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物理学1

引言张宏浩第1页教师介绍张宏浩博士副教授中山大学物理学院，研究兴趣：理论物理清华大学博士（年）清华大学学士（年）Email:honghaoAT欢迎发邮件反馈教学情况第2页教学内容力学（经典力学，相对论力学）热学（气体动理论，热力学基础）电磁学振动和波动光学量子物理总结，复习第3页教材和参考书目ppt讲义《普通物理学》（第五版），程守洙，江之水《大学物理学》（第二版），张三慧《大学物理学》，卢德馨《Physics》（第五版），Resnick，Halliday，Krane《伯克利物理学教程》（一套五册）《新概念物理教程》力学，热学，赵凯华，罗蔚茵………………第4页课程成绩期末考试成绩期中考试成绩平时作业成绩课堂小测与考勤成绩选做大作业：较复杂或较难附加题，由教师在课程中不定时布置

能够很好完成课程大作业者，能够适当给予附加分目标：勉励学有余力学生扩宽知识面，但不作为基本要求。总成绩共100分第5页关于学习方法和学风要求▲严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。

要勤于思索,悟物穷理，不停建立自己物理图象。▲反对应试观点，重视素质和能力培养，特别是创新意识培养。▲做到严谨、求实，反对浮躁和急功近利。▲高质量地及时完成作业，摈弃“题海战术”。▲重视预习和复习，主动培养自学能力，适应

“粗线条”

讲课方式（讲思绪、讲背景、讲重点难点）。第6页物理学研究对象

物理学是研究物质、能量和它们相互作用学科。

第23届国际纯粹物理与应用物理联合会（IUPAP）大会（99.3.16—21）经过“决议五”中十分精辟地指出：第7页7

物理学是研究物质世界最基本形态科学

物理学研究范围——物质世界层次和数量级物理学(Physics)质子

10-15m空间尺度：物质结构物质相互作用物质运动规律微观粒子Microscopic介观物质mesoscopic宏观物质macroscopic宇观物质cosmological类星体

10

26m时间尺度：基本粒子寿命10-25s宇宙寿命1018s物理学研究对象第8页8第9页第10页能量时间10-44s10-36s10-10s1s1010y105y1019GeV1015GeV102GeV1MeV0.3eV2.610-4eV时空起源轻元素起源（D、Li、He核）星体起源现在电弱相变弱作用电磁宇宙演化不对称起源引力强作用电弱（1032K）（1028K）（1015K）（1010K）（3500K）（3K）第11页11物理学研究方法提出命题应用修改理论试验检验理论预言▲

物理学是一门理论和试验高度结合准确物理直觉和想象力及洞察力也经常产生重大突破和发觉其研究方法可概括为：科学，观察、试验推测答案第12页

▲对称性分析

▲守恒量利用

▲简化模型选取

▲概念和方法类比

从方法论上讲，物理学研究方法可分为：▲演绎法：▲归纳法：

基本定律→推理、演算→新理论归纳试验、观察事实→假设、模型→新理论详细地说，物理学还有许多有特色方法，▲定性和半定量分析▲量纲分析▲能量分析

……比如：第13页13微结构物理，物理学在不停发展

▲经典物理也在发展：波动光学→信息光学牛顿力学决定性→内在随机性

……▲前沿：粒子物理，混沌学，高温超导，光子学，……第14页14物理学和生产

1.物理学三次大突破造成了生产力大飞跃（l）热学、热力学研究（19世纪下半叶）蒸汽机创造和广泛应用

——第一次工业革命（工业机械化）

（2）电磁感应研究，电磁学理论建立（19世纪中叶）发电机、电动机创造，无线电通讯发展第二次工业革命（工业电气化）

第15页15

为近代物理发展奠定了理论基础，使物理学进入高速、微观世界，促进了：

核物理研究和发展

核能释放和利用

原子分子物理研究和发展

激光创造和应用

半导体、固体物理、材料科学研究和发展晶体管、大规模集成电路、微型计算机创造和应用第三次技术革命（信息化）（3）相对论、量子力学建立（19001930）第16页

物理学突破会造成新技术创造和发展，深入就造成了生产大飞跃。

这些事实充分说明了：“科学技术是第一生产力”

邓小平“没有今天基础科学就没有明天科技应用”

李政道第17页

（4）物理学现在正处于第四次重大突破前夜20世纪末，李政道先生指出,物理学晴朗天空中也有两朵乌云:

对称性丢失

夸克禁闭

物理学最基本规律中存在这两大疑难，预示着新有重大意义物理规律诞生。第18页

大型强子对机（LHC）

7+7TeV

（欧洲核研究中心CERN）

激光干涉引力波天文台（LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory，缩写为LIGO）

近期观察到了引力波（美国）

它们运行有可能造成重大发觉，造成物理学新重大突破。1991年4月，钱三强、周光召等十八位物理学家上书我国相关部门，提议组织科学界抓住机遇，做好准备，迎接这新突破。

