普通物理学-绪论课件

欢迎大家学习欢迎大家学习大学物理斯蒂芬斯蒂芬.霍金霍金 1942 1942年生于英国。年生于英国。2121岁患重症肌无力，全身致残。岁患重症肌无力，全身致残。以坚强的毅力进行科研。是继爱因斯坦后最伟大的物以坚强的毅力进行科研。是继爱因斯坦后最伟大的物理学家。把量子力学和广义相对论结合起来，提出了理学家。把量子力学和广义相对论结合起来，提出了宇宙宇宙“开放暴胀论开放暴胀论”一一.什么是物理学什么是物理学绪论What,Why and How to 物理学是研究物质基本结构、相互作用物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形态的基本规律的学科和运动形态的基本规律的学科.物理学物理学(Physics)物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动形态物质运动形态1、物理学的、物理学的研究对象研究对象研究的对象研究的对象：宇宙宇宙宇：天地四方宇：天地四方宙：继往开来宙：继往开来空间空间时间时间宇观宇观-宏观宏观-微观微观 空间尺度空间尺度（相差（相差1046 m）1026 m（约（约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇宙）10-20 m（夸克）（夸克）时间尺度时间尺度（相差（相差1045 s）1018 s（150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄）10-27 s（射射线周期）线周期）速率范围速率范围 0（静止）（静止）3 108 m/s（光速）（光速）人们从自己向小尺度追问人们从自己向小尺度追问-粒子物理学粒子物理学物质的结构如何？物质的结构如何？夸克是不是最夸克是不是最 基本的粒子？基本的粒子？近年来有分析称：近年来有分析称：夸克也可一分为二夸克也可一分为二人们从自己向大尺度追问人们从自己向大尺度追问-天体物理学天体物理学哈勃根据多普勒效应发现宇宙在膨胀哈勃根据多普勒效应发现宇宙在膨胀宇宙有没有边？宇宙有没有边？宇宙有没有中心？宇宙有没有中心？宇宙的起源？宇宙的起源？1010-15-151010-12-121010-9-91010-6-61010-3-31 110103 310106 610109 910101212101015151010181810211010242410102727最小最小 的细胞的细胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团孩子孩子蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次(单位单位:m)物理学的层次物理学的层次天体物理天体物理粒子物理粒子物理两大尖端两大尖端紧密联系紧密联系2、物理学的分类、物理学的分类按分支学科分类按分支学科分类力学、热学、电磁学、光学、原子物力学、热学、电磁学、光学、原子物理学、核物理学等理学、核物理学等按物质形态分类按物质形态分类实物粒子、场物质实物粒子、场物质微观客体（电子、质子、光子等）具微观客体（电子、质子、光子等）具有波粒二象性有波粒二象性波粒二象性波粒二象性:寓于一体又不同时出现少女？少女？老妇？老妇？两种图象不会同时两种图象不会同时出现在你的视觉中。出现在你的视觉中。按物质形体大小分类按物质形体大小分类粒子物理、核物理、原子物理、分子粒子物理、核物理、原子物理、分子物理、原子簇物理、凝聚态物理、天物理、原子簇物理、凝聚态物理、天体物理、宇宙学物理体物理、宇宙学物理按物理常数按物理常数c、h分类分类vcvch0经典物理相对论h0量子论相对论性量子论 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 热力学(Thermodynamics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现电磁学(Electromagnetism)研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律律 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(Quantum mechanics)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的五大基本理论物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。