物理格物致知悟物穷理

1、 1 大学物理绪论 物理学之精髓为“悟物穷理”，源于自然哲学。“悟”指感悟、认知；“物”乃指天地之间的万事万物，自然界客观存在的所有物体；“穷”的意思是探索、研究；“理”则是道理、原理、内在联系与客观规律。因此，物理学是以世间万物为认识、感知、研究的对象，以发现并建立物体、事物之间的内在联系、运动和作用规律为目的的一门科学。 格：就是条条框框，引申为规则，规律。格物：就是观察事物，从中找出规律或者规则。格物致知：就是说，从观察事物、寻找规律（规则）的过程中获得智慧。格物致知，悟物穷理 2 ?观察、思考、交流R.P.Feynman （19181988）美国物理学家诺贝尔物理奖获得者 请允许我说明

2、我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。费曼物理学讲义前言 理查德.费曼 3 著名物理学家开尔文说：我常说，当你能把所讲的东西测量出来并用数字表示时，那么你对这个东西已有所认识，但是如果不能用数字表示，那么你的认识是不够的，不能令人满意的，可能只是初步的认识，在你的思想上，

3、还没有上升到科学的阶段，不论你所讲的是什么东西。瑞斯尼克，哈里德.物理学 第一卷 第一册. 李仲卿 等译.北京：高等教育出版社，1965 4 物理学是研究什么的？为什么学“大学物理” ？学什么？有什么要求？结束语绪论内容 5 物理学是研究物质、能量和它们的相互作用的学科。 第23届国际纯粹物理与应用物理联合大会上十分精辟地指出： 一、物理学是研究什么的？绪论 6 空间尺度 （相差1045 1046） 1026 m（约150亿光年）（宇宙） 1020 m（夸克） 时间尺度 （相差1045） 1018s（宇宙年龄150亿年） 10-27s （ 硬 射线周期） 速率范围 0 （静止） 3 108 m

4、/s （光速）物理学的研究范围（十分广泛）绪论根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约138.2亿年 7 8 9 10 11 宇宙“婴儿期照片”，为宇宙大爆炸理论提供了新的依据。根据这张照片，科学家还精确地测量出了宇宙的实际年龄是137亿年。 12 普朗克卫星普朗克卫星发布的婴儿宇宙的照片图中的斑点代表着早期宇宙中温度在十万分之一量级上的细微起伏 宇宙年龄为138.2亿年。 宇宙膨胀的速度比我们预期的稍慢一些。 宇宙有4.9%是普通物质，26.8%是暗物质，68.3%是暗能量。 数据来自果壳网 13 14 玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是玻色子原子在冷却到绝对零度附近时所呈现出的一种气态的、超流性的

5、物态。 15 16 绪论物理学大蟒 17 当代物理学有两个前沿领域。一个是研究“至小”的粒子物理学，它是研究构成物质的微小粒子以及基本粒子的质量、电荷、自旋、寿命的理论，其标准模型的理论就是“规范粒子理论”；另一个则是研究“至大”的宇宙学，它研究宇宙的起源与演化，其标准模型理论就是上面介绍过的大爆炸理论。不难发现，这两部分的理论研究上在多处使用了同一的语言。先是物理学在粒子领域获得了巨大的成就，后来大爆炸模型利用了粒子理论成功地说明了许多在宇宙演化初期的超高能或高能状态时的性状。大爆炸理论的成功又反过来证明了粒子物理理论的正确性。由于现时在地球上人为的超高能状态难以实现，物理学家还期望利用对宇

6、宙早期演化的观测来验证极高能量下的粒子理论，而目前哈勃太空望远镜就担负着这方面的任务。在这里，至大（1027m以上）和至小（10-18m以下）领域的理论竟这样奇妙地联系在一起。 18 不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：绪论 19 经典物理 力学（实物粒子）电磁学（场）热力学 统计物理（多粒子体系）相对论力学量子力学量子统计物理相对论 量子力学相对论量子场论？物理学的基本框架分支学科：激光物理，半导体物理，原子物理，核物理交叉学科：生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理绪论 20 特点：1) 要以相对论、量子物理为基础；2) 观察和实验手段及设备越来越精密 3) 交叉学科层出不穷 4

