物理学基础与学科发展前沿专题专题一-绪论课件

物理学基础与

学科发展前沿专题物理学基础与

学科发展前沿专题课程定位该课程是一门面向物理专业教育硕士研究生的专业必修课程。课程旨在让研究生同学熟悉20世纪物理学的发展历程，展望21世纪物理学发展前景，了解物理学主要分支学科的研究现状、前沿问题和发展趋势。课程定位该课程是一门面向物理专业教育硕士研究生的专业必修课程课程作用通过该课程的学习，使得大家在中学物理教学过程中，在对中学生进行知识传授的同时，适当地加入物理学发展的内容，更好的进行过程与方法，以及情感态度与价值观的教育，努力实现教学的三维目标；而且也可以帮助大家在中学物理教学过程中，适当融入现代物理和高科技的元素，不断激发中学生的好奇心和求知欲，努力培养学生的创新意识和创造能力。课程作用通过该课程的学习，使得大家在中学物理教学过程中，在对课程主要内容专题一、物理学的发展及其展望

专题二、物理学与现代高科技

专题三、天体物理学及宇宙学

专题四、粒子物理学专题五、高能核物理

专题六、半导体物理与技术

专题七、纳米材料及其应用

专题八、超导物理与技术

专题九、原子、分子物理

专题十、激光物理专题十一、光与物质相互作用专题十二、生物物理与技术

课程主要内容专题一、物理学的发展及其展望物理学的发展与展望一、物理学及其发展与分类二、物理学的作用和地位三、20世纪物理学的转折和突破四、20世纪物理学的研究特点和成就五、物理学的研究方法六、20世纪物理学主要分支学科的发展七、物理学对其他学科的影响八、21世纪物理学发展趋势物理学的发展与展望一、物理学及其发展与分类一、物理学及其发展与分类

判天地之美,

析万物之理。

—庄子

但何谓真正科学意义上的物理学？

一、物理学及其发展与分类判天地之美,（一）物理学

物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。

物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。

可以说：物理学的研究对象是普遍的物理学所研究的规律是基本的（一）物理学物理学研究宇宙间物质存在的基本物理学研究的对象物理学研究什么物理学研究的对象物（二）物理学的发展随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围也不断扩大和深化。在古代，物理学只是自然哲学的一部分，16世纪以后才从哲学中分离出来。以后又逐步建立了力学、热学、电磁学、光学、相对论、量子力学、粒子物理等分支学科。（二）物理学的发展随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围古代物理学时期---科学的萌芽期

时间：从远古到16世纪中叶。特点：主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。文化中心：古希腊和古代中国。古代物理学时期---科学的萌芽期

时间：从远古到16世纪中叶经典物理学时期：

时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。16世纪中叶，哥白尼提出“日心说”。17世纪晚期，牛顿建立了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。之后，经典热力学、电磁学相继建立。到19世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。经典物理学时期：

时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪现代物理学时期时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19世纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命；标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物理学的诞生。20世纪50年代以后，物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群现代物理学时期时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19（三）物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理相对论和量子力学天体物理新的时空观…宇宙爆炸理论（三）物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理高能粒子加速器发现新的粒子发现新的核素物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理研究物质的基本结构及运动规律原子—生物分子新的实验手段的结合

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理离子化气体状物质

物质的第四形态认识宇宙、环境变化、能源问题，新应用

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理由很强相互作用的大量粒子组成的系统。最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域

前沿研究此起彼伏，使人目不暇接

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理从建筑声学、电声学到分子—量子声学、等离子体声学、地声学等等

研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科

生命探测仪

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理几何光学、物理光学和量子光学

研究光的行为和性质以及光和物质相互作用的学科

光物理研究在21世纪将会有若干突破性的进展

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理无线通讯、雷达与天线技术、广播与电视、空间全球遥感、地球物理能源资源探测、射电天文等等

研究电磁场和波与物质相互作用和信息传输的理论、方法及技术

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理二、物理学的作用与地位

物理学是自然科学的带头学科

物理学是现代技术革命的先导

物理学是科学的世界观和方法论的基础

二、物理学的作用与地位物理学是自然科学的带头学科（一）物理学是自然科学的带头学科物理学是一门建立在实验基础上的科学，采用实证的科学研究方法。物理学是一门采用数学表示客观规律的科学，建立了完整的科学理论体系。物理学与其他科学交叉，发挥了巨大推动作用。例如：数学物理学、天体物理学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、海洋物理学、地球物理学等（一）物理学是自然科学的带头学科物理学是一门建立在实验基础上物理学是一门理论和实验高度结合的科学物理学是一门理论和实验高度结合的科学定律一：没有实验家，理论家就会迷失方向定律二：没有理论家，实验家就会迟疑不决理论与实验——“李政道定律”定律一：没有实验家，理论家就会迷失方向定律二：没有理论家，实

