第00章 大学物理绪论

1、1课程管理课程管理 成绩评分标准 平时成绩20% 期中成绩20% 期末成绩60% 总评成绩：三项成绩加权平均0.20.20.6BSAC平时成绩平时成绩期中成绩期中成绩期末成绩期末成绩由作业决定：助教决定由作业决定：助教决定由考试决定：集体阅卷由考试决定：集体阅卷由考试决定：集体阅卷由考试决定：集体阅卷1005A 每个习题实际得分安排交作业习题数2课程管理课程管理 习题册（含答案） 每册5元元，第三周周三（第三周周三（3月月12日）日）全天到文文印中心印中心购买 以班班为单位 提交作业方式 第四周起每周二上课前每周二上课前 答疑安排 A区2楼教师休息室，时间待定3课程管理课程管理 考核提示 因故

2、不能参加半期考试者，需由学院开证明，期中考试成绩按规定处理。 无故不参加者，半期考试成绩作零分处理。 本学期内作业20%未交或课堂缺课40%者取消考试资格。 请保持良好的沟通。4?本篇共本篇共1讲讲观察、思考、交流观察、思考、交流5* * 明确明确为什么学为什么学？学什么学什么？怎样学怎样学？ 课程介绍课程介绍* * 了解物质世界的整体图象。了解物质世界的整体图象。 物质世界物质世界绪绪 论论 内内 容容目的：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。 学时：学时：1 16 请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的请允许我说明我讲这门课的主要目

3、的。我的目的不是教你们如何应付考试不是教你们如何应付考试，甚至，甚至不是让你们掌握这些不是让你们掌握这些知识知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞

4、生以来最伟文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。大的探索中来。 理查德理查德. .费曼费曼R.P.Feynman R.P.Feynman （1918191819881988）美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者课程介绍课程介绍7一一 . . 为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？物理学物理学: :研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍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。的运动规律。是一切自然科学和工程技术的基础是一切自然科学和工程技术的基础。 物理书都充满了复杂的数学公物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，式。可是思想及理念

5、，而非公式，才是每一物理理论的开端。才是每一物理理论的开端。 爱因斯坦爱因斯坦 物理学的进化物理学的进化8学习目的：学习目的：1.1.获得生活、学习、工作所需的知识和获得生活、学习、工作所需的知识和技能技能。2.2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度 和科学方法的熏陶和培养。和科学方法的熏陶和培养。载体载体定位：定位：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9为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？为什么要提高工科学生的科

6、学（物理）素质？根本原因：根本原因：物理学与工程技术的关系物理学与工程技术的关系* *第一次工业革命（第一次工业革命（17171818世纪）：世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机蒸汽机为代为代表的一系列机械的产生和应用。表的一系列机械的产生和应用。 * *第二次工业革命（第二次工业革命（1919世纪）：世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯发电机、电动机、电讯设备的设备的出现和应用。出现和应用。* *第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪）：世纪）：建立在相

7、对论和量子力学发展的基础上，其标志是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、新技术的兴起和发展代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。10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、激光技术、核技术、计算机技术、激光技术、核技术、空间技术空间技术其基础正是过去大半个世纪的现代其基

8、础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。物理学的研究成果。11电子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础19251925年年 量子力学建立量子力学建立19261926年年 Fermi-Dirac Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出19291929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释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；了导体、半导体、绝缘体的性质和区别； FermiFermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出19471947年年 发明晶体管发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获（肖克莱、巴丁、布拉顿获19561956年诺贝尔

9、物理奖）年诺贝尔物理奖）19571957年年 建立建立FermiFermi面编目面编目19621962年年 制成集成电路（制成集成电路（ICIC） 19651965年摩尔定律：芯片容量每年摩尔定律：芯片容量每18182424个月翻番。个月翻番。7070年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLICVLIC）12核技术的物理基础核技术的物理基础18961896年年 Becquerel Becquerel 发现铀的天然放射性发现铀的天然放射性19051905年年 Einstein Einstein 创立狭义相对论，得创立狭义相对论，得19111911年年 Rutherf

10、ord Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的有核模型19251925年年 量子力学建立量子力学建立19321932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19331933年年 发现人工放射性发现人工放射性19451945年年 实现核裂变实现核裂变原子弹原子弹19521952年年 实现核聚变实现核聚变氢弹氢弹19541954年年 建立第一座核电站建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）（安全、清洁、经济的能源）2mcE 13比较比较原理发现原理发现（年）（年）工业产品工业产品（年）（年）经历时间经历时间（年）（年）电动机电动机182118211886188665

