大学物理大雾绪论

1、刘晓晗大学物理牛顿力学参考教材：参考教材：梁昆淼力学赵凯华力学（新概念物理）郑永令力学什么是物理学什么是物理学(physics)? 物：物质结构、性质物：物质结构、性质 理：物质运动、变化规律理：物质运动、变化规律绪绪 论论 空间尺度空间尺度 ( (相差相差101045 45 10104646) ) 10 1026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年) )( (宇宙宇宙) )101020 20 m m( (夸克夸克) ) 时间尺度时间尺度 ( (相差相差10104545) ) 10 101818s(150s(150亿年亿年) )( (宇宙年龄宇宙年龄) )1010-27-27s s(

2、(硬硬 g g 射线周期射线周期) ) 速率范围速率范围 0 0( (静止静止) ) 3x103x108 8 m/s( (光速光速) )研究研究对象对象十分广泛十分广泛( (一) )物理学的研究对象和研究方法物理学的研究对象和研究方法 不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究m1310610910121015101810211024102710的物质世界的物质世界Hubble 半径半径超星系团超星系团星系团星系团银河系银河系太阳系太阳系太阳太阳山山310 DNA长度长度最小的细胞最小的细胞610 910 原子原子1210 1510 原子核原子核粒

3、子粒子0ZWe最近最近星距星距微微观观宏宏观观介介观观宇宇观观伽利略的研究方法 观察现象观察现象提出假设提出假设进行数学和逻辑推理进行数学和逻辑推理 实验验证实验验证 形成理论形成理论 开创了科学实验方法，并将实开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。验、观察和理论思维相结合。提出了思想实验。提出了思想实验。伽利略在解释其观察结论伽利略在解释其观察结论 爱因斯坦评价他说：爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。一，而且标志着物理学真正的开端。”

4、 伽利略被后人称为伽利略被后人称为“现代物理之父现代物理之父”。罗马教庭对伽利略的审判罗马教庭对伽利略的审判 物理学的研究方法物理学的研究方法提出命题提出命题应用应用修改理论修改理论实验检验实验检验理论预言理论预言推测答案推测答案物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学， 其研究方法可概括为：其研究方法可概括为：物理上的直觉、物理上的直觉、想象力、洞察力想象力、洞察力也常常产生重大也常常产生重大突破和发现突破和发现具体地说，物理学还有许多有特色的方法：具体地说，物理学还有许多有特色的方法：对称性分析对称性分析守恒量的利用守恒量的利用简化模型的选取简化模

5、型的选取概念和方法的类比概念和方法的类比定性和半定量分析定性和半定量分析量纲分析量纲分析 从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：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、观测事实归纳实验、观测事实假设、模型假设、模型新理论新理论2004年年6月月10日，联合国大会鼓掌通过决议，规定日，联合国大会鼓掌通过决议，规定2005年为年为“世界物理年世界物理年”。决议确认：决议确认： 物理学是认识自然界的基础；物理学是认识自然界的基础； 物理学是当今众多技术发展的基石；物理学是当今众多技术发展的基石； 物理教育为培

6、养人的发展提供了必要的科学基础。物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。 科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式是大家都熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地是大家都熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地生产出完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的生产出完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的性质性质它作用于心灵。它作用于心灵。 爱因斯坦爱因斯坦（二）物理学的发展（二）物理学的发展17世纪后半期：世纪后半期： 诞生诞生。伽利略、开普伽利略、开普勒和牛顿。勒和牛顿。16871687年牛顿发表了年牛顿发表了自然哲自然哲学的数学原理学的

7、数学原理，阐述并证明了以他命，阐述并证明了以他命名的三大定律，标志着经典物理学正式名的三大定律，标志着经典物理学正式诞生。诞生。经典力学、热力学与统计物理以及电磁学经典力学、热力学与统计物理以及电磁学构成了构成了“经典物理学经典物理学”的大厦的大厦 。18世纪至世纪至19世纪：世纪：蓬勃发展的时期蓬勃发展的时期。焦耳、迈尔、。焦耳、迈尔、开尔文和克劳修斯开尔文和克劳修斯热现象、聚集态的热现象、聚集态的热力学基热力学基础础 ；玻尔兹曼和吉布斯的；玻尔兹曼和吉布斯的统计物理学统计物理学；库仑；库仑和法拉第和法拉第电磁学电磁学 ；麦克斯韦麦克斯韦方程组；麦克斯韦麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，预