（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础

物理学描绘了物质世界的一幅完整图象,它揭示出各种运动形式的相互联系与相互转化,充分体现了世界的物质性与物质的统一性.

（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础

物理（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础经典物理——机械唯物论——因果决定论。热力学——个体与系统；统计和进化。量子力学——粒子性+波动性——几率不确定性。相对论——时空统一——同时的相对性。非线性物理——随机性与确定性的相互包容。（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础经典物理——机械唯物理学对哲学的影响为辨证自然观提供了可靠的基础世界是事物具有普遍联系的整体物质是具有多样性的统一自然界发展演化是永恒变化多层次的现代物理学引发思想方法的突破

时空观和物质观的突破对经典决定论的冲击对测量中主客体相互作用的揭示唯理论与经验论的结合互补原理和互补方法论物理学对哲学的影响为辨证自然观提供了可靠的基础（三）物理学是现代技术革命的先导人类三次技术革命均由物理学引发蒸汽机热机——热学；电磁学电机与电气化半导体电子学+激光——信息化

可以说没有物理学的发展人类就不可能进入信息化社会！量子论和相对论两大理论的建立，成为现代技术的理论基础。物理学为其它高新科技发展提供了技术、设备和方法。（三）物理学是现代技术革命的先导人类三次技术革命均由物理学引三、20世纪物理学的转折和突破经典物理学的“胜利”经典物理学天空中的“两朵乌云”19世纪末物理学“三大发现”现代物理学的“两大支柱”三、20世纪物理学的转折和突破经典物理学的“胜利”经典物理学的“胜利”

（力学、热学、声学、光学、电磁学）

1900年元旦，著名的英国物理学家威廉·汤姆逊、即开尔文勋爵在新年献辞中十分满意地宣布：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但“动力学理论断言热和光都是运动的方式，现在这一理论的优美性和明晰性被“两朵乌云”遮蔽得黯然失色了。”

经典物理学的“胜利”（力学、热学、声学、光学、经典物理学天空中的“乌云”“以太漂移”实验的“零”结果

依据：对沿地球运动方向和相垂直方向的光速加以比较，可以测出地球相对于以太的运动，但实验结果是否定的。黑体辐射中的“紫外灾难”

依据经典理论推导出的黑体辐射公式，在高频部分，即紫外一端趋于无穷大。经典物理学天空中的“乌云”“以太漂移”实验的“零”结果在关于黑体辐射强度的频率分布的研究中，1896年，维恩假设电磁辐射可以看作是服从麦克斯韦分布的气体，从而推出了辐射能密度的频率分布。该公式在短波区和实验符合的很好，但在长波区和实验值有明显的偏离。瑞利和金斯于1900年得出

这一公式在长波区和实验值符合的很好，但在短波紫外区和实验值完全不符，且在波长趋近零时，辐射能密度趋近无穷，这就是所谓的“紫外灾难”。在关于黑体辐射强度的频率分布的研究中，1896年，维恩假设电1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利--金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：式中：k为玻尔兹曼常数，普朗克公式这个公式与实验结果相符合。实验瑞利-琼斯维恩理论值T=1646k瑞利-琼斯普朗克理论值写成波长形式：h称为普朗克常数。1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利--金19世纪末物理学三大发现X射线的发现——导致放射性的发现放射性的发现——原子有能量？电子的发现——原子有结构

三大发现之间有一定的联系!

为什么这样说三大发现也动摇了经典物理学的基础!