11、65真空管真空管18821882191519153333无线电无线电18871887192219223535X X光光18951895191319131818雷达雷达19351935194019405 5原子反应堆原子反应堆19391939194219423 3半导体半导体19481948195119513 3激光激光19581958196019602 2从基本原理转变为技术的速度加快从基本原理转变为技术的速度加快14直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术纳米（纳米（ ）技术）技术m109 皮秒（皮秒（ ）技术）技术s1012 超导技术超导技术.I

12、BMIBM公司构成公司构成的铂片表面的的铂片表面的“一氧化碳人一氧化碳人”身高身高5 5纳米纳米。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，使其眼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15二二.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、发展性发展性和和迁移性迁

13、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避免：避免：只见树木，不见森林。只见树木，不见森林。 只得到一堆支离破碎的公式。只得到一堆支离破碎的公式。16经典物理经典物理 力学（实物粒子）力学（实物粒子）电磁学（场）电磁学（场）热力学热力学 统计物理统计物理（多粒子体系）（多粒子体系）相对论相对论力学力学量子量子力学力学量子统计物理量子统计物理相对论相对论 量子力学量子力学相对论相对论量子场论量子场论？物理学的基本框架物理学的基本框架分支学科：分支学科：激光物理，半导体物理，原子物理，核物理激光物理，半导体物理，原子物理，核物

14、理交叉学科：交叉学科：生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理17物理学的基本框架物理学的基本框架速率速率大小或距离大小或距离1020m105m0.01cc狭义狭义相对论相对论广义广义相对论相对论量子理论量子理论狭义相对论狭义相对论量子量子理论理论牛顿物理学牛顿物理学禁区禁区禁区禁区来自来自物理学：基本概念及其与方方面面的联系物理学：基本概念及其与方方面面的联系18教材结构和主线教材结构和主线上册上册下册下册多粒子多粒子体系的体系的热运动热运动实物的实物的 运动规律运动规律电磁场理电磁场理论和波论和波振动振动和和波动波动量子现量子现象和量象和量子规律子规律发

15、展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注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，相互关系的变化。其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。19例例 质量质量m初中：初中：,Vm Vm 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？大学：大学：22201mcEcvmm 惯惯引引mm 高中：高中：maF 惯性质量惯性质量2rGmMF 引力质量引力质量惯惯引引mm ？20例例 力力F中学：中学：以以“力力”为中心。为中心。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

16、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21近代物理：近代物理：以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。守恒量守恒量动量、角动量、能量动量、角动量、能量守恒定律守恒定律动量守恒定律动量守恒定律 角动量守恒定律角动量守恒定律 能量守恒定律能量守恒定律守恒定律与守恒定律与自然界对称自然界对称性的联系性的联系 物理学在物理学在2020世纪取得了令人惊讶的成功。世纪取得了令人惊讶的成功。它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言

17、。在本法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的崭新看法。在这个新的宇宙观中，崭新看法。在这个新的宇宙观中，物质已失去物质已失去了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。对称性。 （美）斯蒂芬（美）斯蒂芬 . . 温伯格温伯格温伯格温伯格( (美）美）(1933- )(1933- )22注意提高应用物理知识理解、解决实际注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。问题的能力。迁移性迁移性 发展独立思考和独立判断的一般能发展独立思考和独立判断的一般能力，应该始终放在首位，

18、而不应当把获力，应该始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。得专业知识放在首位。如果一个人掌握如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他自己立地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，他一定会知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地适应进步与变化。更好地适应进步与变化。 阿尔伯特阿尔伯特 . . 爱因斯坦爱因斯坦 德裔（美）爱因斯坦德裔（美）爱因斯坦(1879-1955)(1879-1955)23 2. 学习和研究物理的方法学习和研究物

19、理的方法观察、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、理想化、假说类比、理想化、假说形成指导性原理形成指导性原理: : * * 简单性原理：简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。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论。是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。 是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的标志之一。标志之一。24理想化理想化方法方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想

20、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)例例方法实质方法实质: 简化、纯化，抓住主要矛盾，简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。摒弃次要因素。重要意义：重要意义：人类认识世界的基本策略人类认识世界的基本策略牛顿的理想实验牛顿的理想实验25物理学的基本思想方法：物理学的基本思想方法：用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型。（1858-1947）感觉世界感觉世界物理科学世界物理科学世界真实世界真实世界大量大量唯象定律唯象定律较高

