文科类大学生为何要学《大学物理学》？

1、1您将一点一点地掀开物质您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱世界的神奇的面纱欢迎欢迎2改变世界的物理学刘 洋华北电力大学应用物理系North China Electric Power University3第一篇 绪 论 通才教育与专才教育； 当前教育与社会需求、教育与人的全面发展的需求； 历史的必然、现实的选择； 当代科技加速发展和学科交叉整合的趋势； 具有创新精神和实践能力的高素质人才培养； 物理学已经渗透到文史、经管、法政、商学、医学等各个领域。一、文科学生为什么要学习物理学？4 学校的目标始终是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是一个专家。 发展独立思考和独立判断的一般能

2、力，应当始终放在首位，而不应该把专业知识放在首位。 如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。 爱因斯坦（18791955）5二、物理学的发展与人类文明的进步 从经典物理学到量子物理学 量子理论的发展 从宏观世界到微观世界和宇观世界 从简单系统到复杂系统6诺贝尔（18331896）7诺贝尔的一生 瑞典著名化学家。 研究过大炮和蒸汽机的设计。 发明了硝化甘油烈性炸药及引爆方法，意愿用于工业开发矿山、挖掘河道、修建铁路和隧道，为人类造福。 遗嘱设立了诺贝尔物理学、化学、生理医

3、学、文学和人类和平5大奖项。8历年诺贝尔物理学奖历年诺贝尔物理学奖 年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1901 W.C.伦琴 德国 发现伦琴射线(X射线) 1902 H.A.洛伦兹 荷兰 塞曼效应的发现和研究 P.塞曼 荷兰 1903 H.A.贝克勒尔 法国 发现天然铀元素的放射性 P.居里 法国 放射性物质的研究， M.S.居里 法国 放射性元素钋与镭并发现 钍也有放射性 1904 L.瑞利 英国 在气体密度的研究中发现氩 1905 P.勒钠德 德国 阴极射线的研究 9年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1906 J.J汤姆孙 英国 通过气体电传导性的研究，测出电子的电荷与质量

4、的1907 A.A迈克耳孙 美国 创造精密的光学仪器和用 以进行光谱学度量学的研 究，并精确测出光速 1908 G.里普曼 法国 发明应用干涉现象的天然 彩色摄影技术 1909 G.马可尼 意大利 发明无线电极及其对发展 C.F.布劳恩 德国 无线电通讯的贡献 1910 J.D.范德瓦耳斯 荷兰 对气体和液体状态方程的 研究 10年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1911 W.维恩 德国 热辐射定律的导出和研究 1912 N.G.达伦 瑞典 发明点燃航标灯和浮标灯 的瓦斯自动调节器 1913 H.K.昂尼斯 荷兰 在低温下研究物质的性质 并制成液态氦1914 M.V.劳厄 德国 发现伦

5、琴射线通过晶体时 的衍射，既用于决定X射 线的波长又证明了晶体的 原子点阵结构 1915 W.H.布拉格 英国 用伦琴射线分析晶体结构 W.L.布拉格 英国 11年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1917 C.G.巴克拉 英国 发现标识元素的次级伦琴 辐射 1918 M.V.普朗克 德国 研究辐射的量子理论，发现基本量子，提出能量量子化的假设，解释了电磁辐射的经验定律 1919 J.斯塔克 德国 发现阴极射线中的多普勒效应和原子光谱线在电场中的分裂1920 C.E.吉洛姆 法国 发现镍钢合金的反常性以及在精密仪器中的应用 12年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1921 A.爱因

