文化物理全套课件完整版电子教案最新板

1、文化物理 第一章 造化无限 妙理堪寻 人类生存于地球雾海上的漫游者（弗里德里希，1818） 太平洋中一片浮叶上的蚂蚁 但是，人类需要理解自然，得到自然的法则，以我们发明的方式表达出来，并应用于自然，这正是物理学的范式。费因曼（Feynman 19181988）思想最空灵潇洒的物理学家我想知道这是为什么。我想知道这是为什么。我想知道为什么我想知道这是为什么。我想知道究竟为什么我非要知道我为什么想知道这是为什么！ 费因曼 一个玩物理的人. 一个杰出的教育家, 最好的大学物理教材. 一个表演艺术家. 一个在Topless酒吧做物理的诺贝尔奖获得者 一个开锁专家. 一个空前绝后的卡片机操作员. 一个特

2、别会算积分的非数学家. 一个特别会捉弄数学家的狡辩者. 最后的辉煌 永远的传奇, We love you, Dick. Seminar at Caltech Richard Feynman lecturing at Caltech Seminar Day 1978 Physics. 1.1 物理学的意义我们在宇宙中的位置物理学的起源物理简史一、我们在宇宙中的位置科学的基本问题是：宇宙是怎样起源的？生命是怎样起源的？人类的未来会怎样？ “世界上有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。” 康德康德（I. Kant，1724-1804）地球周长

3、大约为4万公里 地-月距离大约为38万公里，光走1秒，目前测量误差不超过8厘米我们是如何知道的？一、我们在宇宙中的位置物理学有史以来最美丽的十大实验：“最美丽”的科学之魂：最简单的仪器和设备，发现了最根本的科学准则。 一、我们在宇宙中的位置厄拉多塞（ Eratosthenes ）在公元前三世纪估算地球周长(276-194 B.C. a librarian in Alexandria)地球周长 = 40000 公里 （实际：40076公里） = 714 (1/50 of 360)两城市间距离 = 800 公里实验测量决定一切，是物理学基本原则。一、我们在宇宙中的位置太阳据地球一亿五千万公里，光从

4、太阳到地球要走8分多钟。 月蚀 日蚀惟有科学才能破除迷信一、我们在宇宙中的位置太阳、地球、月亮三者在空间上的关系，导致了许多奇妙的自然现象 潮汐现象地日月月地日大潮小潮一、我们在宇宙中的位置一、我们在宇宙中的位置太阳系这被评为最好的太阳系照片：构图和这些行星的颜色都恰到好处。红色的火星、绿色天王星和天蓝色海王星。该图还显示了这些行星的相对大小：金星跟地球一样大，但是它处于近地点时，看起来显然比更加遥远的土星更大。更令人不可思议的是，所有这些照片都是在同一天晚上拍摄的。摄影师的创造力，持之以恒的态度和显而易见的激情共同成就了这幅作品。 光年：光年是宇宙学中的长度单位，意义是光以每秒30万公里速度

5、狂奔1年，所经过的距离 。一、我们在宇宙中的位置太阳是银河系中至少1千亿（1的后12个0）个恒星中的一员。银河系由恒星和星系物质组成的巨大的、盘状系统，又是构成宇宙的几千亿个星系中的一个，属旋涡星系类 。一、我们在宇宙中的位置天界夜色凉如水坐看牵牛织女星织女星牛郎星相距16光年银河系之外又如何？宇宙究竟有多大？它在运动还是静止？ 多普勒效应：C. Doppler，1803-1853 一、我们在宇宙中的位置声音会在声源相对于观察者运动时发生变化：高亢代表靠近，低沉就是离远 光也是一种波，也有类似特征，只不过光不是以音调，而是以颜色来表现 一、我们在宇宙中的位置当一个天体（光源）远离我们而去时，光

6、谱中的颜色向红色端移动，简称红移；而接近我们时，颜色向蓝色端移动，称之蓝移 哈勃（P. Hubble，1889-1953）现代天文学之父 从遥远星系中传来的电磁波谱，与地球上测量到的同种元素的光谱相比，具有红移现象为了解释这个想象，他假设所有星系都在远离我们而去（多普勒效应）。一、我们在宇宙中的位置红移宇宙爆炸理论：伽莫夫告诉我们10-4秒以来宇宙发生的故事。最终的问题是：宇宙从何而来？一、我们在宇宙中的位置大约在140亿年前，没有空间、没有时间、更没有物质存在。宇宙所有的一切从现在到宇宙创建之时的每个粒子全部浓缩在一个无限高温的“奇点”中。能量奇点突然爆裂 ，膨胀开始了时间开始了.伽莫夫（G

7、amow 1904-1968）一、我们在宇宙中的位置能量演化出物质，包括时间和空间、所有的基本粒子和四种基本力。50亿年以后，太阳系诞生了。90亿年后地球诞生140亿后（十万年前）智人的出现2500年前哲学（不论是东方还是西方）肇始400年前科学启蒙一切都是在大约煎好一个荷包蛋的时间里完成 这个宇宙诞生和演化图像，看似荒诞，提出时更是受到冷嘲热讽，但几十年来一直受到实验的严格检验。 BBC电台以此图片讽刺伽莫夫打开了潘多拉黑匣子。一、我们在宇宙中的位置实验证据：宇宙背景辐射彭齐亚斯和威尔逊被授予了1978年的诺贝尔物理学奖，得到了哈勃和伽莫夫都未曾获得的最高荣誉 一、我们在宇宙中的位置宇宙背景

8、辐射示意图Cosmic Background Explorer (COBE)一、我们在宇宙中的位置测量结果与现在的最新理论预言（背景温度2.735K）完全符合，使大爆炸理论经历了最严格的实验检验。 1989年1月，美国发射了一颗专门的宇宙背景辐射探测器(COBE) 宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏 ，科学家们花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，称之为“宇宙蛋” 。热斑点对应于更密集区域，后来这些区域发展成为星系。一、我们在宇宙中的位置雾海上的漫游者（弗里德里希，1818） 宇宙庞大无垠，给人一种威慑的感觉，它一直深深地埋藏在人类的

