马文蔚《大学物理学》-绪论1

一、物理学与科学技术之间的关系二、大学物理课程的地位、作用和任务三、大学物理的学习方法初步四、矢量基础绪论第一页，共45页。工科专业，是个多学科相互交叉渗透的专业，也是个让人头疼的专业。◆首先是课业繁重。主干课程四年将近有30门，且科目的深度、广度较高中都增加不少。学院考虑到大一新生入学后会放松学习，特意规定不准携带电脑，并安排了晚自习。以至于不少学生感叹，上了大学才知道坑爹，以为自己解放了，谁知迎接自己的是另一种高中生活。◆其次是实验频繁。这是令很多学生感到头疼的一块，尤其是对不注重细节的人来说。电学实验、物理实验、工程力学实验等，没有做好充分的预习，没有很好的操作能力，想做好这些实验，还是比较困难的。第二页，共45页。工科专业，是个多学科相互交叉渗透的专业，也是个让人头疼的专业。而且，实验之前，要有实验预习报告；实验时，要记录数据；实验结束，要有分析报告。曾经有人说，如果你跟学工的学生失去了联系，没有关系，他们都在做实验。实验，成为了工科学子大二的生活主旋律。◆最后是专业课的挂科率，在一般高校达到惊人的30%。所以其他高校的工科专业有个流传的保研条件—大学四年只要不挂科，那么基本就能确定获得保研资格。当然，高中阶段的模拟考试使得学生已经习惯了不高的分数，这种选拔考试与大学里课程的通过考试完全不同。第三页，共45页。◆物理学与科学技术之间的关系◆物理学认识框架对自然科学世界图景的影响（三）核技术、激光技术、电子和信息技术的物理基础（一）什么是物理学（二）三次产业革命及其理论基础1、物理学三种认识框架的变迁2、自然科学世界图景与人类文明3、缺矢自洽完整物理学认识框架的现代文明第四页，共45页。一、物理学与科学技术之间的关系（一）什么是物理学物理学是研究物质、能量和物质间的相互作用的学科，物理学是关于自然界最基本形态的学科，它研究宇宙间物质存在的各种基本形式，它们的内部结构以及相互作用，研究它们的性质、运动和转换，从而认识这些结构的组元及其整体的运动和转换的基本规律。第五页，共45页。1999年3月召开的第23届国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)代表大会通过的决议指出：物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家来说都是重要的，这是因为：1、学习和研究物理学是一项激动人心的智力探险活动，它鼓舞着年轻人，并扩展着我们关于大自然知识的疆界。2、物理学发展着未来进步所需的基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转。3、物理学为科学进步和技术发明的应用、提供训练有素的人才。第六页，共45页。1999年3月召开的第23届国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)代表大会通过的决议指出：物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家来说都是重要的，这是因为：4、物理学在培养化学家、工程师、计算机科学家，以及其他物理科学和生物医学科学工作者的教育中，是一个重要的组成部分。5、物理学扩展和提高我们对其他学科的理解，诸如空间科学、信息科学、地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学，以及天文学和宇宙学等，这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。第七页，共45页。1999年3月召开的第23届国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)代表大会通过的决议指出：物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究，在所有国家来说都是重要的，这是因为：6、物理学提供发展应用于医学的新设备和新技术所需的基本知识，如计算机层析术（CT）、磁共振成像、正电子发射层析术、超声波成像和激光手术等，改善了我们生活的质量。第八页，共45页。（二）三次产业革命及其理论基础第一次产业革命以1774年蒸汽机的发明为标志，主要由纺织机改革引起的动力需求产生了近代的纺织业和机械制造业，使得人类进入到利用机器延伸和发展人类体力劳动的时代。其科学技术的理论基础是以伽利略自由落体定律、开普勒行星运动三大定律和牛顿在《自然哲学和数学原理》中建立的完整力学体系。第二次产业革命是以1875年发电机应用与工业标志的电气化，实现了生产方式的电气化。其理论基础是1820年的电磁现象（电动机原理），1831年的电磁感应定律（发电机原理）和1840年的电磁波理论。第九页，共45页。第三次科技革命是以1946年发明的计算机为标志的新信息技术革命，其核心是以微电子技术为基础的电子信息技术，实现了生产方式的自动化，并向信息化、智能化方向发展。包括新材料、新能源、生物工程、海洋工程、航空航天技术和电子信息技术等。其理论基础是量子力学和相对论。（二）三次产业革命及其理论基础（三）核技术、激光技术、电子和信息技术的物理基础第十页，共45页。第十一页，共45页。第十二页，共45页。第十三页，共45页。光学相干断层扫描技术第十四页，共45页。B超：人耳听不到的声波称为超声波。利用超声波的物理特性进行诊断和治疗的一门影像学科，称为超声医学。第十五页，共45页。磁共振成像：利用人体组织中氢原子核（质子）在磁场中受到射频脉冲的激励而发生核磁共振现象，产生磁共振信号，经过电子计算机处理，重建出人体某一层面的图像的成像技术。又称核磁共振成像术。英文简称MRI。头部质子密度成像第十六页，共45页。正电子发射层析术：简称PET,将核医学方法对病理的生物化学评价和图象重建的精确定位结合起来、是正电子发射同位素和发射计算机层析技术的联合应用,以测出人体局部组织功能,从而成为对生理学研究和医学诊断大有前途的技术,这一科技领域前沿的技术密集着数学、物理、化学、生理学、医学、计算机等高深而严格的各类知识。第十七页，共45页。激光手术：指用二氧化碳发光管射出高功率光线作用于病理组织，能使炎症吸收破坏肿瘤，低功率可以祛斑美化皮肤。有准分子激光角膜表面切削术、准分子激光原位角膜磨镶术、准分子激光上皮下原位角膜磨镶术。准分子手术图示第十八页，共45页。总结：三次产业革命及其理论基础◆第一次产业革命——1774年，纺织业和机械制造业理论基础：以伽利略自由落体定律、开普勒行星运动三大定律和牛顿在《自然哲学和数学原理》中建立的完整力学体系。◆第二次产业革命——1866年，电气化理论基础：1820年，电磁现象（电动机原理）；1831年，电磁感应定律（发电机原理）1840年，电磁波理论。◆第三次产业革命——电子信息技术理论基础：量子力学。第十九页，共45页。二、大学物理课程的地位、作用和任务：以物理学基础内容的大学物理课程，是高等学校理工科各专业学生一门重要的通识性必修基础课。该课程所教授的基本概念、基本理论和基本方法是构成学生科学素养的重要组成部分，是一个科学工作者和工程技术人员所必备的。大学物理课程在为学生系统地打好必要的物理基础，培养学生树立科学的世界观，增强学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的探索精神和创新意识等方面，具有其他课程不能替代的重要作用。第二十页，共45页。二、大学物理课程的地位、作用和任务：通过大学物理课程的教学，应使学生对物理学的基本概念、基本理论和基本方法有比较系统的认识和正确的理解，为进一步学习打下坚实的基础。在大学物理课程的各个教学环节中，都应在传授知识的同时，注重学生分析问题和解决问题能力的培养，注重学生探索精神和创新意识的培养，努力实现学生知识、能力、素质的协调发展。第二十一页，共45页。（一）能力培养基本要求：1.独立获取知识的能力——逐步掌握科学的学习方法，阅读并理解相当于大学物理水平的物理类教材、参考书和科技文献，不断地扩展知识面，增强独立思考的能力，更新知识结构；能够写出条理清晰的读书笔记、小结或小论文。2.科学观察和思维的能力——运用物理学的基本理论和基本观点，通过观察、分析、演绎、归纳、科学抽象、类比联想等方法培养学生发现问题和提出问题的能力，并对所涉及问题有一定深度的理解，判断研究结果的合理性。第二十二页，共45页。（一）能力培养基本要求：1.独立获取知识的能力2.科学观察和思维的能力——根据物理问题的特征、性质以及实际情况，抓住主要矛盾，进行合理的简化，建立相应的物理模型，并用物理语言和基本数学方法进行描述，运用所学的物理理论和研究方法进行分析、研究。3.分析问题和解决问题的能力第二十三页，共45页。（二）素质培养基本要求：1.求实精神

