00科技之本-物理学(绪论) [兼容模式].pdf

理学院 物理系 陈强 科学技术之本科学技术之本 物理学物理学 1 物理学院 陈子瑜 Office 220 Main building Xueyuan Rd campus Tel 8233 8289 Email chenzy 理学院 物理系 陈强 联合国大会于2004年6月通过了2005年为 国际物理年 的决议 决议全文如下 联合国大会于2004年6月通过了2005年为 国际物理年 的决议 决议全文如下 联合国大会 联合国大会 承认物理学为了解自然界提供了重要基础承认物理学为了解自然界提供了重要基础 注意到物理学及其应用是当今众多技术进步的基石注意到物理学及其应用是当今众多技术进步的基石 确信物理教育提供了提供了建设人类发展所必需的科学基础科学基础确信物理教育提供了提供了建设人类发展所必需的科学基础科学基础 设施的工具设施的工具设施的工具设施的工具 2 设施的工具设施的工具设施的工具设施的工具 意识到2005年是爱因斯坦关键性科学发现一百周年 这些发现为现代物理学奠定了基础 意识到2005年是爱因斯坦关键性科学发现一百周年 这些发现为现代物理学奠定了基础 1 欢迎联合国教科文组织宣布欢迎联合国教科文组织宣布2005年为国际物理年 年为国际物理年 2 邀请联合国教科文组织 与世界各国 包括发展中国 家的物理学会和团体一道 组织活动庆祝 邀请联合国教科文组织 与世界各国 包括发展中国 家的物理学会和团体一道 组织活动庆祝2005年国际 物理年 年国际 物理年 3 宣告宣告2005年为国际物理年 年为国际物理年 该决议在2004年6月10日的联合国 58th 大会上鼓掌通过该决议在2004年6月10日的联合国 58th 大会上鼓掌通过 理学院 物理系 陈强 一一 物理学与物质世界物理学与物质世界 什么是物理学 什么是物理学 早期 早期 自然哲学自然哲学 Physics 希腊希腊 自然 现在 自然 现在 研究物质结构研究物质结构 相互作用 相互作用及其基本运动规律及其基本运动规律 一 物理学与物质世界 3 是整个自然科学的基础 是整个自然科学的基础 为什么物理学很 基础 为什么物理学很 基础 其它自然学科的基本概念建立在物理概念的基础上其它自然学科的基本概念建立在物理概念的基础上 其它自然学科的定律不得违反物理定律其它自然学科的定律不得违反物理定律 不依赖于其他自然学科自成体系不依赖于其他自然学科自成体系 理学院 物理系 陈强 物质是什么 物质是什么 现代观点 粒子 场现代观点 粒子 场 具有质量具有质量 动量和能量动量和能量 场与粒子是统一体的两种表现形式场与粒子是统一体的两种表现形式 粒子是场的激发态形式粒子是场的激发态形式 粒子间的相互作用来自场之间的相互作用粒子间的相互作用来自场之间的相互作用 一 物理学与物质世界 4 粒子间的相互作用来自场之间的相互作用粒子间的相互作用来自场之间的相互作用 场之间的相互作用是粒子转化的原因 粒子种类 自由状态存在的 场之间的相互作用是粒子转化的原因 粒子种类 自由状态存在的 约约452 种 其中 规范玻色子 种 其中 规范玻色子4 种 轻子种 轻子12 种 强子 种 强子436 种种 理学院 物理系 陈强 粒子 粒子 实实 固态 晶态固态 晶态 非晶态非晶态 液态 液态 液晶液晶 非晶液态 气态 凝聚态 非晶液态 气态 凝聚态 物质的状态物质的状态 一 物理学与物质世界 5 实实物 物 等离子态等离子态 玻色 爱因斯坦凝聚质玻色 爱因斯坦凝聚质 致密态致密态 恒星晚年恒星晚年 白矮星 中子星 黑洞白矮星 中子星 黑洞 理学院 物理系 陈强 基本相互作用基本相互作用是自然界一切现象的终极原因是自然界一切现象的终极原因 相互 作用 相互 作用 相对相对 强强 102 电磁电磁 1 弱弱 10 10 引力引力 10 38 一 物理学与物质世界 6 强度强度 范围范围 m 作用 粒子 作用 