大学物理绪论

同学们好！

《大学物理》主讲教师：马健1第一篇绪论解决两个问题：*明确为什么学？学什么？怎样学？*了解物质世界的整体图象。目的：获得学习“大学物理”的自觉意识和较高的起点。

2一.为什么要学习“大学物理”？物理学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。第一部分课程介绍

我们把不依赖于人的意识而独立存在的客观实在称为物质。与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求。

1：什么是物理学32：物理学发展历程

以公元1600年为界，在这以前，叫物理学的前科学时期，这一时期，物理学还不是一门独立的学科。

1600——1800年，在这一时期，物理形成了一门学科，牛顿完成了牛顿力学。

1800——1900年，电磁学、热力学、波动光学、经典统计物理学等的发展完善了经典力学。

上世纪初，20世纪自然科学领域最伟大的两个理论出现了：量子力学和相对论——近代物理的开始。经典物理学4当今，物理学与其它学科的交叉诞生了生物科学、化学物理、地球物理、天体物理等新型学科，人们公认：当今最有生命力的是不同学科交叉的领域。

每一个工程技术人员都应该加强自身的数理知识的培养与积累,以适应新形式的要求。

随着科学的发展，从物理学中不断分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理、半导体物理等名目繁多的新分支。现代物理学发展的两个趋势：（1）自身的细化、分支多；（2）与其他学科的交叉5*第一次工业革命（17~18世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。

*第二次工业革命（19世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。*第三次工业革命（20世纪）：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代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。二：物理学与技术6物理学与技术关系的两种模式*技术物理技术（典型例子：热学）*物理技术物理（典型例子：电磁学）在现代社会中主要以第二种方式进行。例：计算机技术是这个崭新的信息时代的关键，其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果7以计算机为代表的电子和信息技术的物理基础1925年量子力学建立1926年Fermi-Dirac统计法提出1929年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；

Fermi面概念及其可测量的提出1947年发明晶体管（获1956年诺贝尔物理奖）1957年建立Fermi面编目1962年制成集成电路（IC）70年代末大规模和超大规模集成电路（VLIC）8激光技术的物理基础1860年Maxwell建立光的电磁理论1900年Planck提出能量子理论1917年Einstein提出受激辐射理论1953年制成微波激射器（maser）1960年Maiman制成红宝石激光器60~70年代激光器及其应用高速发展，月球上设置激光反射器1982年激光全息术80~90年代激光外科手术，通讯，光盘，激光武器...9核技术的物理基础1896年Becquerel发现铀的天然放射性1905年Einstein创立狭义相对论，得1911年Rutherford提出原子的有核模型1925年量子力学建立1932年建立原子核的质子——中子模型1933年发现人工放射性1945年实现核裂变——原子弹1952年实现核聚变——氢弹1954年建立第一座核电站10物理学提供科学原理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11二.学什么？知识、方法、科学观念“物”——物质世界“理”——普遍规律1.学习物理知识要注意整体性、发展性和迁移性。整体性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教材结构和主线基本粒子实物的运动规律相互作用和场振动和波动量子现象和量子规律多粒子体系的热运动12发展性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。例如：质量高中：惯性质量；引力质量初中：循环定义？前沿：

质量究竟是什么？是如何产生的？什么是物质？“有质量就是物质”的观点正确吗？场也是物质的一种形式……大学：能量载体；（1）概念的发展；（2）框架结构的发展；（3）数学手段的发展13例如：力近代物理：以能量为中心的表述优于以力为中心的表述。中心：守恒量——动量、角动量、能量守恒定律与自然界对称性的联系对时间积累动量定理——动量守恒对空间积累动能定理——机械能守恒力矩定轴转动物体的平衡中学：以“力”为中心。14注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。

