第一讲绪论2015春_zky

1、1哈工大物理系哈工大物理系 周可雅周可雅课件发布邮箱：课件发布邮箱：hitphysics_ PW：hit20152大学物理学 绪绪 论论一一 、物理学、物理学What is physics? Physics is what physicists do ! 1999年年3月月16日日-21日举行的日举行的 第第23届国际纯粹物理与应用届国际纯粹物理与应用物理联合会（物理联合会（IUPAP）大会通过的）大会通过的“决议决议”中精辟地指出：中精辟地指出： 物理学物理学是研究是研究物质、能量物质、能量和它们的和它们的相互相互作用作用的学科。的学科。 一般而言，物理学是研究物质世界的构成、演化及其规一般

2、而言，物理学是研究物质世界的构成、演化及其规律的学科。律的学科。34杨振宁杨振宁李政道李政道丁肇中丁肇中朱棣文朱棣文崔琦崔琦 52005世界物理年世界物理年 爱因斯坦奇迹年爱因斯坦奇迹年 “物理照耀世界物理照耀世界”爱因斯坦爱因斯坦(18791955)1905年的奇迹年的奇迹 6篇论文篇论文，在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献。，在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献。 （1）光量子论）光量子论，提出光量子假说。，提出光量子假说。 （2）分子动理论）分子动理论，三篇有关布朗运动的论文，为解决原子是否存，三篇有关布朗运动的论文，为解决原子是否存 在的问题做出了突出贡献。在的问题做出了突出贡献

3、。 （3）创立狭义相对论）创立狭义相对论，论动体的电动力学论动体的电动力学 完整地提出狭义完整地提出狭义 相对性理论。相对性理论。（4）质能相当性）质能相当性，物体的惯性同它所含的能量有关吗？物体的惯性同它所含的能量有关吗？解释解释 了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。6 几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能几乎可以肯定，世界上没有第二张照片，能像这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、水像这张一样，在一幅画面内集中了如此之多的、水平如此之高的人类精英。平如此之高的人类精英。 这张照片是这张照片是1927年第五届索尔维会议参加者的年

4、第五届索尔维会议参加者的合影。合影。 是一个很像诺贝尔的人，本身既是科是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平学术奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议的经费。会议的经费。这就是索尔维会议的来历。这就是索尔维会议的来历。7爱因斯坦爱因斯坦和和玻尔玻尔89 空间尺度空间尺度（相差（相差1046 m） 1026 m（约（约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇宙）10-20 m（夸克）（夸克） 时间

5、尺度时间尺度 （相差（相差1045 s ） 1018 s（150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄）10-27 s（硬（硬 射线周期）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） 不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学方法来研究不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学方法来研究1、物理学的研究范畴、物理学的研究范畴二、物理学的研究范畴和研究方法二、物理学的研究范畴和研究方法（*）宇宙大爆炸学说）宇宙大爆炸学说1946年年 珈莫夫、阿尔夫和赫曼提出大爆炸宇宙学说，珈莫夫、阿尔夫和赫曼提出大爆炸宇宙学说， 预言早期大爆炸的辐射仍残存在我们的周围。预言早期大爆

6、炸的辐射仍残存在我们的周围。1965年年 彭齐亚和威尔逊观测到了充满宇宙空间的、温彭齐亚和威尔逊观测到了充满宇宙空间的、温 度在度在2.5-4.5K之间的黑体辐射，常称之间的黑体辐射，常称3K(或或2.7K) 宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射。 宇宙背景辐射是宇宙大爆炸理论的重要实验依据。宇宙背景辐射是宇宙大爆炸理论的重要实验依据。 1929年年 哈勃发现：星系光谱每条谱线的波长增加了，哈勃发现：星系光谱每条谱线的波长增加了， 越远的星系以越快的速度离我们而去，越远的星系以越快的速度离我们而去， 整个宇宙处在膨胀状态。整个宇宙处在膨胀状态。1927年年 勒梅特提出了宇宙膨胀理论勒梅特提出了宇

