第一讲物理学的基本概念范畴教学ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二层,第三层,第四层,第五层,*,*,*,第一讲 物理学的基本概念范畴,大学物理专题讲座,11/15/2024,1,第一讲 物理学的基本概念范畴 大学物理专题讲座10/5/,第一讲 物理学的基本概念范畴,一、物理学的概念范畴,1、,总范畴,物质存在的基本形态,：,实物与场（粒子与场）,物质的根本属性,：,运动的绝对性、运动描述的相对性、,各种低级的运动形式,物质存在的基本形式,：,时间和空间,光延性,2、,具体学科的范畴,比如，力学,：,力、质量、惯性、碰撞、参照系,二、物理学的研究对象,物质的结构以及各种低级的运动形式,比如，电磁学,：,电场强度、电势差、位移电流、涡旋电场,比如，热学,：,温度、内能、理想气体、熵、,比如，光学,：,干涉、衍射、偏振、双折射,基本概念导出概念,11/15/2024,2,第一讲 物理学的基本概念范畴一、物理学的概念范畴1、总范畴,1、实物与场,三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论,物质的定义,：,客观实在性无论,实物,还是,场,实物的,（到目前）,十种形态,日常条件,固、液、气、非晶态、液晶态,超高温,等离子态：,恒星内部,超高压,超固态：,恒星后期的“白矮星”，原子被压碎,中子态：,恒星后期的“中子星”，原子核被压碎,黑洞,超低温,超导态：,比如，水银的温度将到4.173K，即,269时,超流态：,比如，液态氦的温度将到2.17K，,出现超流动态,描述实物运动规律的理论：,成熟的经典力学、热力学、电动力学；,不完全成熟的量子力学、,不成熟,现代宇宙学,关于实物,11/15/2024,3,1、实物与场三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论物质的定义：,量子力学的不足,主要侧重于实物粒子的波粒二象性，甚至没有把光当作粒子处理；,在粒子的基础上谈其波动性概率波波、粒二象性地位不平等；,实物粒子的波动性概率波不是真正物理波场；,不能描述粒子的产生与消失微观粒子的转化；,传递实物间相互作用的一种形态；,场是物质存在的基本形态；,场可以,量子化 波粒二象性,场与实物并无定性区别：,质能守恒,目前对场,的认识,描述场运动规律的理论：,成熟的电动力学、不完全成熟的量子场论,关于场,11/15/2024,4,量子力学的不足主要侧重于实物粒子的波粒二象性，甚至没有把光,实物与场的统一,：,量子场论关于物质存在形式的基本观点,：,场是物质存在更基本的形态:,场处于基态时,无能量、信号释放；,实物,粒子,是场量子的激发态；,两种场:,实物粒子场,场量子是实物粒子：电子场、中子场,相互作用场,场量子是媒介粒子：引力场、电磁场,真空,是各种量子场的基态零点振动和虚粒子,实物粒子,之间的相互作用表现为,场,之间的相互作用；,实物粒子场 相互作用场,引力,相互作用,电磁,相互作用,弱,相互作用,强,相互作用,量子几何动力学,(引力场、实物粒子场),量子电动力学,(电磁场、电子场),量子色动力学,(胶子场、夸克场),统一场论,（引力场与电磁场的统一）,大统一理论,四种相互作用,超统一理论，超对称理论,实物粒子场与 相互作用场,两种量子场的统一,量子味动力学,(电磁场、电子场),11/15/2024,5,实物与场的统一：量子场论关于物质存在形式的基本观点：实物粒,狄拉克方程,引力,场,电磁,场,弱,相互作用场,强,相互作用场,引力场方程,麦克斯韦方程组,量子色动力学,相对论粒子方程,普罗卡方程,实物与场的统一：,量子场论关于场的特性和实物粒子的特性,一切微观粒子(实物粒子和媒介粒子)都对应其量子场,(实物,粒子场和媒介粒子场),实物粒子场,(电子场,),没有,经典场,概念与其对应量;,相互作用场(电磁场、引力场),有经典场概念与其对,应量，是相互,量子场的极限；,任何量子场都是真实的物理波场，可以用波动方程描述；,用算符进行描述其运动规律,量子场,的基态：“真空态”，彻底否定了脱离物质的绝对时空观；,实物,粒子场,11/15/2024,6,狄拉克方程 