大学物理课件：绪论1

1、大学物理：绪论College Physics：An Introductory科技大学物理学院 2012年2月26日联系方式Email: weijiangQQ群：139938746 (课件群邮件/群共享)办公室：科技楼北403室答疑时间：每周周五下午14：30-17：30人人网：/431011911内容提要什么是物理？物理学有哪些内容和特点？为什么要学习物理？大学物理中我们要学习那些内容？物理学与我们所学其他知识有何关系？如何学习？课程须知与要求为什么物理如此特殊和重要？为什么物理是最重要的理工科基础课程？数学、物理、英语、计算机为什么物理学家很多是最重要、最著名的科学家？为什么诺贝尔会设立物理

2、学奖？为什么人类社会在掌握物理之前和之后进步如此之大？什么是物理？物理学 (Physics)物 质 结 构物质相互作用物质运动规律 物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。物理学是研究物质世界最基本形态的科学 “物理”一词在英文里是“physics”，最先出自于古希腊文“”，原意是自然。在中文、日文里，这词源自明末清初科学家方以智的百科全书式著作物理小识。物理学的研究对象夸克 10-20 m空间尺度：微观系统Microscopic介观系统mesoscopic宏观系统macroscopic宇观系统cosmological最远类星体 10 26 m时间尺度：硬射线周期 10-25

3、s宇宙寿命 1018 s（137亿年）0速率范围：3108 m/s（光速）不同时间和空间尺度、速率范围的对象涉及不同的物理学研究内容物质的结构、运动及其相互作用与空间和时间的关系是物理学关心的主要问题。研究对象：宇宙宇：天地四方，空间宙：既往开来，时间自然界的空间尺度：物质的位置E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小 的细胞原子原子核基本粒子DNA长度星系团银河系最近恒星的距离太阳系太阳山哈勃半径超星系团人微观宏观宇观介观跨度约46个数量级自然界的时间尺度：物质的变化宇宙年龄：130 200亿年 地球形成：46亿

4、年人类出现弱相互作用玻色子寿命共计跨越了42个数量级物理学的研究目标物理学追寻的是自然界的一般知识，力图找出千变万化、无奇不有的自然现象背后的根本原因，并且试图寻觅这些原因之间的任何连结关系。物理学的基本任务就是还原论(Reductionism)，现代物理学借助“还原”，把自然界中的现象做抽象、近似和简化，并最终归于最简单的少数基本粒子及其相互作用。物理学对于自然现象所给出的描述与解释，只是最好的近似事实，而不是完全的绝对事实。物理学者的终极目标是找到一个完美的万有理论(Theory of Everything, TOE)，能够解释大自然的一切本质，但每一种物理理论都只适用于某些明确值域 “一

5、旦把一切自然现象都化成简单的力，而且证明自然现象只能这样来简化，那么科学的任务就算完成了。” -赫姆赫兹粒子物理学现代物理学的前沿领域天体物理学 人类从自身向大尺度追问 以探索宇宙的奥秘 宇宙是怎样形成和演变的？ 人类从自身向小尺度追问探索深层次的物质结构 （主要研究手段：高能物理实验）光子（20世纪20年代） 传递电磁相互作用中间玻色子(3种) （20世纪70-80年代） 传递弱作用 胶子 (8种) （已有实验基础） 传递强作用 引力子（尚未发现） 传递引力作用四种相互作用1929年 哈勃发现星系光谱都有红移现象,说明星系远离我们而去.1942年 俄裔美籍物理学家 伽莫夫 提出大爆炸宇宙学说

6、1965年 美国科学家 彭齐亚斯 威尔逊 发现宇宙微波背景辐射 共获1978年诺贝尔物理学奖 宇宙在膨胀哈勃定律指明19891994年 美国科学家约翰马瑟和乔治斯穆特借助1989年发射的微波背景探测卫星(COBE) 首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测研究 .共获 2006年诺贝尔物理学奖 大爆炸宇宙学说 美国天体物理学家萨尔波尔马特、布莱恩施密特、亚当里斯，因“透过观测遥远超新星而发现宇宙加速膨胀”，获得2011年诺贝尔物理学奖 。“纳米技术”介观物理学美国政府报告：“纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机”。 尺寸在 100102 nmFe原子构成的“量子围栏”。 物理学的两个基本模型：

