大学物理绪论2

1、We have answered the questions,“ What is the world made of? and “ What holds it together? “ The world is made of six quarks and six leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks and leptons. There are four fundamental forces.(有四种基本相互作用：有四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用强相互作

2、用、弱相互作用)绪绪 论论世界由什么构世界由什么构成？它们是如成？它们是如何聚集的？何聚集的？ 20世纪60年代，美国物理学家默里盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克(quark)组成的，很多中国物理学家称其为“层子”。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。 轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子。电子、子和子是带电的，所有的中微子都不带电；子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1

3、.8倍，因此又叫重轻子。分子分子原子原子原子核原子核质子质子光子光子物质存在的基本形式物质存在的基本形式实物实物场场中子中子电子电子夸克夸克（轻子）（轻子）（规范粒子）：光子，（规范粒子）：光子，W,ZW,Z玻玻色子，胶子（引力子？）色子，胶子（引力子？） 这这些粒子对应的规范场，可以些粒子对应的规范场，可以传递各种相互作用。传递各种相互作用。 光子，光子，电磁作用；电磁作用；W,Z W,Z 弱作用；弱作用； 胶胶子，强相互作用；子，强相互作用； 引力子，引力子， 引力作用（引力子是否存在引力作用（引力子是否存在未知）。未知）。一一. .为什么非物理专业的学生也需要学习物理为什么非物理专业的学

4、生也需要学习物理 “ “科学乃是统一的整体，它被分为不同领域，与其说科学乃是统一的整体，它被分为不同领域，与其说是由事物本身性质决定的是由事物本身性质决定的, ,还不如说是由于人类认识能力还不如说是由于人类认识能力的局限性造成的的局限性造成的”。普朗克普朗克(18581947)德意志帝国物理学家，量子物理学的德意志帝国物理学家，量子物理学的开创者和奠基人，开创者和奠基人，1918年年诺贝尔诺贝尔物理物理学奖金的获得者。学奖金的获得者。（1）各门科学是统一的整体 教育的目的是克服狭隘，开阔眼界。教育的目的是克服狭隘，开阔眼界。（2）人类社会及个人自身可持续发展的需要 可持续发展是既要满足现代人的

5、需求，又要不可持续发展是既要满足现代人的需求，又要不损害后代人满足需求的能力。换句话说，就是指经损害后代人满足需求的能力。换句话说，就是指经济、社会、资源和环境保护协调发展。济、社会、资源和环境保护协调发展。 原子、人、汽车、太阳甚至银河等原子、人、汽车、太阳甚至银河等质点 通过学习物理，可以培养学生科学素质和创新精神，通过学习物理，可以培养学生科学素质和创新精神，掌握科学研究的一般方法，为学好专业打下良好的数理基掌握科学研究的一般方法，为学好专业打下良好的数理基础。例如：物理学自身发展过程中处处体现出实用的方法础。例如：物理学自身发展过程中处处体现出实用的方法论，其中最基础的方法就是抽象和模

6、型。论，其中最基础的方法就是抽象和模型。五彩缤纷、美妙神奇的物理世界五彩缤纷、美妙神奇的物理世界美丽的北极光美丽的北极光滴水滴水（3）物理学与其他科学的相互渗透和协调 物理学是最基础的、包罗万象的学科，它对整个科学物理学是最基础的、包罗万象的学科，它对整个科学的发展有过深远的影响。众多其他科学，如数学、化学、的发展有过深远的影响。众多其他科学，如数学、化学、天文学、生物学、医学、机械、建筑学，甚至其他社会天文学、生物学、医学、机械、建筑学，甚至其他社会学科，如哲学、经济学等等，都包含着物理过程和物理学科，如哲学、经济学等等，都包含着物理过程和物理现象，不能和物理规律相矛盾。现象，不能和物理规律

7、相矛盾。 比如：比如： 生物学以显微镜作为基本研究工具生物学以显微镜作为基本研究工具;而能量守恒定而能量守恒定律却是物理学三大守恒定律之一。律却是物理学三大守恒定律之一。二二. .物理学的研究对象物理学的研究对象物理学是研究自然界物质物理学是研究自然界物质最基本、最普遍最基本、最普遍的运动形的运动形式和物质相互作用以及物质结构的科学。式和物质相互作用以及物质结构的科学。 物理学是一门实验科学，实验是理论正确与否的唯物理学是一门实验科学，实验是理论正确与否的唯一仲裁者。一仲裁者。如：电磁波的预言、物质波的预言、宇宙大爆炸模型如：电磁波的预言、物质波的预言、宇宙大爆炸模型英文英文“Physics”