人类最伟大的创举是什么？19世纪末物理学三大发现X射线的发现——导致放射性的发现量子论的诞生普朗克提出量子概念：在辐射和吸收的过程中，能量有一个最小单元，称为“能量子”或“量子”，它的整数值为ε=hν。

爱因斯坦光量子假说：光产生和转化瞬间只能假设光是由能量子组成的；对于频率为ν的辐射光子的能量是ε=hν。

玻尔的原子结构理论：原子只能有一系列不连续的特定状态是稳定的，这些稳定状态的能量是一系列分立值，其条件是电于的角动量是1／2hπ的整数倍。量子论的诞生普朗克提出量子概念：在辐射和吸收的过程中，能量有量子力学的建立德布罗意的物质波假说粒子同时具有波动性，它的能量E、动量p与相应波的的频率ν、波长λ之间有如下关系：E=hν；p=h／λ海森伯创立矩阵力学原子理论应该建立在可观的原子发出光的频率和谱线强度等测量的基础之上。薛定谔创立波动力学从经典力学和几何光学间的类比，提出了对应于波动光学的波动力学方程，建立了用波函数描写微观粒子波动性的波动力学：ihδΨ/δt=HΨ

量子力学的建立德布罗意的物质波假说粒子同时具有波动性，狭义相对论假设1、在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表达；

2、对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。狭义相对论假设1、在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，狭义相对论结果1、否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。2、空间和时间是彼此密切联系的统一体，两者都是相对的。在相对于尺和时钟作匀速运动的惯性参照系中的观察者看来，尺变短了,钟变慢了。3、光速是机械运动速度的极限。当物体速度无限地趋近光速时，它的动量、能量、惯性质量均将趋于无穷大。4、具有质量M的物体一定具有能量E＝MC2

狭义相对论结果1、否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的广义相对论假设

1、等效原理：在一个相当小的时空范围内，不可能通过实验来区分引力与惯性力，它们是等效的。

2、广义协变原理：在任何参照系中，自然定律的表述都应该相同。

广义相对论假设1、等效原理：在一个相当小的时空范围内，不广义相对论结果1、空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。时间、空间、物质不仅与运动有关，而且与物质及其分布密切相关。

2、得出了三个验证它正确性的效应：水星近日点的进动、光线在引力场中弯曲和光谱线频率的引力红移。

广义相对论结果1、空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、四、20世纪物理学的研究特点和成就(1)从现象研究深入到本质研究.(2)从研究宏观系统到微观系统\宇观系统\介关系统.

人类最伟大的发明创造是什么？(3)从单一的物理学拓展为多分支学科和交叉学科.四、20世纪物理学的研究特点和成就(1)从现象研究深入到本质五、物理学的研究方法逻辑思维是科学抽象的重要形式——

常使用的有两种思维方法：分析—综合法，归纳—演绎法。在热力学中还常使用反证法。

与基本原理相联系的基本方法——

泡利在分析β射线能谱时，为了坚持能量守恒，预言了中微子的存在。

科学发现中创造性的思维方法——

“认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步……并不比发现本身更少用处，科学研究的方法通常是极富兴趣的部分。”——拉普拉斯五、物理学的研究方法逻辑思维是科学抽象的重要形式——物理学的研究方法物理模型

——理想气体模型、理想热机模型和理想循环过程、质点、刚体、单摆、点电荷、绝对黑体和各种原子模型。理想实验

——重大概念产生的过程中，或者新旧理论交替的重要时刻，理想实验都起着重要作用。物理类比——德布罗意通过力学和光学类比，引进了波粒二象性概念，提出“物质波”；薛定谔通过力学与光学类比，创立了波动力学。物理假说——假说既是科学研究的主要方法，又是科学认识发展的必要环节。还有佯谬法、科学想象、试探猜测以及科学直觉等等。物理学的研究方法物理模型——理想气体模型、理想热机模型和六、20世纪物理学各分支学科的发展理论物理学

(1)TWOPILLARS

宏观---宇观(高速运动现象)---相对论宏观---微观(能量不连续)-----量子理论

(2)建立了量子场论----(高速微观领域\粒子的产生和湮灭)(3)建立了粒子物理学和宇宙论的理论模型六、20世纪物理学各分支学科的发展理论物理学20世纪物理学各分支学科的发展原子和分子物理学

