大学物理绪论

1、1 大学物理大学物理 主讲教师：马健主讲教师：马健 2 第一篇第一篇 绪绪 论论 解决两个问题：解决两个问题： * * 明确为什么学？学什么？怎样学？明确为什么学？学什么？怎样学？ * * 了解物质世界的整体图象。了解物质世界的整体图象。 目的：目的： 获得学习获得学习“大学物理大学物理”的自觉意识和较高的起点。的自觉意识和较高的起点。 3 一一. . 为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？ 物理学研究物质世界的基本结构、基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。本相互作用和最普遍的运动规律。 我们把不依赖于人的意识而独立存在我们把不依赖于人的意识而独立存在 的

2、的 客观实在称为物质。与其它科学相比，物客观实在称为物质。与其它科学相比，物 理理 学更着重于物质世界普遍而基本的规律的学更着重于物质世界普遍而基本的规律的 追追 求。求。 1：什么是物理学：什么是物理学 4 2：物理学发展历程物理学发展历程 以公元以公元1600年为界，在这以前，叫物理年为界，在这以前，叫物理 学的前科学时期，这一时期，物理学还不学的前科学时期，这一时期，物理学还不 是一门独立的学科。是一门独立的学科。 16001800年，在这一时期，物理形年，在这一时期，物理形 成了一门学科，牛顿完成了牛顿力学。成了一门学科，牛顿完成了牛顿力学。 18001900年，电磁学、热力学、波年，

3、电磁学、热力学、波 动光学、经典统计物理学等的发展完善了经动光学、经典统计物理学等的发展完善了经 典力学。典力学。 上世纪初，上世纪初，20世纪自然科学领域最伟大的两个理世纪自然科学领域最伟大的两个理 论出现了：量子力学和相对论论出现了：量子力学和相对论近代物理近代物理的开始。的开始。 经典物理学经典物理学 5 当今，物理学与其它学科的交叉诞生了生物科学、化当今，物理学与其它学科的交叉诞生了生物科学、化 学物理、地球物理、天体物理等新型学科，人们公认：学物理、地球物理、天体物理等新型学科，人们公认： 当今最有生命力的是不同学科交叉的领域。当今最有生命力的是不同学科交叉的领域。 每一个工程技术人

4、员都应该加强自身的数理知每一个工程技术人员都应该加强自身的数理知 识的培养与积累识的培养与积累,以适应新形式的要求。以适应新形式的要求。 随着科学的发展，从物理学中不断分化出诸如粒子物随着科学的发展，从物理学中不断分化出诸如粒子物 理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光 物理、电子物理、等离子体物理、半导体物理等名目物理、电子物理、等离子体物理、半导体物理等名目 繁多的新分支。繁多的新分支。 现代物理学发展的现代物理学发展的两个趋势两个趋势： （1）自身的细化、分支多；（）自身的细化、分支多；（2）与其他学科的交叉）与其他学科的交叉 6 *

5、第一次工业革命（第一次工业革命（1718世纪）：建立在牛顿力学和世纪）：建立在牛顿力学和 热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一 系列机械的产生和应用。系列机械的产生和应用。 *第二次工业革命（第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展的世纪）：建立在电磁理论发展的 基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现 和应用。和应用。 *第三次工业革命（第三次工业革命（20世纪）：建立在相对论和量子世纪）：建立在相对论和量子 力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的力学发展的基础上，其标志是

6、以信息技术为代表的 一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和 发展。发展。 二：物理学与技术二：物理学与技术 7 物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式 *技术技术 物理物理 技术（典型例子：热学）技术（典型例子：热学） *物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）物理（典型例子：电磁学） 在现代社会中主要以第二种方式进行。在现代社会中主要以第二种方式进行。 例：例：计算机技术是这个崭新的信息时代的关键，其计算机技术是这个崭新的信息时代的关键，其 基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究

7、成果 8 以计算机为代表的电子和信息技术的物理基础以计算机为代表的电子和信息技术的物理基础 1925年年 量子力学建立量子力学建立 1926年年 Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出 1929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释了能带理论提出并得到证实，从理论上解释了 导体、半导体、绝缘体的性质和区别；导体、半导体、绝缘体的性质和区别； Fermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出 1947年年 发明晶体管（获发明晶体管（获1956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖） 1957年年 建立建立Fermi面编目面编目 1962年年 制成集成电路（制成集成电路（IC） 70年代末