粒子 10 短程短程 10 15 胶子胶子 1 长程长程 光子光子 10 10 短程短程 10 17 中间玻色子中间玻色子 10 38 长程长程 待发现待发现 理学院 物理系 陈强 运动形式运动形式 最简单 最基本 最普遍 最简单 最基本 最普遍 机械 电磁 光 热 微观粒子的运动等 是更高级运动 机械 电磁 光 热 微观粒子的运动等 是更高级运动 生命 遗传 思维等生命 遗传 思维等 形式的基础形式的基础 如何描述缤纷复杂的物质世界 如何描述缤纷复杂的物质世界 物理学家物理学家 一 物理学与物质世界 7 物理学家物理学家 物质世界是分层次物质世界是分层次的 的 自然界是一个内部存在普遍规律的统一体自然界是一个内部存在普遍规律的统一体 理想 理想 探索整个物质世界探索整个物质世界统一自洽的基本规律统一自洽的基本规律 理学院 物理系 陈强 空间尺度空间尺度 相差相差1045 1046 1026m 约约150亿光年亿光年 宇宙宇宙 10 20m 夸克 夸克 物质世界的层次物质世界的层次 宇观 宏观 介观 微观宇观 宏观 介观 微观 宇观 微观 宇观 微观 复杂复杂宏观宏观 高速高速 一 物理学与物质世界 8 1026 m 约约150亿光年亿光年 宇宙宇宙 10 20 m 夸克 夸克 时间尺度时间尺度 相差相差1045 1018s 150亿年亿年 宇宙年龄宇宙年龄 10 27s 硬 射线周期硬 射线周期 速率范围速率范围 0 静止静止 3 108 m s 光速光速 粒子数目粒子数目 1 单粒子系统单粒子系统 6 02 1023以上以上 复杂系统复杂系统 理学院 物理系 陈强 不断寻求统一理论的历史不断寻求统一理论的历史 牛顿 力学牛顿 力学 麦克斯韦 电学 磁学与光学麦克斯韦 电学 磁学与光学 温伯格等 弱电统一理论温伯格等 弱电统一理论 弱弱 电电弱电弱电 70年代年代 一 物理学与物质世界 9 弱弱 电电 弱电 弱电 70年代年代 大统一理论大统一理论 GUT 弱弱 电电 强强 超弦理论超弦理论 弱弱 电电 强强 引力引力 Theory of Everything 仙女座大星云仙女座大星云 理学院 物理系 陈强 分层次 但统一 分层次 但统一 天体物 理和粒 天体物 理和粒 子物子物 一 物理学与物质世界 E 15 E 12 E 21 E 24 E 27 原子核 基本粒子 星系团 银河系 哈勃半径 超星系团 原子核 基本粒子 星系团 银河系 哈勃半径 超星系团 10 子物子物理 已成为 密不可 分的姊 妹学科 理 已成为 密不可 分的姊 妹学科 E 09 E 06 E 03 1m E 03 E 06 E 09 E 12 E 15 E 18 最小 的细胞 原子 最小 的细胞 原子 DNA长度 最 近 恒 星的距离 太阳系 太阳 山 人 长度 最 近 恒 星的距离 太阳系 太阳 山 人 理学院 物理系 陈强 物理学的本质 物理学的本质 猜 猜 物质世界之谜 物质世界之谜 实验科学实验科学 理论与实验高度结合的精确科学 理论与实验高度结合的精确科学 特点 特点 一 物理学与物质世界 11 范围广范围广 需要用不同的理论研究 需要用不同的理论研究 方法活方法活 涉及各种科研方法 涉及各种科研方法 难度大难度大 数学化程度最高 抽象思维 数学化程度最高 抽象思维 逻辑推理逻辑推理 跳跃多跳跃多 创新思维 大胆假设 超越日常经验 创新思维 大胆假设 超越日常经验 理学院 物理系 陈强 物理学家的科学态度物理学家的科学态度 1 3 激奋在于激奋在于建立理论建立理论 1 3 激奋在于激奋在于证实理论证实理论 二 物理学与科学思维 二 物理学与科学思维 12 1 3 激奋在于激奋在于证实理论证实理论 1 3 激奋在于激奋在于突破理论突破理论 爱因斯坦是典范 爱因斯坦是典范 最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事 