(1)原子物理学物理学基本定律的验证原子结构原子动力学

(2)分子物理学分子结构分子碰撞和反应动力学20世纪物理学各分支学科的发展原子和分子物理学原子核物理学(1)核物理研究的三个层次(2)核物理研究领域的扩充(3)核技术的广泛应用20世纪物理学各分支学科的发展原子核物理学20世纪物理学各分支学科的发展粒子物理学(1)发现了大量粒子(2)发现绝大多数粒子存在内部结构(3)发现和研究了4种基本相互作用(4)建立了粒子物理的三个标准模型(5)发现了一些深层次的基本规律20世纪物理学各分支学科的发展粒子物理学20世纪物理学各分支学科的发展凝聚态物理学凝聚态是粒子数N>1.0×E23的原子\分子\离子集合体的总称.金属电子论磁学半导体物理液晶物理学高分子物理等离子物理20世纪物理学各分支学科的发展凝聚态物理学凝聚态是粒子数N>1.0×E23的原子\分子\离七、物理学对其它学科发展的影响

物理学极大地促进了其他学科的发展（1）物理学与宇宙学（2）物理学与化学（3）物理学与生物学（4）物理学与地球科学（5）物理学与气象学（6）物理学与海洋学七、物理学对其它学科发展的影响物理学极大地促进了其他学物理学与宇宙学

在原子光谱研究的基础上，20年代发现天体的谱线红移，促使宇宙膨胀理论的建立；60年代借助射电望远镜发现宇宙的2.7K辐射背景，导致大爆炸宇宙论的诞生，现代宇宙模型—大爆炸理论是建立在粒子物理理论的基础上，物理与天文、宇宙学结合形成交叉学科天体物理学。物理学与宇宙学

在原子光谱研究的基础上，20年代发现天体的谱物理学与化学

物理学与化学联系密切，热力学、统计物理和量子力学在化学中获得重要应用，如量子力学应用于化学形成化学键概念；分子束、激光束技术和量子学、统计物理结合形成化学反应动力学。在分子、原子和大块凝聚态物质之间的新研究领域—团簇就是物理学与化学结合的结晶；量子力学与化学结合已经形成了一门新的交叉学科—量子化学，物理学与化学结合形成交叉学科—物理化学。物理学与化学

物理学与化学联系密切，热力学、统计物理和量子力物理学与生物学

20世纪，物理学进入了原子、分子层次，促使生物学也进入分子层次，X射线衍射、电子衍射、核磁共振、电子显微镜的应用导致一系列生物学研究成果，例如，可以观测蛋白质的分子结构、观察脱氧核糖核酸（DNA）的复制过程，使生物进入分子生物学的层次；40年代物理学家德布吕克和薛定谔提出遗传密码存储于非周期晶体的观点，现在已发现了遗传的物质基础—DNA的分子晶体结构，揭示了遗传密码的本质，这是20世纪生物学的重大突破；现在已建立起物理学与生物学的交叉学科—生物物理学。物理学与生物学

20世纪，物理学进入了原子、分子层次，促使生物理学与地球科学

20年代在对电磁波传播机制的研究中，发现地球大气层中存在电离层；50年代探测高空宇宙射线时发现地球内辐射带而导致发现太阳风；同时对洋底岩石磁性的研究对板块结构学说的建立起重要作用，这是地球科学的突破性进展；现在已形成一门交叉学科—地球物理学。物理学与地球科学

20年代在对电磁波传播机制的研究中，发现地物理学与气象学

人们对大气中的许多物理现象，如虹、晕、华、雷、闪电等早巳注意，并进行过研究。人们将物理学中的各种基本规律应用到大气中，用以解释大气中发生的各种过程的物理本质，而大气中的各种现象又丰富和促进了物理学的发展，从而形成了交叉学科—大气物理学。物理学与气象学

人们对大气中的许多物理现象，如虹、晕、华、雷物理学与海洋学

将物理规律应用到海洋物理现象和过程的研究，尤其是海洋水体物理过程及其与大气关系的变化规律就形成了海洋物理学。研究内容主要包括：海洋物理特性、海洋水体的运动形式和过程、海洋与大气的相互作用。物理学与海洋学

将物理规律应用到海洋物理现象和过程的研究，尤八、21世纪物理学发展趋势（一）研究层次的深入（1）无限小系统的研究（2）无限大系统的研究（3）介观系统的研究（4）复杂物质与系统的研究八、21世纪物理学发展趋势（一）研究层次的深入

科学研究的两个相反方向：物理参数越小越美！时间—飞秒，阿秒距离—纳米，埃温度—纳开数目—单分子单分子操控光镍操控烟草细胞科学研究的两个相反方向：物理参数越小越美！时间—飞秒，阿秒物理参数越大越壮观！浩瀚的宇宙“嫦娥飞天”没有隐私的地球物理参数越大越壮观！浩瀚的宇宙“嫦娥飞天”没有隐私的地球“大爆炸理论”最近，英国科学家霍金用量子理论、引力理论和广义相对论解释了宇宙膨胀理论。下一步是找出能进行实验的特殊预测结果。