8、年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLIC） 、量子信息处理编码量子计算机、量子比特 子纠缠态量子力学叠加原理、量 9 激光技术的物理基础激光技术的物理基础 1860年年 Maxwell 建立光的电磁理论建立光的电磁理论 1900年年 Planck 提出能量子理论提出能量子理论 1917年年 Einstein 提出受激辐射理论提出受激辐射理论 1953年年 制成微波激射器（制成微波激射器（maser） 1960年年 Maiman制成红宝石激光器制成红宝石激光器 6070年代年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置激光器及其应用高速发展，月球上设置 激光反射器激光反射器

9、 1982年年 激光全息术激光全息术 8090年代年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器激光外科手术，通讯，光盘，激光武器. 10 核技术的物理基础核技术的物理基础 1896年年 Becquerel 发现铀的天然放射性发现铀的天然放射性 1905年年 Einstein 创立狭义相对论，得创立狭义相对论，得 1911年年 Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的有核模型 1925年年 量子力学建立量子力学建立 1932年年 建立原子核的建立原子核的 质子质子中子中子 模型模型 1933年年 发现人工放射性发现人工放射性 1945年年 实现核裂变实现核裂变原子弹原子弹 1952年年 实

10、现核聚变实现核聚变氢弹氢弹 1954年年 建立第一座核电站建立第一座核电站 2 mcE 11 物理学物理学 提供科学原理提供科学原理 指导技术路线的选择和技术方案的改进指导技术路线的选择和技术方案的改进 培养技术人员的科学品格和创新能力，培养技术人员的科学品格和创新能力， 使其眼光远，层次高，后劲足使其眼光远，层次高，后劲足 全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课 12 二二.学什么？学什么？ 知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念 “物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律 1.学习物理知识要注意学习物理知识要注意整体性整体性、发展性发

11、展性和和迁移性迁移性。 整体性 注意掌握知识的结构和联系注意掌握知识的结构和联系 形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象 教材结构和主线教材结构和主线 基本基本 粒子粒子 实物的实物的 运动规律运动规律 相互作用相互作用 和场和场 振动和振动和 波动波动 量子现象和量子现象和 量子规律量子规律 多粒子体系多粒子体系 的热运动的热运动 13 发展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和不断从新的角度审视和理解物理概念和 规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展， 相互关系的变化。相互关系的变化。 例如：例如：质量质量m 高中：高中：maF 惯性质量；惯性

12、质量； 2 r GmM F 引力质量引力质量 初中：初中：Vm V m 循环定义？循环定义？ 前沿：前沿： 质量究竟是什么？是如何产生的？质量究竟是什么？是如何产生的？ 什么是物质？什么是物质？“有质量就是物质有质量就是物质”的观点正确的观点正确 吗？场也是物质的一种形式吗？场也是物质的一种形式 大学：大学： 2 mcE 能量载体；能量载体； 惯引 mm （1）概念的发展；（）概念的发展；（2）框架结构的发展；）框架结构的发展； （3）数学手段的发展）数学手段的发展 14 例如：例如：力力F 近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。

13、中心：中心：守恒量守恒量动量、角动量、能量动量、角动量、能量 守恒定律与自然界对称性的联系守恒定律与自然界对称性的联系 amF 对时间积累对时间积累 ptFI 动量定理动量定理动量守恒动量守恒 对空间积累对空间积累 k cosEFSA 动能定理动能定理机械能守恒机械能守恒 力矩力矩 FdM 定轴转动物体的平衡定轴转动物体的平衡 中学：以中学：以“力力”为中心。为中心。 15 注意提高应用物理知识理解、解注意提高应用物理知识理解、解 决实际问题的能力。决实际问题的能力。 2. 学习物理方法学习物理方法 观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、 类比、理

14、想化、假说类比、理想化、假说. 指导性原理指导性原理: * 简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。 * 对应原理对应原理 ：新理论应包容在一定条件下被证实是：新理论应包容在一定条件下被证实是 正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理 论。论。 . 迁移性迁移性 16 例如：例如：理想化方法理想化方法 理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体) 理想实验（伽利略、牛顿理想实验（伽利略、牛顿. ） 理想过程理想过程 (准静态、绝热准静态、绝热) 实质实质: 简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次