7、) 与新技术革命密切相关 当代物理前沿：研究微观结构更深层次，研究单个粒子的结构与性能及少数粒子间的相互作用，最后希望统一四种相互作用力。从物质的微观结构出发，揭开宏观多粒子系统复杂结构的奥秘 - 现代统计物理及凝聚态物理。 少体问题 多体问题 天体问题探索大尺寸的宇观领域，揭开宇宙的奥秘。绪论所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的 假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。 杨振宁 2005.04.14 21 物理学的研究方法提出命题 应用 修改理论 实验检验 理论预言 物理学是一门理论和实验高度结合

8、的精确科学，物理的直觉和想象力及洞察力也常常产生重大突破和发现其研究方法可概括为：观测、实验 推测答案 绪论 22 根本原因：物理学与工程技术的关系*第一次工业革命（1718世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。 *第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。*第三次工业革命（20世纪）：建立在相对论和量子力学发展的基础上，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、新技术的兴起和发展。二、为什么要学习“大学物理”？绪论 23 物理学与技术关系的两种模式*技术 物理 技术

9、（典型例子：热学）*物理 技术 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。例计算机技术、激光技术、核技术、空间技术其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。绪论 24 电子和信息技术的物理基础1925年 量子力学建立1926年 Fermi-Dirac 统计法提出1929年 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； Fermi面概念及其可测量的提出1947年 发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获1956年诺贝尔物理奖）1957年 建立Fermi面编目1962年 制成集成电路（IC） 1965年摩尔定律：芯片容量每1824个月翻番。70年代末

10、 大规模和超大规模集成电路（VLIC）绪论 25 核技术的物理基础1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性1905年 Einstein 创立狭义相对论，得1911年 Rutherford 提出原子的有核模型1925年 量子力学建立1932年 建立原子核的 质子中子 模型1933年 发现人工放射性1945年 实现核裂变原子弹1952年 实现核聚变氢弹1954年 建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）绪论 26 比较原理发现（年）工业产品（年）经历时间（年）电动机1821188665真空管1882191533无线电1887192235X光1895191318雷达193519005原子

11、反应堆193919423半导体194819513激光195819602从基本原理转变为技术的速度加快绪论 27 直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术纳米（ ）技术皮秒（ ）技术超导技术.IBM公司构成的铂片表面的“一氧化碳人”身高5纳米。物理学提供科学原理指导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，使其眼光远，层次高，后劲足全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课绪论 28 三.学什么？知识、方法、科学观念“物”物质世界 “理”普遍规律1. 学习物理知识要注意 2. 学习物理方法3. 学习物理思想和培养独立思考和解决问题的能力整体性、发展性、迁移性。绪论 29

12、高斯（Carl Friedrich Gauss 1777-1855） 德国数学家和物理学家。1777年4月30日生于德国布伦瑞克，幼时家境贫困，聪敏异常，受一贵族资助才进学校受教育。1795-1789年在哥廷根大学学习，1799年获博士学位。1870年任哥廷根大学数学教授和哥廷根天文台台长，一直到逝世。1833年和物理学家W.E.韦伯共同建立地磁观测台，组织磁学学会以联系全世界的地磁台站网。1855年2月23日在哥廷根逝世。 高斯长期从事于数学并将数学应用于物理学、天文学和大地测量学等领域的研究，著述丰富，成就甚多。他一生中共发表323篇（种）著作，提出404项科学创见（发表178项）， 30

