第00章绪论.ppt

1、物理学（第三版） 电子教案,广东工业大学 李晓端 研制,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,绪论 物理世界,物理学是研究物质基本结构、相互作用和运动形态的基本规律的科学.,物理学 (Physics),进入科学技术的任何一个领域， 都必须敲开物理学的大门.,物理学探讨物质结构、相互作用和运动基本规律，它是自然科学中与自然界的基本规律最直接的一门学科，自然科学的其它领域和工程技术的各个分支，归根结底都建立在物理学的基本定律之上。物理学的目标：用尽可能简明的概念和方程，去概括尽可能多的物质的性质。,我们生活的时空： 宇宙的尺度：1026m(约150亿光年)；质子， 10-15m； 夸克，10-2

2、0m 。 宇宙的年龄：约1018s (约150亿年)； 最小的时间间隔：基本粒子寿命， 10-25s；硬 射线的周期，约10-27s 。 时空尺度的跨：相差数量级为1046。 1026 m(约150亿光年)(宇宙)1020 m(夸克) 最高的速率：3108 m/s。 物理学按照空间的尺度把物质世界分为宇观体系、宏观体系和微观体系。不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究。,质子 10-15 m,空间尺度：,微观粒子,宏观物质,宇观物质,类星体 10 26 m,时间尺度：,基本粒子寿命 10-25 s,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(单位:m),物理学的层次

3、,物理学为我们描绘出物质世界的总图象： 物质之间基本的相互作用是：电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用和引力作用。 天体物理学：宇宙起源大爆炸，然后不断绝热膨胀，致使半径不断增大，密度下降，进而使温度不断降低，目前的“宇宙背景温度”是2.7K。在这个过程中，粒子、原子、分子、星球、星系渐次产生和形成。 宇宙有多大？宇宙有限而无边，宇宙有心又无心！,相对强度 1 10-2 10-12 10-40 作用范围 10-15 m 长 10-17 m 长,固态,液态,气态,物质的基本形态,等离子态,强相互作用,电磁相互作用,引力相互作用,弱相互作用,物质的基本形态和相互作用,基本作用,已知的粒子种类 自由

4、状态存在的: 452 种 其中： 规范玻色子 4 种 轻子 12 种 强子 436 种,微观世界,波色子：具有自旋量子数为整数的基本粒子。不遵守泡利不相容原理，即一个量子态可以被任意多个粒子所占据。如光子、氢原子等。,轻子：基本粒子之一。不参与强相互作用的费米子，它们参与弱相互作用与电磁作用和引力作用。它们的共同特点是自旋量子数为1/2。至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本的粒子之一。,强子：一种亚原子粒子，所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。强子包括重子和介子。,费米子：自旋为半整数（1/2，3/2）的粒子统称为，服从费米-狄拉克统计。满足泡利不相容原理

5、，即不能两个以上的出现在相同的量子态中。,宇观世界,1. 宇宙,星系,恒星,每个星系,几十亿几千亿颗,气体尘埃,尺度150亿光年， 年龄100150亿年,总星系物质及运动分布，在统计上是均匀的，各向同性的,宇宙中物质含量：,氢（H2） 最多 氦（He） 其次 其它 少量,目前发现的约10亿个 （几百亿个）,尺度几千几十万光年不等,（总星系）,物理学的发展,实验 物理,理论 物理,计算 物理,今日物理学,物理学是一切自然科学的基础,粒 子 物 理 学,原 子 核 物 理 学,原 子 分 子 物 理 学,固 体 物 理 学,凝 聚 态 物 理 学,激 光 物 理 学,等 离 子 体 物 理 学,地

6、 球 物 理 学,生 物 物 理 学,天 体 物 理 学,物理学派生出来的分支及交叉学科,我们面临的重大科学问题,宇宙起源,物质本质,为什么夸克不能单独存在？ 夸克还有没有结构？ 物质的质量是如何产生的？ ,地球生命来自何方？ 生命体中物质、能量、信息的转换过程 生物的进化过程,生命起源,脑与认知,喝奶瓶？,发呆？,睡大觉？,上大街？,玩玩具？,吃果冻？,抱狗狗？,思维逻辑是数学逻辑还是量子逻辑？ 大脑思维的物理、化学过程是什么？ ,物理学与物理学人才,有5位美籍华人获诺贝尔物理学奖，他们是杨振宁、李政道、丁肇中、朱棣文、崔琦.,杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，1957年获诺贝尔物理学奖.,

7、丁肇中：由于发现J粒子，1976年获诺贝尔物理学奖.,朱棣文：由于激光冷却和捕获原子的研究成果，1997年获诺贝尔物理学奖.,崔琦：由于分数量子霍尔效应的量子现象的研究成果，1998年获诺贝尔物理学奖.,物质运动的基本形式,（1）机械运动,（2）电磁运动,（3）热运动,物理学的地位与作用,物理学是一切科学技术之母！ 20世纪几乎所有重大新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。,物质存在的基本形式,（1）实物粒子,（2）场,最新的理论为我们描绘的基本图象是：与每种粒子相对应存在一种场，场具有可入性，充满全空间。,人类科技发展史上的三次工业革命与物理学的关系,第一次工业革命：工业的机械化-瓦特的

8、蒸汽机,基础： 牛顿力学和波尔兹曼等创立的热力学,第二次工业革命：工业的电气化-发电机、电动机,基础： 法拉第与麦克斯韦等建立的电磁学,第三次工业革命：工业的自动化与核能的应用-计算机、光通讯、核弹、核能发电,基础： 爱因斯坦的相对论，普朗克、爱因斯坦、波尔、薛定鄂等创立的量子力学。,第四次工业革命：工业的？化-纳米技术、基因工程、超导体应用、.,基础： 现代物理学研究的理论与技术.,物理学的主要特点,1、物理学是一门实验科: 是观察、实验与科学思维的产物。,2、物理学的基本结构：基本概念+基本定律+基本思想+ 基本方法 +基本精神。,(1)基本概念：是物理学的核心内容。如：速度、加速度、力,