9、心灵中。太阳西沉，星星爬上天空，由此产生了一种危险与飘忽不定的感觉。现在都知道，星球离我们实在太远，但它们的光亮仍能激励我们。事实上，正是星星邀请你研究自然，访问科学。另外一方面，当评估了地球在宇宙格局中的地位时，这使我们变得较为谦虚。同时，当400年的科学技术发展到能够审视和理解宇宙结构，甚至探究她的起源时，我们又为人类的智慧感到自豪。 一、我们在宇宙中的位置二、物理学的起源理性主义的起源我们必须从古希腊开始.第一个自然哲学家泰勒斯（Thales，624-567 BC）：“万物源于水”追求万物的共同本源，是哲学思维的开始 赫拉克利特（Heraclitus，536-470BC）火“对立统一”；

10、“万物皆流”首次科学综合水、火、气、土德漠克利(Democritus 前460-前371 ）的原子论古希腊哲学第一个伟大时期的最高峰。 东方：金、木、水、火、土柏拉图(427-347BC）世界分成两大部分：可见的世界和理念的世界。理念的世界则不依赖于时空 ,是永恒不变的、真正的实在 ；可见的世界“一切皆变，无物常在” 。强调必须从人类需要和意向中先验论出发，来推导出对自然的看法； 神是好的，球是最完美的形式，因此宇宙必然是球体； 实验是渎神的，是下流的机械技术 ；艺术乃人类灵魂的大敌，提出理念世界必须拒斥艺术。 怀疑论和神秘主义结合到一起，成就了一个伟大的唯心主义哲学家。整部西方哲学史都是在为

11、柏拉图做注脚。 二、物理学的起源哲学活动只关涉惟一的一个世界，也就是人类生活和经验的世界。为了把握世界的真理，必须重视感性经验。“我爱我师，我更爱真理” 哲学的目的在于找出事物的本性和原因，因而发展了一套“物理学”，以穷事物之道理。逻辑学、物理学、政治学、经济学、心理学、形而上学、气象学、修辞学和伦理学的奠基人。他让人类开始理解能量、以太、动因、归纳、证明、实质、属性、本质、逻辑、偶因、范畴等等概念 三段论法的发现，就足以使他永垂不朽。亚里士多德(Aristotle, 384 - 322 B.C.)“智者的老师” 但丁 二、物理学的起源二、物理学的起源庄子曰：“析万物之理”。就是物理学的目的和

12、意义 中国的理性自然观：格物致知 ；天人合一 ；阴阳太极 中国文化传统中的宇宙观：宇宙的概念： “四方上下曰宇，往古来今曰宙” 宇宙进化论：“道生一，一生二，二生三，三生万物” “太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦” “万物生于有，有生于无”二、物理学的起源不论东方还是西方，哲学都是思辩哲谜宫中望见的星空你望着星空发出的天问物理学从哲学中独立出来科学方法论实验研究逻辑思考抽象模型数量分析统一法则二、物理学的起源斯诺（C.P. Snow，1905-1980），物理学家出身，后来从文，作过政府顾问，一生丰富多彩，犹喜论战。 两种文化人文文化文学知识分子 科学文化科学家 矛盾敌意为什么要开设“文科物

13、理”？斯诺说：“人文学者对于不读莎士比亚的科学家嗤之以鼻，但是，不懂“热力学第二定律”的艺术家和文学家自己不是常常伊于胡底？” 二、物理学的起源In effect, that their lack of knowledge of the second law of thermodynamics was equivalent to scientists not ever reading a work of Shakespeare .人文文化是关于精神世界的，主要是满足精神世界与社会需要的终极关怀，主要是求善，追求具有普适价值观的人文精神。科学文化是关于客观世界的，追求的目标是以科学的方法认知自然

14、界及其本质与规律，科学的求真精神贯穿科学文化始终。共同基础：同源于实践，同源于人脑 二、物理学的起源源于实践，生于大脑；形成经验，凝成知识，差于形态，异于功能；通于思维，补于方法，融于精神，升于境界；浑成整体，不可分割，互动互融，止于至善。我们这门课的主要目的，不是叫你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识我希望的是，你们能够像真正的物理学家们一样，欣赏到这个世界的美妙。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生以来最伟大的探索中来。费因曼二、物理学的起源 千禧之年，加拿大的环球邮

15、报、美国新闻周刊和英国BBC等10几家世界级大媒体作了一次调查，请世界各国的读者评选，从公元1001年至今，1000年来对整个世界影响最大的100位名人。猜猜看是谁荣登榜首？NoNoNoNoYes拿破仑华盛顿莎士比亚比尔 盖茨爱因斯坦二、物理学的起源细看物理愁如海， 遥想朋从眼欲花。逆水雨儿冲断岸， 贪泥燕子堕危沙。百年乔木参天上，一昔平芜着处佳。行乐不妨随邂逅，我无官守似蚳蛙。 陈傅良（ 宋, 1137-1203）一片花飞减却春，风飘万点正愁人。且看欲尽花经眼，莫厌伤多酒入唇。江上小堂巢翡翠，苑边高冢卧麒麟。细推物理须行乐，何用浮名绊此身。 杜甫( 唐，712-770 )三、物理简史“致知在

16、格物，物格而后知至”。 礼记大学什么是物理学？为什么要学习物理学？物理学是最基础的关于自然的学问，因此是最具有诗意的科学。 霍金（S. Hawking, 1942- )物理学是人类理解自然的最普适语言哲学与社会对话物理与自然对话艺术与自我对话理解宇宙三、物理简史伽利略1564 1642 科学研究方法牛顿1642 1727麦克斯韦1831 1879经典物理学现代物理学爱因斯坦1879 1955三、物理简史三、物理简史“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。” 爱因斯坦“他是第一个给我们打开通向整个物理领域大门的人。” 霍布斯（T. H