7、宙膨胀理论,认为宇宙是通过一认为宇宙是通过一 次大爆炸而形成的次大爆炸而形成的,并称大爆炸之前为并称大爆炸之前为“没有昨没有昨 天的那一天天的那一天”。1989年年11月月 宇宙背景探测卫星证明了上述结论。宇宙背景探测卫星证明了上述结论。 在此基础上，逐步形成了在广义相对论在此基础上，逐步形成了在广义相对论 基础上的一基础上的一 种标准模型：种标准模型： 宇宙从一个原始火球爆炸开始，尺度随时间增加，宇宙从一个原始火球爆炸开始，尺度随时间增加， 温度温度 随时间降低，宇宙中物质成分也相应变化，进行核随时间降低，宇宙中物质成分也相应变化，进行核 合成，合成， 从而形成原子以及结构（星体、星系，星团

8、从而形成原子以及结构（星体、星系，星团）。）。 这些组成了这些组成了大爆炸宇宙标准模型。大爆炸宇宙标准模型。 大爆炸宇宙标准模型大爆炸宇宙标准模型 大爆炸宇宙演化时间表大爆炸宇宙演化时间表宇宙诞生宇宙诞生（100多亿年前）多亿年前）高温、高密状态高温、高密状态Planck时代时代大统一时代大统一时代1023 K强子时代强子时代轻子时代轻子时代核合成时代核合成时代复合时代复合时代1011 K 1011K 109K 4000K10 32K 10-43 s体积极小，温度极高体积极小，温度极高10-34 s出现夸克，轻子，胶子和出现夸克，轻子，胶子和其他规范粒子，形成夸克其他规范粒子，形成夸克胶子等离

9、子体。胶子等离子体。10-6 s夸克反夸克组成质子中子夸克反夸克组成质子中子等强子等强子10-2 s产生大量核子产生大量核子-反核子湮灭，反核子湮灭，其最终产物是光子，正负电子其最终产物是光子，正负电子对及中微子对及中微子3 min 中子质子合成轻原子核中子质子合成轻原子核几十万年几十万年中性原子生成，光子脱耦中性原子生成，光子脱耦1010K1s人类出现人类出现宇宙创生后宇宙创生后140亿年亿年1m10-2010-1510-1010-5101510510101025 1020W+粒子粒子原子原子DNA人人山山地球地球太阳系太阳系星系星系星系团星系团原子核原子核微观微观介观介观宏观宏观宇观宇观天

10、体物理天体物理粒子物理粒子物理两大尖端紧密衔接两大尖端紧密衔接102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010相对论物理相对论物理经典物理经典物理量子物理量子物理?人类人类活动活动尺度尺度 (cm)速度速度 (cm/s)152、 物理学的研究方法物理学的研究方法提出命题提出命题推测答案推测答案预言预言检验检验修改理论修改理论应应 用用 物理学早期被认为是一门实验学科，是通过对大量实验事实的物理学早期被认为是一门实验学科，是通过对大量实验事实的归纳总结得到一定的理论结论的。经过几个世纪的发展，今天的物归纳总结得到一定的理论结

11、论的。经过几个世纪的发展，今天的物理学是一门理论与实验高度结合的科学，其研究方法可以概括为：理学是一门理论与实验高度结合的科学，其研究方法可以概括为：16 演绎法演绎法： 基本定律基本定律 推理、演算推理、演算 新理论新理论 归纳法归纳法 ： 归纳实验或观测事实归纳实验或观测事实 假设、模型假设、模型 新理论新理论17三、物理学对人类文明进步的影响三、物理学对人类文明进步的影响 20世纪初的第二次科技革命物理学是以世纪初的第二次科技革命物理学是以 相对论和量子力学的相对论和量子力学的建立为标志；建立为标志； 20世纪前半叶，核物理的发展把人类带入了原子能时代世纪前半叶，核物理的发展把人类带入了

