01大学物理绪论课件.ppt

1、课程要求课程要求n要求记笔记（特别是补充内容）n课前预习、课后复习、独立完成作业（整洁）n成绩：(考勤+平时+作业)+实验+考试n克服畏难情绪，多想多问，培养自学能力办公室：1#实训楼B303左室靠门*明确为什么学？学什么？怎样学？明确为什么学？学什么？怎样学？课程介绍课程介绍*了解物质世界的整体图象了解物质世界的整体图象。物质世界物质世界绪绪 论论*获得学习获得学习“大学物理大学物理”的自觉意识和较的自觉意识和较高高 的起点。的起点。目目 的：的：请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些不是教你们如何应

2、付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，样，欣赏到这个世界的美妙欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来大的探

3、索中来。理查德理查德.费曼费曼 R.P.FeynmanR.P.Feynman （1918191819881988）美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者课课 程程 介介 绍绍一一 .为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？物理学物理学:研究物质世界的基本结构、基本相互作用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。和最普遍的运动规律。是一切自然科学和工程技术的基础。是一切自然科学和工程技术的基础。物理书都充满了复杂的数物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理而非公式，才是每一物理理论的开端。论的开端。爱因斯坦爱因斯坦 物理学的进

4、化物理学的进化雷雷 电电 人体带电后头发人体带电后头发 竖起、散开竖起、散开 在物质世界中，有多姿的物理现象，在实验里在物质世界中，有多姿的物理现象，在实验里有精彩的实验。看一看物理知识是多么广博，多么有精彩的实验。看一看物理知识是多么广博，多么有用，又多么有趣。有用，又多么有趣。火箭发射火箭发射 物理无处不在物理无处不在 人人离不开物理人人离不开物理 1.1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。获得生活、学习、工作所需的知识和技能。2.2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科开启智慧，获得科学思想、科学精神、科 学态度和科学方法的熏陶和培养。学态度和科学方法的熏陶和培养。载体载体不仅仅是为

5、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立足于提高自身科学素质提高自身科学素质，有益于终身学习和发展，有益于终身学习和发展学习目的：学习目的：定位：定位：为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？根本原因：根本原因：物理学与工程技术的关系物理学与工程技术的关系*第一次工业革命（第一次工业革命（17171818世纪）：世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以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。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（第二次工业革命（1

6、919世纪）：世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电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。动机、电讯设备的出现和应用。*第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪）：世纪）：建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以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、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。新技术的兴起和发展。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

7、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。例例 计算机技术、激光技术、核计算机技术、激光技术、核技术、空间技术技术、空间技术其基础正是过去大半个世纪其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。的现代物理学的研究成果。时间典型事件及意义1593年伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计的雏形 1695年 法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，不安全。1705年 钮科门和科里制造了新蒸汽机 1744年 1780年 温度、热量、热容量、潜热等一系列概念形成 1769年 英国技工瓦特加了冷凝器使蒸汽机运作变连续，导致了欧洲的工业

8、革命 时间典型事件及意义代表人物公元前七世纪发现磁石管子(中国)thale(泰勒斯 希腊)公元前二世纪静电吸引西汉初年1600年地磁论论述磁并导入“电的”electricWilliam Gilbert(吉尔伯特)英国女王的御臣1747年电荷守恒定律（正,负电的引入）Benjamim Franktin(富兰克林 美国)1785年库仑定律电磁学进入科学行列Charles Auguste de Coulom(库仑 法国)1820年电流的磁效应（电产生磁）安培分子电流说毕奥-萨伐尔定律Hans Chanstan Oersted(奥斯特 丹麦)Andre Marie Ampere(安培 法国)Jean-

9、Baptute Biot,Felix Savart(毕奥，萨伐尔)1826年欧姆定律Georg Simon ohm(欧姆)1831年电磁感应现象（磁产生电）Michael Faraday(法拉第 英国)1865年麦克斯韦方程组建立了电磁学理论，预言了电磁波Maxwell(麦克斯韦)1888年实验证实电磁波存在Heinrich Hertz(赫兹 德国)电子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础19251925年年 量子力学建立量子力学建立19261926年年 Fermi-Dirac Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出19291929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释能带理