17、obbes，1588-1679 ）三、物理简史“牛顿是人类真正的骄傲。” 伏尔泰 牛顿运动三大定律奠定了经典力学的基础 宇宙的经典力学图像 三、物理简史综各家之所长，挥经纶之巨手，天才般地写出了麦克斯韦方程组 宇宙的电磁图像“麦克斯韦的名字将永远闪烁在经典物理的大门之上” 普朗克 三、物理简史爱因斯坦标志着经典物理学的结束，近代物理学的开始。 爱因斯坦彻底改变了人类对宇宙的基本看法伽利略1564 1642 牛顿1642 1727爱因斯坦1879 1955江山代有才人出，各领风骚一百年。三、物理简史“科学、宗教与艺术是一个金字塔的三面，当人们站在塔的不同侧面的底部时，他们之间相距很远，但当他们爬

18、到塔的高处时，他们之间的距离就近多了。” 萨顿 ( G. Sarton, 1884-1956，历史学家，科学史的奠基人）三、物理简史文化物理 自然与数学物质世界的层次宇宙中的均衡与相互作用黑洞的意义宇宙大蟒1.2 时空与万物 一、自然与数学毕达哥拉斯（Pythagoras，584-497 BC ）:“数即万物” “宇宙的本质可以通过数字和纯几何形式来揭示的”自然是和谐的则两弦发的音相差8倍则两弦发的音相差5倍不同弦长发出的音调加在一起，形成某种音乐旋律 空间时间 光自古希腊起，自然哲学家一直在探索三者之间的关系一个人倘若常常凝想宇宙的浩渺无际，时间的茫无头尾，便会因为过分的虚无感和人生短暂的伤

19、感而使心灵在重负下受伤。反过来，如果人们永远意识不到宇宙在时空上的无限性，便会使心灵因缺少哲理的永恒依托而变得轻浮浅薄。 一、自然与数学抽象线性连续关于空间科学概念的发展 (Euclids 几何原本, c.300 B.C.)Euclids 公设 （Postulates）1. 两点之间存在一条直线。2.任意一条线段可以无限延长成直线。3. 以任意一条线段为半径可画一个圆。4. 所有直角一概相等。5. 平行线永不相交。公元前3世纪，欧几里得（公元前330？前275？）总结了史前文明对空间意义的零星的思考，创立了作为整个科学基础的欧氏几何学，他的几何原本是古希腊科学的最高成就。 一、自然与数学- 他

20、把抽象思维转化成几何图形 - 他定义了与图形相关的术语- 他在几何图形基础上提出了若干公理（axioms） - 他在这些公理的基础上提出5个公设（postulates ）随后，阿基米德补充：空间任意两点的最短距离是直线。欧几里德的几何系统来源于智力抽象（mental abstraction）欧氏几何的核心：空间是由直线构造而成的；圆是最美的形式。这个几何系统意味着空间是均匀（uniform）, 连续（continuous）, 同质（homogenous）和空的（ empty）。 一、自然与数学 欧氏几何 成为古希腊科学与哲学的基础。在柏拉图（427-374 B.C.）学院的大门上雕刻着:“不懂

21、几何学者勿入”（Let no one enter who is not schooled in geometry）芝诺（Zeno, 公元前5世纪哲学家）提出悖论，来揭示有关空间概念的矛盾之处。 (例如：飞毛腿阿基里斯和乌龟赛跑) 一、自然与数学希腊人一直没有认真对待和真正解决这个悖论OAlBCD设阿基里斯和乌龟的速度分别为V1和V2（ V1V2） 一、自然与数学时间的意义：时间图像必须既具有线性化的直线特征，又必须包括轮回性的圆的特征 ,这就是螺旋线，代表一条均匀流逝的，又具有轮回周期特征的时间长河 .人类不仅可以观察自然，更具有在高层次上，抽象思考自然的能力 一、自然与数学组成宇宙物质的五个

22、基本物体（The five Platonic Solids）：六面体土四面体火八面体气十二面体以太二十面体水柏拉图（Plato，427-347 BC）完美的几何形体 一、自然与数学雅典学派 拉斐尔（Raphael， 1510-1511）天才的拉斐尔定格了哲学家那崇尚高贵的情操和古希腊那高度理想的黄金时代。 一、自然与数学 一、自然与数学哲学是科学的纯粹形式；古希腊哲学的核心是理性主义古希腊科学的品质是理性、理想和唯美的结合。这种思想直接被物理学所继承，比如开普勒行星模型：六个行星的轨道恰好同五种有规则的正多面体相联系：土星轨道在一个正六面体的外接球上，木星轨道便在这个正六面体的内切球上确定木星

23、轨道的球内接一个正四面体，火星轨道便在这个正四面体的内切球上照此交替内接 （或内切）的步骤，决定各行星轨道开普勒确信太阳系的行星只有 6 颗 得到的各个球的半径比率与各个行星轨道大小的已知值相当吻合。 开普勒无比喜悦：“我从这个发现所得到的极度喜悦是无法用语言来表达的。我不怕任何麻烦，我不辞辛劳、日以继夜地进行计算，直到我能够看到是否我的假设符合哥白尼的轨道，或者是否我的喜悦要落空”。 一、自然与数学 一、自然与数学模型的意义：从个体到一般从复杂到简单从现实到理想物理学的基本方法之一：还原论物理学是制造模型的活动，而且遵守极简主义原则 。 二、物质世界的层次四方上下谓之“宇” 空间空间基准单位