12、原子能时代; 19世纪末的第二次工业革命建立在经典的电磁学理论不断完世纪末的第二次工业革命建立在经典的电磁学理论不断完善的基础之上，是电动机和发电机的制造成为可能。从而使人类善的基础之上，是电动机和发电机的制造成为可能。从而使人类社会进入工业电气化时代；社会进入工业电气化时代； 18世纪的第一次工业革命建立在经典的牛顿力学和经典热力世纪的第一次工业革命建立在经典的牛顿力学和经典热力学完善和发展基础上（蒸汽机的发明）；经典的牛顿力学的建立学完善和发展基础上（蒸汽机的发明）；经典的牛顿力学的建立也成为第一次科技革命；也成为第一次科技革命； 20世纪后半叶，电子计算机的发展把人类带入了信息时代。世纪

13、后半叶，电子计算机的发展把人类带入了信息时代。 历史上，我国在科技发展中的重要贡献历史上，我国在科技发展中的重要贡献磁、火药、小孔磁、火药、小孔成像、地动仪等等；成像、地动仪等等；18 19421942年世界上第一个核反应堆运行成功年世界上第一个核反应堆运行成功. . 图中右上方手握大图中右上方手握大罐的三位青年物理学家组成罐的三位青年物理学家组成“敢死队敢死队”，万一发生意外，他们，万一发生意外，他们就将吸收中子的镉溶液注入反应堆。而站在下面的那位科学家就将吸收中子的镉溶液注入反应堆。而站在下面的那位科学家正按照费米的指令，一点一点地往外抽最后一根镉棒，以启动正按照费米的指令，一点一点地往外

14、抽最后一根镉棒，以启动链式反应。链式反应。 19欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心(CERN)(CERN)座落在日内瓦郊外的加速器：座落在日内瓦郊外的加速器：大环是周长大环是周长27 km27 km的强子对撞机，中环是质子同步加速器。的强子对撞机，中环是质子同步加速器。20中科院等离子体物理研究所的合肥科学岛，中国中科院等离子体物理研究所的合肥科学岛，中国“人造太阳人造太阳”-全超导托卡马克装置的神秘面容。全超导托卡马克装置的神秘面容。 2120世纪物理学给社会的最大冲击世纪物理学给社会的最大冲击 以半导体为基础的以半导体为基础的信息时代信息时代超大规模集成电路的研究生产技术（超大规模集成电路的

15、研究生产技术（从物理基础研究实验移植从物理基础研究实验移植） 在一毫米见方的单晶硅片上制在一毫米见方的单晶硅片上制成的集成电路可以穿过针眼成的集成电路可以穿过针眼。 9090年代中期年代中期IntelIntel公司，奔腾公司，奔腾(Pentium)(Pentium)芯片上包含芯片上包含500500万个晶万个晶体管，刻蚀线宽不到微米。体管，刻蚀线宽不到微米。来源于基础研究实验室来源于基础研究实验室22巨磁电阻效应巨磁电阻效应 瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院9日宣布，将日宣布，将2007年诺贝尔物理学奖授予法年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔贝国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得费尔和德国科学家彼得格

16、林贝格尔，以表格林贝格尔，以表彰他们发现了彰他们发现了“巨磁电阻巨磁电阻”效应。瑞典皇家科学院说：效应。瑞典皇家科学院说：“今今年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。” 最近最近20多年来，多年来，我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息。小的硬盘中存储海量信息。 阿尔贝阿尔贝费尔（费尔（Albert Fert） 彼得彼得格林贝格尔格林贝格尔(Peter Grnberg) 23

17、20世纪物理学又一重大贡献世纪物理学又一重大贡献 激光激光1960年制成第一台年制成第一台激光器激光器此后几十年制成各种类型、覆盖各种频段的激光器此后几十年制成各种类型、覆盖各种频段的激光器其应用已拓展到各个领域：激光通讯、光学信息处理、光学其应用已拓展到各个领域：激光通讯、光学信息处理、光学信息存储、激光探测、激光熔炼、激光切割、激光外科手术、信息存储、激光探测、激光熔炼、激光切割、激光外科手术、激光武器等等。激光武器等等。美国机载激光(ABL)24高锟上世纪高锟上世纪60年代所做研究表明，信号经由光纤传输时大量年代所做研究表明，信号经由光纤传输时大量损耗损耗缘自玻璃材料中的杂质缘自玻璃材料