“大爆炸理论”最近，英国科学家霍金用量子理论、引力理论和广科学理论的标准③能预测结果并为实验所证实①能解释已有的现象②理论本身自洽近30年来，观测事实和天体现象的理论分析表明，宇宙中普遍存在有暗物质和暗能量这些暗物质和暗能量是什么，科学家们提出了多种猜测科学理论的标准③能预测结果并为实验所证实①能解释已有的现象②（二）研究内容及方法的发展趋势（1）基础研究仍然扮演重要角色（2）交叉学科的进一步发展（3）理论、实验、计算机模拟相结合的研究方法。（4）极端条件下的研究（二）研究内容及方法的发展趋势（三）几个活跃的领域（1）天体物理、宇宙学及粒子物理学和高能核物理，共同揭秘宇宙的形成与演化（2）凝聚态物理与材料科学技术（3）等离子体物理与核聚变（4）纳米技术

要特别关注3T技术IT、BT、NT（三）几个活跃的领域当前物理学现状与发展趋势

成熟的发展中的趋势相对论超引力量子引力，超弦？量子力学人造系统的量子力学量子场论与粒子物理（标准模型）量子信息与量子计算大统一理论四种力的统一（超弦？）常规核物理极端条件下的核物理基于QCD的核物理常规凝聚态物理极端条件下的凝聚态物理、介观物理、团簇物理基于QED凝聚态物理、介观物理、团簇物理常规原子、分子物理极端条件下的原子分子物理基于基于QED的原子分子物理大爆炸宇宙学标准宇宙学模型的发展量子宇宙学（超弦？）当前物理学现状与发展趋势成熟的发展中的趋势相对论超引力物理学基础与

学科发展前沿专题物理学基础与

学科发展前沿专题课程定位该课程是一门面向物理专业教育硕士研究生的专业必修课程。课程旨在让研究生同学熟悉20世纪物理学的发展历程，展望21世纪物理学发展前景，了解物理学主要分支学科的研究现状、前沿问题和发展趋势。课程定位该课程是一门面向物理专业教育硕士研究生的专业必修课程课程作用通过该课程的学习，使得大家在中学物理教学过程中，在对中学生进行知识传授的同时，适当地加入物理学发展的内容，更好的进行过程与方法，以及情感态度与价值观的教育，努力实现教学的三维目标；而且也可以帮助大家在中学物理教学过程中，适当融入现代物理和高科技的元素，不断激发中学生的好奇心和求知欲，努力培养学生的创新意识和创造能力。课程作用通过该课程的学习，使得大家在中学物理教学过程中，在对课程主要内容专题一、物理学的发展及其展望

专题二、物理学与现代高科技

专题三、天体物理学及宇宙学

专题四、粒子物理学专题五、高能核物理

专题六、半导体物理与技术

专题七、纳米材料及其应用

专题八、超导物理与技术

专题九、原子、分子物理

专题十、激光物理专题十一、光与物质相互作用专题十二、生物物理与技术

课程主要内容专题一、物理学的发展及其展望物理学的发展与展望一、物理学及其发展与分类二、物理学的作用和地位三、20世纪物理学的转折和突破四、20世纪物理学的研究特点和成就五、物理学的研究方法六、20世纪物理学主要分支学科的发展七、物理学对其他学科的影响八、21世纪物理学发展趋势物理学的发展与展望一、物理学及其发展与分类一、物理学及其发展与分类

判天地之美,

析万物之理。

—庄子

但何谓真正科学意义上的物理学？

一、物理学及其发展与分类判天地之美,（一）物理学

物理学研究宇宙间物质存在的基本形式，物质的性质、运动、相互作用、相互转化以及内部结构的基本规律。

物理学是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。

可以说：物理学的研究对象是普遍的物理学所研究的规律是基本的（一）物理学物理学研究宇宙间物质存在的基本物理学研究的对象物理学研究什么物理学研究的对象物（二）物理学的发展随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围也不断扩大和深化。在古代，物理学只是自然哲学的一部分，16世纪以后才从哲学中分离出来。以后又逐步建立了力学、热学、电磁学、光学、相对论、量子力学、粒子物理等分支学科。（二）物理学的发展随着人类社会的发展，物理学研究的内容和范围古代物理学时期---科学的萌芽期