最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事 实验结果与已有理论不符合预示着重大突破实验结果与已有理论不符合预示着重大突破 理学院 物理系 陈强 三三 物理学与科学技术物理学与科学技术 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 重大重大新技术领域新技术领域的创立总是经历的创立总是经历长期的物理酝酿长期的物理酝酿 如微电子技术的发展如微电子技术的发展 三 物理学与科学技术 13 如微电子技术的发展如微电子技术的发展 物理学满足人类从能认识到的最根本的程 度上了解自然界的需要 物理学满足人类从能认识到的最根本的程 度上了解自然界的需要 Review Committee of the American Physics 美国物理学评述委员会 美国物理学评述委员会 理学院 物理系 陈强 卢瑟福 粒子散射实验卢瑟福 粒子散射实验 1909 核能利用 40年代以后 1909 核能利用 40年代以后 爱因斯坦受激辐射理论爱因斯坦受激辐射理论 1917 物理 1917 物理 第第一台激一台激光光器 1960 技器 1960 技术术 三 物理学与科学技术 14 第光第光术术 信息技术的发生和发展的硬件部分信息技术的发生和发展的硬件部分 技术 以物理学成果为基础 物理 技术 以物理学成果为基础 物理 量子力学 费米狄拉克统计 能带理论量子力学 费米狄拉克统计 能带理论 20年代 物理 晶体管 1947 IC 1962 大规模集IC 70 20年代 物理 晶体管 1947 IC 1962 大规模集IC 70 s 技术 微结构物理 物理 s 技术 微结构物理 物理 理学院 物理系 陈强 四 物理学与高素质人才四 物理学与高素质人才 提高科学素质和能力以适应高新技术和市场 经济的发展 提高科学素质和能力以适应高新技术和市场 经济的发展 a 学习物理对于提高科学素质的主要作用 学习物理对于提高科学素质的主要作用 四 物理学与高素质人才 15 培养辨证唯物主义世界观 学习掌握科学方法 培养提高科学思维能力 培养探索与创新精神 理学院 物理系 陈强 b 良好的物理素质 良好的物理素质 修养 修养 能把物理学的思想 观点 规律和方法运用到 工程技术的实际中 能把物理学的思想 观点 规律和方法运用到 工程技术的实际中 解决问题解决问题 在工程技术问题面前 能够从物理本质上提出在工程技术问题面前 能够从物理本质上提出 问题和作出判断问题和作出判断 分析问题分析问题 四 物理学与高素质人才 16 问题和作出判断问题和作出判断 分析问题分析问题 注意物理学的发展 不断探索如何把物理学中 的新成果引入工程技术 注意物理学的发展 不断探索如何把物理学中 的新成果引入工程技术 不断创新不断创新 清华统计 清华统计 89 搞技术 搞技术 70 换工作或转行 换工作或转行 深厚的科学素养是发明创造的基础深厚的科学素养是发明创造的基础 理学院 物理系 陈强 五 怎样学习物理学 五 怎样学习物理学 五 怎样学习物理学 物理学的方法 解题方法学习方法研究方法 1 研究方法 17 提出命题提出命题推测答案推测答案理论预言理论预言 实验检验实验检验 修改理论修改理论 应用应用 物理直觉 想象 力 洞察力 物理直觉 想象 力 洞察力 理学院 物理系 陈强 五 怎样学习物理学 演绎法演绎法 基本定律 推理演算 新理论 基本定律 推理演算 新理论 归纳法归纳法 归纳实验 归纳实验 观测 假设 模型 新理论观测 假设 模型 新理论 还原论思想还原论思想 不同层次有不同规律 不同层次间有联系有层次 最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事 18 还原论思想还原论思想 系统的方法相结合要与综合 不同层次有不同规律 按照研究方式分类 按照研究方式分类 