18、中的杂质，而非由于技术本身内在缺陷。，而非由于技术本身内在缺陷。这一发现为光纤传输技术日后广泛应用打下基础，也为他赢这一发现为光纤传输技术日后广泛应用打下基础，也为他赢得得“光纤传输之父光纤传输之父”的雅号。的雅号。25物理学渗透到其它学科物理学渗透到其它学科： 量子化学、激光化学、分子反应动力学等等量子化学、激光化学、分子反应动力学等等 1999年年, A.H.Zewail 成功地应用超快激光技术（飞秒成功地应用超快激光技术（飞秒激光）研究原子的微观运动，获得诺贝尔化学奖。激光）研究原子的微观运动，获得诺贝尔化学奖。飞秒飞秒10-15秒秒 1998年年，在给，在给Jolm A. Pople和

19、和Walter Kolm颁发诺贝颁发诺贝尔化学奖的颁奖公报中宣布尔化学奖的颁奖公报中宣布“化学不再是纯实验科学了化学不再是纯实验科学了”，因为在他们的工作中用到了因为在他们的工作中用到了“电子密度泛函理论和量子化电子密度泛函理论和量子化学计算方法学计算方法”。 26： DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构Francis Crick（克里克）（克里克）& James Watson（沃森）（沃森） 1953年沃森（年沃森（J.D.Watson,细菌遗细菌遗传学博士）和克里克传学博士）和克里克（F.H.C.Crick,物理系毕业，后转物理系毕业，后转为生物物理系研究生）发现了为生物物理系研究生

20、）发现了DNA分子的双螺旋结构分子的双螺旋结构27 利用利用和和导出导出 BlackScholes 期权定价公式，获期权定价公式，获1997年诺贝尔经济学奖（对全球金融产生年诺贝尔经济学奖（对全球金融产生重大影响）。重大影响）。M.S.Scholes & F.S.Black 从以上的论述可以看出物理学对人类社会的发展起着重大作用，从以上的论述可以看出物理学对人类社会的发展起着重大作用，还可以看出物理学的研究范围极其广泛，还可以看出物理学的研究范围极其广泛，无论什么问题无论什么问题，当物，当物理学家用物理学的方法去研究它们时，就把它们纳入物理学问理学家用物理学的方法去研究它们时，就把它们

21、纳入物理学问题，成为物理学的具体研究对象。题，成为物理学的具体研究对象。28生生物物物物理理化化学学物理自然法则应用数学应用数学人人类类理理解解 美美学学机械控制机械控制 热热 力学力学流流 体体化学工程化学工程生物化学工程生物化学工程放射学放射学应用生物学应用生物学结构学结构学土力学土力学建筑学建筑学机械原理机械原理核能核能电学电学电力机械电力机械人类利益电电气气工工程程土土木木工工程程医医 学学机械工程机械工程化化 工工知知识识之之树树29（轻子）（轻子）规范粒子规范粒子粒子物理标准模型粒子物理标准模型宇宇 宙宙费米子费米子原原 子子分分 子子实物粒子实物粒子 电电 子子夸夸 克克质子质子

22、中子中子原子核原子核 场场 宇宇宙宙大大爆爆炸炸标标准准模模型型微观物质基微观物质基本相互作用本相互作用粒子分类粒子分类 : (62种种)强强相互作用相互作用电弱电弱 相互作用相互作用电磁电磁相互作用相互作用弱弱相互作用相互作用规范玻色子规范玻色子(13种种)费米子费米子(48种种)Higgs粒子粒子(自旋为零自旋为零,1种种, 尚未发现尚未发现 )粒粒子子物物理理标标准准模模型型引力引力相互作用相互作用粒子物理标准模型粒子物理标准模型Higgs汤川（尚未直接观测到）汤川（尚未直接观测到） 粒子之间的粒子之间的基本相互作用基本相互作用万有引力相互作用万有引力相互作用电磁相互作用电磁相互作用弱相

