0-1 绪论大学物理

本学期教学安排·

每周二在电子信息楼楼1116辅导答疑

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迟到两次算为一次旷课，旷课一次扣总成绩5分，作业必须按时完成，缺交一次扣总成绩3分，扣完为止；课堂和习题课表现适当加分。

（平时成绩占30％，期末考试占70%）:作业、出勤、课堂表现、习题课的表现….参考书：

2、习题册、实验报告册教材：1、大学物理学匡乐满主编▲《新概念物理教程》系列赵凯华，罗蔚茵▲《普通物理学》（第五版，共三册）程守洙、江之永▲《大学物理》（新版）（上、下册），吴百诗主编▲《大学物理学》（全一册），卢德馨

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《大学物理学》绪论(一)物理学的起源和发展(二)物理学的研究对象和研究方法(三)物理学与技术(四)大学物理与中学物理的区别(五)努力学好物理学一：物理学的起源和发展牛顿的生平与主要科学活动当时在各学科研究领域已出现很多重要人物和重要的科学成就，如伽利略在力学上的发现，开普勒对天空的立法，笛卡儿在数学上的发明……真是各路英雄风云际会，各个领域百花齐放。

这时也实在需要一个更高的伟人出来，将这些新成果总结一番，归纳出一个解释自然世界的总法则。说也奇怪，就刚好在伽利略逝世的1642年，牛顿(公元1642－1727)来到人间。少年时代的牛顿，天资平常，但很喜欢制作各种机械模型，他有一种把自然现象、语言等进行分类、整理、归纳的强烈嗜好，对自然现象极感兴趣。牛顿末出娘腹，父亲便去世；不到两岁，母亲又改嫁。在舅舅和外祖母的抚养下，他从小体弱多病。

1661年6月，他以“减费生”身份考入剑桥大学三一学院。他比一般同学都大四、五岁，但他从小有个好习惯，就是爱亲自动手做小机械之类的玩艺儿，手极巧。入学后遇着一个叫巴罗的好老师的悉心栽培，这迟熟的牛顿茅塞顿开，学业进步很大，经常提出一些自然和数学方面的问题，使巴罗又惊又喜。谁知好景不长，学习不到三年，便发生了席卷全国的大瘟疫，伦敦在1665年一个夏天便死了二万多人。学校只好放假，牛顿卷着铺盖又回到老家沃尔斯索普村。

1667年，可怕的瘟疫刚消失，牛顿便重返校园，翌年获硕士学位。不知是胆怯还是出于慎重，他对自己在乡间从苹果落地而得出的万有引力定律，再未张扬。

在这时，伦敦物理界的几个优秀人物也在做同类研究。他们是胡克(1635-1703)、波义耳(1627-1691)、哈雷(1656-1742)，还有雷恩等。这里面胡克是当时皇家学会的负责人，又算当时物理界赫赫有名的权威、泰斗。哈雷，则迷恋于研究慧星。

一天，大家又凑到一块，讨论那令人伤脑筋的天体运行问题。雷恩拍拍手中一本价值40先令的厚书说：“谁能把行星轨道证明出来，我愿以这本书为酬谢。”胡克说：“我想，我们居住的这一部分宇宙，太阳一定是有一种引力，将地球和其它星球吸引权绕它旋转。地球也有这种引力。”事物彼和此，都有相似点。可贵在联想，举一可反三。

168412月，在哈雷的鼓动下，牛顿的《论运动》送到皇家学会，二年后公布有万有引力的巨著《自然哲学的数学原理》第一编也送到皇家学会。

《原理》刚刚出版就被抢购一空，以后又接连再版三次这本书的问世可以与欧几里德的《几何》，伽利略的《对话》媲美。许多人争相购买，有人买不到书，竟将这五百页的巨著亲手来抄一遍。人们狂热地希望弄懂牛顿提出的新道理。有一位贵族问牛顿：“要读懂这本书，是不是一定要懂数学？”牛顿答：“除此外，别无它法。”这位贵族立即花钱雇了一位数学教师。《原理》热一时遍及欧洲。

1727年3月20日，牛顿病逝，享年85岁。英国政府为他进行了国葬。他睡进了只有英国历史上最着名的艺术家、学者、政冶家、元帅才配安息的地方。他死后四年，人们为他立了雄伟的墓碑，并列了这样一段铭文：

伊萨克•牛顿爵士安葬在这里。他以近于超人的智力第一个证明了行星的运动与形状，彗星的轨道，海洋的潮汐。他孜孜不倦地研究光线的各种不同的屈折角，颜色所生成的种种性质。对于自然、考古和圣经，他是一个勤勉、敏锐和忠实的诠释者。在他的哲学中确认上帝的尊严，并在他的举止中表现了福音的纯朴。让人类欢呼曾经存在过这样伟大的一位人类之光。1：近代物理的飞速发展（1）热学（3）力学（2）电磁学

‘以态实验’2：与经典理论相矛盾的两个重要实验黑体辐射黑体：能吸收射到其上的全部辐射的物体，这种物体就称为绝对黑体，简称黑体。辐射和吸收的能量恰相等时称为热平衡，此时温度恒定不变热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度