24、是“米” 10幂次方代表“数量级” 102510-15 称之宇宙的 40个“台阶” “40次变焦”，巡遍整个宇宙 时间基准单位是“秒” 10幂次方代表“数量级” 时间的跨度 也是40个数量级“阿秒”10-18秒 二、物质世界的层次古往今来谓之“宙” 时间阿秒频闪技术观察电子运动101810-22李政道先生书：宇宙大蟒至大的宇宙和至小的基本粒子遵循的物理法则是相同的 。 二、物质世界的层次不断的自我吞食和再生，寓意万物的统一性，从不消失，但却在毁灭与再生的循环中不断改变自己的形式 微观介观宏观宇观量子力学经典力学天体物理 二、物质世界的层次 二、物质世界的层次质量跨度：1078个原子，造化无限物

25、理学的基本方法之二：实验研究 三、宇宙中的均衡与相互作用结论：自然界的物质存在不是随意的，其存在的可能性由某种规律决定 。自然力的平衡结果推论：自然力的数目有限 。 三、宇宙中的均衡与相互作用强力弱力万有引力电磁力什么是力？简单地说，力将驱动宇宙间物体，改变它们的运动。 只有四种自然力控制整个宇宙： 原子核内10-15米宏观宏观相对强度110-3原子核内10-15米10-3810-2 三、宇宙中的均衡与相互作用密度：物体的质量与其体积之比 固体都排列在这条直线的周围 固体物质的密度都相差无几密度的相似性 当物质的密度接近于单一原子的密度，那么引力和原子力之间就取得了平衡，这种物质在自然界的存在

26、才有了可能 黑洞区量子区天公造化非无限物含妙理总堪寻 三、宇宙中的均衡与相互作用（质量大，体积小）（质量小，体积小）密度的相似性：自然力的平衡结果 三、宇宙中的均衡与相互作用“测量”的意义：质量大，晃动小，可“见”质量小，晃动大，不可“见”这一思想首先是由量子物理学家海森伯（W.K. Heisenberg, 1907-1976）提出，并在著名的“不确定原理”中加以表述 。什么是黑洞（Black hole）？天体质量增加，或半径减少，逃逸速度增加。如果逃逸速度大于光速 c, 则光也无法逃逸。 四、黑洞的意义光线黑洞经典定义： 四、黑洞的意义地球（半径为6400公里）变成黑洞，大小如同一个乒乓球太

27、阳（半径为70万公里）变成黑洞，半径只有3公里经典观点：黑洞致密天体（每立方厘米100亿吨） 四、黑洞的意义利用黑洞模型估计宇宙大小：意义：生活在此球内部的人，不可能将光发射到其之外 宇宙的平均密度： 得宇宙的大小R至大无外，大莫过于宇宙。 四、黑洞的意义什么是黑洞（Black hole）？现代定义：在宇宙中，存在一个时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这个区域称作黑洞。黑洞的边界刚好和不能从黑洞逃逸的光线重合。 恒星的强大引力导致光线向内偏折当收缩到某一临界半径时，引力光线再也逃逸不出去 世紀大賭博索恩(Kip Thorne)賭: 天鵝座x-1是黑洞霍金(Steph

28、en Hawking)賭: 天鵝座X-1不是黑洞黑洞真的存在吗？天鵝座 X-1 四、黑洞的意义黑洞可探测吗？来吧！你永不可拒绝我，这个世界，才是我最后的晚餐。 作者自拟Yes! 黑色晚礼服的小伙子和白色衣裙的姑娘翩翩起舞 四、黑洞的意义 四、黑洞的意义黑洞的时间图景：你的时间越来越慢，最终成为永恒。你我进入黑洞的那一瞬间，你看到了宇宙的全部时间：过去、现在和将来 愿意去体味吗？ 落入黑洞，粉身碎骨。黑洞蒸发时，再循环为粒子和辐射。不朽的是质量或能量。 四、黑洞的意义千万说No！霍金给出了“黑洞蒸发”的物理图像。 四、黑洞的意义文化物理 两个严格的平方反比关系物理学基本常数粒子运动的描述波动现象

29、缔造者（13世纪法国圣经的教谕插图）1.3 自然的描述一、两个严格的平方反比关系自然的法则通过数字和方程表达出来 所有物体之间的强制性的“爱” 带电体间无所不在的“爱”和“恨” 万有引力电磁力 标准单位下：G6.67410-11牛顿标准单位下：k9109 牛顿一、两个严格的平方反比关系假如万有引力增强几个量级物体将无法变得如此巨大星系本身尺度也会很小，不可能形成稳定的行星系统没有一个生物会长得比一只昆虫大只是一个昙花一现的小宇宙没有足够时间让生物进化氢原子一、两个严格的平方反比关系是巧合，还是别有意义？ 作用力的“台阶”温度的“台阶”质量的“台阶”1080地球有多重？“给我一个支点，我便可以撬

30、起地球”阿基米德mMR = 6371千米 g = 9.8米/秒2 只要测出G，即可求出地球质量M一、两个严格的平方反比关系万有引力实在是太小：两个1千克重的铝球相距10公分时，相互之间引力只有百万分之一克牛顿没有成功100年后，约翰米歇尔发明了扭转天平，成功测出磁力，但仍无法测量弱小的万有引力。一、两个严格的平方反比关系卡文迪许：G 6.75410-11 牛顿米2/千克2 卡文迪许（H. Cavendish, 1731-1810） 的创新：一面小镜子地球质量近六十万亿亿吨 十大最美丽的实验之一卡文迪许一个古怪的科学家一、两个严格的平方反比关系严格的平方关系：对库仑定律来说，目前确认：是这个宇宙