15、要因素。简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。 复习复习 质点、质点系、刚体质点、质点系、刚体 质点质点：当物体的线度和形状在所研究的问题中的作：当物体的线度和形状在所研究的问题中的作 用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量，用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量， 占有位置，但无形状大小的占有位置，但无形状大小的“点点”。 17 质点系质点系：质点的集合。：质点的集合。 刚刚 体体：任意两质点间距离保持不变的质点系。：任意两质点间距离保持不变的质点系。 质点质点质点系质点系刚体刚体 集合集合 特例特例 * 思考:质点和几何学上的点有什么不同？质点和几何学上的点有什么不同？ 例如：例

16、如：科学假说方法科学假说方法 牛顿时代牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。：以经验观察，逻辑归纳为主。 现代物理现代物理：问题：问题假说假说(实践实践)科学科学 （证伪）（证伪）新问题新问题新假说新假说. “不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定 观察什么观察什么。” 爱因斯坦爱因斯坦 18 定位：定位：物理教育物理教育科学素质教育科学素质教育 不仅仅是为后续课服务不仅仅是为后续课服务 不仅仅是为专业服务不仅仅是为专业服务 立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展 合格大学生的标准：合格大学生的标准： （

17、1）力所能及地培养自己的自然科学和社会科学素）力所能及地培养自己的自然科学和社会科学素 质，提高自己综合能力，复合性人才更有竞争力。质，提高自己综合能力，复合性人才更有竞争力。 （2）以良好的心态对待你学的每一门课程。）以良好的心态对待你学的每一门课程。 19 “学校的目标应当是培养有独立行动和独立思考的个人，学校的目标应当是培养有独立行动和独立思考的个人， 不过他们要把为社会服务看作是自己的最高目的。不过他们要把为社会服务看作是自己的最高目的。” “学校的目标始终应当是：青年人在离开学校时，是作为学校的目标始终应当是：青年人在离开学校时，是作为 一个和谐的人，而不是作为一个专家。一个和谐的人

18、，而不是作为一个专家。发展独立思考发展独立思考 和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把 专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理专业知识放在首位。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和工作，他必定会找到自己的道论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道 路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人 来讲，他一定会更好地适应进步和变化。来讲，他一定会更好地适应进步和变化。” 爱因斯坦爱因斯坦论教育论教育 20 一一. .物质世界的空间尺度物质

19、世界的空间尺度宇宙的宇宙的42个台阶个台阶 （1）小尺度）小尺度 最小的哺乳动物和鸟类：最小的哺乳动物和鸟类： 10-1m数量级数量级 昆虫：昆虫： 10-210-3m数量级数量级 细菌或典型的真核细胞直径：细菌或典型的真核细胞直径：1010-5 -5m m数量级 数量级 细胞的最小直径：细胞的最小直径： 1010-7 -7m m数量级 数量级 原子的尺度：原子的尺度： 1010-10 -10m m数量级 数量级 原子核的线度：原子核的线度： 1010-14 -1410 10-15 -15m m的数量级 的数量级 夸克：夸克： 无法确定大小无法确定大小 纳米：材料颗粒为10-9米时，一些新特性

20、出现。 21 通过移走原子构成的图形通过移走原子构成的图形 22 （2）大尺度）大尺度 鲸：鲸： 101m数量级数量级 红杉树：红杉树： 102m数量级数量级 珠穆朗玛峰，马里亚纳海沟：珠穆朗玛峰，马里亚纳海沟：104m数量级数量级 月球半径，地球半径：月球半径，地球半径： 10106 6m m数量级数量级 太阳系的直径太阳系的直径: : 1013m数量级数量级 星系团尺度星系团尺度: 10: 1023 23m m数量级 数量级 超星系团超星系团: 10: 1024 24m m数量级 数量级 观测的极限观测的极限哈勃半径哈勃半径: 10: 1026 26m m数量级 数量级 23 宇宙学、粒子