时间：从远古到16世纪中叶。特点：主要是对自然现象的观察和记载。这一时期，自然科学与哲学融合在一起，对自然现象的解释往往是哲理性的。文化中心：古希腊和古代中国。古代物理学时期---科学的萌芽期

时间：从远古到16世纪中叶经典物理学时期：

时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪末，资本主义开始萌芽，社会生产力得到发展，有力地推动了科学的进程。16世纪中叶，哥白尼提出“日心说”。17世纪晚期，牛顿建立了经典力学体系，标志着近代物理学的诞生。之后，经典热力学、电磁学相继建立。到19世纪末，形成了比较完整的经典物理学体系。经典物理学时期：

时间：从16世纪中叶到19世纪末。15世纪现代物理学时期时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19世纪末一系列实验新事实的发现，使经典物理学理论出现了不可克服的危机，从而导致了物理学革命；标志：相对论、量子力学的相继建立，标志着现代物理学的诞生。20世纪50年代以后，物理学已经发展成为一个相当庞大的学科群现代物理学时期时间：从19世纪末到现在是现代物理学时期。19（三）物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理相对论和量子力学天体物理新的时空观…宇宙爆炸理论（三）物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理高能粒子加速器发现新的粒子发现新的核素物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理研究物质的基本结构及运动规律原子—生物分子新的实验手段的结合

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理离子化气体状物质

物质的第四形态认识宇宙、环境变化、能源问题，新应用

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理由很强相互作用的大量粒子组成的系统。最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域

前沿研究此起彼伏，使人目不暇接

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理论1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理从建筑声学、电声学到分子—量子声学、等离子体声学、地声学等等

研究媒质中机械波的产生、传播、接收和效应的物理学分支学科

生命探测仪

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理几何光学、物理光学和量子光学

研究光的行为和性质以及光和物质相互作用的学科

光物理研究在21世纪将会有若干突破性的进展

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理1.一级学科：物理学2.二级学科：

（1）理论物理（2）粒子物理与原子核物理（3）原子与分子物理（4）等离子体物理（5）凝聚态物理（6）声学（7）光学（8）无线电物理无线通讯、雷达与天线技术、广播与电视、空间全球遥感、地球物理能源资源探测、射电天文等等

研究电磁场和波与物质相互作用和信息传输的理论、方法及技术

物理学科的分类1.一级学科：物理学2.二级学科：（1）理二、物理学的作用与地位

物理学是自然科学的带头学科

物理学是现代技术革命的先导

物理学是科学的世界观和方法论的基础

二、物理学的作用与地位物理学是自然科学的带头学科（一）物理学是自然科学的带头学科物理学是一门建立在实验基础上的科学，采用实证的科学研究方法。物理学是一门采用数学表示客观规律的科学，建立了完整的科学理论体系。物理学与其他科学交叉，发挥了巨大推动作用。例如：数学物理学、天体物理学、化学物理学、生物物理学、大气物理学、海洋物理学、地球物理学等（一）物理学是自然科学的带头学科物理学是一门建立在实验基础上物理学是一门理论和实验高度结合的科学物理学是一门理论和实验高度结合的科学定律一：没有实验家，理论家就会迷失方向定律二：没有理论家，实验家就会迟疑不决理论与实验——“李政道定律”定律一：没有实验家，理论家就会迷失方向定律二：没有理论家，实

（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础

物理学描绘了物质世界的一幅完整图象,它揭示出各种运动形式的相互联系与相互转化,充分体现了世界的物质性与物质的统一性.