当前已经建成一些用于物理学基础研究世界级巨大科学工程，如：第19页

2.生产需要是推进物理学发展根本动力

（1）生产需要推进了物理学研究

要提升蒸汽机效率

研究热学、卡诺循环，发展了热力学。

德国要发展炼钢业

研究热辐射规律，造成量子论建立。

利用核能开发聚变能促进了核物理、等离子体物理、辐射物理研究。第20页

（2）生产为物理学发展创造了物质技术条件

在孔夫子时代不可能创造飞机，也不会产生量子力学。在近代，因为认识到科学对生产发展主要作用，从总体来看，物理学研究是超前于技术和生产，但其发展离不开当初生产技术水平。

促进了材料科学、表面物理、人工微结构物理等研究。

大规模集成电路第21页物理学理论和试验

1.试验

（l）试验是理论基础，理论正确是否最终要接收试验检验，如：

光电效应试验

光子概念和理论—密立根试验、康普顿散射试验使光子概念和理论得到确认。

—

疑难→弱作用宇称不守恒理论—吴健雄等人试验证实了这一理论。第22页

如：实物粒子波动性是由光粒子性引伸而来，又要电子衍射试验证实。

历史上提出过很多理论，只要和正确试验结果不一致就不能成立。

如：MM试验“零结果”否定了以太存在。“一个矛盾试验结果就足以推翻一个理论”

爱因斯坦

有理论不是以直接试验为基础，而是从其它理论引伸出来，但原来理论有其试验基础，新理论也要经过试验证实才能成立。第23页按理论和试验分布以下：

获奖类型项目人数试验83114

理论3346

试验+理论46

得奖试验项目和人数大致占总数三分之二。

（2）从诺贝尔物理学奖看试验在近代物剪发展中所起作用1901年共发奖96次（1916,1931,1934,19401942未发奖），得奖项目

120项，得奖人数166人。第24页→格拉肖、

温伯格、萨拉姆1979年得奖

很多理论项目标得奖都是在判定性试验结果得出后很快才授予。如：

这表明：“试验是最有力杠杆，我们能够利用这个杠杆去撬开自然界秘密。在处理某一假说是保留还是摒弃这么一个问题时，这个杠杆应该成为‘最高一级审理法院’”

伦琴电子衍射试验(1927)→德布洛意1929年得奖吴健雄试验(1957年初)→李政道、扬振宁1957年得奖中性流试验(19731978)第25页

2.理论

（1）理论是试验规律总结、提升和发展，能更深入反应事物本质，往往含有普遍性。主要理论建立把物理学推进到新高度。如：

光电效应试验规律(现象)→光量子理论(本质)

里德伯光谱公式→玻尔理论(原子能量量子化)（2）在理论建立或发展一定阶段，它本身内部矛盾和逻辑发展也会造成新理论建立。第26页

狭义相对论（物理规律对一切惯性系含有不变性）

对非惯性系是否含有不变性?

广义相对论建立。

光二象性

是否一切微观粒子都有二象性?

物质波假说

物质波是否可用波动理论来描述?

薛定格方程建立。

电弱统一理论

四种相互作用是否都能统一?

超大统一理论研究。第27页（3）理论对试验研究有主要指导作用

戴维孙—革末试验

知道物质波理论后才自觉地进行

迈克耳孙莫雷试验瑞利、开尔文催促，洛仑兹提出改进意见当代试验:

使用大型精密仪器

设计制造专用装置

花费大量人力物力

第28页必须有明确物理目标和学术意义才能开展起来并坚持下去，这就离不开理论指导。

理论和试验关系可用李政道教授提出“物理学家定律”作为一个很好总结：“没有试验家，理论家就会迷失方向；没有理论家，试验家就会迟疑不决。”第29页物理学相对和绝对

1.物理定理、定律、理论反应了客观世界运动规律，含有稳定性、可重现性

含有绝对真理成份。

2.定理、定律、理论又含有近似性，只在一定范围内才正确，因为：

（1）客观世界本身是不停发展改变，人认识永远没有完结。第30页1)任何试验都不能绝对准确，测量都有误差。

2)不可能搞清楚每一现象和别现象之间全部联络。

所以，不能把任何物理理论看成无条件、永恒东西加以绝对化!

