精品课程：绪论(光)ppt课件

大学物理学 绪论 一 什么是物理学 二 为什么要学物理学 三 怎样学习物理学 物理学是研究自然界中物质的基本结构及其基本运动规律的科学地位 物理学是自然科学的基础 是带头科学 绪论 一 什么是物理学 中国科学院院士冯端教授说 物理学作为严格的 定量的自然科学的带头科学 一直在科学技术发展中发挥极其重要的作用 过去是如此 现在是如此 展望将来还将是如此 1 物理学的研究对象 研究的对象 宇宙 为人们描绘出一副五彩缤纷的图画 宇观 宏观 微观 宇 天地四方 空间宙 继往开来 时间 撞击慧星发出的闪光 力学 热学 电磁学 光学 原子物理学 核物理学 2 物理学的分类及其层次结构 实物粒子 场物质微观客体 电子 质子 光子等 具有波粒二象性 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 天体物理 宇宙学物理 按分支学科分类 按物质形体大小分类 按物质形态分类 按物理常数c h分类 空间尺度 相差1045 1046 1026m 约150亿光年 宇宙 10 20m 夸克 物理世界的层次结构 仙女座大星云 时间尺度 相差1045 1018s 150亿年 宇宙年龄 10 27s 硬 射线周期 速率范围0 静止 3 108m s 光速 接近光速运动的太空船 人们不断向小尺度开拓 以探索物质的组成 物理学上对应粒子物理学目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克 即认为quark没有内部结构但近来有消息称 quark也可一分为二说明认识无止境 人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘物理学上对应天体物理学 黑眼星云 神秘星云 哈雷慧星 1 明确课程定位 强化科学素质教育 工科物理是基础课 但更重要的是科学素质课 二 为什么要学物理学 自然科学的带头科学 自然科学的基础 新学科和高科技产生和发展的动力与源泉培养学生辨证唯物主义世界观和科学的宇宙观的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与数学 化学 计算机 材料等学科相互渗透产生的边缘学科 物理学是研究物质的结构 相互作用及其运动规律的科学 与其他学科相比 物理学更着重于对物质世界最普遍 最基本运动规律的探求 1 体系构建以宇观 宏观 微观世界的基本规律为架构 知识教育与科学素质教育 2 20世纪物理学的发展大踏步的进入课堂 教学内容现代化 非线性物理 非线性动力学 非平衡热力学 非线性光学 相对论量子力学粒子物理宇宙学 2 教学体系与教学内容改革 3 现代高新技术的物理基础进课堂 物理学每次重大突破必然引起新的技术革命 生产力的在发展 量子力学 固体能带理论 半导体 晶体管 集成电路 大规模集成电路 电磁波理论 光量子理论 受激辐射 激光器 激光通讯 狭义相对论 E mc2 重核裂变 反应堆 核电站 观察法实验法理想化方法归纳 演绎法类比法分析与综合法假说法数学方法非常规科学思维方法 如直觉 灵感 顿悟等 3 物理学与科学研究方法 德国物理学家亥姆霍兹曾说过这样一段话 我欣然把自己比做山中的漫游者 他不谙山路 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 或许念头一闪 或是由于幸运 他发现一条通往前面的蹊径 等他最后登上山顶时 他羞愧的发现 如果他当初具有找到正确道路的智慧 本有一条阳关大道可以直通顶巅 观察 实验 假设 理论 观察 对现象的考察和研究 1581年伽利略在教堂作礼拜 司事灌注油灯后 观察灯摆动的等时性 丹麦科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 目前哈勃望远镜也是为了观察宇宙星系的变化 例如 电磁感应定律是法拉第经过实验室中10年反复研究得到的 1974年11月16日丁肇中发现J粒子也是在实验室发现 荣获诺贝尔奖的第三位华裔学者 观察和实验是我们获得第一手材料的主要途径 杨振宁 李正道因提出弱相互作用下宇称不守恒而获得1957年诺贝尔物理学奖 理论物理学家是伟大的 实验物理学家同样伟大 很多理论往往是通过多次假说 依据新的实验事实逐渐修正得到的 如光的理论 量子理论等等 理论 在有充分实验事实的基础上归纳出来的原理 定律 规律等 还要在实验中进一步检验 当发现新事实 还要不断修正 