9、(2)基本定律：是基本概念的本质联系。如：牛顿定律、气体定律等,(3)基本思想：是物理学家在建立基本概念和基本定律时所遵从的指 导思想。如能量守恒、物质不灭等，是物理学的灵魂,(4)基本方法：是物理学家在建立基本概念和基本定律时所用的研究 方法、途径与手段，如归纳法，类比法等，是科学素质的集中体现,(5)基本精神： 是物理学发展的动力。如献身精神、合作精神等。,主要的物理思想,1. 物质不灭与运动守恒的思想,2. 运动形式具有统一性的思想,牛顿：实现了地面物体运动与天体运动的统一； 麦克斯韦： 实现了电、磁、光的统一； 现代物理：实现了电磁作用与弱相互作用的统一 爱因斯坦：后半生致力于研究大统

10、一场论-所有物理作用 的 统 一。,3. 自然界存在各种对称性的思想,物理学的主要研究方法,1. 观测与实验的方法 ：,2. 科学思维的方法：数学分析法、数理统计法、辩证思维法等；,3. 形象类比法：如电力线、流线、流管、场、电通量等 ；,4. 理想实验法：伽利略发现惯性定律、爱因斯坦火车等 ；,5. 理想模型研究法 ：对较复杂的对象，抓主要矛盾，建立模型,6. 判决实验法：用实验来检验理论的正确性。,物理学的研究方法是人类的共同财富， 对所有的科学研究都有极好的借鉴意义。,大学物理与中学物理的关系与差别,（1）中学物理是学习大学物理的基础 ；大学物理是中学物理的继承与发展，但不是简单的重复。

11、,（2）有三点主要差别：,1）研究的对象不同：由简单到复杂，由特殊到一般。 如：匀速到变速，恒力到变力，均匀到非均匀，质点到刚体等。,2）研究的方法和使用的工具不同： 如：由初等数学到高等数学，由标量到矢量、由实数到复数等。,3）研究的目的不同： 如：由只知其然到知其所以然，由了解知识到应用知识等。,大学物理的重要性,（1）大学物理在培养动手能力与创新精神方面的作用是任何其他学科不可替代的；,（2）大学物理的基本知识是21世纪高科技人才的知识结构中必不可少的；,（3）大学物理的基本知识是理工科高职学生学好专业课与进一 步深造的基本保障。,学好大学物理需注意的几点,1）乐学：对学习大学物理有兴趣

12、、有信心；,2）学思结合：勤于思考，善于思考；,3）学用结合：听好课，看懂书，会做题，善应用；,4）用思结合：不断总结，不断提高。,必要地预习， 认真地听课， 有针对性的复习，独立地完成作业，及时的答疑，不断的总结,一、标量和矢量,物理学中经常会遇到两类物理量，一类物理量，如质量、时间、路程、功、能量、温度等，只有大小和正负，而没有方向，这类物理量称为标量。 标量的代数运算有：加、减、乘、除、乘方、开方等；标量的分析运算有：微分和积分等。,补充数学知识,矢量代数,另一类物理量，如位移、速度、加速度、力、动量等，既有大小又有方向，而且合成时遵从平行四边形法则，这类物理量称为矢量。,为了与标量相区

13、别，矢量符号通常表示如下： （1）在字母的上方画一个箭头，如 ， ，在手写文件和习题作业中习惯用这种表示方法； （2）用粗黑体字母，如a，A，印刷书刊中多用此种表示方法。,作图时，常用有向线段表示矢量。如,把矢量在空间平移，则矢量的大小和方向都不改变，仍然等于原来的矢量，称此为矢量的平移，它是矢量的一个重要性质,矢量 和 的大小相等，方向相同，则,若 和 的大小相等，方向相反，则一个称为另一个的负矢量，表示为,或,矢量的双重特性：,矢量的模 ：把矢量的大小称为矢量的模 用 ， 或 ， 表示。,单位矢量：沿着矢量的方向，取长度等于1（单位长度）的有向线段，把它称为矢量的单位矢量，用或其他指定的符

14、号表示。,借助模和单位矢量，矢量可表示为 或,二、矢量的加减法,两矢量 之和，等于以 为邻边的平行四边形的对角线所表示的矢量，如图（a）所示，,把它称为矢量的平行四边形法则。,矢量的三角形法则：在上图中把 平移到 的矢端，使 、 和 构成三角形，称为矢量的三角形法则。,多边形法则若有多个矢量相加，例 如 求 矢量 之和，根据上面的求和法则可以推论出图（c）所示的多边形法则。,合矢量,合矢量的大小和方向可通过计算求得。如图所示，,合矢量的大小和方向：,两矢量之差可以转换为求和,三、矢量的正交分解与合成,正交分解 ：一个矢量可分解为几个分矢量，最常用的矢量分解在两个或三个相互垂直的指定方向上，这种分解称为正交分解。,矢量 在x轴和y轴上的分矢量是一定的，即,则,运用矢量在直角坐标轴上的分量表示法，可以使矢量的加减运算简化。,如图所示，矢量 和 ，它们与轴的夹角分别为 和 ，,所以,合矢量的大小和方向：,四、矢量的乘积,矢量具有大小和方向。因此，两矢量相乘也不像标量那样简单。下面介绍两矢量相乘的两种方法 ，一种是标积，一种是矢积。,1矢量的标积,两