6、斯坦 德国 对现物理方面的贡献，特别是阐明光电效应的定律 1922 N.玻尔 丹麦研究原子结构和原子辐射，提出他的原子结构模型 1923 R.A.密立根 美国 研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有最小单位 1924 K.M.G.西格班 瑞典伦琴射线光谱学方面的发现和研究1925 J.弗兰克 德国 发现电子撞击原子时出现 G.L.赫兹 德国 的规律性13年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1926 J.B.佩林 法国 研究物质分裂结构，并发现沉积作用的平衡1927 A.H.康普顿 美国发现康普顿效应 C.T.R.威尔孙 英国 发明用云雾室观察带电粒子，使带电粒子的轧迹变为可见 19

7、28 O.W.里查孙 英国热离子现象的研究，并发现里查孙定律 1929 L.V.德布罗意 法国电子波动性的理论研究 1930 C.V.拉曼 印度 研究光的散射并发现拉曼效应14年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1932 W.海森堡 德国 创立量子力学，并导致氢 的同素异形的发现 1933 E.薛定谔 奥地利 量子力学的广泛发展 P.A.M.狄立克 英国 量子力学的广泛发展，并预言正电子的存在 1935 J.查德威克 英国发现中子 1936 V.F赫斯 奥地利 发现宇宙射线 C.D.安德孙 美国 发现正电子 15年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1937 J.P.汤姆孙 英国通过实

8、验发现受电子照射的晶体中的干涉现象 C.J.戴维孙 美国 通过实验发现晶体对电子的衍射作用 1938 E.费米 意大利 发现新放射性元素和慢中子引起的核反应 1939 F.O.劳伦斯 美国 研制回旋加速器以及利用它所取得的成果，特别是 有关人工放射性元素的研究 1943 O.斯特恩 美国 测定质子磁矩 1944 I.I.拉比 美国 用共振方法测量原子核的磁性16年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1945 W.泡利 奥地利 发现泡利不相容原理 1946 P.W.布里奇曼 美国 研制高压装置并创立了高压物理 1947 E.V.阿普顿 英国 发现电离层中反射无线电波的阿普顿层 1948 P.M

9、.S.布莱克特 英国 改进威尔孙云雾室及在核物理和宇宙线方面的发现 1949 汤川秀树 日本 用数学方法预见介子的存在 1950 C.F.鲍威尔 英国 研究核过程的摄影法并发现介子17年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1951 J.D.科克罗夫特 英国 首先利用人工所加速的粒子开展原子核 E.T.S.瓦尔顿 爱尔兰 蜕变的研究 1952 E.M.珀塞尔 美国 核磁精密测量新方法的发 F.布洛赫 美国 展及有关的发现 1953 F.塞尔尼克 荷兰 论证相衬法，特别是研制相差显微镜 1954 M.玻恩 德国 对量子力学的基础研究，特别是量子力学中波函数的统计解释 W.W.G.玻特 德国 符合

10、法的提出及分析宇宙辐射18年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1955 P.库什 美国 精密测定电子磁矩 W.E.拉姆 美国 发现氢光谱的精细结构 1956 W.肖克莱 美国 研究半导体并发明晶体管 W.H.布拉顿 美国 J.巴丁 美国 1957 李政道 美国 否定弱相互作用下宇称守 杨振宁 美国 恒定律，使基本粒子研究获重大发现 1958 P.A.切连柯夫 前苏联 发现并解释切连柯夫效应 I.M.弗兰克 前苏联 (高速带电粒子在透明物质 I.Y.塔姆 前苏联 中传递时放出蓝光的现象)19年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1959 E.萨克雷 美国 发现反质子 O.张伯伦 美国 19

11、60 D.A.格拉塞尔 美国 发明气泡室 1961 R.霍夫斯塔特 美国 由高能电子散射研究原子核的结构 R.L.穆斯堡 德国 研究r射线的无反冲共振吸收和发现穆斯堡效应 1962 L.D.朗道 前苏联 研究凝聚态物质的理论，特别是液氦的研究 20年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1963 E.P.维格纳 美国 原子核和基本粒子理论的研究，特别是发现和应用 对称性基本原理方面的贡献 M.G.迈耶 美国 发现原子核结构壳层模型 J.H.D.詹森 德国 理论，成功地解释原子核的长周期和其它幻数性质的问题 1964 C.H.汤斯 美国 在量子电子学领域中的基础研究导致了根据微波激射器和激光器的

