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1、大学物理学绪论绪论1 1什么是什么是物理学？物理学？2 2为什么要学习为什么要学习大学物理？大学物理？3 3如何学好如何学好大学物理？大学物理？补充：矢量运算简介补充：矢量运算简介1 1什么是物理学什么是物理学2 2中国的物理学发展历程中国的物理学发展历程3 3物理学的研究对象物理学的研究对象4 4物理学的研究方法物理学的研究方法5 5大学物理课程的任务大学物理课程的任务绪绪 论论一一 什么是物理学？什么是物理学？物理：物理：Physics 自然哲学自然哲学 物物 物质的结构和性质物质的结构和性质理理 物质的运动和变化规律物质的运动和变化规律 物理物理：研究物质的：研究物质的的科学。的科学。古

2、代，古代，无论在中国还是在西方，哲学和科学本是一家。无论在中国还是在西方，哲学和科学本是一家。文艺复兴以后，文艺复兴以后，自自然科学开始与哲学分离而成为独立的学科，而物理学也逐渐成为自然科学然科学开始与哲学分离而成为独立的学科，而物理学也逐渐成为自然科学的一个重要分支。的一个重要分支。物理学既是一门物理学既是一门科学科学，也是一种也是一种文化文化，它是人类思想它是人类思想文明的源泉文明的源泉。在古代，中国在古代，中国问题上提出了问题上提出了“五行说五行说”，即世界是由金、木、，即世界是由金、木、水、火、土五种元素组成的。水、火、土五种元素组成的。在在易经易经的注解书的注解书易传易传中说：中说：

3、“易有太易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”“太极太极”宇宙本体，宇宙本体，“两仪两仪”阴阳，阴阳，“四象四象”春夏秋冬四时春夏秋冬四时“八卦八卦”天、地、雷、风、水、火、山、泽。天、地、雷、风、水、火、山、泽。意思是把世界上万物变化的原因都归之于阴阳的相互作用。意思是把世界上万物变化的原因都归之于阴阳的相互作用。现代：现代：物理学家把世界分成物理学家把世界分成四个层次四个层次来观察，来观察，那就是那就是宇观、宏观、介观宇观、宏观、介观和和微观微观。西方也有类似的西方也有类似的“四根说四根说”：认为认为火、水、土、气火、水、土、气是组成物质的基本

4、元素。是组成物质的基本元素。德谟克利特德谟克利特(Democritus,460BC 370BC)提出提出“原子论原子论”，“原原子子”atom 一词在希腊文中的原意是一词在希腊文中的原意是“不可分割不可分割”，当时认为原子的种，当时认为原子的种类和数量都无限多，在空间处于永恒的运动之中，一切物质都是由不可分割类和数量都无限多，在空间处于永恒的运动之中，一切物质都是由不可分割的原子组成的。的原子组成的。二二 中国的物理学发展历程中国的物理学发展历程物理学与哲学混为一体物理学与哲学混为一体,“天人合一天人合一”天文、力、声、光、电天文、力、声、光、电的成就的成就近代近代中国物理的中国物理的艰辛艰辛

5、现代物理的发展现代物理的发展 “物理物理”一词在一词在2300前的先秦时期就出现了，它泛指人类对自然界及人前的先秦时期就出现了，它泛指人类对自然界及人类自身的理性认识或世界万物的道理。类自身的理性认识或世界万物的道理。当时的思想家认为自然界的规律和人文社会的规律是统一的当时的思想家认为自然界的规律和人文社会的规律是统一的，人文社会人文社会的法则也应该归结为天地、自然的法则的法则也应该归结为天地、自然的法则；后来有人把这个观点概括为后来有人把这个观点概括为“天天人合一人合一”。物理学的发展历程物理学的发展历程物格而后致知，致知而后意诚，物格而后致知，致知而后意诚，意诚而后心正，心正而后身修，意诚