二二.为什么要学物理学为什么要学物理学1、加强科学素质培养、加强科学素质培养工科物理是基础课，但更重要的是科学素质课工科物理是基础课，但更重要的是科学素质课物理学是自然科学的带头学科物理学是新学科和高科技产生和发展的动力与源泉是培养学生辩证唯物主义世界观和科学的宇宙观最生动最有效的学科体系研究方法涵盖了现代科学研究方法论中的各种有效的研究方法。物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中。物理学是自然科学的带头学科2021世纪物理学深入渗透到其它学科化学：量子化学、激光化学、分子反应动力学等等 1999年A.H.Zewail 成功地应用超快激光技术（飞秒激光）研究原子的微观运动，获得诺贝尔化学奖。10-15秒生命科学：1962年 DNA分子双螺旋结构Francis Crick&James WatsonDNA的双螺旋构型物理学与医学 核磁共振 正常 肿瘤 正电子发射层析术(PET)Positron EmissioTomography 利用发射正电子的示踪原子 测量脑的活动功能，诊断异常。物理学渗入经济学M.S.Scholes&F.S.Black 利用布朗运动模型和随机微分方程导出 BlackScholes 期权定价公式，获1997年诺贝尔经济学奖。无论什么问题，当物理学家用物理方法去研究它们时，就把它们纳入物理学问题，成为物理学的具体研究对象 2020世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 1818世纪世纪6060年代，年代，热机的发明和使用热机的发明和使用，经典力学和经典力学和热力学发展的结果热力学发展的结果 1919世纪世纪9090年代，年代，电力的应用和无线电通讯的实电力的应用和无线电通讯的实现现,是经典电磁学的发展结果是经典电磁学的发展结果激光器的产生层析成像技术(CT)超导电子技术 粒子散射实验X 射线的发现受激辐射理论低温超导微观理论物理学是新学科和高科技产生和发展的动力与源泉核能的利用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 几乎所有的重大新几乎所有的重大新(高高)技术领域的创立，事先都在物理学中技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。经过长期的酝酿。“没有昨日的基础科学就没有今日的技没有昨日的基础科学就没有今日的技术革命术革命”。李政道李政道量子力学能带理论人工设计材料优秀的工程技术人员应具备的物理素质：优秀的工程技术人员应具备的物理素质：在工程技术问题面前,能够从物理本质上提出问题和做出判断-（分析问题）能够把物理学的思想、观点、规律和方法应用到工程技术的实际当中-（解决问题）注意物理学的发展,不断探索如何把物理学的新成果引入到工程技术当中-（不断创新）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。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。R.P.Feynman(1918-1988)美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者是培养学生辩证唯物主义世界观和科学的宇宙观最生动最有效的学科体系研究方法涵盖了现代科学研究方法论中的各种有效的研究方法。亥姆霍兹亥姆霍兹“我欣然把自己比作山中的漫游者，他我欣然把自己比作山中的漫游者，他不谙山路，缓慢吃力的攀登，不时要止不谙山路，缓慢吃力的攀登，不时要止步回头，因为前面已经是绝境。突然，步回头，因为前面已经是绝境。突然，或许念头一闪，或是由于幸运，他发现或许念头一闪，或是由于幸运，他发现一条通往前面的蹊径。等他最后登上山一条通往前面的蹊径。等他最后登上山顶时，他羞愧的发现，如果当初他顶时，他羞愧的发现，如果当初他具有具有找到正确道路的智慧找到正确道路的智慧，本有一条阳关大，本有一条阳关大道可直通顶巅。道可直通顶巅。”2 2、物理学与科学研究方法、物理学与科学研究方法、物理学与科学研究方法、物理学与科学研究方法观察法观察法实验法实验法理想化方法理想化方法归纳、演绎法归纳、演绎法类比法类比法分析与综合法分析与综合法假说法假说法数学方法数学方法非常规科学思非常规科学思维方法（如直觉、维方法（如直觉、灵感灵感顿悟等）顿悟等）观察、实验、假说、理论观察：对现象的考察和研究观察：对现象的考察和研究伽利略1581年伽利略在教堂做礼拜时，司事灌注油灯后，观察灯摆动的等时性，为后来制造摆钟奠定了理论基础。