12、原理构成振荡器和放大器 21年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1964 N.G.巴索夫 前苏联 用于产生激光光束的振荡器和放大器的研究工作 A.M.普洛霍罗夫 前苏联 在量子电子学中的研究工作导致微波激射器和激光器的制作 1965 R.P.费曼 美国 量子电动力学的研究，包 J.S.施温格 美国 括对基本粒子物理学的意朝永振一郎 日本 义深远的结果 1966 A.卡斯特莱 法国 发现并发展光学方法以研究原子的能级的贡献 1967 H.A.贝特 美国 恒星能量的产生方面的理论22年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1968 L.W.阿尔瓦雷斯 美国 对基本粒子物理学的决定性的贡献，特别

13、是通过发展氢气泡室和数据分析技术而发现许多共振态 1969 M.盖尔曼 美国 关于基本粒子的分类和相互作用的发现，提出“夸克”粒子理论 1970 H.O.G.阿尔文 瑞典 磁流体力学的基础研究和 L.E.F.尼尔 法国发现并在等离子体物理中找到广泛应用23年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1980 J.W.克罗宁 美国 CP不对称性的发现V.L.菲奇 美国1981 N.布洛姆伯根 美国 激光光谱学与非线性光学 A.L.肖洛 美国的研究 K.M.瑟巴 瑞典 高分辨电子能谱的研究1982 K.威尔孙 美国 关于相变的临界现象1983 S.钱德拉塞卡尔 美国 恒星结构和演化方面的理论研究 W.

14、福勒 美国 宇宙间化学元素形成方面 的核反应的理论研究和实验 24年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1984 C.鲁比亚 意大利 由于他们的努力导致了中间 S.范德梅尔 荷兰玻色子的发现1985 K.V.克利青 德国 量子霍耳效应 1986 E.鲁斯卡 德国 电子物理领域的基础研究工作，设计出世界上第一架电子显微镜 G.宾尼 瑞士 设计出扫描式隧道效应显微镜 H.罗雷尔 瑞士 1987 J.G.柏诺兹 美国 发现新的超导材料 K.A.穆勒 美国25年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1988 L.M.莱德曼 美国 从事中微子波束工作及通过 M.施瓦茨 美国发现介子中微子从而对轻 J.

15、斯坦伯格 英国粒子对称结构进行论证 1989 N.F.拉姆齐 美国 发明原子铯钟及提出氢微波激射技术 W.保罗 德国 创造捕集原子的方法以达到 H.G.德梅尔特 美国能极其精确地研究一个电子或离子 1990 J.杰罗姆 美国 发现夸克存在的第一个实验 H.肯德尔 美国证明 R.泰勒 加拿大26年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1991 P.G.德燃纳 法国 液晶基础研究1992 J.夏帕克 法国 对粒子探测器特别是多丝正比室的发明和发展1993 J.泰勒 美国 发现一对脉冲星，质量 L.赫尔斯 美国为两个太阳的质量，而直径仅10-30km，故引力场极强，为引力波的存在提供了间接证据 1

16、994 C.沙尔 美国 发展中子散射技术 B.布罗克豪斯 加拿大27年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1995 M.L.珀尔 美国 珀尔及其合作者发现了轻 F.雷恩斯 美国子雷恩斯与C.考温首次成功地观察到电子反中微子他们在轻子研究方面的先驱性工作，为建立轻子-夸克层次上的物质结构图像作出了重大贡献 1996 戴维.李 美国 发现氦-3中的超流动性 D.D.奥谢罗夫 美国 R.C.里查森 美国1997 朱棣文 美国 激光冷却和陷俘原子 C.C.塔诺季 法国 W.D.菲利浦斯 美国28年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1998 R.B.劳克林 美国 分数量子霍尔效应的发现 H.L.斯