8、言了电磁波的存在 。狭义相对论、广义相对论和量子力学构成了狭义相对论、广义相对论和量子力学构成了20世纪现代物理学的基础世纪现代物理学的基础 。19世纪和世纪和20世纪世纪 ：三大发现（：三大发现（X射射线、电子、放射性）以及经典物线、电子、放射性）以及经典物理学在解释这些新发现时遇到的理学在解释这些新发现时遇到的困难困难孕育着新的突破。孕育着新的突破。1905年，爱因斯坦创立了狭义相对年，爱因斯坦创立了狭义相对论；论；1915年，他又创立了广义相对年，他又创立了广义相对论；论；爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡等共同建立了量子力学堡等共同建立了量子力学 。物理学中最重

9、大的基本理论有下面物理学中最重大的基本理论有下面5个：个：l牛顿力学或经典力学（牛顿力学或经典力学（Mechanics）研究物）研究物体的机械运动；体的机械运动；l热力学（热力学（Thermodynamics）研究温度、热）研究温度、热、能量守恒以及熵原理等等、能量守恒以及熵原理等等l电磁学（电磁学（Electromagnetism）研究电、磁以）研究电、磁以及电磁辐射等等及电磁辐射等等l相对论（相对论（Relativity）研究高速运动、引力、）研究高速运动、引力、时间和空间等等时间和空间等等l量子力学（量子力学（Quantum mechanics）研究微观）研究微观世界世界前沿：前沿： 粒

10、子物理，宇宙学，高温超导，光子学，粒子物理，宇宙学，高温超导，光子学， 微结构物理，混沌，复杂微结构物理，混沌，复杂 .物理学在不断发展物理学在不断发展经典物理也在发展经典物理也在发展: : 波动光学波动光学信息光学信息光学 牛顿力学的决定性牛顿力学的决定性内在随机性内在随机性 （三）物理学与技术（三）物理学与技术物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域，应物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域，应用于生产技术的各个部门，是许多自然科学的用于生产技术的各个部门，是许多自然科学的基础，也是工程技术特别是高新技术的基础。基础，也是工程技术特别是高新技术的基础。历史上历史上物理与技术的关系大致有物理与

11、技术的关系大致有两种模式：两种模式：技术物理技术技术物理技术( (以第一次工业革命为标志以第一次工业革命为标志) )物理技术物理物理技术物理( (以电气化进程为标志以电气化进程为标志) )本世纪本世纪两种模式并存、交叉，两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的但几乎所有重大的新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、发展，被誉为第二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：其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：物理等基础科学与工程技术的关系可形象地物理等基础科学与工程技术的关系可形象

12、地 用用“知识之树知识之树”表示：表示：例如：例如：爱因斯坦受激辐爱因斯坦受激辐射理论（射理论（19171917）（物理）物理）第一台激光器第一台激光器诞生（诞生（19601960）（技术）技术）现代光学现代光学（物理）（物理）量子力学量子力学费米费米狄拉克统计狄拉克统计固体能带理论固体能带理论（2020年代）年代）（物理）（物理）晶体管诞生晶体管诞生(1947)(1947)集成电路集成电路(1962)(1962)大规模集成电路大规模集成电路（7070年代后期）年代后期）（技术）（技术）微结构微结构物理物理（物理）（物理）物物理理物理学物理学 化学化学 生物学生物学生理学生理学心理学心理学管理

13、学管理学 经济学经济学政治学政治学 社会学社会学教育学教育学自然科学和数学自然科学和数学 我已把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲我已把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。学的，而是数学的。 -牛顿牛顿 在这个世界上，除了空虚的弯曲空间之外，就什么在这个世界上，除了空虚的弯曲空间之外，就什么也没有了。物质、电荷、电磁性和其他力场，只不过是也没有了。物质、电荷、电磁性和其他力场，只不过是空间弯曲的几种不同的表现形式。物理学就是几何学。空间弯曲的几种不同的表现形式。物理学就是几何学。 -惠勒惠勒力学力学运动学：运动学：导数，微分，积分，导数，微分，积分，1阶常微分方程，矢量

