大学物理绪论.ppt

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1、大学物理学绪论,一,二,三,物理学的研究对象和研究方法,物理学与生产技术,为什么要学好物理学？,四,如何学好大学物理？,物理学是研究物质、能量和它们相互作用的学科。,一、物理学的研究对象和研究方法,研究的对象十分广泛 宇观、宏观、介观、微观,现实世界是如何构成的呢？什么是物质的最小组元呢？物质是如何形成的呢？基本的作用力是什么呢？,目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克,即认为quark没有内部结构。,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,粒子物理学 揭示物质的组成和相互作用,一、物理学的研究对象和研究方法,物质之间的基本相互作用:电磁相互作用 强相互作用 弱相互作

2、用 引力相互作用,一、物理学的研究对象和研究方法,引力相互作用(长程力）,大爆炸模型宇宙学标准模型,星系红移距离关系宇宙微波背景辐射轻元素的丰度星系演变,宇宙是怎样形成的呢？宇宙是怎样运动的呢？宇宙有多大呢？有没有边？,一、物理学的研究对象和研究方法,，大爆炸：宇宙由极端高温高密态的奇点膨胀。引力析出：所有基本粒子及其反粒子处于热平衡。,一、物理学的研究对象和研究方法,，暴涨：宇宙的膨胀率指数增加，在约 1032 s时暴涨停止，在这阶段宇宙的尺寸增加了1050 倍。强作用析出：夸克-胶子等离子体状态。,一、物理学的研究对象和研究方法,，电弱对称破缺：随温度下降，弱作用与电磁作用分离。,一、物理

3、学的研究对象和研究方法,，中子和质子形成：宇宙的尺寸已接近太阳系的大小。,一、物理学的研究对象和研究方法,min，原子核形成。主要是质子（75）和氦核。,一、物理学的研究对象和研究方法,，原子生成：辐射的能量不足以离解原子。宇宙变得透明。,一、物理学的研究对象和研究方法,，星系形成。局部质量密度的涨落成为形成星系的种子，热核反应形成重核。,一、物理学的研究对象和研究方法,，现今的宇宙。化学反应形成分子。,一、物理学的研究对象和研究方法,宇宙学和粒子物理学紧密衔接，已成为密不可分的姊妹学科。,一、物理学的研究对象和研究方法,不同尺度和速度范围的对象所对应的物理学理论,一、物理学的研究对象和研究方

4、法,经典物理：宏观的力、热、电磁、流体、等离子体等,地球物理,天体物理,原子分子物理,凝聚态物理生物物理,宇宙学,核物理,粒子物理,一、物理学的研究对象和研究方法,1687年，牛顿自然哲学的数学原理发表，标志经典物理学的诞生。经典物理学一诞生便推动了其后的第一次工业革命，带给人类第一次物质文明的飞跃。,物理学最重大的基本理论,19世纪末到20世纪末，以量子力学和相对论（以及电磁理论）为支柱的近代物理学推动了第二次科学和技术的大发展。为人类带来第二次物质文明的大飞跃20世纪物质文明的大飞跃。,一、物理学的研究对象和研究方法,经典物理学,近代物理学,一、物理学的研究对象和研究方法,一、物理学的研究

5、对象和研究方法,经典物理,经典物理,一、物理学的研究对象和研究方法,近代物理,一、物理学的研究对象和研究方法,物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，,物理的直觉和想象力及洞察力也常常产生重大突破和发现,其研究方法可概括为：,提出命题,一、物理学的研究对象和研究方法,实验,实验是理论的基础，理论正确与否最终要接受实验的检验，如：,光电效应实验光子的概念和理论密立根实验、康普顿散射实验使光子的概念和理论得到确认。,疑难弱作用宇称不守恒的理论吴健雄等人的实验证实了这一理论。,光的粒子性实物粒子波动性电子衍射实验验证了微观粒子的波动性。,一、物理学的研究对象和研究方法,历史上提出过很多理论，只要和

6、正确的实验结果不一致就不能成立。如：迈克尔逊莫雷实验的“零结果”否定了以太的存在。,“一个矛盾的实验结果就足以推翻一种理论。”爱因斯坦,“凡不能由实验证实的概念和陈述都不应在物理学中占有任何地位。”马赫,一、物理学的研究对象和研究方法,理论,（1）理论是实验规律的总结、提高和发展，能更深入反映事物的本质，往往具有普遍性。,光电效应实验规律(现象)光量子理论(本质)里德伯光谱公式玻尔理论(原子能量量子化),（2）在理论建立或发展的一定阶段，它本身的内部矛盾和逻辑发展也会导致新理论的建立。,一、物理学的研究对象和研究方法,狭义相对论（物理规律对一切惯性系具有不变性）,对非惯性系是否具有不变性?广义

7、相对论的建立。,光的波粒二象性,电弱统一理论,是否一切微观粒子都有波粒二象性?物质波假说 物质波是否可用波动理论来描述?薛定谔方程的建立。,四种相互作用是否都能统一?大统一理论、超弦理论的研究。,一、物理学的研究对象和研究方法,（3）理论对实验研究有重要的指导作用,使用大型精密的仪器 设计制造专用的装置 耗费大量的人力物力,戴维孙 革末实验 知道物质波理论后才自觉地进行,现代的实验：,“没有实验家，理论家就会迷失方向；没有理论家，实验家就会迟疑不决。”李政道,一、物理学的研究对象和研究方法,对称性分析守恒量的利用简化模型的选取概念和方法的类比,从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：,演绎法：,