（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础

物理（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础经典物理——机械唯物论——因果决定论。热力学——个体与系统；统计和进化。量子力学——粒子性+波动性——几率不确定性。相对论——时空统一——同时的相对性。非线性物理——随机性与确定性的相互包容。（二）物理学是科学的世界观

和方法论的基础经典物理——机械唯物理学对哲学的影响为辨证自然观提供了可靠的基础世界是事物具有普遍联系的整体物质是具有多样性的统一自然界发展演化是永恒变化多层次的现代物理学引发思想方法的突破

时空观和物质观的突破对经典决定论的冲击对测量中主客体相互作用的揭示唯理论与经验论的结合互补原理和互补方法论物理学对哲学的影响为辨证自然观提供了可靠的基础（三）物理学是现代技术革命的先导人类三次技术革命均由物理学引发蒸汽机热机——热学；电磁学电机与电气化半导体电子学+激光——信息化

可以说没有物理学的发展人类就不可能进入信息化社会！量子论和相对论两大理论的建立，成为现代技术的理论基础。物理学为其它高新科技发展提供了技术、设备和方法。（三）物理学是现代技术革命的先导人类三次技术革命均由物理学引三、20世纪物理学的转折和突破经典物理学的“胜利”经典物理学天空中的“两朵乌云”19世纪末物理学“三大发现”现代物理学的“两大支柱”三、20世纪物理学的转折和突破经典物理学的“胜利”经典物理学的“胜利”

（力学、热学、声学、光学、电磁学）

1900年元旦，著名的英国物理学家威廉·汤姆逊、即开尔文勋爵在新年献辞中十分满意地宣布：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。但“动力学理论断言热和光都是运动的方式，现在这一理论的优美性和明晰性被“两朵乌云”遮蔽得黯然失色了。”

经典物理学的“胜利”（力学、热学、声学、光学、经典物理学天空中的“乌云”“以太漂移”实验的“零”结果

依据：对沿地球运动方向和相垂直方向的光速加以比较，可以测出地球相对于以太的运动，但实验结果是否定的。黑体辐射中的“紫外灾难”

依据经典理论推导出的黑体辐射公式，在高频部分，即紫外一端趋于无穷大。经典物理学天空中的“乌云”“以太漂移”实验的“零”结果在关于黑体辐射强度的频率分布的研究中，1896年，维恩假设电磁辐射可以看作是服从麦克斯韦分布的气体，从而推出了辐射能密度的频率分布。该公式在短波区和实验符合的很好，但在长波区和实验值有明显的偏离。瑞利和金斯于1900年得出

这一公式在长波区和实验值符合的很好，但在短波紫外区和实验值完全不符，且在波长趋近零时，辐射能密度趋近无穷，这就是所谓的“紫外灾难”。在关于黑体辐射强度的频率分布的研究中，1896年，维恩假设电1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利--金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：式中：k为玻尔兹曼常数，普朗克公式这个公式与实验结果相符合。实验瑞利-琼斯维恩理论值T=1646k瑞利-琼斯普朗克理论值写成波长形式：h称为普朗克常数。1900年德国物理学家普朗克在维恩位移定律和瑞利--金19世纪末物理学三大发现X射线的发现——导致放射性的发现放射性的发现——原子有能量？电子的发现——原子有结构

三大发现之间有一定的联系!

为什么这样说三大发现也动摇了经典物理学的基础!

人类最伟大的创举是什么？19世纪末物理学三大发现X射线的发现——导致放射性的发现量子论的诞生普朗克提出量子概念：在辐射和吸收的过程中，能量有一个最小单元，称为“能量子”或“量子”，它的整数值为ε=hν。

爱因斯坦光量子假说：光产生和转化瞬间只能假设光是由能量子组成的；对于频率为ν的辐射光子的能量是ε=hν。

玻尔的原子结构理论：原子只能有一系列不连续的特定状态是稳定的，这些稳定状态的能量是一系列分立值，其条件是电于的角动量是1／2hπ的整数倍。量子论的诞生普朗克提出量子概念：在辐射和吸收的过程中，能量有量子力学的建立德布罗意的物质波假说粒子同时具有波动性，它的能量E、动量p与相应波的的频率ν、波长λ之间有如下关系：E=hν；p=h／λ海森伯创立矩阵力学原子理论应该建立在可观的原子发出光的频率和谱线强度等测量的基础之上。薛定谔创立波动力学从经典力学和几何光学间的类比，提出了对应于波动光学的波动力学方程，建立了用波函数描写微观粒子波动性的波动力学：ihδΨ/δt=HΨ

量子力学的建立德布罗意的物质波假说粒子同时具有波动性，狭义相对论假设1、在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表达；