21、层次较高层次定律定律自然界的自然界的基本法则基本法则( (中介中介) )逼近逼近目标目标归纳归纳总结总结气体定律气体定律胡克定律胡克定律牛顿定律牛顿定律麦氏方程麦氏方程物理学描述的是关于实在世界的模型物理学描述的是关于实在世界的模型26 我们可以把组成这个我们可以把组成这个“世界世界”的这些运动事物的复杂组合，的这些运动事物的复杂组合，想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来

22、。这些奕然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕棋规则就是我们所说的棋规则就是我们所说的基础物理学基础物理学。如果你会下棋就一定如果你会下棋就一定知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是程度更厉害程度更厉害除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都极其复杂，我们不

23、能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规则这个比较基本的问题。则这个比较基本的问题。 费曼费曼R.P.Feynman R.P.Feynman （1918191819881988）27物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，寻求发避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，

24、寻求发展和创新！展和创新！又如：又如：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，而是由理论决定观不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么察什么。 爱因斯坦爱因斯坦283. 学习先进的科学观念，树立科学学习先进的科学观念，树立科学世界观世界观物理学中的唯物论：物理学中的唯物论：实践（实验）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准实践（实验）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准. .物理学中的辨证法物理学中的辨证法

25、: : 相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理物理学物理学“美美”的标准：的标准：简单、和谐、统一、对称。简单、和谐、统一、对称。 应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物理学家去选择可帮助我们了解大自然的理念。理学家去选择可帮助我们了解大自然的理念。 温伯格温伯格29自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简单规则演变而来。单规则演变而来。物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。 爱因斯坦爱因斯坦符合物理学审美原则：符合物

26、理学审美原则：学科的分化、交叉、整合。学科的分化、交叉、整合。人与自然的和谐发展人与自然的和谐发展新的自然观新的自然观 一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环境效益，树立境效益，树立“整体优化整体优化”和和“可持续发展可持续发展”的价的价值观念。值观念。30三三. 怎样学怎样学?业精于业精于勤勤荒于嬉，行成于荒于嬉，行成于思思毁于随。毁于随。 韩愈韩愈大学物理大学物理学习资料学习资料1.1.教材教材 大学物理大学物理上、下上、下 滕保华、廖旭等，科学出版社，滕保华、廖旭等，科学出版社，2010.22.2.辅助材料辅助材料 大学物理教程大学物理教程张涛等

27、张涛等 电子科技大学出版，电子科技大学出版，1997.11 大学物理教程大学物理教程吴锡珑吴锡珑 高等教育出版社，高等教育出版社，1991.8 大学物理学大学物理学 张三慧张三慧 清华大学出版社，清华大学出版社，2000.1 31物质世界简介物质世界简介教育的实质就是克服狭隘性，教育的实质就是克服狭隘性，也就是要开阔人的眼界。也就是要开阔人的眼界。 曼格曼格32一一. .物质世界的空间尺度物质世界的空间尺度宇宙的宇宙的4242个台阶个台阶宇宙学、粒子物理的奇妙衔接宇宙学、粒子物理的奇妙衔接33哈勃半径：哈勃半径：星系团：星系团：银河系：银河系：地球轨道半径：地球轨道半径：太阳半径：太阳半径：地

28、球半径：地球半径：月球半径：月球半径：大分子：大分子：小分子：小分子：原子：原子：原子核：原子核：基本粒子：基本粒子： 16141094679112123261010101010101010AU1101010m10 34二二. 物质世界的时间尺度物质世界的时间尺度s10s102418 共计跨越了共计跨越了4242个数量级个数量级s1018 宇宙年龄：宇宙年龄： 150 150 亿年亿年 生命的诞生：生命的诞生：约约4040亿年亿年人类：人类：300300万年（万年（10101414s s）中间玻色子寿命：中间玻色子寿命：10102424s s地球年龄地球年龄: :s10106 . 4179 年年大爆炸大爆炸35宇宙年龄：宇宙年龄：星系年龄：星系年龄：地球年龄：地球年龄：出现生命：出现生命：富氧大气：富氧大气：人类：人类：地球公转：地球公转：月球公转：月球公转：地球自转：地球自转：中子寿命：中子