6、而后心正，心正而后身修，身修而后家齐，家齐而后国治，身修而后家齐，家齐而后国治，国治而后天下平。国治而后天下平。朱熹：朱熹：(“物格者，物格者，物理物理之极处无不到也。之极处无不到也。知至者，吾心之所知无不尽也知至者，吾心之所知无不尽也”。）。）人们首先要尽力探求世界万物的道理，深入理人们首先要尽力探求世界万物的道理，深入理解得到的各种知识，才会有坚定的信念，修养好个解得到的各种知识，才会有坚定的信念，修养好个人的品德；每个人有了崇高的品德，就能处理好家人的品德；每个人有了崇高的品德，就能处理好家族、社会与国家的关系，达到天下大同。族、社会与国家的关系，达到天下大同。Astronomical

7、observation facilities in 1442,Beijing Celestial Globe of Zhang Heng in 1251.1.天文学与古代历法：天文学与古代历法：通过长期通过长期观测观测，中国创造了与农业经济相结合的，中国创造了与农业经济相结合的农历农历，促进了农业经济的，促进了农业经济的发展，并发展，并延用至今延用至今,这是天体力学的起源这是天体力学的起源。The 65 Chime Bells of Marquis Yi of Zeng (Warring States Period(475-221 B.C.)2.声学：声学：在乐器制作、声音传播规律的掌握以及具

8、备完美听觉的音乐殿堂的建造上都取得在乐器制作、声音传播规律的掌握以及具备完美听觉的音乐殿堂的建造上都取得了突出的成就。如被誉为了突出的成就。如被誉为20世纪考古学的重大事件的湖北随县出土的世纪考古学的重大事件的湖北随县出土的曾侯乙编钟曾侯乙编钟是中是中国古代声学的杰作国古代声学的杰作Performance with Chime Bells in Paris(2000)3.3.光学：光学：在光学方面，在墨子的在光学方面，在墨子的“墨经墨经”中对几何中对几何光学的现象已有相当完整的表述，当时已发现光学的现象已有相当完整的表述，当时已发现了了小孔成像小孔成像技术，发展了技术，发展了金属放大镜金属放大

9、镜技术技术.等等能够在反射光中现出背面纹饰的镜子能够在反射光中现出背面纹饰的镜子 4.4.力学：力学：在在杠杆原理杠杆原理、静力平衡静力平衡原理以及在原理以及在秤量工具秤量工具和和建筑结构建筑结构等方面也很早就有很多建树等方面也很早就有很多建树斗拱斗拱是古建筑抗震中的又一位重要是古建筑抗震中的又一位重要“战士战士”榫卯榫卯是抗击地震的关键是抗击地震的关键 5.中国近代物理学的起步比西方晚了中国近代物理学的起步比西方晚了200 多年！多年！长期长期封建统治下的伦理道德与文化观念封建统治下的伦理道德与文化观念不利于近代科学的萌发不利于近代科学的萌发 清朝清朝“闭关锁国闭关锁国”政策阻止西方近代科学

10、的传入政策阻止西方近代科学的传入 我国的传统文化比较讲究实用我国的传统文化比较讲究实用,缺乏科学探索和建立理性思维体系的动力缺乏科学探索和建立理性思维体系的动力。基础科学代表着一种探索，基础科学代表着一种探索，其目标在于揭示和认识客观世界的基本规律；它的动机是其目标在于揭示和认识客观世界的基本规律；它的动机是求知、求真，对真理的追求！求知、求真，对真理的追求！鸦片战争的惨痛教训，激励国人鸦片战争的惨痛教训，激励国人“兴学救国兴学救国”开始以译书、建学、派留学生等方式开始以译书、建学、派留学生等方式向西方学习现代科学技术向西方学习现代科学技术 我国正式用物理学作为我国正式用物理学作为 Physi

11、cs 的学名是的学名是1900 年从日文翻译的年从日文翻译的“物理学物理学”出版出版开始的开始的 1919 年的年的“五四五四”运动高举运动高举“科学、民主科学、民主”的大旗，使发展近代物理和科学成为的大旗，使发展近代物理和科学成为中国人民摒弃陈腐思想、制度，争取民族独立解放，建立新中国的重要组成部份中国人民摒弃陈腐思想、制度，争取民族独立解放，建立新中国的重要组成部份改革开放、科教兴国改革开放、科教兴国与与中国物理的春天中国物理的春天北京高能正负电子对撞机北京高能正负电子对撞机5.6 Gev1988年年10月月16日凌晨日凌晨5点点56分分,正负电子对撞机首次对撞成功正负电子对撞机首次对撞成