2.创新意识

3.科学美感

追求真理的勇气严谨求实的科学态度刻苦钻研的作风

树立科学的世界观认识物理学所具有的美学特征：明快简洁、均衡对称、奇异相对、和谐统一等。培养科学审美观，学会用美学的观点欣赏和发掘科学的内在规律，逐步增强认识和掌握自然科学规律的自主能力。

培养激发求知热情、探索精神、创新欲望，敢于向旧观念挑战的精神

第二十四页，共45页。（三）科学素养需从人格和思维层面上培养中西方的文明模式和文化精神中西方人的人格结构与思维方法科学精神及其意义责任感、道德感是创新的基石脚踏实地从自身做起“富强、民主、文明、和谐，自由、平等、公正、法治，爱国、敬业、诚信、友善。”第二十五页，共45页。1.发达国家的大学物理教育美国著名大学理工科一、二年级的课程是不分系、不分专业的，数学和物理课的学时与数学系和物理系一样公共物理课总学时约为540（包括实验课、习题课）一般都在400～500以上第二十六页，共45页。2.物理学的现代化著名理论物理学家、诺贝尔奖金获得者理查得·费曼在《费曼物理学讲义》说：“科学是一种方法，它教导我们：一些事物是怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度（因为没有事情是绝对已知的），如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则，如何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象。”

