大学物理学：绪论

1、修德修德博学博学求实求实创新创新一一. 什么是物理学什么是物理学l 物理学物理学是研究物质世界最基本形态的科学是研究物质世界最基本形态的科学l 物理学研究的范围物理学研究的范围 物质世界的层次和数量级物质世界的层次和数量级物理学物理学 (Physics)质子质子 10- -15 m空间尺度：空间尺度：物物 质质 结结 构构物质相互作用物质相互作用物质运动规律物质运动规律微观粒子微观粒子Microscopic介观物质介观物质mesoscopic宏观物质宏观物质macroscopic宇观物质宇观物质cosmological类星体类星体 10 26 m时间尺度：时间尺度： 基本粒子寿命基本粒子寿命

2、10- -25 s宇宙寿命宇宙寿命 1018 s蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次E-15E-15E-12E-12E-09E-09E-06E-06E-03E-031m1mE+03E+03E+06E+06E+09E+09E+12E+12E+15E+15E+18E+18E+21E+21E+24E+24E+27E+27最小最小 的细胞的细胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子DNADNA长度长度星系团星系团银河系银河系最近恒最近恒星的距离星的距离太阳系太阳系太阳太阳山山哈勃半径哈勃半径超星系团超星系团人人宇观宇观宏观宏观介观介观微观微观物物理理现现象象

3、按空间尺度划分：按空间尺度划分： 量子力学量子力学 经典物理学经典物理学 宇宙物理学宇宙物理学 按速率大小划分：按速率大小划分： 相对论物理学相对论物理学 非相对论物理学非相对论物理学 按客体大小划分：按客体大小划分： 微观系统微观系统 宏观系统宏观系统 按运动速度划分：按运动速度划分： 低速现象低速现象 高速现象高速现象 实验实验物理物理理论理论物理物理计算计算物理物理今日物理学今日物理学l 物理学的发展物理学的发展 牛顿力学牛顿力学 (Mechanics) 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 电磁学电磁学 (Electromag

4、netism) 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 热力学热力学 (Thermodynamics) 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现研究物质热运动的统计规律及其宏观表现 相对论相对论 (Relativity) 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学量子力学 (Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律研究微观物质运动现象以及基本运动规律二二. .物理学的五大基本理论物理学的五大基本理论物理学是一门最基本的科学物理学是一门最基本的科学; ;是最

5、古老、但发展最是最古老、但发展最快的科学快的科学; ;它提供最多、最基本的科学研究手段。它提供最多、最基本的科学研究手段。1. “以太以太”不在不在相对论相对论2. 紫外灾难紫外灾难量子论量子论 对自然规律的探索还远无止境，终极真理、无所作为对自然规律的探索还远无止境，终极真理、无所作为的观念都是不正确的，物理理论总是在一定条件下成立。的观念都是不正确的，物理理论总是在一定条件下成立。以经典力学、经典电磁场理论和经典以经典力学、经典电磁场理论和经典统计力学为三大支柱的经典物理大厦统计力学为三大支柱的经典物理大厦已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观已经建成，而且基础牢固，宏伟壮观!l 物理学是一切自

6、然科学的基础物理学是一切自然科学的基础l 物理学派生出来的分支及交叉学科物理学派生出来的分支及交叉学科物理学构成了化学、生物学、材料科学、物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础，物理学的基本地球物理学等学科的基础，物理学的基本概念和技术被应用到所有自然科学之中概念和技术被应用到所有自然科学之中。l 物理学与数学之间有着深刻的内在联系物理学与数学之间有着深刻的内在联系粒粒子子物物理理学学原原子子核核物物理理学学原原子子分分子子物物理理学学固固体体物物理理学学凝凝聚聚态态物物理理学学激激光光物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学地地球球物物理理学学生生物物物物理理学学天天体体

7、物物理理学学宇宇宙宙射射线线物物理理学学三三. 物理学是构成自然科学的理论基础物理学是构成自然科学的理论基础四四. 物理学与技术物理学与技术2020世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 热机的发明和使用，提供了第一种模式：热机的发明和使用，提供了第一种模式： 电气化的进程，提供了第二种模式：电气化的进程，提供了第二种模式：核能的利用核能的利用激光器的产生激光器的产生层析成像技术层析成像技术(CT)(CT)超导电子技术超导电子技术技术技术 物理物理 技术技术物理物理 技术技术 物理物理 粒子散射实验粒子散射实验X 射线的发现射线的发

8、现受激辐射理论受激辐射理论低温超导微观理论低温超导微观理论电子计算机的诞生电子计算机的诞生 1947年年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了晶体管晶体管，标志着，标志着信息时代信息时代的开始的开始 1962年年 发明了发明了集成电路集成电路 70年代后期年代后期 出现了出现了大规模集成电路大规模集成电路 1925 26年年 建立了建立了量子力学量子力学 1926年年 建立了建立了费米费米 狄拉克统计狄拉克统计 1927年年 建立了建立了布洛赫波的理论布洛赫波的理论 1928年年 索末菲提出索末菲提出能带能带的猜想的猜想 1929年年 派尔斯提出派尔斯提

9、出禁带禁带、空穴空穴的概念的概念 同年贝特提出了同年贝特提出了费米面费米面的概念的概念 1957年年 皮帕得皮帕得测量测量了了第一个费米第一个费米面面超晶格材料超晶格材料纳米材料纳米材料光子晶体光子晶体晶体管的发明晶体管的发明大规模集成电路大规模集成电路电子计算机电子计算机信息技术与工程信息技术与工程 几乎所有的重大新几乎所有的重大新(高高)技术领域的创立，事先都在物理学中技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。经过长期的酝酿。 当今物理学和科学技术的关系当今物理学和科学技术的关系两种模式并存，相互交叉，相互促进两种模式并存，相互交叉，相互促进“没有昨日的基础科学就没有今日的没有昨日的

10、基础科学就没有今日的技术革命技术革命”。 李政李政道道量子力学量子力学能带理论能带理论人工设计材料人工设计材料五五. 物理学的方法和科学态度物理学的方法和科学态度提提出出命命题题推推测测答答案案理理论论预预言言实实验验验验证证修修改改理理论论现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的从新的观测事实观测事实或实验事或实验事实中提炼实中提炼出来，或出来，或从已有原从已有原理中推演理中推演出来出来 建立模建立模型；用已型；用已知原理对知原理对现象作定现象作定性解释，性解释，进行逻辑进行逻辑推理和数推理和数学演算学演算 新的新的理论必理论必须提出须

11、提出能够为能够为实验所实验所证伪的证伪的预言预言 一切一切物理理物理理论最终论最终都要以都要以观测或观测或实验事实验事实为准实为准则则 当一当一个理论与个理论与实验事实实验事实不符时，不符时，它就面临它就面临着被修改着被修改或被推翻或被推翻 六六. 怎样学习物理学怎样学习物理学著名物理学家费曼说：著名物理学家费曼说：科学是一种方法。它教导人们：一些事物是科学是一种方法。它教导人们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如何思考事物，做出判证据服从什么

12、法则；如何思考事物，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 。著名物理学家爱因斯坦说：著名物理学家爱因斯坦说： 发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化人来，他一定会更好地适应进步和变化 。 学习的观点：学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解从整体上