大学物理导论.ppt

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1、第一篇第一篇 导导 论论解决两个问题：解决两个问题：* * 明确为什么学？学什么？怎样学？明确为什么学？学什么？怎样学？* * 了解物质世界的整体图象。了解物质世界的整体图象。 目的：目的： 获得学习获得学习“大学物理大学物理”的自觉意的自觉意识和较高的起点。识和较高的起点。 一一. . 为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？对于任何专业，大学基础物理课的目的，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都是使学生对物理学的内容内容和和方法方法，工作，工作语言，概念和物理图象，其历史、现状和语言，概念和物理图象，其历史、现状和前沿等方面，从前沿等方面，从整体整体上有个全面的

2、了解。上有个全面的了解。这是一门培养和提高学生科学这是一门培养和提高学生科学素质素质，科学科学思维方法思维方法和和科学科学研究能力研究能力的重要基础课。的重要基础课。定位：定位：物理教育物理教育科学素质教育科学素质教育不仅仅是为后续课服务不仅仅是为后续课服务不仅仅是为专业服务不仅仅是为专业服务立足于提高自身科学素质，立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展有益于终身学习和发展为什么要提高工科学生的为什么要提高工科学生的物理物理素质？素质？根本原因：根本原因：物理学物理学与与工程技术工程技术的关系的关系*第一次工业革命（第一次工业革命（1718世纪）：建立在牛顿世纪）：建立在牛顿力学力学和和

3、热力学热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列系列机械机械的产生和应用。的产生和应用。 *第二次工业革命（第二次工业革命（19世纪）：建立在世纪）：建立在电磁理论电磁理论发展的发展的基础上，其标志是基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备发电机、电动机、电讯设备的出现的出现和应用。和应用。*第三次工业革命（第三次工业革命（20世纪）：建立在世纪）：建立在相对论相对论和和量子量子力学力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列系列新学科、新材料、新能源、新技术新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发

4、展。的兴起和发展。三次工业革命三次工业革命物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式*技术技术 物理物理 技术（典型例子：热学）技术（典型例子：热学）*物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）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。在现代社会中主要以第二种方式进行。例如：例如：其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。下面一些当代的关键技术，下面一些当代的关键技术，1. 激光技术的物理基础激光技术的物理基础1953年年 制成微波激射器（制成微波激射器（maser）1960年年 Maiman制成红宝石制成红宝

5、石激光器激光器6070年代年代 激光器及其应用高速发展，月球上设置激光器及其应用高速发展，月球上设置 激光反射器激光反射器1982年年 激光全息术激光全息术8090年代年代 激光外科手术，通讯，光盘，激光武器激光外科手术，通讯，光盘，激光武器.1860年年 Maxwell 建立光的建立光的电磁理论电磁理论1900年年 Planck 提出提出能量子理论能量子理论1917年年 Einstein 提出提出受激辐射理论受激辐射理论2. 核技术的物理基础核技术的物理基础1896年年 Becquerel 发现铀的天然发现铀的天然放射性放射性1933年年 发现人工放射性发现人工放射性1945年年 实现实现核

6、裂变核裂变原子弹原子弹1952年年 实现实现核聚变核聚变氢弹氢弹1954年年 建立第一座建立第一座核电站核电站2mcE 1905年年 Einstein 创立狭义创立狭义相对论相对论，得，得1911年年 Rutherford 提出原子的提出原子的有核模型有核模型1925年年 量子力学量子力学建立建立1932年年 建立原子核的建立原子核的 质子质子中子中子 模型模型3. 电子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础1947年年 发明发明晶体管晶体管（获（获1956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）1962年年 制成制成集成电路集成电路（IC）70年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超

7、大规模集成电路（VLIC）90年代年代 量子力学量子力学新发展新发展 量子信息学：量子信息学：量子通信，量子计算机，量子通信，量子计算机，1925年年 量子力学量子力学建立建立1929年年 能带理论能带理论提出并得到证实，从理论上解释了提出并得到证实，从理论上解释了 导体、半导体、绝缘体的性质和区别；导体、半导体、绝缘体的性质和区别；4. 光纤通信光纤通信古古 代代 光通信光通信: 烽火烽火, 狼烟狼烟30年代年代 光波导通信理论研究光波导通信理论研究: 透镜波导透镜波导, 玻璃纤维玻璃纤维50年代年代 设计出折射率渐变型光纤设计出折射率渐变型光纤, 但玻璃材料但玻璃材料 损耗达损耗达1000

8、dB/km, 未能实现光纤通信未能实现光纤通信60年代年代 高锟高锟用物理理论研究发现用物理理论研究发现: 如果玻璃中如果玻璃中 的金属离子含量低于的金属离子含量低于 , 其材料损耗其材料损耗 可低于可低于10dB/km1970年年 美国制成损耗为美国制成损耗为 20dB/km的的光纤光纤1976年年 日本制成损耗为日本制成损耗为0.5dB/km的的光纤光纤现现 在在 光纤通信广泛应用于各个领域光纤通信广泛应用于各个领域 而且还有巨大的潜力而且还有巨大的潜力610 纳米（纳米（ ）技术）技术m109皮秒（皮秒（ ）技术）技术s1012超导技术超导技术.直接从物理实验室直接从物理实验室移植到工业

