大学物理学绪论(清华大学出版社)

1、请把手机调成请把手机调成静音、震动或静音、震动或关闭！关闭！北京化工大学本科生课程北京化工大学本科生课程 大学物理学（大学物理学（ I ）Course of College Physics (I)理学院物理学部理学院物理学部 2014-02-13参考教材 11张三慧张三慧. . 大学物理学大学物理学. . 北京：北京：清华大学清华大学出版社出版社 22张达宋张达宋. . 物理学基本教程物理学基本教程. . 北京：北京：高等高等教育出版社教育出版社 33马文蔚等马文蔚等. . 物理学物理学. . 北京：北京：高等教育出高等教育出版社版社 关于物理学：一个错误但流行的观念关于物理学：一个错误但流行

2、的观念 目前一个广为流传但是非常错误的观念：目前一个广为流传但是非常错误的观念：那就是认为物理学作为一个有科学意义和价那就是认为物理学作为一个有科学意义和价值的研究领域已经大为过时了。值的研究领域已经大为过时了。 然而事实是，在物理学领域，亟待我们去然而事实是，在物理学领域，亟待我们去忘我探索的科学规律和我们已经探知的科学忘我探索的科学规律和我们已经探知的科学规律一样多。规律一样多。 - John Maddox, Nature杂志前主编 决不要把学习看成是任务，而应看成是一决不要把学习看成是任务，而应看成是一个令人羡慕的机会。为了你们自己的欢乐个令人羡慕的机会。为了你们自己的欢乐和今后你们工作

3、所属社会的利益，去学和今后你们工作所属社会的利益，去学习习 A.爱因斯坦爱因斯坦 无论您从事什么，都应该好无论您从事什么，都应该好好编织自己的梦想！好编织自己的梦想！ 既然选择了攻读研究生学位，既然选择了攻读研究生学位，就应该脚踏实地的走好这几年！就应该脚踏实地的走好这几年！ 不能辜负亲人的期望，更不不能辜负亲人的期望，更不能对不起自己！能对不起自己！ 对任何领域的学生来说，对任何领域的学生来说，阅读相关的原始文献都是极阅读相关的原始文献都是极有益处的，因为处在雏形中有益处的，因为处在雏形中的科学最容易被消化。的科学最容易被消化。-James Clark Maxwell一个小建议：一个小建议：

4、( (一)物理学与物质世界物理学与物质世界( (二二) )物理学与科学技术物理学与科学技术( (三三) )几点说明几点说明一、一、物理学与物质世界物理学与物质世界物理学是一门基础学科，探索物理学是一门基础学科，探索物质物质的基本结构和的基本结构和物质运动物质运动的基本规律。是自然科学的的基本规律。是自然科学的基础基础。 物质：物质：一切物质都在不停地运动着一切物质都在不停地运动着：机械运动机械运动分子热运动分子热运动电磁运动电磁运动（基本）粒子的运动（基本）粒子的运动整个自然界场、引力场等场：电场、磁场、重力子等微观：分子、原子、电体等宏观：气体、液体、固实物：1. 空间尺度空间尺度物理学的研

5、究对象十分广泛：物理学的研究对象十分广泛：宇宙学、粒子物理学的奇妙衔接宇宙学、粒子物理学的奇妙衔接2. 时间尺度时间尺度 现代的标准宇宙模型告现代的标准宇宙模型告诉我们，宇宙是在一百多亿诉我们，宇宙是在一百多亿年前的一次大爆炸中诞生的。年前的一次大爆炸中诞生的。以以s（秒）为单位，宇宙的（秒）为单位，宇宙的年龄约为年龄约为1018s的数量级的数量级 。银河系银河系人们从自己向小尺度追问人们从自己向小尺度追问-粒子物理学粒子物理学质子、中子由夸克组成质子、中子由夸克组成夸克是不是最基本的粒子？夸克是不是最基本的粒子？人们从自己向大尺度追问人们从自己向大尺度追问-天体物理学天体物理学哈勃根据多普勒