7、粒子与场实物粒子场质量有无空间分布间断连续能否分割不可可以是否可入不可入可入能否叠加不可叠加可叠加标准模型认为世界是由最基本的十几种粒子构成对场和粒子的不同描述将贯穿我们整个课程物理学的描述：时空尺度宏观低速现象 经典力学宏观高速现象 广义/狭义相对论力学微观低速现象 量子力学微观高速现象 量子场论物理学的描述：现象与一般方法宏观微观低速高速低速高速力学牛顿力学相对论力学量子力学相对论量子力学电磁学电动力学相对论电动力学量子电动力学量子场论光学波动光学量子光学热学热力学经典统计/量子统计力学原子分子物理核物理无量子力学量子场论物理学与其他学科的关系数学是物理的语言精确定量的描述物理规律；精确/

8、近似的求解大学物理中主要用到微积分和矢量分析的知识物理是最基本的自然科学物理是其他自然科学的基础 所有天文/地质现象都可以用物理学解释。 所有化学问题都可以还原到物理现象，所有生物问题都可以还原到化学问题。物理学是绝大部分工科的基础物理学各分支的应用分支基础课程理论课程工科/应用课程专业力学经典力学分析力学结构力学/材料力学/天体力学/流体力学/弹性力学机械/材料/土木电磁学经典电磁学电动力学电路理论/电磁波与电磁场/微波技术/射频技术电力/电气/光电/通讯光学经典光学电动力学光电技术光电热学热力学热力学与统计物理热工学能源/动力/化学原子分子物理量子力学量子场论半导体物理激光物理核物理电子/

9、光电/核技术物理学是现代高新技术的基础核能的利用激光器的产生层析成像技术(CT)电子技术 粒子散射实验X 射线的发现受激辐射理论固体物理17世纪 牛顿力学 天文学/航海/建筑学的重大进步18世纪 热力学 蒸汽机的发明/第一次工业革命19世纪 电磁学 电气时代/第二次工业革命20世纪 量子力学 信息时代/第三次工业革命 物理学被公认为科学技术发展中的带头学科。21世纪 聚变能/超导/THz等技术例：电子计算机的诞生 1947年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利发明了晶体管，标志着信息时代的开始。 1958年 基尔比等发明了集成电路(又称微型电脑芯片)。 70年代后期 出现了大规模集成电路，现代计

10、算机出现。 . 19世纪20年代 建立了量子力学 1927年 建立了布洛赫波的固体能带理论 1929年 派尔斯提出半导体禁带、空穴的概念 同年贝特提出了费米面的概念基尔比2000年诺贝尔物理学奖肖克利1956年诺贝尔物理学奖 1897年 汤普逊发现了电子 1904年 弗莱明发明了电子管 1945年 图灵发明了第一台电子管计算机 本世纪初，计算机高密度磁存储器的发明。2007年度诺贝尔物理奖A.FertP.Grunberg 2011年，英国牛津大学等在Nature首次在硅元素中完成了100亿个量子位元的量子缠绕，预示着量子计算机将在10年内诞生。 首次在硅元素中完成了100亿个量子位元的量子缠绕

11、 超晶格材料纳米材料光子晶体晶体管的发明大规模集成电路电子计算机信息科学与技术 几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。 当今物理学和科学技术的关系两者相互交叉，相互促进。“没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命”。 李政道量子力学能带理论人工设计材料物理与通讯(I)古代通讯：烽火台/击鼓/旗语 -光声信号 驿站/信鸽/邮政 -传递事物近代通讯：有线电报/电话1826年，欧姆发表欧姆定律1827年，安培发表电路/电流理论，尝试用于通讯1833年，高斯/韦伯建立了电磁学基础，发明电报1837年，库克/惠特斯通第一个实用的有线电报 莫尔斯/亨利-莫尔斯电码1876年，

12、贝尔发明了电话物理与电信(II)无线电报/广播/电视1865年，麦克斯韦预言了电磁波的存在1886年，赫兹发现了电磁波，证明光是电磁波1901年，马可尼发明了电报(1909年诺贝尔物理学奖)1920年前后，无线广播开始普及(收音机)长波/中波/短波/射频通信1925年，贝尔德发明了电视当代通讯：1962年 第一颗通讯卫星(微波通信)1969年 有线互联网(射频/高频通信)1973年 库帕发明手机1980年 光纤通讯(光通信，高锟2009年诺贝尔物理学奖)1990年 无线网络(微波通讯)物理与电信(III)未来通讯I1980年 太赫兹(THz)通讯 (2020年普及的下一代通讯技术) 频率在0.