14、（向量）点乘，阶常微分方程，矢量（向量）点乘，矢量的导数，极坐标系，（微分几何，曲线论）矢量的导数，极坐标系，（微分几何，曲线论）质心，转动惯量：质心，转动惯量：面积分，体积分面积分，体积分势能：势能：矢量（向量）点乘，曲线（路径）积分矢量（向量）点乘，曲线（路径）积分力矩，角动量：力矩，角动量：矢量（向量）叉乘矢量（向量）叉乘振动：振动：2阶常微分方程阶常微分方程波：波：偏导数，偏导数，2阶偏微分方程，（付里叶变换）阶偏微分方程，（付里叶变换）分析力学：分析力学：偏导数，全微分，变分法偏导数，全微分，变分法热学热学热力学（宏观）：热力学（宏观）：偏导数，全微分偏导数，全微分统计物理（微观）：

15、统计物理（微观）：概率论概率论电磁学电磁学场论场论自然科学和宗教自然科学和宗教 拿破仑在读过拉普拉斯的拿破仑在读过拉普拉斯的天天体力学体力学第一、二卷后曾问他说：第一、二卷后曾问他说：“在您写的著作中怎么没有提到在您写的著作中怎么没有提到上帝呢？上帝呢？” 拉普拉斯回答说：拉普拉斯回答说：“陛下，我陛下，我不需要这个假设不需要这个假设 ” 拉普拉斯拉普拉斯哲学哲学哲学和具体科学又是密切联系的：哲学和具体科学又是密切联系的： 首先，哲学以具体科学为基础。但是，把哲首先，哲学以具体科学为基础。但是，把哲学凌驾于具体科学之上，认为哲学是学凌驾于具体科学之上，认为哲学是“科学的科科学的科学学”的观点也

16、是错误的。的观点也是错误的。 其次，哲学为具体科学提供世界观和方法论其次，哲学为具体科学提供世界观和方法论的指导。的指导。 学习哲学的好处是，你不会被更坏的哲学所影响。学习哲学的好处是，你不会被更坏的哲学所影响。 爱因斯坦爱因斯坦唯物论的认识思想唯物论的认识思想被现代科学给驳倒了被现代科学给驳倒了 而基本粒子又是什么呢？这正是量子力而基本粒子又是什么呢？这正是量子力学的困惑，科学家发现对基本粒子的存在学的困惑，科学家发现对基本粒子的存在状态的必须依赖于人的认识过程和意识建状态的必须依赖于人的认识过程和意识建构反映过程。因此，到了量子力学这里，构反映过程。因此，到了量子力学这里，人们已经无法再重

17、复唯物论这样的错误了，人们已经无法再重复唯物论这样的错误了，因为人们发现人对于微观粒子认识状态取因为人们发现人对于微观粒子认识状态取决于人的认识过程。决于人的认识过程。意识课程意识课程从严谨的、科学的观点看来，如果不考从严谨的、科学的观点看来，如果不考虑观察者的意识这个因素，是不可能明白物虑观察者的意识这个因素，是不可能明白物质世界的。甚至，事实上正是意识在显现着质世界的。甚至，事实上正是意识在显现着世界。但是，这个显现着世界的意识并非单世界。但是，这个显现着世界的意识并非单个个体的意识个个体的意识, 而是非定域性的、普遍性的而是非定域性的、普遍性的意识。意识。朱清时 中国科学院院士、原中国科

18、技大学校长 在弦论之中，情况发生了根本变化。过去认为是组成客观世界的砖块的基本粒子，现在都是宇宙弦上的各种“音符”。多种多样的物质世界，真的成了“一切有为法，如梦幻泡影，如露亦如电，应作如是观。（金刚经）”物理学到此已进入了“自性本空”的境界！ 海水与波浪的关系，正是弦与音乐的关系。它们也正是物质世界与宇宙本体的关系。当我弄懂了这个道理的时候，心里充满了敬畏和震撼。 读到这里，你可能感到：“科学家千辛万苦爬到山顶时，佛学大师已经在此等候多时了！” 物理学步入禅境：缘起性空 冯诺伊曼把测量仪器看作量子的是不对的。 切断了主观主义量子学派的逻辑源流。 宏观物体本身即是观察者，它使量子态退化为经典态