10、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；了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；FermiFermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出19471947年年 发明晶体管发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获（肖克莱、巴丁、布拉顿获19561956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）19571957年年 建立建立FermiFermi面编目面编目19621962年年 制成集成电路（制成集成电路（ICIC）19651965年摩尔定律：芯片容量每年摩尔定律：芯片容量每18182424个月翻番。个月翻番。7070年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（

11、VLICVLIC）直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术纳米（纳米（）技术）技术m109 皮秒（皮秒（）技术）技术s1012 超导技术超导技术.IBMIBM公司构成公司构成的铂片表面的的铂片表面的“一氧化碳人一氧化碳人”身高身高5 5纳米纳米。物理学物理学提供科学原理提供科学原理指导技术路线的选择和技术方案的改进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重要基础课

12、物理学的研究成果和物理学的研究成果和研究方法直接影响和推研究方法直接影响和推动着其它学科的发展。动着其它学科的发展。DNA双螺旋结构图双螺旋结构图两个物理学家两个物理学家一个生物学家一个生物学家一个化学家一个化学家1962年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖1953年，克里克、威尔金斯发表论年，克里克、威尔金斯发表论文，文，DNA结构首次诞生。结构首次诞生。高新技术如空间技术、现代通信技术、微电子技高新技术如空间技术、现代通信技术、微电子技术、激光技术等的发展都与物理学密不可分。术、激光技术等的发展都与物理学密不可分。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)被激光囚禁的伽原子云被激光囚禁的伽原子云 1982

13、年，国际商业年，国际商业机器公司苏黎世实验室机器公司苏黎世实验室的葛的葛.宾尼宾尼博士和海博士和海.罗罗雷尔雷尔博士及其同事们共博士及其同事们共同研制成功了世界第一同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪台新型的表面分析仪器器STM。（应用隧道效应的显微镜）应用隧道效应的显微镜）单原子拼成的汉字单原子拼成的汉字 STM 操纵原子不是梦操纵原子不是梦 它使人类第一次能够实时地它使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为化学性质，被国际公认为80年代年代世界十大科技成就之一世界十大科

14、技成就之一。1986年，年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。在温度在温度4K、超高真空的条件下，在清洁的单晶超高真空的条件下，在清洁的单晶Cu表面蒸镀一层表面蒸镀一层Fe原子然后用扫描隧道显微镜针尖操作，原子然后用扫描隧道显微镜针尖操作，让让48个个Fe原子围成一个半径为原子围成一个半径为713nm的圆圈的圆圈“量量子围栏子围栏”。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)二二.学什么？学什么？知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律1.学习物理知识要注意学习物理知

15、识要注意 整体性整体性、发展性发展性和和迁移性迁移性。整体性注意掌握注意掌握知识的结构和联系知识的结构和联系形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象避免：避免：只见树木，不见森林。只见树木，不见森林。只得到一堆支离破碎的公式。只得到一堆支离破碎的公式。场场 物质的形态：物质的形态：实物实物 运动的形式：运动的形式：机械运动机械运动分子热运动分子热运动电磁运动电磁运动量子运动量子运动 这些是物质运动这些是物质运动最基本、最普遍最基本、最普遍的运动形式的运动形式物物 质质 世世 界界物理学是研究物理学是研究 物质结构和运动基本规律的科学物质结构和运动基本规律的科学 物理学有许多分支学科

16、物理学有许多分支学科，如力学、热学、电磁学、光，如力学、热学、电磁学、光学、统计物理学、量子力学、凝聚态物理学、粒子物理学学、统计物理学、量子力学、凝聚态物理学、粒子物理学(高能物理高能物理)等等。物理学的研究范围是非常广阔的。等等。物理学的研究范围是非常广阔的。银河系银河系 现代的标准宇宙模型告诉现代的标准宇宙模型告诉我们，宇宙是在一百多亿年前的我们，宇宙是在一百多亿年前的一次大爆炸中诞生的。以一次大爆炸中诞生的。以s（秒）秒）为单位，宇宙的年龄约为为单位，宇宙的年龄约为1018s的的数量级数量级。1.从时间尺度来看从时间尺度来看s10s102718共计跨越了共计跨越了4545个数量级个数量