比如：

相对论和量子力学发展表明，经典物理很多规律在高速、微观世界都不适用。（2）人认识水平受到历史条件限制。第31页

通常人们认为：

光子静止质量为零实际测量结果是：

m10-60g电子是稳定不变

31023y质子是稳定不变

11032y中微子静止质量为零

m

10-2eV

经典物理规律并不都有完美试验验证万有引力定律只在<10cm距离有扭称试验证实，距地面10公里以上有些人造地球卫星运行证实，在中间距离过去并没有试验证实，未来有可能发觉有偏差，等候天琴计划发威。第32页

经典物理也有发展比如：过去认为牛顿力学是决定论典范，

历史经验表明，理论和试验之间非常小不一致就能够造成重大突破。

比如：宇称守恒定律检验

p+F19Ne20(1+)O16+He4

不守恒程度3×10--13

弱作用宇称可能不守恒。但混沌研究表明，它含有内在随机性。第33页

所以，不能盲目地相信物理定律或理论普遍适用性，要从理论和试验结果差异当中去探索新天地。

当前试验技术水平：

单个微观粒子能量转移（最大）

10TeV

最高能量分辩率E／E

10-16

能直接测量最短时间

10-16sec

最小空间分辨

3.9×10-19m

很多物理规律、结论就是在这种试验技术水平下（或者比这差得多水平下）得到。第34页比如认为电子无内部结构，能够看成点粒子，

所以，必须重视物理规律近似性，注意它适用范围。不能把现在得到物理定律、结论看成是永恒不变、绝对正确。要注意存在矛盾，勇于突破，进行创新。实际上这只是在3.9×10-19m空间分辨能力下，没有发觉电子含有内部结构。空间分辨能力进一步提升后，很可能会发觉电子有结构。第35页物理学继承和创新

有继承才有创新，有创新才有发展。

1.继承重大理论创建都是在继承和总结前人结果基础上加以发展才完成。

没有继承就不会有发展和创新。

▲比如，牛顿完成了经典力学体系建立，他继承了很多前人工作。第36页

在牛顿以前

伽利略惯性原理

牛顿

推广总结出第一定律

伽利略对自由落体规律研究，提出加速度概念

笛卡尔、惠更斯对碰撞问题研究

第谷天文观察、开普勒行星运动三定律、胡克、惠更斯、哈雷关于重力、引力研究

定义了质量、力，总结出第二定律

总结出第三定律

提出万有引力定律第37页▲

又如，电磁理论创建：

库仑定律

高斯定律

奥斯特（电流磁效应）

安培环路定理

法拉第（电磁感应，力线概念，场概念）

麦克斯韦在总结以上结果基础上，提出“位移电流”和“涡旋电场”概念，建立了麦克斯韦方程组。第38页▲再如，爱因斯坦创建狭义相对论：

伽利略相对性原理

迈克耳孙—莫雷试验

洛仑兹提出尺度收缩假说

彭加勒提出以太可能不存在，

在上述原理、假说、试验基础上，爱因斯坦提出相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。绝对运动在标准上观察不到。第39页正如牛顿所说：“假如说我比笛卡尔看得更远，那是因为我是站在巨人们肩膀上”

所以，要把科学发展看成是集体贡献，应该把著名科学家看作是成百上千无名科学家代表。第40页

谁最有创新精神，谁勇于突破旧观念、旧理论束缚，谁就能率先做出重大贡献，

爱因斯坦创建相对论时是这么，

李、杨提出弱作用宇称不守恒时也是这么。当科学本身矛盾已经成熟甚至刚才显露时，科学研究贵在创新，创新是科学研究灵魂，2.创新对基础研究来说更是这么。第41页

（1）要有创新意识

不墨守成规，不人云亦云。总想探索新路径，提出新观念，尝试新方法，导出新结论。

没有想到创新人决不会有新创造。

创新精神三个要素：第42页

不怕名人权威。在新事实面前

勇于怀疑旧理论，提出新问题。（2）要有创新勇气“进步道路上绊脚石是，也一向是，不允许怀疑传统”

吴健雄第43页

爱因斯坦、英菲尔德《物理学进化》“提出一个问题往往比处理一个问题更主要，

提出问题是对旧理论、旧观念怀疑和探讨,是建立新观念起点。从新角度去看旧问题，却需要有创造性而且标志着科学真正进步”因为处理问题可能仅仅是数学上或试验上一个技能而已。而提出新问题、新可能性，想象力，第44页（3）勇于想象

法拉弟：电磁作用经过场来传递，需要时间。

德布罗意：微观粒子同时又是一个波。

狄拉克：真空充满了负能态电子，其中空穴就是正电子。人们幻想象鸟一样在空中飞行才创造了飞机，人们幻想到月球上旅行才实现了登月。

“想象力比知识更主要，因为知识是有限，而想象力概括着世界上一切，推进着进步，而且是知识进化源泉。严格地说，想象力是科学研究中实在原因”

爱因斯坦第45页不是要知识很全才能创造。

在物理学发展中，做出重大创造性贡献很多是年轻人：牛顿（16421727）

万有引力定律

24岁（1666）麦克斯韦（18311879）

电磁场理