8、归纳法：,基本定律,推理、演算,新理论,归纳实验、观测事实,假设、模型,新理论,具体地说，物理学还有许多有特色的方法，比如：,定性和半定量分析量纲分析能量分析,一、物理学的研究对象和研究方法,一,二,三,物理学的研究对象和研究方法,物理学与生产技术,为什么要学好物理学？,四,如何学好大学物理？,大学物理学绪论,第三届世界物理学大会决议指出：,物理学是我们认识世界的基础，是其他科学和绝大部分技术发展的直接的或不可缺少的基础，物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力。,二、物理学与生产技术,1.物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃,（l）热学、热力学的研究（19世纪下半叶）,

9、蒸汽机的发明和广泛应用 第一次工业革命（工业机械化）,（2）电磁感应的研究，电磁理论的建立（19世纪中叶）,发电机、电动机的发明，无线电通讯的发展第二次工业革命（工业电气化）,（3）相对论、量子力学的建立（19001930）,核能利用，微电子技术和大规模集成电路第三次技术革命（信息化）,二、物理学与生产技术,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

10、原子弹,1952年 实现核聚变氢弹,1954年 建立第一座核电站(安全、清洁、经济的能源),二、物理学与生产技术,微电子和信息技术的物理基础,1926年 Fermi-Dirac 统计、泡利不相容原理,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面概念的提出,1947年 肖克莱、巴丁、布拉顿发明晶体管（获1956年诺贝尔物理奖）,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）,二、物理学与生产技术,1925年 量子力学建立,2.生产的需要是推动物理学发展的根本动力,（1）生产的需要推动了物理学的研究,要提高蒸

11、汽机的效率 研究热学、卡诺循环，发展了热力学。,德国要发展炼钢业 研究热辐射的规律，导致量子论的建立。,利用核能和开发聚变能促进了核物理、等离子体物理、辐射物理 等的研究。,二、物理学与生产技术,大规模集成电路促进了材料科学、表面物理、人工微结构物理等 的研究。,（2）生产为物理学的发展创造了物质技术条件,在近代，由于认识到科学对生产发展的重要作用，从总体来看，物理学的研究是超前于技术和生产的，但其发展离不开当时的生产技术水平。,二、物理学与生产技术,一,二,三,物理学的研究对象和研究方法,物理学与生产技术,为什么要学好物理学？,四,如何学好大学物理？,大学物理学绪论,打好学习其它学科的基础,

12、三、为什么要学好物理学？,提高科学素质和能力,以适应高新技术和市场经济 的发展(转产,转行),学习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,（2）学会掌握科学的方法,（3）培养科学思维能力、发展智力,（4）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。,三、为什么要学好物理学？,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；,注意物理学的发展，不断探索如何把物理学的新成果引入到工程技术中。,工程技术人员良好的物理素质表现为：,在工程技术问题面前，能够从物理本质上提出问题和作出判断；,要重视提高科学素质，不要把物理课当专业课来对待！,（分析问题）

13、,（不断创新）,（解决问题）,三、为什么要学好物理学？,一,二,三,物理学的研究对象和研究方法,物理学与生产技术,为什么要学好物理学？,四,如何学好大学物理？,大学物理学绪论,1、掌握正确的学习方法,重视预习和复习，主动培养自主互动学习能力；,适应“粗线条”的讲课方式。,2、养成严谨求实学风，高质量及时完成作业,摈弃“题海战术”，重视素质和能力的培养，特别是创新意识的培养。,要勤奋地去做练习，只有这样，你才会发现，哪些你理解了，哪些你还没有理解。索末菲至海森堡的信,四、如何学好大学物理？,要勤于思考，悟物穷理，对基本物理概念要清晰，不断建立自己的物理图象，物理思想和处理问题的方法。,爱因斯坦在

14、物理学的进化中指出：“物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。”,四、如何学好大学物理？,前期课程：高等数学（矢量、微积分、微分方程等）教材：大学物理学，李承祖等，科学出版社 Physics for Scientists and Engineers，Tipler&Mosca，W.H.Freeman&company参考书：大学物理学，张三慧，清华大学出版社 新概念物理，赵凯华等，高等教育出版社,四、如何学好大学物理？,爱因斯坦：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

15、与工作，他必定会找到自己的道路。而且比起那些主要以获取细节知识为其训练内容的人来，他一定会更好适应进步和变化。,结 束 语,四、如何学好大学物理？,费曼：科学是一种方法，它教导人们：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，如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则，如何去思考事物，作出判断，如何区分真伪和表面现象。,结 束 语,四、如何学好大学物理？,一个深夜，担任英国剑桥大学卡文迪许实验室主任的卢瑟福，披着外衣来检查实验室，发现一位学生还在做实验。卢瑟福就问他：“你上午干什么了？”学生回答：“在做实验。”卢瑟福又问：“那你下午做什么了？”学生回答：“做实验。”卢瑟福提高嗓门问：“那你晚上又做什么呢？”学生挺直了胸脯回答：“我还在做实验。”卢瑟福对他说：“你整天做实验，还有什么时间用于思考呢？”,结 束 语,四、如何学好大学物理？,