13、 在各领域的主要成就有： （1）物理学和地磁学中，关于静电学、温差电和摩擦电的研究、利用绝对单位（长度、质量和时间）法则量度非力学量以及地磁分布的理论研究。 （2）利用几何学知识研究光学系统近轴光线行为和成像，建立高斯光学。 （3）天文学和大地测量学中，如小行星轨道的计算，地球大小和形状的理论研究等。 （4）结合试验数据的测算，发展了概率统计理论和误差理论，发明了最小二乘法，引入高斯误差曲线。此外，在纯数学方面，对数论、代数、几何学的若干基本定理作出严格证明。在CGS电磁系单位制（emu）中磁感应强度的单位定为高斯（1932年以前曾经用高斯作为磁场强度单位），便是为了纪念高斯在电磁学上的卓越贡

14、献。 31 麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879)麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡，自幼聪颖，父亲是个知识渊博的律师，使麦克斯韦从小受到良好的教育。10岁时进入爱丁堡中学学习， 14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金，毕业留校任职两年。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。 32 1

15、861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著论电和磁，并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思

16、想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。他在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究， 33 凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文：论法拉第的力线（1855年12 月至1856年2月）；论物理的力线（1861棗1862年）；电磁场的动力学理论（1864年12月8日）。对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。据此，1865年他预言了电磁波的存在，电磁波只

17、可能是横波，并计算了电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于1873年出版了科学名著电磁理论。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律棗麦克斯韦速度分布律，从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法，这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的。 34 他引入了迟豫时间的概念，发展了一般形式的输

18、运理论，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪什实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思考，应用娴熟的数学技巧，从缜密的分析和推理，大胆地提出有实验基础的假设，建立新的理论，再使理论及其预言的结论接受实验检验，逐渐完善，形成系统、完整的理论。特别是汤姆孙W卓有成效地运用类比的方法使麦克斯韦深受启示，使他成为建立各种模型来类比研究不同物理现象的能手。在他的电磁场理论的三篇论文中多次使用了类比研

19、究方法，寻找到了不同现象之间的联系，从而逐步揭示了科学真理。麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。 35 杨振宁、李政道 1956年杨振宁、李政道提出在电磁相互作用和强相互作用中基本粒子遵循一定的对称和守恒定律，但在弱相互作用中宇称是不守恒的，他们因此获1957年物理奖。“数学的运用能力是很重要的，因为方程式就是工具”。“研究是一件连续不断的事情”，“你不能计较早晨或黄昏，一天二十四小时都是你的工作时间。”李政道“我们愈研究自然，自然愈显得复杂”，在三十四岁即获得诺贝尔奖金的杨振宁相信，年轻人在科学的进展中最具有冲刺力：“当你老了，你就会变得愈来愈胆小.因为一旦你了新思

20、想，会马上想到一大堆永无止境的争论，而害怕前进。当你年轻力壮的时候，可以到处寻求新观念，大胆地面对挑战。我有时候常常自问：是否已经丢掉自己的胆魄？。” 36 整体性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避免：只见树木，不见森林。 只得到一堆支离破碎的公式。发展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。 物理学在不断发展注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。迁移性绪论1. 学习物理知识要注意整体性、发展性、迁移性。 37 例 质量初中：循环定义？前沿： 质量究竟是什么？是如何产生的？大学：高中： 惯性质量引力质量？绪论 38 例

21、 力经典物理：以“力”为中心。对时间积累动量定理动量守恒对空间积累动能定理机械能守恒力矩定轴转动物体的平衡绪论 39 近代物理：以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。守恒量动量、角动量、能量守恒定律动量守恒定律 角动量守恒定律 能量守恒定律守恒定律与自然界对称性的联系绪论 40 物理学在20世纪取得了令人惊讶的成功。它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭新看法。在这个新的宇宙观中，物质已失去了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。 （美）斯蒂芬 . 温伯格温伯格(美）(1933- )绪论 41 2. 学习物理学方法 是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的标志之一。理想化方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体)理想实验（伽