丹麦物理学家第谷布拉赫观察天上的星星达二十年之久，为开普勒发现行星三大定律奠定了基础。哈勃望远镜观察宇宙星系实验：指把自然界的现象经过实验：指把自然界的现象经过人为简化（或建立模型）在实人为简化（或建立模型）在实验室重现，或用计算机进行模验室重现，或用计算机进行模拟等，然后反复研究的方法。拟等，然后反复研究的方法。如：法拉第电磁感应定律就是法拉第在实验室经过10年的反复研究得到的。法拉第1974年11月16日丁肇中也是在实验室发现J子的。第三位获得诺贝尔奖的华裔学者。丁肇中观察和实验是我们获得第一手材料的主要途径。有有5位美籍华人获诺贝尔物理学奖，他们是杨振位美籍华人获诺贝尔物理学奖，他们是杨振宁、李政道、丁肇中、朱棣文、崔琦宁、李政道、丁肇中、朱棣文、崔琦.杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，1957年获诺贝尔物理学奖.吴健雄吴健雄理论物理学家是伟大的，理论物理学家是伟大的，实验物理学家同样伟大。实验物理学家同样伟大。丁肇中：由于发现J粒子，1976年获诺贝尔物理学奖.朱棣文：由于发展了用激光冷却和捕获原子的方法，1997年获诺贝尔物理学奖.崔琦：由于分数量子霍尔效应的量子现象的研究成果，1998年获诺贝尔物理学奖假说：指在实验事实较少或者有限的情假说：指在实验事实较少或者有限的情假说：指在实验事实较少或者有限的情假说：指在实验事实较少或者有限的情况下提出的一种理论。况下提出的一种理论。况下提出的一种理论。况下提出的一种理论。很多理论往往是经过多次假说，依据新的实验事实很多理论往往是经过多次假说，依据新的实验事实逐渐修正得到的。逐渐修正得到的。光的理论，量子理论光的理论，量子理论理论必须能够准确地反映物质运动的规律。理论必须能够准确地反映物质运动的规律。理论必须能够准确地反映物质运动的规律。理论必须能够准确地反映物质运动的规律。理论：指在充分实验事实的基础上归纳出的原理、理论：指在充分实验事实的基础上归纳出的原理、理论：指在充分实验事实的基础上归纳出的原理、理论：指在充分实验事实的基础上归纳出的原理、定律或规律。定律或规律。定律或规律。定律或规律。问题：形成理论后是否就完事了呢？问题：形成理论后是否就完事了呢？还要在实验中进一步检验，当发现新的不能解释的实验现象时，就要对理论不断修正，进行完善。实践-认识-再实践-再认识。结论：物理学是一门与我们密切相关的实验科学。结论：物理学是一门与我们密切相关的实验科学。结论：物理学是一门与我们密切相关的实验科学。结论：物理学是一门与我们密切相关的实验科学。3 3、物理学与科学技术、物理学与科学技术、物理学与科学技术、物理学与科学技术物理学既是伴随着人类的生产、生活发展起来的，物理学既是伴随着人类的生产、生活发展起来的，同时也是科学技术和社会发展的巨大推动力。同时也是科学技术和社会发展的巨大推动力。物理学的发展与生产力的提高总是相辅相成的。物理学的发展与生产力的提高总是相辅相成的。如今世界公认的六大高新技术（如今世界公认的六大高新技术（信息技术信息技术、新材新材料技术料技术、新能源技术新能源技术、生物技术生物技术、空间技术和海空间技术和海洋技术洋技术）均是以物理学为基础的。反过来，高新）均是以物理学为基础的。反过来，高新技术的迅猛发展也促进了物理学研究的进一步发技术的迅猛发展也促进了物理学研究的进一步发展。展。物理学为其他学科创立技术和原理物理学为其他学科创立技术和原理重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿。重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿。三次工业革命都是由于物理学的重大突破三次工业革命都是由于物理学的重大突破三次工业革命都是由于物理学的重大突破三次工业革命都是由于物理学的重大突破第一次工业革命（动力机械）第一次工业革命（动力机械）第一次工业革命（动力机械）第一次工业革命（动力机械）第二次工业革命（电气化进程）第二次工业革命（电气化进程）第二次工业革命（电气化进程）第二次工业革命（电气化进程）第三次工业革命（信息革命）第三次工业革命（信息革命）第三次工业革命（信息革命）第三次工业革命（信息革命）由原理转变为技术的周期越来越短由原理转变为技术的周期越来越短由原理转变为技术的周期越来越短由原理转变为技术的周期越来越短卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福 