31、存在的理由 绝非：如果违反：电荷将不守恒电磁辐射公式要修改会出现真空色散破坏光速不变原理 不存在稳定的行星轨道不存在稳定的原子结构光子静止质量 m0210-47克这个宇宙的设计真是十分的精巧 一、两个严格的平方反比关系宇宙存在40个数量级的“台阶”，是什么决定着物质结构的层次？ 普适的物理常数 三个最重要的基本常数 万有引力常数： G = 6.67421011米3/千克秒2真空光速： c = 2.9979108米/秒 普朗克常数： h = 6.62611034焦耳秒牛顿力学的辉煌（1600年1800年） 电磁时代（1800年1900年）的标识物，开启了狭义相对论的大门 量子时代的标志（1900

32、年） 二、物理学基本常数万有引力常数和真空中光速决定了宇观尺度上的各类结构，包括恒星、星系、星系团、超星系团和黑洞等等。 银河系 河外星系 太阳系 恒星胎儿 二、物理学基本常数原子的大小为什么是1010米？ 原子核（ 1010米）内为什么没有电子？ 决定于普朗克常数 二、物理学基本常数玻尔的电子“空间站”轨道半径正比于h2如果普朗克常数h0，意味着“空间站”的瓦解即：原子的坍缩。 万有引力常数： G = 6.67421011米3/千克秒2真空光速： c = 2.9979108米/秒 普朗克常数： h = 6.62611034焦耳秒普朗克长度：普朗克时间：普朗克质量：如果物理学是有意义的话，那么

33、这几个量一定都有各自的含义，只是目前没有被人们全部理解 二、物理学基本常数霍金赋予普朗克时间的意义：描述量子宇宙普朗克时间以前，没有时间，也无空间，宇宙处于“无”状态。一片狂乱波动（此时宇宙的所有结构都可归结于不确定关系所允许的涨落），量子引力涨落发起旷世浩劫，空无中现出时与空。霍金告诉教皇什么？ 二、物理学基本常数普朗克时间的意义简单一句话，这个身残志坚但十分会炒作自己的霍金，操办了“广义相对论和量子力学的热烈婚礼”，给出“宇宙创生于无”的物理图像。 二、物理学基本常数超弦理论：宇宙的基本实体不是点，而是一些非常细微的弦圈，粒子只不过是这些弦的不同振动状态。这些弦的尺度就是普朗克长度。 二、

34、物理学基本常数老子第四十章讲：“天下万物生于有，有生于无。”老子第二十五章说，“有物混成，先天地生。寂兮寥兮，独立不改，周行而不殆，可以为天下母。”寂兮寥兮，就是没有时间、空间。思辨科学 二、物理学基本常数什么是物理学：如何描述运动？物理模型 + 概念定义 + 数学描述 三、粒子运动的描述拿起一个物体并撒手，观察它的运动，这就是物理学。 三、粒子运动的描述位置：空间位移：空间关系（位置的变化）速度：空间随时间的变化关系加速度：空间随时间变化的变化它们都是有方向的量矢量位置矢量：位移矢量：1818位置：空间位移：空间关系（位置的变化）速度：空间随时间的变化关系加速度：空间随时间变化的变化它们都是

35、有方向的量矢量速率无方向：速度有方向：向东走向北走 三、粒子运动的描述 三、粒子运动的描述位置：空间位移：空间关系（位置的变化）速度：空间随时间的变化关系加速度：空间随时间变化的变化 即速度的变化率它们都是有方向的量矢量 三、粒子运动的描述加速度的概念属于抽象思维的更高层次 速度的大小和方向的变化都要对加速度产生贡献 物体做匀速圆周运动，具有向心加速度 三、粒子运动的描述加速度的意义：加速度与外力成正比牛顿第二定律质点的四种典型运动之一 直线运动特点：运动方向在一条直线上 三、粒子运动的描述 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之一 直线运动 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之二 圆周运动

36、速度的方向变化对加速度的贡献特点：具有向心加速度 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之二 圆周运动特点：围绕平衡点往复运动 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之三 振动特点：围绕平衡点往复运动 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之三 振动 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之四 碰撞特点：瞬间相互作用 三、粒子运动的描述质点的四种典型运动之四 碰撞 四、波动现象自然界还存在一种具有整体特征，突出整体表现的运动现象波动现象。 水面波声波 四、波动现象机械波的传播需要两个条件： 波源和介质 横波纵波纵波可以穿过真空外的任何物体，而横波只能在固体中传播。波动是指波形的传播，伴随波传播的东西是

37、能量，波不传送物质 体育场里的“波动现象”突出整体表现的运动现象 四、波动现象波动的物理描述：波的频率由波源决定波速主要由介质决定 四、波动现象各人讲话，音调不同声带振动无论何人，音速相同空气介质波的相互作用： 四、波动现象波的相互作用叠加现象相会时相互叠加离开后各自独立 四、波动现象管弦乐队合奏，或几个人同时讲话时，我们能够辨别出各种乐器或各个人的声音，就是波动传播独立性的事例。 你我相逢在漆黑的海上，你有你的，我有我的，方向，你记得也好，最好你忘掉，在交会时互放的光亮。 四、波动现象诗人笔下情感世界的“波叠加原理”特殊的叠加现象干涉效应相干条件：振动方向相同，频率相同，位相差恒定（粗略地说

38、，波形相同）相干现象：有些地方振动加强；有些地方振动减弱 四、波动现象波的相互作用粒子的相互作用粒子具有分立的、作用的、个体的特征 波动具有连续的、传播的、整体的特征 四、波动现象对宇宙间万物各种运动形式的构建，就是建立在粒子和波的两个图像的基础上 四、波动现象波 速文化物理 第二章 力热电光 经典华章牛顿（布莱克，1795）自然及其规律隐藏在黑暗中，上帝说，让牛顿去吧，于是一切都已明朗！ 蒲伯（A. Pope, 1688-1744） 天不降牛顿，万古如长夜。从地心说到日心说伽利略的科学观开普勒定律牛顿与万有引力定律牛顿、苹果、月亮2.1 天 地 运 动 一、从地心说到日心说从中世纪一直到十五