12、功 重大科学工程的建设重大科学工程的建设美国美国FermiFermi实验室质子实验室质子-反质子对撞机反质子对撞机 TEVATRON 2 TevBEPC中国北京中国北京e e+-5.6 GevTRISTAN日筑波日筑波e e+-70 GevTEVATRON 美美 Fermipp2 TevLHCCERNpp14 Tev对撞机的对撞机的几种实例几种实例对反应有贡献的是质心系统中的能量对反应有贡献的是质心系统中的能量511.2 10mg-将国际上同类实验上限提高约将国际上同类实验上限提高约20倍倍!华中科技大学教授：罗俊华中科技大学教授：罗俊 20022002年扭秤调制实验结果给出：年扭秤调制实验结

13、果给出：最近改进方案实验结果：最近改进方案实验结果：521.8 10mg-靶场系统概貌靶场系统概貌传输空间滤波器传输空间滤波器(SF2)(SF2)输出端输出端真空靶室真空靶室神光神光-III原型靶室原型靶室三、物理学的研究对象三、物理学的研究对象宇宙宇宙物质物质运动运动物理学的研究对象物理学的研究对象(一一)宇宙宇宙1.1.探索探索宇宙从哪里来宇宙从哪里来?又向何处去又向何处去?上帝上帝创世说与盘古开天地创世说与盘古开天地老子老子:天下万物生于有天下万物生于有,有有生于无生于无 道生一道生一,一生二一生二,二生三二生三,三生万物三生万物霍金霍金:宇宙存在起始点宇宙存在起始点,而而且有生于无且有

14、生于无勇气号火星探测器于勇气号火星探测器于20032003年六月升空年六月升空“勇气勇气”号和号和“机遇机遇”号分别于号分别于20042004年年1 1月月3 3日和日和1 1月月2424日在火星不同区域着陆机遇号传回照片日在火星不同区域着陆机遇号传回照片“卡西尼卡西尼”号土星探测器进入土星轨道效果号土星探测器进入土星轨道效果图图(NASA(NASA图片图片)美航空航天局美航空航天局(NASA)(NASA)和欧空和欧空局局(ESA)(ESA)合作研究的合作研究的“卡西卡西尼尼惠更斯惠更斯”土星探测器经土星探测器经过过6 6年半年半35.235.2亿公里亿公里的飞行，的飞行，20042004年年

15、7 7月月1 1日成功进入了土日成功进入了土星轨道。并且向地球传回了星轨道。并且向地球传回了几组照片。几组照片。中国人的光荣与梦想中国人的光荣与梦想神舟系列飞船神舟系列飞船探索宇宙的代价探索宇宙的代价20032003年年2 2月月1 1号，哥伦比亚号返航时坠毁号，哥伦比亚号返航时坠毁2.2.大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 1940s Gamov1940s Gamov和和AlpherAlpher首先首先提出宇宙起源于约提出宇宙起源于约150150亿年前亿年前一次猛烈的一次猛烈的巨大爆炸巨大爆炸。宇宙的爆炸宇宙的爆炸是空间的膨胀，物是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙是无质则随着空间膨胀（宇宙是无中心

16、的）。中心的）。随着宇宙膨胀和温度降低，构随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的成物质的原初元素相继形成原初元素相继形成 George GamovP POSSIBLEOSSIBLE F FATESATES OFOF THETHE U UNIVERSENIVERSE3.宇宙的概貌宇宙的概貌宇宙中的天体分为不同的层次宇宙中的天体分为不同的层次:恒星恒星(伴随着行星伴随着行星)星系星系 星系团星系团 超星系团超星系团 宇宙宇宙 地球地球 其他行星其他行星 太阳系小天体太阳系小天体与行星际物质与行星际物质以太阳系行星为例以太阳系行星为例（1）行星层次行星层次太阳系的行星太阳系的行星 地球地球火星火星金星金