T

有关而与黑体的形状和材料无关。实验瑞利-琼斯维恩T=1646k光波、电磁波在一个绝对静止的‘以太’中传播，‘以态’充满了整个宇宙空间，又绝对静止爱因斯坦(1879-1955)1905年在论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中提出光量子假说（1）光子概念（2）光电效应理论（3）光子的动量获1921年的诺贝尔物理学奖1.普朗克（1900年）对黑体辐射的解释黑体可看作一组连续振动的带电谐振子，这些谐振子的能量应取分立值，这些分立值都是最小能量

的整数倍，这些分立的能量称为谐振子的能级。

黑体吸收或发射电磁辐射能量的方式是不连续的，只能量子地进行，每个“能量子”的能量为普朗克(Planck)黑体辐射定律Planck-德国物理学家（1858-1947）1900年12月14日，在德国物理学会的一次会议上，普朗克宣读了他的论文《正常光谱的能量分布理论》

马克斯.普朗克（1858-1947）

德国理论物理学家。1874年进入慕尼黑大学。最初他主攻数学，随后又爱上了物理学。普朗克的一生在科学上提出了许多创见，但贡献最大的还是1900年提出的量子假设和普朗克公式.量子假说的提出对量子论的发展起了重大的作用。因此，普朗克于1918年获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦在1948年悼念普朗克的会上所致的悼词中说道“一个以伟大的创造性观念造福于世界的人，不需要后人来赞扬。他的成就本身就以给了他一个更高的报答。1925年W.Heisenberg

建立了量子力学的“矩阵形式”1926年E.Schrödinger

建立了量子力学的“波动形式” 并证明了与“矩阵形式”等价。1927年

Dirac

发展了电磁场的量子理论1928年Dirac

建立了相对论量子力学（Dirac方程）量子力学的建立相对论的建立《广义相对论基础》于1916年发表，提出了大质量物体的存在可引起时空连续场的弯曲，为黑洞、大爆炸等新的宇宙论提供了理论依据。(二)物理学的研究对象和研究方法

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会（IUPAP）大会（99.3.16—21）通过的“决议五”中十分精辟地指出：

▲

空间尺度（相差1045—1046）

1026m（约150亿光年）（能探测到的最远距离）—10－20m（夸克）

▲

时间尺度（相差1065）

1039s（质子寿命）—10-25s（最不稳定的粒子寿命）

▲

速率范围

0（静止）—

3╳108m/s

（光速）1.物理学的研究对象（十分广泛）

不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：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蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次宏观介观微观宇观天体物理粒子物理两大尖端紧密连接观测世界的手段●

牛顿力学(Mechanics)

研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律●

电磁学(Electromagnetism)

研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律●

热力学(Thermodynamics)

研究物质热运动的统计规律及其宏观表现●

相对论(Relativity)

研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律●量子力学(Quantummechanics)

研究微观物质运动现象以及基本运动规律▲物理学的五大基本理论

物理学是一切自然科学的基础

物理学派生出来的分支及交叉学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学、天体物理等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。

物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒子物理学原子核物理学原子分子物理学固体物理学凝聚态物理学激光物理学等离子体物理学地球物理学生物物理学天体物理学宇宙射线物理学▲物理学是构成自然科学的理论基础08四月2024中南林业科技大学理学院2.

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的精确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：科学，观测、实验推测答案

▲对称性分析

▲守恒量的利用

▲简化模型的选取

▲概念和方法的类比

从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：▲演绎法：▲归纳法：

基本定律→推理、演算→新理论归纳实验、观测事实→假设、模型→新理论具体地说，物理学还有许多有特色的方法，▲定性和半定量分析▲量纲分析▲能量分析

……比如：微结构物理，3.物理学在不断发展

▲经典物理也在发展：波动光学→信息光学牛顿力学的决定性→内在随机性

……▲前沿：粒子物理，混沌学，高温超导，光子学，……08四月2024中南林业科技大学理学院(三)物理学与技术

第三次世界物理学会大会（2000.12.15-16Berlin,Germany）决议指出：

物理学是我们认识世界的基础，

是其他科学和绝大部分技术发展的直接的或不可缺少的基础，物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力。▲历史上物理与技术的关系大致有两种模式：技术－物理－技术(以第一次工业革命为标志)▲20世纪两种模式并存、交叉，物理－技术－物理(以电气化进程为标志)但几乎所有重大新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。08四月2024中南林业科技大学理学院★被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：例如：爱因斯坦受激辐射理论（1917）★（物理）第一台激光器诞生（1960）（技术）现代光学（物理）量子力学费米—狄拉克统计固体能带理论（20年代）（物理）晶体管诞生(1947)集成电路(1962)大规模集成电路（70年代后期）（技术）微结构物理（物理）08四月2024中南林业科技大学理学院电子计算机的诞生●

1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管，标志着信息时代的开始●

1962年发明了集成电路●

70年代后期出现了大规模集成电路●

192526年建立了量子力学●

1926年建立了费米狄拉克统计●

1927年建立了布洛赫波的理论●

1928年索末菲提出能带的猜想●

1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念同年贝特提出了费米面的概念●

1957年皮帕得测量了第一个费米面08四月2024中南林业科技大学理学院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技术与工程●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种模式并存，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08四月2024中南林业科技大学理学院▲物理等基础