39、世纪，教会承认希腊天文学家托勒密总结的宇宙地心体系：地球作为宇宙的中心，日、月、恒星等围绕地球运动。托勒密( Ptolemy 2nd century A.D. 希腊天文学家）托勒密用象限仪在测量月亮的高度，巴塞尔作，1508问题1：为什么月亮时大时小？答案：忽近忽远（模型的缺陷） 一、从地心说到日心说问题2：为什么有行星退行现象？答案：均轮+本轮“如果上帝在创世时能与我商量一下，我会给他更好的建议。” 阿尔方斯国王（Kinglfonse） 一、从地心说到日心说1543年，哥白尼在临终前出版了 天体运行论，向我们描绘了一个全新的宇宙： 日心体系。开拓了人们观察自然的角度和视界。 一、从地心说到日

40、心说“倘若把观察行星轨道的视点从地球转为太阳，结果又该如何呢？” 哥白尼（Nicolaus Copernicus ，1473-1543）这是第一版的天体运行论中最著名的一页木刻插图 一、从地心说到日心说哥白尼 挡住了太阳，推动了地球。哥白尼的日心说自然地解释了火星退行现象 一、从地心说到日心说 一、从地心说到日心说哥伦布的脚跨出了欧洲；1492年哥白尼的心飞向了太阳！1543年 一、从地心说到日心说哥白尼，伽利略，牛顿，第谷，开普勒伽利略 （Galileo Galilei ,1564 - 1642 ）科学之父 二、伽利略的科学观伽利略的发现：（两大世界体系的对话，代表亚里士多德的辛普利亚；代表

41、伽利略自己的萨尔维阿提和中立的沙格列陀) 所有的天体是相似的，地球并非独特的。宇宙是无限的天空中的星星数目比我们看到的要多得 多。月亮表面不是光滑平坦的，而是凸凹起伏的银河系包含了无数的恒星。木星有四个卫星。亚里士多德的“55晶球模型”是错误的。宇宙中可能存在其他的行星系统。支持了哥白尼的日心说 二、伽利略的科学观伽利略将“日心说”的思想抽象化，引入参考系的概念 ：参照系就是你所选择的观察物体运动的“落脚点” 同一物体的运动，参考系不同，对它的运动的描述就会不同 二、伽利略的科学观ZXY日心系地心系地面系o身虽不能至；心向往之。 二、伽利略的科学观 二、伽利略的科学观伽利略科学方法论 :模型论

42、证实证实验思维实验为什么亚里士多德 看起来如此抑郁？快慢如何？模型论证 二、伽利略的科学观十大经典物理实验的第二位 实证实验 比萨斜塔且不论这个传说的真伪，事实是，伽利略创立了科学方法论的基本思想 以实验来验证理论 二、伽利略的科学观伽利略确实做了斜面实验，名列十大最美丽实验第八位 by G. Bezzuoli, 1841 小球在斜面上通过的距离与其运动时间的平方成正比，速度应与时间的一次方成正比。结合他提出的加速度概念，得到了落体运动的正确规律。思维实验 二、伽利略的科学观在抽象思维中设想出来，而实际上无法做到的实验，是利用逻辑思考的方法完成的想象实验。 亚里士多德认为：静止是水平地面上物体

43、的“自然状态”或“自然本性”，必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止下来。伽利略首先认识到：亚里士多德的这个结论是错误的，将人们引入歧途的是摩擦阻力 如何消除摩擦力？ 二、伽利略的科学观伽利略想象一个实验 :由此推论：力不是维持物体的运动的原因，而是改变物体速度的原因。因此，一旦物体具有某一速度，如果它不受力，就将匀速直线地运动下去，这就是惯性定律。伽利略发现单摆振动原理制造了时钟，以此提高了时间测量的精确性。伽利略研究运动物体在时空中的表现特别是引入速度的概念。伽利略最伟大的贡献之一是在引入了加速度的概念。根据伽利略的设计，后人制造出的时钟 二、伽利略的科学观“科学之

44、父”圆圆的，坚实巨大笨重的盾牌背在背上。这又大又圆的劳什子，挂在他肩上像月亮，这个球面体，那托斯卡尼的艺术家通过望远镜，夜晚从非索里山顶或亚诺河谷观察时，在她斑斑点点的球面上，发现新陆地、新河流或者新山脉。 二、伽利略的科学观在失乐园中：约翰弥而顿（J. Milton, 1608-1674） 1642年1月8日，伽利略被认为是教会的罪人，含冤而逝，终年78岁 哥白尼，伽利略，牛顿，第谷，开普勒毕达哥拉斯一直宣称自然界是由一些完美的形状组成的。在哥白尼的天体运行模型中，天体的运动始终处在一个又一个球体表面上，为了解释已有的天文观测数据，必须用“圆上加圆”的方法（本轮）修正哥白尼的轨道。完美形式

45、= 真实, 美, 平等 三、开普勒定律古希腊的科学宗旨正是亚里士多德在此纯几何系统中加入球体，因为他观察天空中的太阳，月亮的形状和它们的运动都是球体。毕达哥拉斯+ 柏拉图 + 亚里士多德 + 欧几里德(numbers) (ideal) (logic) (definitions & laws)但是，圆锥曲线（椭圆，抛物线，双曲线）被忽略了。 三、开普勒定律出生于丹麦的天文学家第谷（ Tycho Brahe ）, 二十年如一日精确地测量和记录了行星的运行轨道。第谷（Tycho Brahe 1546-1601）The man with the golden nose 三、开普勒定律Johannes