6、效应发现宇宙在膨胀哈勃根据多普勒效应发现宇宙在膨胀宇宙有没有边？宇宙有没有边？ 宇宙有没有中心？宇宙有没有中心？粒子物理学和天体物理学目前已成为粒子物理学和天体物理学目前已成为密不可分的姐妹学科。密不可分的姐妹学科。3. 速度范围速度范围 0 0 ( (静止静止) ) 3 3 10108 8 m/s( (光速光速) ) 二、物理学与科学技术二、物理学与科学技术物理学是现代技术革命的先导物理学是现代技术革命的先导科学是一种方法，它教导人们：一些事物科学是一种方法，它教导人们：一些事物是怎样被了解，什么事情是已知的，现在是怎样被了解，什么事情是已知的，现在了解到什么程度（因为没有事情是绝对已了解到

7、什么程度（因为没有事情是绝对已知的），如何对待疑问和不确定性，证据知的），如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则，如何去思考事物，做出判服从什么法则，如何去思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。断，如何区别真伪和表面现象。理查德理查德. 费曼费曼物理学是除数学以外的一切自然科学的基物理学是除数学以外的一切自然科学的基础，也是一切工程科学的基础。础，也是一切工程科学的基础。 18世纪中叶，蒸汽机的发明得益于热学的研究。蒸世纪中叶，蒸汽机的发明得益于热学的研究。蒸汽机的使用，促进了手工生产向机械化大生产的转变，汽机的使用，促进了手工生产向机械化大生产的转变，并使陆上和海上较大规模的长途运输

8、成为可能，这大大并使陆上和海上较大规模的长途运输成为可能，这大大推动了社会发展。推动了社会发展。第一次工业革命第一次工业革命历史上第一辆蒸汽机车历史上第一辆蒸汽机车第二次工业革命第二次工业革命 19世纪后半叶，在电磁学研究的基础上发展起来的电世纪后半叶，在电磁学研究的基础上发展起来的电力的开发与利用，给生产和生活带来深刻的影响，产生了力的开发与利用，给生产和生活带来深刻的影响，产生了今日的发电机、电动机、电报、电视、雷达，创立了现代今日的发电机、电动机、电报、电视、雷达，创立了现代的电力工程与无线电技术，使人类社会进入了电的时代。的电力工程与无线电技术，使人类社会进入了电的时代。电能的开发与利

9、用电能的开发与利用 秦山核电站秦山核电站 上个世纪原子核物理学的研究，上个世纪原子核物理学的研究， 向人们展示了新的能向人们展示了新的能源源 核能。人类社会已经进入了核能时代。目前，许多核能。人类社会已经进入了核能时代。目前，许多国家都建起了核能发电站。迄今，核能发电已经达到世界国家都建起了核能发电站。迄今，核能发电已经达到世界总发电量的总发电量的17。 在当今世界中，相对论和量子论的建立，物理学已成在当今世界中，相对论和量子论的建立，物理学已成为现代高技术发展的先导与基础学科。在为现代高技术发展的先导与基础学科。在核能、信息、超核能、信息、超导、激光、电子技术导、激光、电子技术中有突出作用。

10、中有突出作用。第三次工业革命第三次工业革命激光手术刀激光手术刀高能加速器高能加速器北京正负电子对撞机（北京正负电子对撞机（BEPCBEPC）的正电子源）的正电子源19881988年建成，年建成，19921992年成果：将年成果：将 子质量测量精度提高子质量测量精度提高1010倍倍20032003年：发现新粒子年：发现新粒子20042004年：国家投入年：国家投入6.46.4亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台重大新技术的产生总是经历长期的物理酝酿。重大新技术的产生总是经历长期的物理酝酿。如爱因斯坦质量能量公式（如爱因斯坦质量能量公式（19051905） -卢瑟福粒子散射

11、（卢瑟福粒子散射（19091909） -核能利用（上世纪核能利用（上世纪4040年代以后）年代以后）如爱因斯坦受激辐射理论（如爱因斯坦受激辐射理论（19171917） -第一台激光器问世（第一台激光器问世（19601960）如微电子技术的发展：如微电子技术的发展： 量子力学、固体能带理论（上世纪量子力学、固体能带理论（上世纪2020、3030年代）年代） -晶体管诞生（晶体管诞生（19471947） -集成电路（集成电路（19621962） -大规模集成电路（上世纪大规模集成电路（上世纪7070年代后期）年代后期） -人工微结构人工微结构大学物理主要内容大学物理主要内容力学力学光学光学量子物理