2.学习物理方法观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说…...指导性原理:*

简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。*对应原理：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。…...迁移性15例如：理想化方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体……)理想实验（伽利略、牛顿…...）理想过程(准静态、绝热……)实质:简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。复习质点、质点系、刚体质点：当物体的线度和形状在所研究的问题中的作用可以忽略不计时，将物体抽象为一个具有质量，占有位置，但无形状大小的“点”。16质点系：质点的集合。刚体：任意两质点间距离保持不变的质点系。质点质点系刚体集合特例*思考:质点和几何学上的点有什么不同？例如：科学假说方法牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。现代物理：问题——假说——(实践)——科学——（证伪）——新问题——新假说——…...“不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么。”

——爱因斯坦17定位：物理教育——科学素质教育不仅仅是为后续课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合格大学生的标准：（1）力所能及地培养自己的自然科学和社会科学素质，提高自己综合能力，复合性人才更有竞争力。（2）以良好的心态对待你学的每一门课程。18“学校的目标应当是培养有独立行动和独立思考的个人，不过他们要把为社会服务看作是自己的最高目的。”

“学校的目标始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。……发展独立思考和独立判断的一般能力，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，而且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来讲，他一定会更好地适应进步和变化。”

——爱因斯坦《论教育》

19一.物质世界的空间尺度——宇宙的42个台阶第二部分物质世界（1）小尺度最小的哺乳动物和鸟类：10-1m数量级

昆虫：10-2—10-3m数量级细菌或典型的真核细胞直径：10-5m数量级细胞的最小直径：10-7m数量级原子的尺度：10-10m数量级原子核的线度：10-14—10-15m的数量级夸克：无法确定大小

纳米：材料颗粒为10-9米时，一些新特性出现。20通过移走原子构成的图形21（2）大尺度鲸：101m数量级红杉树：102m数量级珠穆朗玛峰，马里亚纳海沟：104m数量级月球半径，地球半径：106m数量级

太阳系的直径:1013m数量级星系团尺度:1023m数量级超星系团:1024m数量级观测的极限——哈勃半径:1026m数量级22宇宙学、粒子物理的奇妙衔接23大爆炸二.物质世界的时间尺度——时标宇宙年龄：130~200亿年24地球年龄地球星系形成：50亿年25大气形成热电离层对流层中间层平流层外大气层臭氧层26生命的诞生：约40亿年脊椎动物：约6亿年人类出现年27生物的进化28地球公转月球公转地球自转中子寿命百米跑10s市电周期介子寿命中间玻色子寿命共计跨越了42个数量级29三：基本粒子是目前所认识到的组成物质的基本单元，即人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点”粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。要求了解三大家族、四种相互作用（简单介绍）。

1：描述粒子特性的主要物理量

（1）质量（2）电荷（3）自旋（4）寿命2：粒子间相互作用（四种）

（1）引力相互作用（2）电磁相互作用（3）强相互作用（4）弱相互作用30光子（20世纪20年代）——传递电磁相互作用中间玻色子(3种)（20世纪70-80年代）

——传递弱作用胶子(8种)（已有实验基础）

——传递强作用引力子（尚未发现）——传递引力作用（1）规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介,共13种。3：基本粒子分类——三大家族31规范粒子名称符号静质量（MeV）电荷（e）自旋寿命（s）传递的相互作用光子中间玻色子胶子引力子??00000011121引力电磁弱强玻色子（与场相关）32（2）轻子：共3代12种电子µ子名称符号静质量（MeV）电荷（e）自旋寿命（s）代电子中微子µ子中微子子子中微子一二三0.51106*1776.9000-1-1-1费米子（与实物相关）*：北京正负电子对撞机测量结果333.夸克:3代、6味、每味3色，共36种名称符号静质量（MeV）电荷（e）自旋代一二三上夸克粲夸克奇异夸克顶夸克底夸克下夸克udcstb~300~300~500~1500~180000~5000费米子34基本粒子规范粒子13种轻子12种夸克36种玻色子（引力子？）费米子希格斯粒子（？）62种强子（核子、介子）的夸克模型名称符号符号组成组成名称质子中子反质子正介子正K介子J/介子pnJ/35物质结构层次实物分子原子原子核质子夸克电子（轻子）规范粒子场中子四物质存在的基本形式——实物和场36场:无静止质量,不具有不可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，不能作为参考系。*实物周围存在相关的场，场传递实物间的