13、110THz之间的电磁波(波长为3000至30微米)，电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好地加以利用的最后一个波谱区间。 2012年5月，从日本东京工业大学使用T-射线的无线数据传输已创下新的纪录，并建议在未来它们被用来作为数据传输的带宽。该演示比目前的Wi-Fi标准的快20倍的速度，能在大约10米（33英尺）範圍內工作，理論上数据传输速度可以高达100 Gbit/s。 Terahertz Communications: A 2020 vision NATO Science for Peace and Security Series2007, pp 325-338. K. Ishigaki,

14、 M. Shiraishi, S. Suzuki, M. Asada, N. Nishiyama, and S. Arai. Direct intensity modulation and wireless data transmission characteristics of terahertz-oscillating resonant tunneling diodes. Electronics Letters. 10 May 2012, 48 (10): 5823. doi:10.1049/el.2012.0849. Chacksfield, Marc. Scientists show

15、off the future of Wi-Fi smash through 3Gbps barrier. Tech Radar. 16 May 2012. Milestone for wi-fi with T-rays. BBC News. 16 May 2012. 关于THz频率的电磁波的物理研究集中80年代中期到整个90年代，物理学杂志有大量的专业文献发表，2005年左右才开始真正进入工程研究。物理与电信(IV)未来通讯II1990年 量子通讯(2050年普及的下一代通讯技术) 量子通讯（Quantum communication）是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式。量子

16、通讯具有高效率和绝对安全等特点，是国际上量子物理和通信科学的研究热点。 合肥城域量子通信试验示范网于2010年7月启动建设，投入经费6000多万元。2012年3月投入使用，具有46个节点的量子通信网覆盖合肥市主城区，使用光纤约1700公里，通过6个接入交换和集控站，连接40组“量子电话”用户和16组“量子视频”用户。http:/htmlnews/2012/2/260016.shtm 量子信息/量子通讯目前是物理学最为活跃的研究领域之一，每年都有大量的专业论文发表，中国科技学术大学的潘建伟院士等人是这方面全世界最好的研究者之一，我校物理学院、光电学院等也有老师从事相关基础研究。 2012年诺贝尔

17、物理奖法国科学家塞尔日阿罗什(Serge Haroche)与美国科学家大卫维因兰德(David Wineland)，获奖理由是“发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法”。物理与电信(V)所有电信手段都基于电磁波和电磁现象的物理认识任何电信器件手段都必须服从电磁学的物理定律的要求物理与电信(VI)学习大学物理的意义(I): 世界观 R.P.Feynman (1918-1988)美国物理学家，1965年诺贝尔物理奖获得者费曼物理学讲义The Feynmans Lectures on Physics 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

18、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。 请允许我说明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作或军事工作服务。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。Surely Youre Joking,MR.Feynman!学习大学物理的意义(II): 掌握处理问题的方法 提出命题推测答案理论预言实验验证修改理论物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学从方法论上讲，物理学的研究方法可以分为： 演绎法(一般到个别)： 基本定律 推理、演算 新理论 归纳法(个别到一般) ： 归

19、纳事实 假设、模型 新理论学习大学物理的意义(II): 掌握处理问题的方法物理学有很多有特色的方法物理模型与控制方程的建立与简化数理方程对实际物理模型的处理对称性和守恒量的分析定量与定性分析/量纲分析理论与实验结果的比较与类比学习大学物理的意义(II): 重要的基础课课程简介： 大学物理的基础知识涉及电信、通信专业的各门后续专业课程，如电路原理、电磁场理论、模拟和数字电路等等。其特点是应用面广，学以致用。难点是点多面广，需要一定的抽象思维能力，需要应用微积分知识解决物理问题。 “通过大学物理的学习，掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工作服务。”物理： 认识世界 - 物理学回答技术实现的可能性工科： 改造世界 - 工科专业课回答技术如何实现历史上最伟大的物理学家杨振宁、李政道:由于发现弱相互作用中宇称不守恒，获1957年诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖的华裔物理学家丁肇中：由于发现J粒子，获1976年诺贝尔物理学奖。 朱棣文：由于激光冷却和捕获原子的研究获1997年诺贝尔物理学奖。崔琦： 由于在分数量子霍尔效应量子现象的研究获1998年诺贝尔物理学奖。高锟：由于在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，而荣获20