第二十七页，共45页。2.物理学的现代化物理学不仅是整个自然科学和现代工业技术的基础，也是人类认识真实世界的起点和描述自然界的方法，不同时期的人们生活在当时物理学认识框架形成的自然科学世界图景里，采用掌握着的物理学工作语言、概念和物理图像来描绘和创造着工作和生活，特别是近代，物理学所带来的技术应用已经前所未有的决定着人类的存在方式。第二十八页，共45页。2.物理学的现代化物理学的认识框架主要是指空间、时间以及把空间、时间与万物运动联系在一起的那种数学关系。所有的框架都是在一定的历史范畴下出现的，它所装载的也是在当时历史条件下人类所认识的主要事物。在亚力士多德、牛顿、爱因斯坦这样的物理学的三个时代,他们都建立了各自的框架，把当时人们关心的大部分问题都放入了他们的框架里。第二十九页，共45页。3、构建自我的知识体系与创新教育爱因斯坦强调：“发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首位，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与工作，他必定会找到自己的道路。”相对论和量子力学各自的认识框架对自然科学图景的影响是显而易见的，对人类文明和生活方式的改变也是亘古未有的。但是，在大部分人的观念中仍摆脱不开牛顿的认识框架的原因在于现代物理学还没有一个自洽完整的认识框架，因而无法产生一个合理的现代自然科学世界图景代替经典的认识框架。第三十页，共45页。4、数字物理教学的模式：数字物理教学（digitalteachingofphysics,简称DTP），即“新技术—新理念—新模式”的数字与网络大学物理教学体系。◆新技术，是采用数、形、符号与控制结合的新数学工具加上数字技术与网络技术；◆新理念，是实现从应试教育和纯知识教育向创新教育与素质教育转变，做到传授知识、思想、方法三者并重，训练知识、能力、创新思维三面俱到，总结具体规律、局部规律、一般规律三层皆及◆新模式，就是新理念加新技术再结合多样化的学习方式与教学方式。第三十一页，共45页。5、实现创新所需要的基本条件：知识、思想与方法。三、物理课程的教学改革：现代化与创新教育陈佳洱院士、赵凯华教授、王殖东教授下面的观点代表了目前物理学界对大学物理和大学物理实验课程的认识：“大学里的物理课绝不仅仅是物理知识的教育,更不是主要为专业课服务的。我们认为,物理学是整个自然科学和现代工程技术的基础;对于任何专业,大学基础物理课的目的,都是使学生对物理学的内容和方法、工作语言、概念和物理图像,其历史、现状和前沿等方面,从整体上有个全面的了解;这是一门培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。”第三十二页，共45页。在阐述物理与工科专业的关系时，1982年清华电子系前系主任孟昭英院士，在清华大学新教师大会上的讲话中说：“机械、电子、材料……等技术学科好比一棵大树的枝叶、花果，物理学好比这棵大树的根茎和树干。没有壮实的根茎和树干，就不可能有茂盛的枝叶和花果。”阅读《大学物理实验指导书》第一章前两节第三十三页，共45页。物理创新教育方框图创新基础知识科学思维有效方法大物理与小物理物理空间与图像能量与整体结构掌握获取授之工具传之方法研究式学习第三十四页，共45页。完成知识的拓展与转移的关键举措：实现三个超越（超越教材、超越教师、超越自己）落实三个环节（掌握知识、应用知识、探索求知）坚持三个原则（教学方法、学习模式、交互方式都要多样化）做到三个并重（传授知识、思想、方法并重）依靠三个支撑（网络技术、数字物理教学资源、数字创新研究平台）第三十五页，共45页。三、大学物理的学习方法初步（一）大学物理学习的基本要求掌握各阶段的基本理论及实验，学会运用基本定律的解决实际问题，从而培养分析问题和解决问题的能力。1.思维性、创造性（开拓性）◆中国初级教育的弊端——倒塌的砖瓦碎片；◆批判的眼光、独特的思维与没有建设性的抱怨、情绪性的坚持所谓个性的区别；◆学习不仅需要勤于思考，更要明确学习是属于行为学范畴的；◆知识体系是有生命力的大厦；◆大厦的骨架——逻辑推理能力和数学演算能力。第三十六页，共45页。2.注意物理思想和方法（一）大学物理学习的基本要求科学理论建立的四个层次：(1)建立唯象的物理模型；(2)用已知的原理和推测对现象作定性和半定量的解释；(3)根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释；(4)当新事实与旧理论不符时，提出新的假设和原理以说明之。第三十七页，共45页。(二)大学物理和中学物理的不同之处：1、引入矢量运算与微积分的概念和方法；2、物理知识更加深奥，范围更加广泛，增加刚体转动力学、统计物理学、量子力学、场论等内容；3、概念、理论、定理和定律等都比中学物理中具有更广泛的适用面，更具有普遍意义。

更本质，更严格，更系统，更广泛规律。运用高等数学揭示物理学规律的本质(严格、难点)。

要养成自学运用高等数学物理问题的习惯！

矢量基础不太好的同学要注意这方面的训练。比如波动方程、简谐振动方程、线量和角量、……第三十八页，共45页。（三）学习窍门：数学工具与数理推理能力；在整个理论框架中认识物理概念、基本原理；