46、Kepler (1571-1630)第谷从不相信哥白尼体系，当他去世时，把毕生的天文观测资料传给了他的学生，德国天文学家开普勒（Johannes Kepler）。与第谷不同的是，开普勒坚定地相信哥白尼的日心说，但他不能解释为什么行星的圆周轨道与第谷的天文观测结果不同。他相信老师的观测，更倾向于从理论上思考问题。最终，他放弃了自己七十余次“圆上加圆”的方法构造的火星轨道曲线，放弃了匀速圆周运动这个一向为人们所钟爱的古老信念，建立了行星运动三定律。我曾测量过天空，而现在测量幽冥，灵魂飞向天国，肉体安息土中。 墓志铭，自撰 三、开普勒定律开普勒行星运动三定律：.行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳位于椭圆

47、的一个焦点上。. 对任一个行星说，它的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。.行星绕太阳运动轨道长半轴 R的立方与周期 T 的平方成正比。 三、开普勒定律牛顿万有引力定律 四、牛顿与万有引力定律哈雷（E. Halley, 16561742）1758年哈雷彗星重返地球 四、牛顿与万有引力定律= 宇宙 +1846年1930年在我笔尖上 四、牛顿与万有引力定律牛顿：天才中的天才（Newton, qui genus humanum ingenio superavit ）培根弥尔顿拜伦达尔文麦克思韦开尔文罗素阿兰图灵还有，79位诺贝尔奖获得者. 四、牛顿与万有引力定律木兰花慢送月（辛弃疾，11401207）

48、可怜今夕月，向何处、去悠悠？是别有人间，那边才见，光影东头？是天外空汗漫，但长风、浩浩送中秋？飞镜无根谁系？嫦娥不嫁谁留？ 王国维在人间词话中评述： 四、牛顿与万有引力定律“词人想象，直悟月轮绕地之理，与科学家密合，可谓神悟！” 牛顿告诉你：飞镜无根引力系，嫦娥不嫁速度留爱因斯坦告诉你：飞镜“本”无根，嫦娥“空”自留 四、牛顿与万有引力定律如果地球的质量是M，半径是R，可以求出质量为 m 任何物体不会落地的最小速度v 四、牛顿与万有引力定律原理一书的扉页地球数据：M=5.971024千克，R=6400千米 第一宇宙速度：不论多重的物体，以大于以上的速度抛射出去，便可围绕地球圆周运动，永不落地。

49、 人造地球卫星同步地球卫星 四、牛顿与万有引力定律 数据： M=5.97 1024千克，G6.674 10-11牛，T24小时 四、牛顿与万有引力定律卫星变轨技术航天技术“阿波罗”号飞船从月亮返回，地面站问宇航员：“现在谁在驾驶？”回答说：“我想主要是牛顿在驾驶！”。 四、牛顿与万有引力定律暗物质被认为是当代物理学四大谜团之一 星系外一个物体在万有引力作用下的运动速度，应该反比于距星系中心距离的二分之一次方，称之为旋转曲线的开普勒特征 四、牛顿与万有引力定律但是，观测曲线没有显现按距离的负二分之一方下降 猜想：星系中存在大量的永不发光的暗物质 按光度分布推算出来的旋转曲线 四、牛顿与万有引力定

50、律对不同星系的观测都证明这一点人们的普遍看法是，星系中90%到99%的物质是永不发光的暗物质。 星月夜（凡高，1889） 四、牛顿与万有引力定律想象一下，如果星系中的所有物质都发光 ，星月夜将是何种景象？螺旋状的光环在画面中央席卷整个天空；银河的表现极具形式感；扩大的星星被光圈包围着；月亮像太阳般耀眼。 四、牛顿与万有引力定律艺术评论家认为：凡高怀着绝望的恐怖，暗示了自己的悲剧人生。通过物理的学习，我们为什么不在这幅画中读到了生命在宇宙中再生和永恒。文化物理 牛顿运动三定律能量守恒律动量守恒对称性与守恒律绝对时空观原理一书的扉页2.2 力 学 图 景 一、牛顿运动三定律自然哲学的数学原理 （1

51、687）上帝不再被认为是自然世界的积极参与者，充其量只不过是一个伟大的设计者欧几里德几何学+亚里士多德的逻辑+伽利略的科学方法牛顿的经典力学体系“自然科学的圣经”第一定律：每一个物体在没有受到外力作用的时候，静止的物体仍保持静止，运动的物体仍保持其匀速直线运动。伽利略首先确立物体固有的、自然的“懒惰” 质量是衡量物体“懒惰”的尺度 一、牛顿运动三定律第二定律：物体的加速度与外力成正比，与物体的质量成反比。 经典物理学的标志 一、牛顿运动三定律第三定律：当两个孤立物体相互作用时，它们彼此施加的力将大小相等，方向相反。“你怎样待人，人也怎样待你。” 圣经 一、牛顿运动三定律 一、牛顿运动三定律牛顿

52、三定律给出了“力”的完整定义力学图景：力作用于物体，使其在时空中运动三种效应：力的时间瞬时效应牛顿第二定律力的空间累积效应能量的概念力的时间累积效应动量的概念功的概念力的空间累积效应Work = Force Distance = Force Distance 二、能量守恒定律产生的效果：速度增加高度增加弹簧拉紧增加了对其它物体做功的本领 一个物体拥有的对外做功本领，就是能量的概念。 二、能量守恒定律动 能：势 能：动能与势能之和称作机械能 二、能量守恒定律10 m8 m6 m4 m2 m0 m势能 = 98 J动能 = 0 J势能 = 73.5 J动能 = 24.5 J势能 = 49 J动能

53、= 49 J势能 = 24.5 J动能 = 73.5 J势能 = 0 J动能 = 98 J抓起一个小球，放手，观察它的运动，这就是物理学。加速运动势能可以转化为动能机械能不变守恒不考虑空气阻力： 二、能量守恒定律 二、能量守恒定律动能和势能相互转化为什么会停下来？能量：机械能热能电磁能化学能核能人类文明的历史就是对能量追逐的历史 任何物理过程的总能量在该过程中始终保持不变。能量不能消灭，也不能被创造，只能从一种形式转换为另一种形式，或从一个物体传递给另外一个物体。 二、能量守恒定律10 m8 m6 m4 m2 m0 m势能 = 98 J动能 = 0 J势能 = 0 J动能 = 96J考虑空气摩