粒子散射实验（粒子散射实验（粒子散射实验（粒子散射实验（19091909年）年）年）年）核能利用（核能利用（核能利用（核能利用（4040年年年年后）后）后）后）爱因斯坦受激辐射理论（爱因斯坦受激辐射理论（爱因斯坦受激辐射理论（爱因斯坦受激辐射理论（19171917年）年）年）年）第一台激光器第一台激光器第一台激光器第一台激光器（19601960年）年）年）年）量子力学、费米狄拉克统计、固体能带理论（量子力学、费米狄拉克统计、固体能带理论（量子力学、费米狄拉克统计、固体能带理论（量子力学、费米狄拉克统计、固体能带理论（2020世世世世纪纪纪纪2020年代）年代）年代）年代）晶体管诞生（晶体管诞生（晶体管诞生（晶体管诞生（19471947年），集成电路年），集成电路年），集成电路年），集成电路（19621962年），大规模集成电路（年），大规模集成电路（年），大规模集成电路（年），大规模集成电路（2020世纪世纪世纪世纪7070年代后期）年代后期）年代后期）年代后期）从高温超导体的发现到应用从高温超导体的发现到应用从高温超导体的发现到应用从高温超导体的发现到应用 3 3年年年年 第一支晶体管的诞生J.Bardeen W.Shockley W.H.Brattain1956年获诺贝尔物理奖 在一毫米见方的单晶硅片上制成的集成电路可以穿过针眼。90年代中期Intel公司 奔腾(Pentium)芯片上包含500万个晶体管，刻蚀线宽不到微米。激光手术 激光光盘 激光切割 三、怎样学习物理学三、怎样学习物理学1 1、象科学大师那样去思考、象科学大师那样去思考注重思路、直觉和灵感，要脚踏实地、扎扎注重思路、直觉和灵感，要脚踏实地、扎扎实实，又要异想天开、标新立异实实，又要异想天开、标新立异2 2、注重理解物理学中的哲学思想、注重理解物理学中的哲学思想3 3、追求和欣赏物理学中的美、追求和欣赏物理学中的美物理学的本质是真物理学的本质是真客观规律、真理客观规律、真理物理学的价值是善物理学的价值是善能够造福人类能够造福人类物理学的追求是美物理学的追求是美简洁明快，均衡对称，和谐统一简洁明快，均衡对称，和谐统一 4 4、物理意义和数学表达、物理意义和数学表达大学物理与中学物理的不同之处大学物理与中学物理的不同之处:(1)(1)中学物理学的是物理常识中学物理学的是物理常识,大学物理学的是物理常识大学物理学的是物理常识背后的物理思想和物理方法；背后的物理思想和物理方法；(2)(2)中学物理学的是物理现象中学物理学的是物理现象,大学物理学的是这些物理大学物理学的是这些物理现象隐藏的物理本质；现象隐藏的物理本质；(3)(3)中学物理学的是特殊情况中学物理学的是特殊情况,大学物理将特殊情况大学物理将特殊情况扩展为普遍规律；扩展为普遍规律；(4)(4)中学物理对某些问题可能只是定性了解中学物理对某些问题可能只是定性了解,大学物理则大学物理则要对其进行定量分析；要对其进行定量分析；(5)(5)中学物理使用的数学工具是初等数学中学物理使用的数学工具是初等数学,大学物理的工大学物理的工具是高等数学。具是高等数学。学习的主要内容学习的主要内容经典物理：力学、电磁学、大学学习特点是进度快、内容多，要自学、及时总结，培养自学能力；、注意听课方法，注重科学的方法。重视思维能力等综合能力的锻炼；要培养独立思考的能力；笔记；、认真完成作业等能力训练任务，培养自己分析问题和解决问题能力。4、学会与老师沟通，与同学协作。注意的几个问题注意的几个问题参考书目参考书目 物理学教程物理学教程 第二版（一套二册），马文蔚第二版（一套二册），马文蔚 新概念物理教程新概念物理教程（一套五册）（一套五册），赵凯华，罗蔚茵，赵凯华，罗蔚茵 基础物理学基础物理学上、下册，陆果上、下册，陆果 普通物理学普通物理学，程守洙，江之永主编，程守洙，江之永主编 伯克利物理学教程伯克利物理学教程（一套五册）（一套五册）Physics，R.Resnick,D.Halliday课程安排：课程安排：64学时学时办公地点：办公地点：物理楼物理楼 北楼北楼 107考试：考试：平时成绩平时成绩20%+期末笔试期末笔试80%作业：作业：统一作业，每章一交。统一作业，每章一交。结束语结束语 发展独立思考独立思考和独立创新独立创新的一般能力，应当始终放在首位,而不应当把知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。而且比起那些主要以获取细节知识为训练内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。爱因斯坦爱因斯坦