9、上移植到工业上5. 其它技术其它技术蒸汽机车蒸汽机车 内燃机车内燃机车 电力机车电力机车常导、超导常导、超导磁悬浮列车磁悬浮列车超导技术超导技术扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜纳米技术纳米技术电子探针移动氙原子电子探针移动氙原子 纳米技术纳米技术 应用实例应用实例通过移走原子构成的图形通过移走原子构成的图形物理学物理学提供提供科学原理科学原理指导指导技术路线技术路线的选择和的选择和技术方案技术方案的改进的改进培养技术人员的培养技术人员的科学品格科学品格和和创新能力创新能力，使其眼光远，层次高，后劲足使其眼光远，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全世界工科大学无一例外将物理作为

10、重要基础课结论结论二二.学什么？学什么？知识、方法、科学素质知识、方法、科学素质“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律研究研究物质世界物质世界的的物理学：物理学：最普遍最普遍的的运动规律运动规律基本基本结构结构基本基本相互作用相互作用物理学的基本框架物理学的基本框架时间时间 t关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 1800 1900 力学（实物粒子）力学（实物粒子）电磁学（场）电磁学（场）热力学统计物理热力学统计物理（多粒子体系）（多粒子体系）相对论相对论力学力学量子力学量子力学量子统计物理量子统计物理相对论量子力学相对

11、论量子力学相对论量子场论相对论量子场论？经典物理经典物理1.学习物理学习物理知识：知识：要注意要注意整体性整体性和和发展性发展性。整体性注意掌握知识的注意掌握知识的结构和联系结构和联系形成物质世界的形成物质世界的整体物理图象整体物理图象教材结构和主线教材结构和主线基本基本粒子粒子实物的实物的 运动规律运动规律相互作用相互作用和场和场振动和振动和波动波动量子现象和量子现象和量子规律量子规律多粒子体系多粒子体系的热运动的热运动正确全面正确全面认识世界认识世界 第四篇振动与波动第四篇振动与波动 第五篇波动光学第五篇波动光学 第六篇热学第六篇热学 第七篇量子物理基础第七篇量子物理基础 第一篇导论第一篇

12、导论 第二篇力学第二篇力学 第三篇电磁学第三篇电磁学 确定确定性性 不不确定性确定性发展性不断不断从从新的角度新的角度审视和理解物理概念和规律，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，相互关系关注其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。的变化。例如：例如：质量质量m初中：初中：VmVm循环定义？循环定义？高中：高中：maF 惯性质量；惯性质量；2rGmMF 引力质量引力质量前沿：前沿： 质量究竟是什么？是如何产生的？质量究竟是什么？是如何产生的？大学：大学：2mcE 能量载体；能量载体；惯引mm 例如：例如：力力F近代物理：以近代物理：以守恒量守恒量为中心的表述优于以为中心的

13、表述优于以力力为中心的表述。为中心的表述。中心：中心：守恒量守恒量动量、角动量、能量动量、角动量、能量守恒定律与自然界对称性的联系守恒定律与自然界对称性的联系amF对时间积累对时间积累ptFI 动量定理动量定理动量守恒动量守恒对空间积累对空间积累kcosEFSA 动能定理动能定理机械能守恒机械能守恒力矩力矩FdM 定轴转动物体的平衡定轴转动物体的平衡中学：以中学：以“力力”为中心。为中心。 2. 学习学习物理方法物理方法 (处理和应用）处理和应用）观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说类比、理想化、假说.指导性原理指导性原理: *

14、 简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。简单性原理：逻辑前提越简单，普遍程度越高。 * 对应原理对应原理 ：新理论应包容在一定条件下被证实是：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。正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。例如：例如：理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体)理想实验（伽利略、牛顿理想实验（伽利略、牛顿. ）理想过程理想过程 (准静态、绝热准静态、绝热)实质实质: 简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。理想化理想化 方法方法例如：例如：叠加原理叠加原理复杂复杂对象对象简

15、单简单对象对象 质点系质点系：质点的集合。：质点的集合。刚刚 体体：任意两质点间距离保持不变的质点系。：任意两质点间距离保持不变的质点系。质点质点质点系质点系刚体刚体集合集合特例特例*复习复习质点、质点系、刚体质点、质点系、刚体质点质点：当物体的线度和形状在所研究的问题中的：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，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，但无形状大小的占有位置，但无形状大小的“点点”。充分应用物理知识理解、解决实际问题充分应用物理知识理解、解决实际问题。如：如： 叠加原理叠加原理kFjFiFFzyx kEjEiEEzyx

16、 )t2cos(a)tcos(aa)t (F22110 2211002a2a2aN )x(ea)x(eaa)x(F22110希尔伯特（希尔伯特（Hilbert）空间）空间(C)=R (R)+G (G)+B (B)例如：例如：迁移性迁移性发散思维发散思维牛顿时代牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。：以经验观察，逻辑归纳为主。现代物理现代物理：问题：问题假说假说(实践实践)科学科学 （证伪）（证伪）新问题新问题新假说新假说.“不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么观察什么。” 爱因斯坦爱因斯坦例如：例如：科学假说科学假说 方法方法3. 创造性创造性思维能力思维能力 每一次理论突破，每一次重要应用每一次理论突破，每一次重要应用 都是都是创造性创造性思维思维的结果的结果如如:相对论相对论: 冲破了冲破了绝对时空绝对时空的框架的框架, 创建了创建了时空和运动相统一时空和运动相统一的理论的理论量子力学量子力学: 冲破了冲破了粒子粒子和和波动波动的界限的界限, 创建了物质的创建了物质的波粒二象性波粒二象性的统一理论的统一理论4. 提高科学提高科学素质