大学物理绪论

物理学是工程技术的基础 大学物理绪论 这就是物理学实验室中窥探上帝的杰作 对称而又简洁 有趣而又深刻在这里你会赞叹伽利略的文采你会折服牛顿的深刻你会惊讶法拉第的想象你会钦佩麦克斯韦的数学世界正要变得混沌上帝说让爱因斯坦出场吧于是乌云散去但世界更加不可琢磨 3 希望您们和我一道一点一点地掀开物质世界神奇的面纱享受物理的乐趣 课程介绍 物理学 研究物质世界的基本结构 基本相互作用和最普遍的运动规律 是一切自然科学和工程技术的基础 物理书都充满了复杂的数学公式 可是思想及理念 而非公式 才是每一物理理论的开端 爱因斯坦 物理学的进化 物理学是研究物质世界最基本形态的科学 物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级 物理学 Physics 空间尺度 跨克10 20m 类星体1026m 时间尺度 基本粒子寿命10 25s 宇宙寿命1018s 一 What 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 物理学的基本框架 分支学科 激光物理 半导体物理 原子物理 核物理 交叉学科 生物物理 量子化学 地球物理 海洋物理 物理学的基本框架 来自 物理学 基本概念及其与方方面面的联系 物理学具有重要的历史地位 从最初的自然哲学到近现代物理 物理学的发展史是一部促进科技发展 人类进步的历史 现在 将来她都将继续发挥更大的作用 1 17 18世纪 经典力学和热力学的建立 统一了天上和地下的运动 建立了能量守恒定律 推动了其它学科的发展 适应了研制蒸汽机和机械工业发展的需要 引起了第一次工业革命 实际上现代空间技术的发展 其基础仍然是牛顿力学 二 Why 2 18 19世纪 麦克斯韦等人建立了电磁学理论 推动了电机 电讯设备的制造 引起了工业电气化 使人类进入了应用电能的时代 引起了第二次工业革命 现代的新闻传播 网络通讯等都是以电磁理论为基础 3 历史的车轮驶入了20世纪 以爱因斯坦 玻尔为代表的科学家在驱散 两朵乌云 的基础上 创立了相对论和量子力学 使物理学出现了粒子物理 核物理 激光物理等分支和天体物理 生物物理等众多交叉学科 促成了核能的利用和半导体 激光的发明以及纳米科技等的发展 以核能的利用和以半导体为硬件的计算机引发的信息革命为标志 称为第三次工业革命 当然 不可否认科技的发展也在促进物理的进步 物理学的辉煌历史告诉我们 这门学科无论在过去 现在和将来都是推动历史进步的不竭动力 13 被誉为第三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 第一台通用电子计算机 ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool Univ ofPennsylvania18 000个电子管组成 大小 长24m 宽6m 高2 5m速度 5000次 sec 重量 30吨 功率 140KW 平均无故障运行时间 7min 1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W SchokleyJ BardeenW Brattain 获得1956年Nobel物理奖 1958年第一块集成电路 TI公司的Kilby 12个器件 Ge晶片 获得2000年Nobel物理奖 杰克 基尔比 因发明集成电路在2000年获得了诺贝尔物理学奖 德州仪器董事长TomEngibous说 按照我的观点 只有很少的人 他们的工作真正改变了世界和我们在这个世界上生活的方式 他们是亨利 福特 托马斯 爱迪生 怀特兄弟和杰克 基尔比 如果说曾经有一种创新的发明不仅改变了我们的行业 而且还改变了我们的世界 那就是基尔比发明的第一个集成电路 在集成电路出现之前 电子设备大多采用体积庞大且容易损坏的电路 主要是真空管 但1958年基尔比在德州仪器半导体实验室发明的集成电路改变了整个电子世界 并使微处理器的出现成为可能 目前 无论是苹果的iPod还是互联网 都采用了更为复杂 可靠和高效的集成电路 CMOS SOI工艺已在多家单位推广应用 CMOS SOI工艺模块及门阵列电路 每片16亿只晶体管 MEMS加工工艺 刻蚀得到的部分图形 1 量子计算机 基于量子力学的高科技产业的产值在发达国家的GDP中已超过30 传统电脑到2012年逼近极限 量子计算机以原子的向上 向下自旋表示 0 1 可同时向上向下自旋 做各种非线型运算 即无穷并行运算 比现有计算机快10亿倍 只要40个原子一起运算 就相当于一部超级电脑的性能 其运算是可逆的 避免在计算机芯片中产生热 2 纳米科技1纳米 10 9米 约10个氢原子排列长度 起源于1959年一美国科学家德雷克斯的演讲 纳米科技指在1 几百纳米内精确操纵原子和分子来制造产品的技术 不同于以前由大到小 如切割等工艺 纳米材料是指用纳米技术制造的材料 它可使原子完美占位 最大限度地消除缺陷和杂质 使其物性达到或接近理论值 如 用碳原子制造完美的金刚石材料 其强度比钢高几十倍 重量仅为几十分之一 钻石也低下了昂贵的头 24 光纤通信 光纤之父 高锟 25 光频率介质纤维表面波导 1966年 高锟 光纤通信 全反射 26 外径一般为125um 一根头发平均100um 内径 单模9um多模50 62 5um 光纤的尺寸 27 我国利用原子操纵技术成功地写入了直径为0 6nm的信息点阵 比国外小一个数量级 点阵信息存储密度达1014bit cm2 28 原子操纵写出的 100 和 中国 技术的进一步突破依赖于以物理学为基础的科学的进一步突破 29 ZnOnanowiresoncarbonfibers 10 有学者指出20世纪最耀眼的12组科技成果是 20世纪初科学革命两大成就相对论和量子力学 20世纪中后期5大科学成就物质的基本结构 宇宙大爆炸理论 DNA分子双螺旋模型 大地板块构造学说 信息论控制论系统论 20世纪的5大尖端技术成果核能与核技术 航天和空间技术 信息技术 激光技术 生物技术 显而易见 这些科学成就和尖端技术有的本身就是物理学的发展 有的则植根于物理学 31 电气工程 电力 电子 自动控制 32 打好学习其它学科的基础 提高科学素质和能力 以适应高新技术和市场经济的发展 转产 转行 学习物理对提高科学素质有重要作用 1 培养辩证唯物主义的世界观 2 学会掌握科学的方法 3 培养科学思维能力 发展智力 4 培养探索与创新精神 现代工程技术人员必须具备良好的科学素质 33 工程技术人员良好的物理素质表现为 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 要重视提高科学素质 不要把物理课当专业课来对待 分析问题 不断创新 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中 能够把物理学的思想 观点 规律和方法运用到工程技术的实际中 勤于思考 悟物穷理 勤为径 悟作舟 重视预习和复习 主动培养自学能力 上课认真听课 认真做笔记 适应 粗线条 的讲课方式 讲思路 讲背景 讲重点难点 课后认真复习 多思考 决不放过任何的疑点 学会推导公式 定理 高质量地及时完成作业 摈弃 题海战术 认真对待实验 实验是物理的根本 多看物理方面的课外读物 吸收全方面的知识 三 How 尽快适应两大转变中小学练习式学习方式 自主探索式学习方式应试学习环境 自主学习环境 科学是一种方法 它教导我们 一些事物是怎样被了解的 什么事情是已知的 现在了解到了什么程度 如何对待疑问和不确定性 证据服从什么法则 如何思考事物 做出判断 如何区别真伪和表面现象 R P费曼决不要把学习看成是任务 而应看成是一个令人羡慕的机会 为了你们自己的欢乐和今后你们工作所属社会的利益 去学习