8、源于希腊文源于希腊文“”一词，一词，意思是意思是“自然自然”。自然界的物质自然界的物质实物实物场场 世界是物质的世界是物质的 物质是运动的物质是运动的 运动是永恒的运动是永恒的物质运动形式物质运动形式 机械运动机械运动热运动热运动 电磁运动电磁运动 微观运动微观运动粒子原子核原子最小的细胞DNA的长度太阳太阳系最近的恒星银河系超星系团星系团哈勃半径人山2710m1510m 1m宇宙四十二阶梯“核天相连”空间尺度（米）空间尺度（米）实物实物1027宇宙引力半径宇宙引力半径1023星系团星系团1020地球到银河系中心的距离地球到银河系中心的距离1016地球到最近恒星的距离地球到最近恒星的距离101

9、1地球到太阳的距离地球到太阳的距离109太阳的半径太阳的半径108地球到月亮的距离地球到月亮的距离106地球半径地球半径103地球上高山地球上高山100人的身高人的身高10-5细菌细菌10-8大分子大分子10-10原子原子10-15核子核子 物质世界的空间尺度物质世界的空间尺度 人类已经研究的领域：人类已经研究的领域： 哈勃半径哈勃半径 宇观尺度宇观尺度 核子线度核子线度 1027 m 1024 m 10-15 m 现代科学研究过的空间尺度已经跨越了现代科学研究过的空间尺度已经跨越了42个数量级，有充分证据表明许多物理规律，如个数量级，有充分证据表明许多物理规律，如能量守恒，相对论，量子论等是

10、普遍适用的。能量守恒，相对论，量子论等是普遍适用的。 Albert Einstein The most incomprehensible thing about the world is that it is comprehensible.（世界上最难以理解的事情是它是可以理解的）（世界上最难以理解的事情是它是可以理解的）时间尺度（秒）时间尺度（秒）物质的运动周期、寿命物质的运动周期、寿命10101818宇宙年龄宇宙年龄10101717地球年龄地球年龄10101515恐龙绝灭恐龙绝灭10101414出现古人类出现古人类10101111人类文明史人类文明史10109 9人类的寿命人类的寿命101

11、07 7地球公转周期地球公转周期10106 6月球的周期月球的周期10104 4地球自转周期地球自转周期10100 0钟摆的周期钟摆的周期1010-3-3声波的周期声波的周期1010-6-6m m子的寿命子的寿命1010-8-8p p介子的寿命介子的寿命1010-16-16p p0 0介子的寿命介子的寿命1010-19-19S S0 0超子的寿命超子的寿命1010-25-25Z Z0 0（中间玻色子）的寿命（中间玻色子）的寿命物质世界的时标物质世界的时标 三三. .物理简史物理简史 物理学的历史可以上溯到古希腊的自然哲学。观点：地上的物体由水、火、土、气四种元素组成；物体观点：地上的物体由水、

12、火、土、气四种元素组成；物体的运动分为自然运动和强迫运动；自然界中有等级之分，的运动分为自然运动和强迫运动；自然界中有等级之分，重的东西不如轻的东西高贵，天尊地卑，推动者比被推动重的东西不如轻的东西高贵，天尊地卑，推动者比被推动者高贵，灵魂比肉体高贵。者高贵，灵魂比肉体高贵。亚里士多德亚里士多德 古希腊哲学家，柏拉图的学生、也是亚历古希腊哲学家，柏拉图的学生、也是亚历山大大帝的老师。他在许多领域都留下广泛著山大大帝的老师。他在许多领域都留下广泛著作，包括了物理学、形而上学、诗歌、生物学、作，包括了物理学、形而上学、诗歌、生物学、动物学、逻辑学、政治、政府、以及伦理学。动物学、逻辑学、政治、政府