17、特默 美国 崔琦 美国 1999 H.霍夫特 荷兰阐明物理学弱电相互作用中 M.韦尔特曼的量子结构 2000 泽罗斯.阿尔费罗夫 俄罗斯 为现代信息技术的所作出赫伯特.克勒默 美国的基础性贡献，特别是他们杰克.S.基尔比 美国发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片)29物理学与工业革命v蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从农业社会进入工业社会第一次工业革命；v电力、石油和自动生产线第二次工业革命；v电脑、电信革命，信息时代、知识经济时代第三次工业革命。30物理学与哲学31中国古代的物理成就中国古代的物理成就 我国古代的科学技术成就中，属于物理学或与物理学有关的，可以提出力学、光学和声学等

18、三个方面作一简要介绍。q考工记 （公元前至年）：关于惯性的记载、滚动摩擦的论述、火箭的飞行与保持稳定，还记述了有关力的测量、斜面受力分析以及材料和施工中的一些软科学知识。q墨经（公元前至年），墨经战国时代以墨翟为首的墨家的代表作，分为“经”与“经说”两大部分。前者的内容大多是一些定义性质的条文，后者则带有定律的性质的解释。32墨经中的软科学知识已不全是实际生产知识的总结和记述，而是对力学现象进行了粗浅的概括，并进行了一些推理论证。诸如，关于时空观念、运动学知识、力的概念、力系平衡的论述，以及斜面、滑轮及其应用，等等。侯风地动仪。这是东汉张衡（公元至年）所制的世界上第一台地震仪。后汉书张衡列传上

19、有下面一段记载：“（顺帝）阳嘉元年（即公元年），复造侯风地动仪。这是一种测定震源方向的仪器。张衡利用了力学上的惯性原理，同时他对地震波传播和方向性也一定有所了解。这些在当时来说都是十分了不起的。33记里鼓和指南车。这是三国时魏人马钧根据以前的记载模仿制成的两种利用各种齿轮的复合运动传动的自动机构。在刘仙洲教授著的中国机械工程发明史第一编第五章中有较详细的介绍。关于光学知识的记载以墨经经下中的八条最为系统。内容涉及影子生成的道理，本影和半影，由物体与光源的相对位置确定影子的大小，光的直线传播实验，光的反射性和平面镜成像，凹面镜成像，凸面镜成像等。它已触及了几何光学很大一部分，从时间上看要比古希腊

20、欧几里德注反射光学早一百多年。34q声学方面：据文献记载和考古的发现，在周朝以前已经有了各种乐器，而且很早就制定了有科学根据的乐律，乐律说有丰富的物理声学内容，它的产生和发展，是物理声学史中重要的组成部分。q我国古籍中多次记载了物体的共振和声音的共鸣现象。q关于物质和运动的概念：物质观。关于物质的构成，中国古代有多种说法， 如 “ 五行说 ”，“八卦说”，“元气说”以及墨家提出的“原子论”。35我国原始五行说发展到了春秋时代，又出现了五行相生相克的学说，即 水生火，火生土，土生金，金生水，水生木； 木克土，土克水，水克火，火克金，金克木。 显然它是由实践经验抽象出来的。这种关系深刻地揭示了组成

21、世界的五种基本物质元素在相互转化的复杂变换过程中，36运动观念。在我国古代，人们把运动理解为一般变化，其中包括产生和消灭，数量增减和性质变化，以及位置移动。v除去以上列举的力学、光学、声学和物质与运动等四个方面之外，在这一时代中，我国还有许多其它的物理学方面的成就，例如磁现象和静电现象、气象知识等等，不再一一加以介绍了。v 即使从以上的一个很不完整、很不系统的介绍，我们已经可以看到，我国古代确实有不少很有价值的物理学成就。v跟文学、艺术、哲学等其它领域一样，比之其它文明古国毫无逊色，甚至可以说有过之而无不及。37物理学与物质世界38物质世界的美丽 简洁性简洁性 描述经验资料，具有最少量的定义和