23、互作用弱相互作用强相互作用强相互作用超统一超统一理理 论论大统一大统一理论理论电电弱弱相相互作用互作用Higgs汤川相互作用汤川相互作用规范玻色子规范玻色子 (13(13种种) )强相互作用强相互作用电磁相互作用电磁相互作用弱相互作用弱相互作用引力相互作用引力相互作用胶子胶子(8(8种种) )光子光子(1(1种种) )W W Z Z0 0 粒子粒子(3(3种种) )引力子引力子( (未发现未发现) )(1(1种种) )费米子费米子 (48(48种种) )中微子中微子( e )中微子中微子( )中微子中微子第一代第一代第二代第二代第三代第三代电子电子( e- ) 子子( - ) 子子( - )上

24、夸克上夸克( u )粲夸克粲夸克( c )顶夸克顶夸克( t )下夸克下夸克( d )奇异夸克奇异夸克( s)底夸克底夸克( b )代代轻轻 子子夸夸 克克总数总数包括它们的反粒子共12种每味3色 加反粒子共36种33怎样学好物理学？怎样学好物理学？重视预习、复习。重视预习、复习。 培养自学能力培养自学能力重视基本概念的理解。重视基本概念的理解。培养独立思考的能力培养独立思考的能力认真完成作业。认真完成作业。培养自己分析问题和解决问题能力培养自己分析问题和解决问题能力34 发展独立思考和独立创新的发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在

25、首位。如果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，论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。而且他必定会找到自己的道路。而且比起那些主要以获取细节知识为比起那些主要以获取细节知识为训练内容的人来，他一定会更好训练内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。地适应进步和变化。 爱因斯坦爱因斯坦35参考书目参考书目程守洙、江之永程守洙、江之永.普通物理学（第五版）普通物理学（第五版）. 高等教育出版社高等教育出版社. 1998马文蔚马文蔚. 物理学（第四版）物理学（第四版）. 高等教育出版社高等教育出版社. 199

26、9严导淦严导淦. 物理学（第四版）物理学（第四版）. 高等教育出版社高等教育出版社. 2003张三慧张三慧. 大学物理学（第二版）大学物理学（第二版）. 清华大学出版社清华大学出版社. 1999吴百诗吴百诗. 大学物理（修订版）大学物理（修订版）. 西安交通大学出版社西安交通大学出版社. 1994吴锡龙吴锡龙. 大学物理教程（第二版）大学物理教程（第二版）. 高等教育出版社高等教育出版社. 1999休休 D.杨，罗杰杨，罗杰 A.弗里德曼弗里德曼.西尔斯物理学西尔斯物理学. 机械工业出版社机械工业出版社. 200336预备知识: :选择某些物理量直接规定单位，这些量就选择某些物理量直接规定单位

27、，这些量就叫基本量叫基本量 ，其单位叫基本单位。，其单位叫基本单位。: :由物理量和基本量的关系得到的物理量称由物理量和基本量的关系得到的物理量称导出量，其单位称导出单位。导出量，其单位称导出单位。例如：例如：力学的基本物理量有力学的基本物理量有长度长度( (米米) )，质量（千克），质量（千克）和和时间（秒）时间（秒）。maf Nsmkg112导出单位导出量37国际单位制（用国际单位制（用表示）的基本单位如下：表示）的基本单位如下：长度：长度：米米(m)； 质量质量 ：千克千克 ( kg) 时间：时间：秒秒(s)； 电流：电流： 安培安培 (A) 热力学温度：热力学温度：开尔文开尔文(K)物

28、质的量：物质的量： 摩尔摩尔( mol) 发光强度：发光强度： 坎德拉坎德拉 (cd) 2. 量纲量纲: : （以力学量为例）（以力学量为例）用用L L、M M和和T T分别表示长度、质量和时间三个物理量。分别表示长度、质量和时间三个物理量。L L、M M和和T T的方次称为的方次称为量纲量纲。力学量 sqpTMLQ Q的量纲式38只有大小。例如：质量、长度、时间、密度、只有大小。例如：质量、长度、时间、密度、能量、温度等。能量、温度等。既有大小又有方向。并有一定的运算规则。例既有大小又有方向。并有一定的运算规则。例如：位移、速度、加速度、角速度等。如：位移、速度、加速度、角速度等。3.3.： 矢量相等：矢量相等： 大小相同，方向相同大