引力场,大学物理学概念体系的尝试1“实物与场”的角度,第一篇 宏观力学,第1章 低速范围的宏观力学牛顿力学,第2章 高速范围的宏观力学狭义相对论,第3章 万有引力场与天体力学,第4章 广义相对论与宇宙学基础,第二篇 电磁场,第5章 电荷与电场,第6章 电流与磁场,第7章 电磁感应,第8章 麦克斯韦方程组与电磁辐射,附录 高速运动的电荷与电场的磁场统一性,11/15/2024,7,大学物理学概念体系的尝试1“实物与场”的角度第一篇,两类粒子,两类波,微观粒子,（正、反粒子）,实物粒子,媒介粒子,质子、中子、,轻子（电子、中微子）,夸克,引力子？,光子,中间玻色子,介质波,概率波,机械波：,声波、水波,波粒二象性：,光波、物质波（德布罗意波）,介质波：需要介质（媒质），介质粒子的振动能量的传播，介质粒子没有迁移,是一种经典的机械波；,概率波：无需介质（媒质），波动场粒子可以脱离波源独立的传播能量的传播；波强弱并非是波动场粒子的真实行为，只是波动场粒子的可能出现的时空几率,是一种不完备的量子观点、波粒二象性的描述；,2、粒子与波,11/15/2024,8,两类粒子 两类波 微观粒子实物粒子媒介粒子质子、,介质波（机械波）波动方程,平面简谐波的波函数,对波函数求时间,t,的偏导数，得,对波函数求传播空间,x,的偏导数，得,综合，得,波动方程,物理学的典型方程之一；,麦克斯韦据此推断出光的电磁说,设原点的扰动函数简谐运动,11/15/2024,9,介质波（机械波）波动方程平面简谐波的波函数对波函数求时,概率波（波粒二象性）的薛定谔方程,将该波函数对时间求导，得,将波函数求空间,x,的偏导数，得,自由粒子的波函数平面波,同理可得,自由粒子的能量和动量的关系,三式相加得,11/15/2024,10,概率波（波粒二象性）的薛定谔方程将该波函数对时间求导，得,算符,设力场的势能函数为，则,薛定谔方程,改写（1）（2）式,近代物理学的典型,方程之一；波恩解释概率波,11/15/2024,11,算符设力场的势能函数为，则,目前大学物理（普通物理学）的概念体系,力学；热学；电磁学；,波动与光学概念体系的错误；,量子物理伯克利物理教程张三惠分科的,高中物理新课程标准体系3-4,（一）机械振动与机械波；（二）电磁振荡与电磁波；（三）光干涉、衍射和偏振；（四）相对论,关于两类波(,介质波与概率波,)科学思维,关于两类波(,介质波与概率波,)研究方法,虽然宏观电磁波与机械波所遵从的数学规律是相同的，但是其本质完全不同；,表面上降低了高中甚至大学生的学习难度，实际上可能殆误了这些人才的终身创造力。,11/15/2024,12,目前大学物理（普通物理学）的概念体系力学；热学；电磁学；波,大学物理学概念体系的尝试2“粒子与波”的角度,第三篇 振动与波,第9章,振动,机械,振动与电磁振荡,第10章 波动机械波与电磁波,第11章 光的波动性,第四篇 物质的波粒二象性,第12章 光的二象性,第13章 物质波量子力学基础,第14章 原子物理学,第五篇 大量粒子运动的宏观规律,第15章 热力学,第16章 统计物理学基础,11/15/2024,13,大学物理学概念体系的尝试2“粒子与波”的角度第三篇,单位,秒：,一个“平太阳日”的,1/86400,为1秒；1967年，铯-133,原子基态，在零磁场跃迁周期：1秒,=9192631770,T,。,米：,经过巴黎子午线1/4千万为1米；1米=光在真空中经历,1/299792458,秒所经过的距离,。,（,在真空中的光速为普适 常数,）,物理学的旧时空观,盖天说地心说,：,唯物地解释自然、生产实践、时间的无限性；,绝对静止的存在、被宗教神学利用（托马斯阿奎那,TAguinas,）,代表人物：托勒密,应当指出,旧时空模型,主要观点,承认时间、空间是客观存在的,空间的“上”、“下”观念是相对的；宇宙空间有限有中心，,承认时间的无限性；,意义,没有说明时间与空间、时空与物质、时空与物质运动之关系。