22、独立假设的模型最好的理论； “遥望”从整体上把握万物，星星繁多，却个个清晰，万里长城（单块石头）； 质点、刚体、黑体、谐振子、理想气体等，小到原子大到太阳可以有同一名称质点。39雄伟壮观的万里长城40对称性对称性 对称、平衡、和谐是人类共同的审美心态； 古罗马的建筑、中国的宫殿、周易中的阴阳、八卦； 作用力与反作用力、正负电荷、S极N极、电流周围的磁场及变化磁场周围的电场、杨振宁和李政道的宇称守恒。 41普遍性普遍性 “112”数学抽象，“1头牛2头牛3头牛；1个原子2个原子3个原子” ； 0、1、2所包含的的哲学思想； 普朗克在瑞利和维恩定律后，为追求二者的统一，引出普朗克常数。42稳定感稳

23、定感 人类审美心态的又一要素表现了对封闭、独立系统的向往； 联合国宪章规定了一百多个国家的边界不可侵犯；互不干涉内政也体现了这种心态； 整个宇宙（有限）中，质量(能量)守恒、电荷守恒； 二千多年前孔子望着川流不息的江河感慨：“逝者如斯夫，不舍昼夜” 。 人们渴望永恒，真空中的光速、普朗克常数、 电子电荷、阿伏加德罗常数等等。 43延伸性延伸性 “落霞与孤骛齐飞，秋水共长天一色”唐代王勃把视野引向无穷、无尽、无限和无数。 仿佛看到在一块无限大平板上，放着一个刚球，伽利略一推，刚球保持初速直线前进，向前，向前，直到无边否定亚力斯多德的经验结论。 441993年3月，亚特兰大亚特兰大， “物理学对社

24、会的重要贡献” 的决决议议” 物理学是一项智力探险活动，鼓舞着年轻人，扩展着我们关于大自然知识的疆界。 物理学发展着未来技术进步所需要的基本知识。 物理学为科学进步和发明的利用，提供所需训练有素的人才。 物理学在培养其它学科领域科学工作者的教育中，是一个重要组成部分。 物理学扩展和提高我们对其他科学的理解，诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学，以及天文学和宇宙学这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。 物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需的基本知识，如计算机层析技术（CT），磁共振成像，正电子发射层析技术，超声波成像和激光技术等，改善了我们生活的质量。45人类21世纪的文明要

25、到两千年前中国的孔子和老子那里去找 两千年前，哲学家庄子“判天地之美，析万物之理”古训激励我们勇攀科学高峰！ 46您将一点一点地掀开物质您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱世界的神奇的面纱欢迎欢迎47物质世界与物理学物质世界与物理学1 物理学与物质世界物理学与物质世界物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科 是自然科学的基础是自然科学的基础一一.物质世界物质世界研究的对象十分广泛研究的对象十分广泛 宇观宇观 宏观宏观 微观微观为人们描绘出一副五彩缤纷的图画为人们描绘出一副五彩缤纷的图画48b空间尺度空间尺度( (相差相差1010454510104646

26、) )101026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) )b时间尺度时间尺度( (相差相差10104545) )10101818s 150s 150亿年亿年( (宇宙年龄宇宙年龄) )-10-10-27-27s s( (硬硬 射线周期射线周期) )b速率范围速率范围0 0( (静止静止) ) - 3x10- 3x108 8 m/sm/s( (光速光速) )49人们从自己向人们从自己向小尺度追问小尺度追问 以探索以探索物质的组成物质的组成 物理学上对应物理学上对应 粒子物理学粒子物理学目前物理学界公认组成物质的最小单元是