完善理论 实际上经历了一个实践 认识 再实践 再认识 循环往复的过程 没有 那么上升为理论后就完事了吗 磁单极理论 N 目前仍没有找到单一的磁极 超铉理论 能将四种相互作用力统一起来 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 4 物理学与科学技术 物理学既是伴随着人类的生存 生产活动发展起来的 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 如当今世界公认的六大高新技术 信息技术 新材料技术 新能源技术 生物技术 空间技术 海洋技术 均是以物理学为基础的 反过来 高新技术的迅猛发展促进了物理学研究的进一步深入 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 第二次工业革命 电气化的进程 第三次工业革命 信息革命 卢瑟福a粒子散射实验 1909 核能利用 40年后 爱因斯坦受激辐射理论 1917 第一台激光器 1960 量子力学 费米狄拉克统计 固体能带理论 20年代 晶体管诞生 1947 集成电路 1962 大规模集成电路 70年代后期 由原理转变为技术的周期越来越短 从高温超导体的发现到应用 3年 32倍 人类正是在这循环往复的认识过程中 创造出辉煌的业绩来 HeNe激光器 Laser亮度 大功率激光器 可使一切非金属化为一缕青烟 可使一切金属熔化 原子弹爆炸发出巨大的能量 现在人类正在向征服宇宙进发 经典量子 表面电流表面结构 狮子的能量必须满足 才能越过高墙 按经典的观点 量子 同样用势能表示 狮子可能穿过势垒到左方 实际 如 扫描隧道显微镜 STM 的发明说明 深厚的科学素质的重要性 70年代罗伯特 杨制成场发射显微镜 1981年宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜设计出扫描式隧道效应显微镜 得益于深厚的科学素养 1986年诺贝尔物理学奖 图为镶嵌了48个Fe原子的Cu表面扫描隧道显微镜照片 48个Fe原子形成 量子围栏 围栏中的电子形成驻波 三 怎样学习物理学 掌握各阶段的基本理论及实验 学会运用基本规律解决实际问题从而提高分析问题和解决问题的能力 物理学与数学 研究型学习 总之 要学好物理学 关键是勤于思考 悟物穷理 物理学是定量的科学 为了尽可能准确地从数量关系上掌握物理规律 数学就成为物理学不可缺少的工具 1 要学好数学 数学为物理学研究提供精确的形式化语言和表述工具 在物理学研究中 数学成了量化物理变量 定义物理概念 表述物理过程的主要工具 如用位移对时间的微商表示瞬时速度 力对空间的积分表示变力所作的功 既简洁方便 又严格明了 若使用普通语言是无法实现这一目标的 用数学方法研究物理问题本身就需要经历一个抽象思维的过程 有时甚至需要建立数学模型 这就培养了物理学工作者的抽象能力 例1 牛顿用他自己发明的微积分 微积分是牛顿和莱布尼茨 G W Leibniz 各自独立发明的 对力学规律进行表述和推算 使力学成为具有简明数学形式的统一理论体系 例2 1854年 麦克斯韦阅读了法拉第的 电学的实验研究 发现法拉第的 力线 思想和 场 的模型具有非凡的价值 但他也看到了法拉第只是定性地表述这些新思想的弱点 于是他抱着给法拉第的新观念 提供数学基础 的愿望 开始了他的研究工作 他把电磁现象与流体力学现象进行类比 发展引入了位移电流和涡旋电场 通过严密的数学推导 用一组偏微分方程全面 系统 完整地表达电磁运动的基本规律 建立了电磁场理论 从解电磁场方程组预言电磁波的存在 标志着经典电磁学的建立 物理理论与数学方法的紧密结合 使人类对物理学的研究如虎添翼 所以我们在学习物理学原理的同时 应该学会运用数学方法 在学习中学物理时 我们运用的是初等数学 在学习大学物理的今天 我们应该养成自觉运用高等数学的良好习惯 因为高等数学的适用范围更广泛 提示的物理学规律更深刻 这样才能学好大学物理 大学物理与中学物理的区别 更本质 更严格 更系统 更广泛 研究型学习 不仅要学物理学知识 更要学物理学思想和方法 学生从老师那里得到的 应该是一个点石成金的法则 而不是一堆金子 以学生为主体 教师为主导 探索教学方法改革 在教学的过程中逐步渗入科学研究的各个元素 形成教学互动 启发创新思维 因材施教 培养创新意识和能力 1 什么是研究型教学 教学内容的开放性 教学方式的互动性 教学方法的多样性 作业训练的科