实验物理实验物理 发现新现象 规律 验证理论发现新现象 规律 验证理论 理论物理理论物理 构造理论 解释实验 预言新现象构造理论 解释实验 预言新现象 计算物理计算物理 数值解 数据采集与处理 数学模拟数值解 数据采集与处理 数学模拟 理学院 物理系 陈强 五 怎样学习物理学 2 学习方法学习方法 物理物理概念概念 内容内容 形成 适用范围 成立条件 物理 形成 适用范围 成立条件 物理图象图象 用于类比 直观化 定性分析 物理 用于类比 直观化 定性分析 物理思想思想 形成过程中的思维方式 充分重视形成过程中的思维方式 充分重视 物理物理模型模型 突出主要因素突出主要因素 按需要构建按需要构建 19 物理物理模型模型 突出主要因素突出主要因素 按需要构建按需要构建 实物 如质点 刚体 理想导体等 过程 实物 如质点 刚体 理想导体等 过程 状态 谐振子 气体碰撞 绝热膨胀 假想 电场线 磁场线 概念 粒子自旋 夸克模型 状态 谐振子 气体碰撞 绝热膨胀 假想 电场线 磁场线 概念 粒子自旋 夸克模型 数学方法数学方法 数学化程度最高 但不拘泥于数学数学化程度最高 但不拘泥于数学 定性与半定量方法定性与半定量方法 突出实质 基本思想突出实质 基本思想 理学院 物理系 陈强 五 怎样学习物理学 3 解题方法解题方法 极限 微分与积分的思想 组合 极限 微分与积分的思想 组合 类比类比 对称性对称性 变换变换 量纲分析量纲分析 怎么学 教会 20 教会 学会 重视预习 复习 自学能力 课内学时 重视预习 复习 自学能力 课内学时 课外学时 课外学时 1 2 适应 适应 粗线条粗线条 讲课 高质量完成作业 摈弃 题海战术 讲课 高质量完成作业 摈弃 题海战术 会学 理学院 物理系 陈强 五 怎样学习物理学 4 大学物理学的主要内容大学物理学的主要内容 力学力学 电磁学电磁学 热学与分子动理论热学与分子动理论 21 振动与波动振动与波动 光学光学 狭义相对论基础狭义相对论基础 量子物理基础量子物理基础 理学院 物理系 陈强 发展独立思考和独立创新的一般能 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 发展独立思考和独立创新的一般能 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 自己的道路自己的道路 而且比起那些主要以而且比起那些主要以 五 怎样学习物理学 22 重视素质重视素质 能力 特别是创新意识的培养能力 特别是创新意识的培养 自己的道路自己的道路 而且比起那些主要以而且比起那些主要以 获取细节知识为其训练内容的人来 他一定会更好地适应进步和变化 获取细节知识为其训练内容的人来 他一定会更好地适应进步和变化 理学院 物理系 陈强 细推物理细推物理须须 何用浮名何用浮名绊绊 青山尽解青山尽解招招 得失到头得失到头皆皆 五 怎样学习物理学 23 须须行乐 行乐 绊绊此身 此身 唐 杜甫 唐 杜甫 招招人醉 人醉 皆皆物理 物理 元 刘致 元 刘致 理学院 物理系 陈强 值得思考的一些观点值得思考的一些观点 一流人才主要地不是课堂教出来的 而是要为 他们成才精心营造一个好的环境 一流人才主要地不是课堂教出来的 而是要为 他们成才精心营造一个好的环境 社会环境和社会环境和 学校环境学校环境 五 怎样学习物理学 24 学校环境学校环境 世界一流基础研究人才的基本素质 好奇心 想象力 批判性思维 集中反映在 世界一流基础研究人才的基本素质 好奇心 想象力 批判性思维 集中反映在提问题提问题 因材施教 多学一点 学深一点 早学一 点 还是提供 因材施教 多学一点 学深一点 早学一 点 还是提供更多的自主空间更多的自主空间 理学院 物理系 陈强 国家中长期教育改革和发展规划纲要 国家中长期教育改革和发展规划纲要 核心是解决好核心是解决好培养什么人 怎样培养人培养什么人 怎样