21、物理的奇妙衔接宇宙学、粒子物理的奇妙衔接 24 二二. 物质世界的时间尺度物质世界的时间尺度时标时标 s1018 宇宙年龄：宇宙年龄： 130 200亿年亿年 25 地球年龄地球年龄 s10106 . 4 179 年 星系形成：星系形成： 50亿年亿年 26 大气形成大气形成s10108 168 年 热电离层热电离层 对流层对流层 中间层中间层 平流层平流层 外大气层外大气层 臭氧层臭氧层 27 生命的诞生：约生命的诞生：约40亿年亿年 脊椎动物：脊椎动物： 约约6亿年亿年 人类出现人类出现 年年 614 103s10 28 生生 物物 的的 进进 化化 29 地球公转地球公转 s103 7

22、月球公转月球公转 s106 . 2 6 地球自转地球自转 s10 5 中子寿命中子寿命 s10 3 百米跑百米跑 10s 市电周期市电周期s10 2 介子寿命介子寿命s1010 178 中间玻色子寿命中间玻色子寿命s10 24 s10s10 2418 共计跨越了共计跨越了42个数量级个数量级 30 三：基本粒子三：基本粒子 是目前所认识到的组成物质的基本单元，即是目前所认识到的组成物质的基本单元，即 人类迄今为止尚未发现其内部结构的人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点点”粒子，粒子， 是一个不断向更深层次转移的动态概念。是一个不断向更深层次转移的动态概念。要求了要求了 解解三大家族、四种相互作

23、用（简单介绍）。三大家族、四种相互作用（简单介绍）。 1：描述粒子特性的主要物理量：描述粒子特性的主要物理量 （1）质量）质量 （2）电荷）电荷 （3）自旋）自旋 （4）寿命）寿命 2：粒子间相互作用（四种）：粒子间相互作用（四种） （1）引力相互作用）引力相互作用 （2）电磁相互作用）电磁相互作用 （3）强相互作用）强相互作用 （4）弱相互作用）弱相互作用 31 光子（光子（20世纪世纪20年代）年代） 传递电磁相互作用传递电磁相互作用 中间玻色子中间玻色子(3种种) （20世纪世纪70-80年代）年代） 传递弱作用传递弱作用 胶子胶子 (8种种) （已有实验基础）（已有实验基础） 传递强作

24、用传递强作用 引力子（尚未发现）引力子（尚未发现） 传递引力作用传递引力作用 （1）规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介）规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介, ,共共13种。种。 3：基本粒子分类：基本粒子分类三大家族三大家族 32 规范粒子规范粒子 名称名称 符号符号 静质量静质量 （MeV） 电荷电荷 （e） 自旋自旋 )( 寿寿 命（命（s） 传递的传递的 相互作用相互作用 光子光子 中间中间 玻色子玻色子 胶子胶子 引力子引力子 0 Z W )(g ? ? 0 0 0 0 0 0 1 1 1 2 1 引力引力 0 1 电磁电磁 弱弱 强强 25 25 10)03. 060. 2( 1

25、0)18. 093. 2( 3191161 40080600 玻色子（与场相关）玻色子（与场相关） 33 （2） 轻子：共轻子：共3代代12种种 电子电子 子子 名称名称 符号符号静质量静质量 （MeV） 电荷电荷 （e） 自旋自旋 )( 寿寿 命（命（s） 代代 电子中微子电子中微子 子中微子子中微子 子子 子中微子子中微子 一一 二二 三三 e e 0.51 5 105 106 *1776.9 5 . 0 160 0 0 0 -1 -1 -1 21 21 21 21 21 21 6 10 13 10 费米子（与实物相关）费米子（与实物相关） * *：北京正负电子对撞机测量结果北京正负电子对

26、撞机测量结果 34 3. .夸克夸克: : 3代、代、6味、每味味、每味3色，共色，共36种种 名名 称称符号符号 静质量静质量 （MeV） 电荷电荷 （e） 自旋自旋 )( 代代 一一 二二 三三 上上夸克夸克 粲粲夸克夸克 奇异奇异夸克夸克 顶顶夸克夸克 底底夸克夸克 下下夸克夸克 u d c s t b 300 300 500 1500 180000 5000 32 32 32 31 31 31 21 21 21 21 21 21 费米子费米子 35 基本粒子基本粒子 规范粒子规范粒子13种种 轻子轻子12种种 夸克夸克36种种 玻色子（玻色子（引力子？）引力子？） 费米子费米子 希格斯粒子（？）希格斯粒子（？）