13、、以及伦理学。苏格拉底、柏拉图、以及亚里士多德三人被广苏格拉底、柏拉图、以及亚里士多德三人被广泛认为是西方哲学的奠基者。泛认为是西方哲学的奠基者。希腊人在学术讨论希腊人在学术讨论 从战国时期到明朝中叶，中国的封建社会优越于西方从战国时期到明朝中叶，中国的封建社会优越于西方的奴隶制；中国综合国力远远超过了西方的奴隶制；中国综合国力远远超过了西方 ，然而，中国，然而，中国在数学、科学、艺术和体育方面都不及西方。有人说：在数学、科学、艺术和体育方面都不及西方。有人说：“ “中国的诸子百家，单单缺少欧几里德这一家。中国的诸子百家，单单缺少欧几里德这一家。”这就为中国后来的落后，埋下了种子。这就为中国后

14、来的落后，埋下了种子。作为科学意义上的物理学发展经历了两个时期：作为科学意义上的物理学发展经历了两个时期：经典经典力学力学热力学及统热力学及统计物理学计物理学电磁学电磁学及光学及光学相对论相对论量子力学量子力学近代物理近代物理经典物理经典物理古代自然哲学古代自然哲学 物理学发展到物理学发展到19世纪末期，可以说是达到相当完美、世纪末期，可以说是达到相当完美、相当成熟的程度相当成熟的程度 完美的经典物理大厦完美的经典物理大厦 19世纪的最后一天，欧洲著名世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家名物理学家W汤姆孙（即开尔文汤姆孙（即开尔文男爵）

15、发表了新年祝词。他在回顾男爵）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。饰工作。美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了第一朵乌云：第一朵乌云：迈克耳孙迈克耳孙- -莫雷实验莫雷实验第二朵乌云：第二朵乌云：热辐射实验热辐射实验 寻找以太的零结果，爱因斯坦创立了现代物理寻找以太的零结果，爱因斯坦创立了现代物理大厦之一：相对论大厦之一：相对论 热辐射的紫外灾难的解决热辐射的紫外灾难的解决 ，普朗克等人建立了，普朗克等人建立了现代物理大厦之二：量子论现代物理大厦之

16、二：量子论伴随着相对论和量子力学的创立，这两朵乌云在20世纪初终被驱散。暗能量暗能量暗物质暗物质普通（观测）物质普通（观测）物质相对论的预言：由相对论的理论推断出我们的世界除了普通物质之外，还存在现在无法观测的物质和能量。 “了解暗物质和暗能量，是21世纪科学史的大挑战。”2008年10月12日，“隆重纪念望远镜发明400周年科学大师演讲会”在北京人民大会堂举行，1957年诺贝尔物理学奖获得者、美国哥伦比亚大学教授李政道在演讲中提出上述观点。他指出：“宇宙总能量约5%是已知物质的能量；约25%是暗物质的能量，约70%是暗能量。但什么是暗物质、暗能量，我们不知道。”21世纪初科学最大的谜是暗物质

17、和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。 暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。 暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。w 暗能量是表现为排斥力，即反引力的物质，学暗能量是表现为排斥力，即反引力的物质，学界普遍认为它是造成宇宙加速膨胀的原因。界普遍认为它是造成宇宙加速膨胀的原因。w 暗能量基本上不成团，不会有成块

18、结构，而是暗能量基本上不成团，不会有成块结构，而是均匀分布于整个宇宙空间。均匀分布于整个宇宙空间。w 暗能量减少了星系的相互碰撞的几率，遏制了暗能量减少了星系的相互碰撞的几率，遏制了星系团的成长。星系团的成长。知识越多，才知道不懂的也越多知识越多，才知道不懂的也越多! 1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米510的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。 God not on

19、ly plays dice but also sometimes throws them where they cannot be seen (上帝不但会掷骰子上帝不但会掷骰子，而且有时会在未被认知的地方掷。，而且有时会在未被认知的地方掷。)God does not play dice with universe(上帝不会和宇宙掷骰子上帝不会和宇宙掷骰子) 著名美籍华人物理学家李政道认为目前物理学也存著名美籍华人物理学家李政道认为目前物理学也存在两朵乌云，一是对称性破缺，二是夸克禁闭。这预示在两朵乌云，一是对称性破缺，二是夸克禁闭。这预示着物理学将有一个大发展。着物理学将有一个大发展。四四.