,3、时间与空间,11/15/2024,14,单位秒：一个“平太阳日”的1/86400为1秒；196,物理学的经典时空观,哥白尼日心说：,伽利略,的主要贡献,伽利略变换,牛顿,的主要贡献,承认时间、空间的客观实在性,将实验方法、数学方法引入物理学的研究,惯性定律,低速宏观,伽利略相对性原理,经典时空模型,代表人物：哥白尼、,伽利略、牛顿,哥白尼,的主要贡献,“太阳中心说”取代“地球中心说”,数学表达越简单越接近自然；,建立了绝对的时空观,()时间、空间彼此无关，各自独立；()时间一维单向有始无终，,()空间三维的均匀性、各向同性和无限性;,超距、质点,发明了微积分；发现了万有引力定律；建立了动力学三定律；,11/15/2024,15,物理学的经典时空观哥白尼日心说：伽利略的主要贡献伽利略,绝对时空观的功过是非,功,时间的均匀性,能量守恒定律,空间的均匀性,动量守恒定律,空间的各向同性,角动量守恒定律,过,时间与空间,彼此无关,时间与空间,与物质的运动状态无关,同时性的绝对性,超距作用,抛弃了旧的时空观；,惯性系是等价的,绝对静止的空间；,特殊的惯性系,以太,狭义相对论的时空观,（高速、宏观、惯性系等价）,继承绝对时空观：,时间的一维、均匀、无限；,空间的三维、均匀、无限；,发展了“宇宙无中心”的观点,时空对称原理,建立,四维时空坐标,11/15/2024,16,绝对时空观的功过是非功时间的均匀性能量守恒定律过时间与空,抛弃了绝对时时空观,相对时空观,洛仑兹变换,时间与空间,皆与,物质的运动状态,有关,空间,间隔是,相对的,时间,间隔是,相对的,同时性,是,相对的,光速不变原理,爱因斯坦火车理想实验,运动的时间变慢,运动尺子收缩,11/15/2024,17,抛弃了绝对时时空观相对时空观洛仑兹变换时间与空间皆与,由 得,当 时，有,同时性,不,同时,的简单理论证明,同时性,不,同时,的理想实验证明：,爱因斯坦火车理想实验,11/15/2024,18,由,四维,时空间隔不变性,时空相对、,赝欧几何、,惯性系等价,注1：,狭义相对论的两条基本假定,光速不变原理,相对性原理,注2：,狭义相对论的实验基础,迈克尔逊莫雷实验,实验第一步,实验第二步,时间差,附加光程差,两步实验的条纹应当移动,N=,0.37个条纹，但是实验结果,N=,0,11/15/2024,19,四维时空间隔不变性时空相对、注1：狭义相对论的两条,第一束光在以太参照系的时间,t,1,（光程）,光束由分光板,P,射向,M,2,需时间,1,光束由,M,2,返回分光板,P,需时间,2,迈克尔逊莫雷实验的原理及其结果证明,迈克尔逊干涉仪,11/15/2024,20,第一束光在以太参照系的时间t1（光程）光束由分光板P射向M,第二束光在以太参照系的的时间,t,2,（光程）,所以,11/15/2024,21,第二束光在以太参照系的的时间t2（光程）所以 10/5/2,所以得,实验第一步,同理得,实验第二步,时间差,对应附加光程差,两步实验的条纹位置，应当移动,N=,0.37个条纹，,相当于明暗条纹互换位置，但是实验结果,N=,0,此时，会有一个稳定的条纹分布,此时，亦会有一个稳定的条纹分布,11/15/2024,22,所以得实验第一步同理得实验第二步时间差对应附加光程差两步实验,广义相对论的时空观,（非惯性系与引力场等价）,进一步发展了“宇宙无中心”的观点,等效原理,补充了时空观念,依赖于,物质分布的相对性,引力场方程,广义相对性原理：,一切物理规律在任意参考系间等价,。,运动的绝对性,补充了时空结构与物质分布的关系,空间弯曲,物质密度越大的地方,统一时空弯曲的曲率越大,空间越弯曲,时间流逝越慢,引力张量；黎蔓曲率张量；时空度规张量；宇宙半径,关于非,惯性系,等效原理,：,加速场与引力场等效；无法区分,11/15/2024,23,广义相对论的时空观（非惯性系与引力场等价）进一步发展,广义