大学物理绪论 2

1、大学物理学主讲教师主讲教师 吴琦吴琦 公共邮箱公共邮箱课程安排：课程安排： 144学时（春学时（春80、秋、秋64）作业：作业：4本（春、秋各本（春、秋各2本）本）+2本模拟题本模拟题购买地点：购买地点：B320答疑地点：答疑地点：二楼答疑室二楼答疑室答疑时间：答疑时间：星期一星期一五五12：3013：30成绩评定：成绩评定：平时平时15%+期中期中30%+期末期末55%斯蒂芬斯蒂芬. . 霍金霍金 1942 1942年生于英国。年生于英国。2121岁患重症肌无力，全身致残。岁患重症肌无力，全身致残。以坚强的毅力进行科研。是继爱因斯坦后最伟大的物以坚强的毅力进行科研。是继爱因斯坦后最伟大的物理

2、学家。把量子力学和广义相对论结合起来，提出了理学家。把量子力学和广义相对论结合起来，提出了宇宙宇宙“ “ 开放暴胀论开放暴胀论” （一）物理学的研究对象和研究方法（一）物理学的研究对象和研究方法 物理学是研究物质的物理学是研究物质的结构结构、相互作用相互作用和物质基和物质基本的、普遍的本的、普遍的运动形式运动形式及其相互转化规律的科学及其相互转化规律的科学。 （一）物理学的研究对象和研究方法（一）物理学的研究对象和研究方法 物理学是研究物质的物理学是研究物质的结构结构、相互作用相互作用和物质基和物质基本的、普遍的本的、普遍的运动形式运动形式及其相互转化规律的科学及其相互转化规律的科学。*物理学

3、物理学研究对象研究对象 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） 不同尺度和速率范围的对象要用不同尺度和速率范围的对象要用不同的物理理论研究不同的物理理论研究102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010相对论物

4、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)物质世界结构物质世界结构实物物质实物物质分分 子子原原 子子原子核原子核质子质子中子中子夸夸 克克 电电 子子（轻子）（轻子） 场场 规范粒子规范粒子宇宇宙宙大大爆爆炸炸标标准准模模型型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1. 实物物质都由费米子组成：实物物质都由费米子组成：轻子轻子夸克夸克电子电子子子中微子中微子夸克夸克反夸克反夸克组成组成强子强子介子介子重子重子核子核子超子超子质子质子中子中子1夸克夸克+1反夸克反夸克（3个夸克）个夸克）夸克夸克: 与轻子属同一层次，尚未

5、发现内部结构；与轻子属同一层次，尚未发现内部结构； 实验中尚未找到自由夸克。实验中尚未找到自由夸克。子子2. 物质存在的另一种基本形式物质存在的另一种基本形式 场场现代物理学家认为：现代物理学家认为： 物质存在的两种基本形式中，场是更基本的。实物质存在的两种基本形式中，场是更基本的。实物与场均由基本粒子组成物与场均由基本粒子组成实物实物 自旋为半奇数的费米子自旋为半奇数的费米子场场 自旋为整数的玻色子自旋为整数的玻色子 实物粒子实物粒子：在空间占有一定的有限体积，：在空间占有一定的有限体积， 具有不可入性；具有不可入性； 场场 ：充满空间，没有不可入性。：充满空间，没有不可入性。 二者共同点：

6、场和实物粒子都具有能量和动量等二者共同点：场和实物粒子都具有能量和动量等粒子物理标准模型粒子物理标准模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(色色)电弱电弱电磁电磁弱弱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(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

7、( (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种粒子间的相互作用（四大作用）粒子间的相互作用（四大作用） 对象对象 作用距离作用距离 （cm） 传递传递引力引力 所有粒子所有粒子 引力子引力子电磁电磁 带电粒

8、子带电粒子 光子光子强强 强子强子 10 -13 胶子胶子 g弱弱 大多数粒子大多数粒子 10 -16 中间玻色子中间玻色子W ，Z0大爆炸宇宙标准模型大爆炸宇宙标准模型宇宙诞生宇宙诞生（150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10-24 s大统一时代大统一时代1023K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光子脱耦光子脱耦1011K 1011K 109K 4000K大爆炸宇宙学说验证大爆炸宇宙学说验证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

9、爆炸的辐射仍残存在我们的周围。1965年年 彭齐亚斯和威尔逊观测到了充满宇宙空间的、温彭齐亚斯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。1989年年11月月 宇宙背景探测卫星证明了上述

10、结论。宇宙背景探测卫星证明了上述结论。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天天 体体 物物 理理60年代的四大发现年代的四大发现1） 类星体类星体（63年）年） 红移大红移大 辐射功率大辐射功率大2）宇宙背景辐射宇宙背景辐射（65年）年） 密度高密度高 磁场强磁场强3） 脉冲星（中子星脉冲星（中子星） （67年）年）T=2.7K3K m=1.7mm4) 4) 星际有机分

11、子星际有机分子（63年）年）物理学的研究方法物理学的研究方法物理学是一门理论与实验高度结合的精确科学，物理学是一门理论与实验高度结合的精确科学，其研究方法可以概括为：其研究方法可以概括为：提出命题提出命题推测答案推测答案理论预言理论预言实验检验实验检验修改理论修改理论应应 用用物理上的直觉、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从方法论上讲，从方法论上讲，物理学的研究方法可以分为：物理学的研究方法可以分为： 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 ： 归纳实验或观测事实归纳实验或观测事实 假设、模型