2、对于任何一个光源发出来的光，在一切惯性参照系中测量其传播速率，结果都相等。狭义相对论假设1、在一切惯性参照系中，基本物理规律都一样，狭义相对论结果1、否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式。2、空间和时间是彼此密切联系的统一体，两者都是相对的。在相对于尺和时钟作匀速运动的惯性参照系中的观察者看来，尺变短了,钟变慢了。3、光速是机械运动速度的极限。当物体速度无限地趋近光速时，它的动量、能量、惯性质量均将趋于无穷大。4、具有质量M的物体一定具有能量E＝MC2

狭义相对论结果1、否定了以太的概念，肯定了电磁场是一种独立的广义相对论假设

1、等效原理：在一个相当小的时空范围内，不可能通过实验来区分引力与惯性力，它们是等效的。

2、广义协变原理：在任何参照系中，自然定律的表述都应该相同。

广义相对论假设1、等效原理：在一个相当小的时空范围内，不广义相对论结果1、空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空间、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道。时间、空间、物质不仅与运动有关，而且与物质及其分布密切相关。

2、得出了三个验证它正确性的效应：水星近日点的进动、光线在引力场中弯曲和光谱线频率的引力红移。

广义相对论结果1、空间、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、四、20世纪物理学的研究特点和成就(1)从现象研究深入到本质研究.(2)从研究宏观系统到微观系统\宇观系统\介关系统.

人类最伟大的发明创造是什么？(3)从单一的物理学拓展为多分支学科和交叉学科.四、20世纪物理学的研究特点和成就(1)从现象研究深入到本质五、物理学的研究方法逻辑思维是科学抽象的重要形式——

常使用的有两种思维方法：分析—综合法，归纳—演绎法。在热力学中还常使用反证法。

与基本原理相联系的基本方法——

泡利在分析β射线能谱时，为了坚持能量守恒，预言了中微子的存在。

科学发现中创造性的思维方法——

“认识一位巨人的研究方法，对于科学的进步……并不比发现本身更少用处，科学研究的方法通常是极富兴趣的部分。”——拉普拉斯五、物理学的研究方法逻辑思维是科学抽象的重要形式——物理学的研究方法物理模型

——理想气体模型、理想热机模型和理想循环过程、质点、刚体、单摆、点电荷、绝对黑体和各种原子模型。理想实验

——重大概念产生的过程中，或者新旧理论交替的重要时刻，理想实验都起着重要作用。物理类比——德布罗意通过力学和光学类比，引进了波粒二象性概念，提出“物质波”；薛定谔通过力学与光学类比，创立了波动力学。物理假说——假说既是科学研究的主要方法，又是科学认识发展的必要环节。还有佯谬法、科学想象、试探猜测以及科学直觉等等。物理学的研究方法物理模型——理想气体模型、理想热机模型和六、20世纪物理学各分支学科的发展理论物理学

(1)TWOPILLARS

宏观---宇观(高速运动现象)---相对论宏观---微观(能量不连续)-----量子理论

(2)建立了量子场论----(高速微观领域\粒子的产生和湮灭)(3)建立了粒子物理学和宇宙论的理论模型六、20世纪物理学各分支学科的发展理论物理学20世纪物理学各分支学科的发展原子和分子物理学

(1)原子物理学物理学基本定律的验证原子结构原子动力学

(2)分子物理学分子结构分子碰撞和反应动力学20世纪物理学各分支学科的发展原子和分子物理学原子核物理学(1)核物理研究的三个层次(2)核物理研究领域的扩充(3)核技术的广泛应用20世纪物理学各分支学科的发展原子核物理学20世纪物理学各分支学科的发展粒子物理学(1)发现了大量粒子(2)发现绝大多数粒子存在内部结构(3)发现和研究了4种基本相互作用(4)建立了粒子物理的三个标准模型(5)发现了一些深层次的基本规律20世纪物理学各分支学科的发展粒子物理学20世纪物理学各分支学科的发展凝聚态物理学凝聚态是粒子数N>1.0×E23的原子\分子\离子集合体的总称.金属电子论磁学半导体物理液晶物理学高分子物理等离子物理20世纪物理学各分支学科的发展凝聚态物理学凝聚态是粒子数N>1.0×E23的原子\分子\离七、物理学对其它学科发展的影响

物理学极大地促进了其他学科的发展（1）物理学与宇宙学（2）物理学与化学（3）物理学与生物学（4）物理学与地球科学（5）物理学与气象学（6）物理学与海洋学七、物理学对其它学科发展的影响物理学极大地促进了其他学物理学与宇宙学

在原子光谱研究的基础上，20年