27、目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克夸克 即认为即认为quarkquark没有内部结构没有内部结构 但近来有消息称但近来有消息称 quark quark 也也可一分为二可一分为二 说明说明认识无止境认识无止境 物质世界总图象物质世界总图象50 粒子种类粒子种类 自由状态存在的自由状态存在的: 452 : 452 种种 其中其中 规范玻色子规范玻色子 4 4 种种 轻子轻子 12 12 种种 强子强子 436 436 种种基本相互作用基本相互作用 : : 电磁电磁 强强 弱弱 引力引力 51 人们从自己向人们从自己向大尺度追问以探索大尺度追问以探索宇宙的奥秘宇宙的奥秘 物理学上对应物理学上对

28、应 天体物理学天体物理学宇宙是怎样运动的呢？宇宙是怎样运动的呢？进行绝热膨胀进行绝热膨胀 宇宙半径增大宇宙半径增大 宇宙密度降低宇宙密度降低 温度降低温度降低宇宙有限又无边宇宙有限又无边! !有中心有中心? ?无中心无中心? ?远离远离52仙女座大星云仙女座大星云“物理学的最大研究对象物理学的最大研究对象”-陆陆 炎炎土土图图2 25354三三. .物理学使人们深入认识世界物理学使人们深入认识世界 物质存在的基本形式物质存在的基本形式中学时已有中学时已有 粒子和场粒子和场 的认识的认识场论给出最新认识场论给出最新认识每种粒子对应一种场每种粒子对应一种场场场有不同能量状态有不同能量状态penpe

29、场与粒子是统一体的场与粒子是统一体的两种表现形式两种表现形式n e p 相应的场相应的场 均处于基态均处于基态 真空真空 p e相应的场相应的场处于激发态处于激发态出现相应的粒子出现相应的粒子55b演绎法演绎法推理推理 演算演算b归纳法归纳法假设假设 模型模型b定性和半定量定性和半定量直觉直觉 想象力想象力 洞察力洞察力2 2 物理学与科学思维物理学与科学思维一一.物理学的研究方法物理学的研究方法56物理学家的物理学家的1/3 1/3 激奋在于激奋在于 建立理论建立理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 证实理论证实理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 突破理论突破理论爱因斯坦是典范爱因斯坦是典

30、范 -最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事-二二.物理学家的科学态度物理学家的科学态度实验结果与已有理论不符合实验结果与已有理论不符合 预示着重大突破预示着重大突破令人令人兴奋兴奋573 物理学与科学技术物理学与科学技术 物理学为其他学科创立技术和原理物理学为其他学科创立技术和原理 重大新技术领域的创立总是经历重大新技术领域的创立总是经历 长期的物理酝酿长期的物理酝酿如如 微电子技术的发展微电子技术的发展 物理学满足人类所深刻认识到的最根本的物理学满足人类所深刻认识到的最根本的 程度上了解自然界的需要程度上了解自然界的需要 ( (美国物理学评美国物理学评 述委员

31、会述委员会) )58b卢瑟福卢瑟福 a a 粒子散射实验粒子散射实验(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年代以后年代以后) )b爱因斯坦受激辐射理论爱因斯坦受激辐射理论(1917)(1917) 第一台激光器第一台激光器(1960)(1960) ( (物理物理) ) ( (技术技术) )b信息技术的发生和发展的硬件部分信息技术的发生和发展的硬件部分以物理学成果为基以物理学成果为基础础 ( (技术技术) ) ( (物理物理) ) b量子力学量子力学 费米狄拉克统计费米狄拉克统计 固体能带理论固体能带理论(20(20年代年代)()(物理物理) ) 晶体管诞生晶体管诞生(1947) (1947) 集成电路集成电路(1962) (1962) 大规模集成电路大规模集成电路 (70(70年代后期年代后期)()(技术技术) )微结构物理微结构物理( (物理物理) )594 4 物理学与高素质人才物理学与高素质人才h提高科学素质和能力以适应高新技术