12、量子物理热学热学电磁学电磁学机械机械运动运动规律规律分子分子运动运动规律规律电磁电磁运动运动规律规律光运光运动的动的规律规律微观微观领域领域里粒里粒子的子的运动运动规律规律三、几点说明三、几点说明 大学物理与中学物理的关系与差别大学物理与中学物理的关系与差别1 1、中学物理是学习大学物理的基础；大学物理是中、中学物理是学习大学物理的基础；大学物理是中学物理的继承与发展，但不是简单的重复。学物理的继承与发展，但不是简单的重复。 2 2、有三点主要差别：、有三点主要差别：（1 1）研究的对象不同研究的对象不同：由简单到复杂，由特殊到一般。：由简单到复杂，由特殊到一般。如：匀速到变速，恒力到变力，均

13、匀到非均匀，质点到如：匀速到变速，恒力到变力，均匀到非均匀，质点到刚体等。刚体等。 （2 2）研究的方法和使用的工具不同研究的方法和使用的工具不同：如：由初等数学到高等数学，由标量到矢量等。如：由初等数学到高等数学，由标量到矢量等。（3 3）研究的目的不同研究的目的不同：如：由只知其然到知其所以然，由了解知识到应用知如：由只知其然到知其所以然，由了解知识到应用知识等。识等。条件不同，定义不同条件不同，定义不同计算复杂计算复杂兴趣兴趣 预习预习 认真听课认真听课 复习复习 作业、小结作业、小结是蛋碎瓦全还是瓦碎蛋全？是蛋碎瓦全还是瓦碎蛋全？带电鸟笼里的鸟会安然无恙吗？带电鸟笼里的鸟会安然无恙吗？

14、+ 方法方法+ 努力努力 = 效果效果n怎样学好物理学？怎样学好物理学？建议：重视预习，培养自学能力建议：重视预习，培养自学能力华人著名物理学家华人著名物理学家杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获1957年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理奖的华裔获诺贝尔物理奖的华裔物理学家物理学家丁肇中：丁肇中：由于发现由于发现J粒子，粒子，获获1976年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。 朱棣文：朱棣文：由于激光冷却和由于激光冷却和捕获原子的研究捕获原子的研究获获1997年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。获诺贝尔物理奖的华裔获诺贝尔物理奖的华裔物理学家物理学家

15、崔琦：崔琦： 由于在分数量子霍由于在分数量子霍尔效应量子现象的尔效应量子现象的研究获研究获1998年诺贝年诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。获诺贝尔物理奖的华裔获诺贝尔物理奖的华裔物理学家物理学家高锟高锟 ：由于在光学通信领域光由于在光学通信领域光在纤维中传输方面的突在纤维中传输方面的突破性成就分享破性成就分享20092009年诺年诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。李远哲：李远哲： 发明了交叉分子束发明了交叉分子束方法使详细了解化方法使详细了解化学反应的过程成为学反应的过程成为可能，获可能，获19861986年诺年诺贝尔化学奖贝尔化学奖。获诺贝尔化学奖的华裔获诺贝尔化学奖的华裔科学家科学家钱永健钱永健

16、： 由于在多色荧光由于在多色荧光蛋白标记技术的蛋白标记技术的贡献获贡献获20082008年诺年诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。要求要求:1 1、勤于思考、勤于思考: : 对概念、公式能用自己的语言陈对概念、公式能用自己的语言陈述；对定理的证明，能自己独立演算出来述；对定理的证明，能自己独立演算出来. .3 3、独立、独立、按时完成布置的习题按时完成布置的习题. .2 2、要善于提出问题、要善于提出问题. . 4 4、平时成绩：平时成绩：2020分分. . 作业平时出勤课堂表现作业平时出勤课堂表现注意注意每年下半年有北京化工大学举办的大学物理和物理实每年下半年有北京化工大学举办的大学物理和物理实验竞赛

