（命（s）传递的传递的相互作用相互作用光子光子中间中间玻色子玻色子胶子胶子引力子引力子0ZW)(g?00000011121引力引力01电磁电磁弱弱强强252510)03. 060. 2(10)18. 093. 2(319116140080600玻色子（与场相关）玻色子（与场相关）32（2） 轻子：共轻子：共3代代12种种 电子电子子子名称名称符号符号静质量静质量（MeV）电荷电荷（e）自旋自旋)(寿寿 命（命（s）代代电子中微子电子中微子子中微子子中微子 子子 子中微子子中微子一一二二三三ee0.515105106*1776.95

23、 . 0160000-1-1-12121212121216101310费米子（与实物相关）费米子（与实物相关）* *：北京正负电子对撞机测量结果北京正负电子对撞机测量结果333. .夸克夸克: : 3代、代、6味、每味味、每味3色，共色，共36种种名名 称称符号符号静质量静质量（MeV）电荷电荷（e）自旋自旋)(代代一一二二三三上上夸克夸克粲粲夸克夸克奇异奇异夸克夸克顶顶夸克夸克底底夸克夸克下下夸克夸克udcstb30030050015001800005000323232313131212121212121费米子费米子34基本粒子基本粒子规范粒子规范粒子13种种轻子轻子12种种夸克夸克36种种玻色子（玻色子（引力子？）引力子？）费米子费米子希格斯粒子（？）希格斯粒子（？）62种种强子（核子、介子）的