19、。从而无需人的意识作为观察者。 退相干过程得到了可控的实验观察和证明。退相干理论评述 自学自学 数学和物理数学和物理 尽量多些参考书，不要钻牛角尖尽量多些参考书，不要钻牛角尖 文字和数学公式的统一文字和数学公式的统一 物理学史和理论体系逻辑线条的互补物理学史和理论体系逻辑线条的互补 定理的推导定理的推导 掌握经典习题，一题多解掌握经典习题，一题多解 差生差生?学习方法学习方法 题海的操练使学习物理的过程变成了题海的操练使学习物理的过程变成了解题的过程解题的过程 后果：后果：思想方法僵化思想方法僵化 只知道结论而不知道这些结论是怎么得到的，只只知道结论而不知道这些结论是怎么得到的，只会做题目而不

20、会想问题会做题目而不会想问题物理学习中的误区物理学习中的误区表现：表现： 死记硬背、套用公式死记硬背、套用公式 概念模糊、图像不清概念模糊、图像不清 应用数学工具解决物理问题的能力较差应用数学工具解决物理问题的能力较差 在学习物理学的过程中必需注在学习物理学的过程中必需注意理论与客观世界的联系，切忌从意理论与客观世界的联系，切忌从公式到公式，为解题而解题的倾向，公式到公式，为解题而解题的倾向，不能把解题看作是学习物理的主要不能把解题看作是学习物理的主要手段。在学习过程中应始终注意对手段。在学习过程中应始终注意对物理学的基本概念和理论理解并加物理学的基本概念和理论理解并加以融会贯通，并注意自觉地

21、应用物以融会贯通，并注意自觉地应用物理学的基本思想、基本方法分析问理学的基本思想、基本方法分析问题解决问题，这是学好物理的一条题解决问题，这是学好物理的一条根本的途径。根本的途径。探索和创造是科学研究的灵魂探索和创造是科学研究的灵魂 培养探索精神和创造能力不是孤立的，知培养探索精神和创造能力不是孤立的，知识水平、科学素养、科学思维、洞察能力、识水平、科学素养、科学思维、洞察能力、科学道德、评价能力、批评精神、合作精科学道德、评价能力、批评精神、合作精神、敬业精神、严谨作风等，都应该在培神、敬业精神、严谨作风等，都应该在培养之列。养之列。 在基础课教学中，也是可以有所作为的。在基础课教学中，也是

22、可以有所作为的。 关键是一些关键是一些观念观念应该有所改变。应该有所改变。物理思想与方法更根本，学会物理思想与方法更根本，学会发现发现问题、问题、分析分析问题的思路与方法更为重要，可以受用终生。问题的思路与方法更为重要，可以受用终生。在需要的时候，可以从相关学科借鉴、移植或在需要的时候，可以从相关学科借鉴、移植或自己自己创作创作。应该更多地从文献而不是同类教材。应该更多地从文献而不是同类教材中取材。中取材。根据自己的兴趣，学会搜索一定数量的文献，根据自己的兴趣，学会搜索一定数量的文献，实行实行开放开放式的学习，进一步拓宽视野。式的学习，进一步拓宽视野。著有著有中国科学技术史中国科学技术史的英国

23、科学的英国科学家李约瑟指出：家李约瑟指出： “ “作作为一个整体的现代科学没有发为一个整体的现代科学没有发生在中国，它发生于西方生在中国，它发生于西方欧美，欧美，即欧洲文明的广大范围。这有什么原即欧洲文明的广大范围。这有什么原因呢？我以为必须找出这个原因，因因呢？我以为必须找出这个原因，因为如果我们不了解它，我们关于科学为如果我们不了解它，我们关于科学技术史的观点就处于混乱之中。如果技术史的观点就处于混乱之中。如果我们不了解过去，也就没有多少希望我们不了解过去，也就没有多少希望掌握未来。掌握未来。”李约瑟李约瑟中国科学在历史上逐渐落后的原因中国科学在历史上逐渐落后的原因“李约瑟难题李约瑟难题”社会制度社会制度：科举制度，思想禁锢，闭关锁国：科举制度，思想禁锢，闭