17、。大约验竞赛。大约12月份有全国部分地区大学物理竞赛。月份有全国部分地区大学物理竞赛。 期中成绩：期中成绩：1010分分. . 期末成绩：期末成绩：7070分分. . 本学期的教学安排本学期的教学安排 如果一个人掌握了他的如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且学会了学科基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。找到自己的道路。 爱因斯坦爱因斯坦矢量的基本知识矢量的基本知识一、矢量一、矢量二、矢量的表示二、矢量的表示三、矢量的加法（或减法）三、矢量的加法（或减法）四、矢量的正交分解与合成四、矢量的正交分解与合成五、矢量的标积和矢积五、矢量的标积和矢积六、

18、矢量的求导与积分六、矢量的求导与积分矢量的基本知识矢量的基本知识一、矢量：既有大小又有方向，而且相加时遵从平一、矢量：既有大小又有方向，而且相加时遵从平行行 四边形的运算法则。如：力，速度，动量等。四边形的运算法则。如：力，速度，动量等。（标量只有大小和正负，没有方向。如：质（标量只有大小和正负，没有方向。如：质量、温度、功等。）量、温度、功等。）二、矢量的表示二、矢量的表示（反映其大小和方向）（反映其大小和方向）或或 A 或图示或图示A（2）AeAAAeAA矢量的模即矢量的大小矢量的模即矢量的大小Ae模等于模等于1，方向和，方向和A相同相同（1）A单位矢量单位矢量（3）矢量的坐标表示方法）矢

19、量的坐标表示方法kAjAiAAzyxijk直角坐标系中的直角坐标系中的x、y、z方向的单位矢量。方向的单位矢量。分别表示分别表示（4）矢量相等）矢量相等大小相等，方向相同的两矢量相等大小相等，方向相同的两矢量相等ABBAAyrOzxyAxAzA如果矢量大小相等、方向相反如果矢量大小相等、方向相反BA三、矢量的加法（或减法）三、矢量的加法（或减法）（几何方法）（几何方法）BABABAC（1）矢量相加）矢量相加CBAa 平行四边形方法平行四边形方法b 三角形方法三角形方法BBAAC以矢量以矢量A末端为起点，作矢量末端为起点，作矢量B再由矢量再由矢量AB的起点连到矢量的起点连到矢量的末端即为合矢量的

20、末端即为合矢量c 多边形方法多边形方法RDCBAC（2）矢量相减）矢量相减CBA可以写成可以写成CBA)(ABCD从矢量从矢量A出发，首尾相接的依次作出矢量出发，首尾相接的依次作出矢量,DCB和再由矢量再由矢量DR的始端到最后矢量的始端到最后矢量的末端的末端A画一矢量即为合矢量画一矢量即为合矢量R三角形法三角形法，从一点画矢量，从一点画矢量C由矢量由矢量的末端向矢量的末端作一矢量即矢量的末端向矢量的末端作一矢量即矢量,BA和BBCACBAABxyO四、矢量的正交分解与合成四、矢量的正交分解与合成1、 矢量沿直角坐标系的正交分解矢量沿直角坐标系的正交分解AAxAy22xyAAAjAiAjAiAA

21、AAyxyxsincosxyAAarctan注意：注意：是由是由Ox轴按轴按逆时针方向逆时针方向旋转至旋转至 角度。角度。A（1）二维直角坐标系）二维直角坐标系kAjAiAAzyxAAxAyAz O Oijk222zyxAAAAA cosAAx cosAAy cosAAz （2）三维直角坐标系）三维直角坐标系xyz方向：由方向：由 确定。确定。、CAByxO xAyAxByBjAiAAyxjBiBByxjBAiBABACyyxx)()(jCiCCyx22yxCCCxyCCarctansincosAAAAyxsincosBBBByxxxxBACyyyBAC2、 矢量合成的解析法矢量合成的解析法（1）两个矢量合成：）两个矢量合成：BAC12nRAAA121212xxxnxyyynyzzznzRAAARAAARAAA222xyzRRRRcosxRRcosyRRcoszRR（2）多