54、擦阻力:温度升高机械能转变为热能，但必须保持总能量不变 二、能量守恒定律不考虑空气阻力：10 m8 m6 m4 m2 m0 m势能 = 98 J动能 = 0 J势能 = 73.5 J动能 = 24.5 J势能 = 49 J动能 = 49 J势能 = 24.5 J动能 = 73.5 J势能 = 0 J动能 = 98 J现代物理学表明，牛顿力学具有局限性，但以此发展起来的能量原理囊括一切 能量守恒的科学魅力，在于它简洁之美、超越时间的深邃之美、放之四海皆准的坚固之美。在大自然的不断变化中，能量的形式多种多样，但总能量是永恒的，这在创世之初就决定了。 二、能量守恒定律 三、动量守恒定律动量的定义：“

55、运动的量是运动多寡之量度，由速度和质量共同度量。” 原理动量是一个既有大小，又有方向的量；动能则是一个只有大小，没有方向的量。 动量力的时间累积效应 三、动量守恒定律牛顿第三定律：牛顿第二定律对于任何不受外力的作用的系统，其总动量保持不变 三、动量守恒定律简单的特例来给出动量守恒定律 三、动量守恒定律物体相互碰撞时，动量可以在物体间相互传递，但必须保持总动量守恒 三、动量守恒定律反冲运动：当一个物体向某一方向射出它的一部分时，这个物体的剩余部分将向相反方向运动 动量守恒： 0mVMv 三、动量守恒定律火箭发射原理：在火箭内装置了大量的燃料，燃烧后就会产生高温、高压气体，通过火箭尾部不断向后高速

56、喷出，从而使火箭不断向前加速 “地球是人类的摇篮。人类决不会永远躺在这个摇篮里，而会不断地探索新的天体和空间。人类首先将小心翼翼穿过大气层，再然后去征服太阳系空间”。 航天先驱齐奥尔科夫斯基（K.E. Tsiolkovsky, 1857-1935） 三、动量守恒定律火箭最初质量为m0， 燃料烧完后火箭的质量为m1 ，火箭最终速度决定于两者的比值。第一宇宙速度7.9千米/秒；第二宇宙速度11.2千米/秒；第三宇宙速度16.7千米/秒 多级火箭技术和捆绑火箭技术 单级火箭不能使航天器的最终速度达到第一宇宙速度 所以，必须有 三、动量守恒定律20世纪初发现原子核的衰变 实验表明，这个过程能量不守恒动

57、量不守恒泡利假设：存在新粒子质量非常小，不带电 三、动量守恒定律泡利（E.Pauli,19001958） 假设必须得到实验证实，这才是物理学 三、动量守恒定律把发生 衰变的原子核用一个铅制的大圆柱体围起来 测量铅柱体内温升，确定新粒子存在失败！没有温升很多物理学家开始怀疑能量守恒和动量守恒是否适用于原子核 ？但是，泡利相信守恒法则坚不可摧和这种新粒子的存在，并再次假设新粒子的穿透力无比，能自由自在地穿透铅柱，而不交出任何能量。后来命名中微子1965年证实存在！ 三、动量守恒定律日本的一个中微子观察站，隐藏在地底1000米的地方。包括由11200根多激光电管存储的5万吨纯净水 闪电般地穿物而过，

58、不为所查 可能构成宇宙的暗物质 三、动量守恒定律8光年（1光年大约1016米）厚的铅板才能挡住发射出的中微子的一半 角动量守恒定律 四、角动量守恒定律实验现象开普勒第二定律：S1S2 有心力场中存在一个守恒量 四、角动量守恒定律如果物体在运动过程中，受到的外力始终通过空间某点（严格的说法是相对于某点力矩为零），则物体相对于该点的角动量守恒。 四、角动量守恒定律对于一个运动的质点来说，除了需要描述它的平动本领（动量）之外，还需要描述它围绕空间某点的转动本领，定义一个物理量，称作角动量，来描述质点的转动能力 四、角动量守恒定律航天器在椭圆轨道上运动的特点：远地点速度最小；近地点速度最大。角动量守恒

59、决定了天体系统都具有旋转的盘状结构 四、角动量守恒定律角动量守恒定律的应用总的做功本领，即总的能量。总的穿过空间的平动，即总动量。总的旋转运动，即总角动量。等等远古时代中插图（布莱克，1794） 五、对称性与守恒律亘古不变的守恒法则是这个宇宙存在的理由 五、对称性与守恒律物理学家相信自然的终极设计原则: 美和简单揭示大自然的终极奥秘的金钥匙可能就是对称性。 对称性的定义:对一个事物进行一次变动或操作；如果经此操作后，该事物完全复原，则称该事物所经历的操作是对称的；而操作就叫作对称操作。 五、对称性与守恒律以空间旋转为例:高中低为什么相信对称？为什么对称是重要的？为什么自然的本质是对称的？我们的

60、生活世界充满不对称 五、对称性与守恒律最高的对称性=最多的不对称的可能性圆截面具有最高度的对称性圆截面提供最多的不对称弯曲的可能性 五、对称性与守恒律镜里朱颜都变尽，只有丹心难灭德国女数学家诺特尔（A.E.Noether，1882-1935） 五、对称性与守恒律诺特尔定律：实验上观察到每一个守恒量必有一个与之相对应的对称性。 五、对称性与守恒律守恒定律与自然界的更普遍的属性-时空对称性（不变性）相联系。时间平移对称性空间旋转对称性空间平移对称性动量守恒定律 角动量守恒定律 能量守恒定律空间时间Independent均匀（Uniform）连续（ Continuous）同质（ Homogenous