12、假设、模型 新理论新理论具体地说，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：u对称性分析对称性分析u守恒量的利用守恒量的利用u简化模型的选取简化模型的选取u概念和方法的类比概念和方法的类比u定性和半定量分析定性和半定量分析u量纲分析量纲分析物理学在不断发展物理学在不断发展前沿前沿 粒子物理、粒子物理、 天体物理天体物理 、 复杂性研究复杂性研究 经典经典物理也在发展物理也在发展 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 21世纪物理学的发展趋势世纪物理学的发展趋势 把对把对微观微观世界的研究与对世界的研究与对宏观宏观世界的

13、研究结合起来世界的研究结合起来20世纪世纪麦克尔逊 - 莫雷实验黑体辐射 光电效应相相 对对 论论 量子力学量子力学 21世纪世纪微观世界微观世界两大两大疑问疑问宇宙中的宇宙中的两大两大疑问疑问 弱相互作用中宇称不守恒弱相互作用中宇称不守恒 自由夸克没有观测到自由夸克没有观测到 暗物质是什么暗物质是什么 类星体具有巨大能量类星体具有巨大能量“真空真空”( (二二) )物理学与技术物理学与技术 物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域, ,应用应用于生产技术的各个部门于生产技术的各个部门, ,是许多自然科学的基础是许多自然科学的基础, ,也是也是工程技术特别是

14、高新技术的基础工程技术特别是高新技术的基础. .历史上物理与技术的关系大致有两种模式历史上物理与技术的关系大致有两种模式: (以第一次工业革命为标志) (以电气化进程为标志)本世纪两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的新本世纪两种模式并存、交叉，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技术的创立，都是以物理学的发展为先导的 。例如：爱因斯坦受激辐射理论（1917）第一台激光器诞生（1960）现代光学（物理）（物理）（技术）（技术）（物理）（物理） 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

15、硬件部分几乎都以物理学成果为基础：晶体管诞生（1947）集成电路 （1962）大规模集成电路（70年代后期）量子力学费米-狄拉克统计固体能带理论（20年代）微结构物 理（物理）（物理）（技术）（技术）（物理）（物理）物理等基础科学与工程技术的关系可以形象地物理等基础科学与工程技术的关系可以形象地 用用“知识之树知识之树”表示表示：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定定性性的的和和定定量量的的人类理解人类理解 美美学学土土木木工工程程医医 学学机械工程机械工程电电气气工工程程结构学结构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

16、学应用生物学应用生物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化化 工工航航 空空 学学知知识识之之树树2021世纪物理学世纪物理学深入深入渗透到其它学科渗透到其它学科化学：量子化学、激光化学、分子反应动力学等等化学：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（飞秒激光）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。研究原子的微观运动，获得诺贝尔化学奖。10-15秒秒生命科学：生命科学： DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构Francis Crick & James W

17、atsonDNA的双螺旋结构的双螺旋结构DNA的的双双螺螺旋旋构构型型物理学渗入经济学物理学渗入经济学M.S.Scholes & F.S.Black 利用布朗运动模型和随机微分方程导出利用布朗运动模型和随机微分方程导出 BlackScholes 期期权定价公式，获权定价公式，获1997年诺贝尔经济学奖。年诺贝尔经济学奖。( (三三) )为什么要学习物理学为什么要学习物理学 ?打好学习其它学科的基础打好学习其它学科的基础 提高科学素质和能力，以适应高新技术和市场经济的提高科学素质和能力，以适应高新技术和市场经济的 发发展（转产、转行）展（转产、转行） 学习物理对提高科学素质有重要作用学习

18、物理对提高科学素质有重要作用：（1）培养辩证唯物主义的世界观）培养辩证唯物主义的世界观（2）学会掌握科学的方法）学会掌握科学的方法（3）培养科学思维能力、发展智力）培养科学思维能力、发展智力（4）培养探索与创新精神）培养探索与创新精神 现代工程技术人员必须具备良好的科学素质：现代工程技术人员必须具备良好的科学素质： 现代工业技术的工程师类型：现代工业技术的工程师类型： 工程科学家型工程科学家型： 善于从战略思想上把当代科学成就和工善于从战略思想上把当代科学成就和工程技术联系起来，出概念、出思想。程技术联系起来，出概念、出思想。 革新发明家型革新发明家型： 能创造性的运用当代科技知识建造工程能创

19、造性的运用当代科技知识建造工程系统，发明新方法、创造新产品。系统，发明新方法、创造新产品。 现场工程专家型现场工程专家型： 在现场从事建造、操作和维护复杂设备在现场从事建造、操作和维护复杂设备和工程系统的正常工作。和工程系统的正常工作。 管理规划专家型管理规划专家型： 在领导或管理部门工作，但活动仍以技在领导或管理部门工作，但活动仍以技术术 为背景。为背景。 特点是：（特点是：（1）往往涉及边缘科学，知识面广；）往往涉及边缘科学，知识面广； （2）对新技术、新方向有敏锐的鉴察识别力；）对新技术、新方向有敏锐的鉴察识别力； （3）对方针政策有深刻理解。）对方针政策有深刻理解。 工程技术人员良好的物理素质表现在工程技术人员良好的物理素质表现在： 在工程技术问题面前，能够从物理本质上提出问题和在工程技术问题面前，能够从物理本质上提出问题和做出判断；做出判断； - （分析问题）（分析问题） 能够把物理学的思想、观点、规律和方法运用到工能够把物理学的思想、观点、规律和方法运用到工程技术的实际中；程技术的实际中； - （解决问题）（解决问题） 注意物理学的发展，不断探索如何把物理学的