17、级s1018 宇宙年龄：宇宙年龄：150 150 亿年亿年 生命的诞生：生命的诞生：约约4040亿年亿年人类：人类：300300万年（万年（10101414s s）中间玻色子寿命：中间玻色子寿命：10102424s s地球年龄地球年龄:s10106.4179 年年大爆炸大爆炸 时间跨时间跨4545个数量级个数量级 硬硬 射线的周期是射线的周期是 10 10 2727S S。2.从空间尺度来看从空间尺度来看 跨越了跨越了4243个数量级个数量级粒子物理学的研粒子物理学的研究对象，数量级究对象，数量级约为约为10-15 m。目前最活跃的交目前最活跃的交叉学科生物物理叉学科生物物理学研究的生物大学研

18、究的生物大分子，数量级为分子，数量级为10-710-4m。当前人类当前人类所认识的所认识的宇宙，最宇宙，最远的观察远的观察极限数量极限数量级为级为102 6 1027m。宇观宏观微观注意提高应用物理知识理解、解决注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。实际问题的能力。迁移性迁移性 发展独立思考和独立判断的一般发展独立思考和独立判断的一般能力，应该始终放在首位，而不应能力，应该始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。当把获得专业知识放在首位。如果如果一个人掌握了他的学科的基础理论，一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，他并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他

19、自己的道路，而且比必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地养内容的人来说，他一定会更好地适应进步与变化。适应进步与变化。阿尔伯特阿尔伯特 .爱因斯坦爱因斯坦 德裔（美）爱因斯坦德裔（美）爱因斯坦(1879-1955)(1879-1955)1、萌芽时期、萌芽时期：物物 理理 学学 的的 发发 展展墨墨 翟翟沈沈 括括哥白尼哥白尼 德谟克利特德谟克利特（约前（约前460前前370）古希腊哲学家，原子唯物论古希腊哲学家，原子唯物论的创立者之一。他认为，万的创立者之一。他认为，万物的本原是原子和虚空。原物的本原是原子和虚空

20、。原子是不可再分的物质微粒，子是不可再分的物质微粒，虚空是原子运动的场所。虚空是原子运动的场所。墨墨 经经梦溪笔谈梦溪笔谈天体运行论天体运行论2、经典物理学：、经典物理学：经典力学经典力学开普勒，伽利略，牛顿开普勒，伽利略，牛顿1606-16191606-1619年年 开普勒总结出行星运动三开普勒总结出行星运动三 大定律大定律16321632年年 伽利略伽利略关于托勒密和哥白尼关于托勒密和哥白尼 两大世界体系的对话两大世界体系的对话16381638年年 伽利略伽利略两门新科学两门新科学16871687年年 牛顿牛顿自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理 热力学热力学 与与统计物理统计物理热力学热

21、力学 基础基础 统计物统计物 理理焦耳，迈尔，焦耳，迈尔，开尔文开尔文，克劳修斯，克劳修斯波耳兹曼波耳兹曼 吉布斯吉布斯电磁学电磁学 库仑，法拉第，库仑，法拉第，麦克斯韦，赫兹麦克斯韦，赫兹18731873年年 麦克斯韦麦克斯韦电学磁学论电学磁学论 3、现代物理学：、现代物理学：现代物理学基础：现代物理学基础：旧量子论旧量子论普朗克普朗克狭义相对论狭义相对论爱因斯坦爱因斯坦广义相对论广义相对论爱因斯坦爱因斯坦19001900年年 普朗克普朗克 旧量子论诞生旧量子论诞生 19051905年年 爱因斯坦爱因斯坦狭义相对论狭义相对论 光量子假光量子假 设设 论运动系统的电动力学论运动系统的电动力学

22、物体的惯性同它所含的能量有关吗物体的惯性同它所含的能量有关吗 19161916年年 爱因斯坦爱因斯坦广义相对论广义相对论 量子力学量子力学 薛定谔薛定谔海森堡海森堡薛定谔薛定谔波波 尔尔德布罗意德布罗意海森堡海森堡19251925年年 薛定谔薛定谔波动力学波动力学 海森堡海森堡矩阵力学矩阵力学 现代物理学的发展：现代物理学的发展：粒子物理学粒子物理学原子核物理学原子核物理学原子与分子物理学原子与分子物理学凝聚态物理学凝聚态物理学等离子体物理等离子体物理天体物理学天体物理学生物物理等等生物物理等等物理学的物理学的研究正向研究正向很小、很很小、很大、很复大、很复杂这三个杂这三个方向发展方向发展 物

23、理学的两个前沿：物理学的两个前沿：粒子物理学和天体物理学粒子物理学和天体物理学 人们从自己向小尺度追问人们从自己向小尺度追问 以探索物质的组成以探索物质的组成物理学上对应物理学上对应 粒子物理学（高能物理学）粒子物理学（高能物理学）研究比原子核更深层次的微观世界中物质研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质以及在很高能量（的结构性质以及在很高能量（GeV,10GeV,109 9eVeV）下这些物质相互转化的现象和产生这些现下这些物质相互转化的现象和产生这些现象的原因与规律。象的原因与规律。研究质子、中子、电子和光子等微研究质子、中子、电子和光子等微观粒子运动规律的物理学是观粒子运动规律的

24、物理学是粒子物理粒子物理。中国北京正负电子对撞机中国北京正负电子对撞机，用来探索微观粒子的运，用来探索微观粒子的运动规律动规律北京正负电子对撞机（北京正负电子对撞机（BEPCBEPC）的）的正电子源正电子源19881988年建成，年建成，19921992年成果：将年成果：将 子质量测量精度提高子质量测量精度提高1010倍倍20032003年：发现新粒子年：发现新粒子20042004年：国家投入年：国家投入6.46.4亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种。轻子也有夸克包括下、上、奇异、粲、底、顶种。轻子也有种，即电子、电子中微子、种，即电

25、子、电子中微子、子（缪子）、子（缪子）、子中微子、子中微子、子（陶子）和子（陶子）和子中微子。子中微子。但近来有消息称：但近来有消息称：quarkquark 也可一分为二也可一分为二目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克克（quark），即认为，即认为quarkquark没有内部结构。没有内部结构。认识无止境认识无止境说明说明 六十六十-七十年代建立夸克理论。将夸克分为七十年代建立夸克理论。将夸克分为“六味六味”,即：即：上夸克上夸克u u；下夸克；下夸克d d；奇异夸克；奇异夸克s s；粲夸克粲夸克c c；底夸克；底夸克b b；顶夸克；顶夸克t t。除

26、了有味除了有味,夸克还有三种夸克还有三种“颜色颜色”，共，共1818种夸克。种夸克。人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘宇宙学是以量子论、相对论、原子核物理学和宇宙学是以量子论、相对论、原子核物理学和粒子物理学等为理论武器，以大口径光学望远粒子物理学等为理论武器，以大口径光学望远镜和射电、红外、紫外、镜和射电、红外、紫外、X X射线等技术以及空间射线等技术以及空间探测器等为手段，研究宇宙的历史、现状和未探测器等为手段，研究宇宙的历史、现状和未来。来。物理学上对应物理学上对应 宇宙学宇宙学 五、物理学的研究方法五、物理学的研究方法实验实验理论理论实验实验新

27、的理论新的理论1、通过观察、实验、计算机模拟得到事实和数据、通过观察、实验、计算机模拟得到事实和数据2、用已知的可用的原理分析事实和数据、用已知的可用的原理分析事实和数据3、形成假说和理论解释事实、形成假说和理论解释事实4、预言新的事实和结果、预言新的事实和结果观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合、类比、理想化、假说综合、类比、理想化、假说 钱伟长钱伟长 “9.18”后，科学救国热潮，大量学生要求学物后，科学救国热潮，大量学生要求学物理。理。物理系主任吴有训：一年级数学、物理、微积分物理系主任吴有训：一年级数学、物理、微积分考考70可到物理系试读。可到物理系试读。钱伟长连续钱伟长连续7周考试不及格。周考试不及格。清华入学成绩：清华入学成绩：中文、历史各中文、历史各100 数、理（数、理（5）、化、英四门共）、化、英四门共25 吴有训告诉钱伟长：吴有训告诉钱伟长：1、不能背，要学懂、不能背，要学懂2、把不懂的记下来，每天看看弄懂多少。、把不懂的记下来，每天看看弄懂多少。不懂的问题有三类：不懂的问题有三类：1、没人懂、没人懂2、现在不懂，将来会懂、现在不懂，将来会懂3、不需要懂、不需要懂只要有恒心只要有恒心、有信心一就定能学好、有信心一就定能学好