17、星土星土星木星木星水星水星天王星天王星海王星海王星冥王星冥王星 天体的天体的尺度尺度：地球地球一个精测孤本，其它天体离我们都远。一个精测孤本，其它天体离我们都远。光谱测量：光谱测量：探明天体的原子、分子、离子以及其它粒子的丰度；了解物质探明天体的原子、分子、离子以及其它粒子的丰度；了解物质状态、温度、密度、磁场、电场状态、温度、密度、磁场、电场；均为对物理量的测量。；均为对物理量的测量。天文观测的天文观测的“观观”是远远地看天体发出的光；是远远地看天体发出的光；“测测”是远远地测量光所带来的物理信息。是远远地测量光所带来的物理信息。天体的测量和尺度天体的测量和尺度（2）恒星层次恒星层次 其他恒

18、星：其他恒星：比邻星、比邻星、天狼星等天狼星等 太阳：太阳：M=1.991030kg L=3.901026W R=7105km 星际间物质星际间物质（3 3）星系层次）星系层次 银河系银河系（1011颗恒星颗恒星）星际物质和星际物质和 尘埃物质尘埃物质 河外星系河外星系（106个大星系个大星系）510(顶视顶视)银河系的质量银河系的质量约为约为1011 M 银河系约有银河系约有 1011 颗恒星颗恒星银河系全貌银河系全貌河外星系河外星系（4 4）星系团：）星系团：已发现上万个星系团已发现上万个星系团 本星系团本星系团：由银河系所属的星系团，大小麦哲仑云、仙女座星云等：由银河系所属的星系团，大小

19、麦哲仑云、仙女座星云等4040多个星系组成。多个星系组成。星系团星系团：星系结合而成的星系团：星系结合而成的星系团 （5 5）超星系团）超星系团 本超星系团：由本超星系团：由本星系群、室女星系团、大熊座星系团等本星系群、室女星系团、大熊座星系团等50多个星系多个星系团团组成。组成。空洞：空洞：例如几十例如几十MpcMpc的范围内几乎没有星系存在。的范围内几乎没有星系存在。各层次天体的各层次天体的尺度尺度 天体层次天体层次尺度尺度(单位：光年单位：光年)地球直径地球直径 1.3 10-9 太阳直径太阳直径 1.5 10-7 太阳系范围太阳系范围 约约 10-3 最近恒星距离最近恒星距离 约约 4

20、 银河系范围银河系范围 约约 105 近处星系距离近处星系距离 约约 106 本星系团大小本星系团大小 约约 107 可测宇宙范围可测宇宙范围 约约 1.5 1010km1046.9112光年宇宙学原理和哈勃定律宇宙学原理和哈勃定律宇宙学原理宇宙学原理:宇宙从小尺度看物质分布不均匀，但从宇观尺度看可认为是均匀的宇宙从小尺度看物质分布不均匀，但从宇观尺度看可认为是均匀的（固体微观看不均匀宏观看均匀）。（固体微观看不均匀宏观看均匀）。大爆炸宇宙学理论简介大爆炸宇宙学理论简介“The most incomprehensible thing about theuniverse is that it i

21、s comprehensible.”Einstein哈勃定律：哈勃定律：哈勃得出了视向速度哈勃得出了视向速度V与距离与距离d之间大致的线性正比关系。现代精确之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系：观测已证实这种线性正比关系：V=H0d 进一步发现：进一步发现：河外星系；河外星系；证明黑洞的存在；证明黑洞的存在；宇宙膨胀；宇宙膨胀；提供新的恒星形成和消失的照提供新的恒星形成和消失的照片；片；捕捉到彗星与木星相撞的壮观捕捉到彗星与木星相撞的壮观景象。景象。1990年发射了年发射了微波背景辐射分析宇宙早期星系团发现微波背景辐射分析宇宙早期星系团发现:一种一种暗能量暗能量正在驱动着

22、正在驱动着宇宙加速膨胀宇宙加速膨胀人类目前还人类目前还不理解不理解暗能量暗能量和和暗物质暗物质的本质的本质 宇宙起源于宇宙起源于150-200150-200亿亿年前的一次大爆炸，年前的一次大爆炸，在产生的初始，在产生的初始，半径很小半径很小，能量和温度很高能量和温度很高，以后随着宇宙的以后随着宇宙的膨胀膨胀，温度下降，逐渐形成多层次，温度下降，逐渐形成多层次的物质结构，直到星体、星系。的物质结构，直到星体、星系。1948年年Gamove,Alpher,Bethe提出大爆炸宇宙模型提出大爆炸宇宙模型理论预言：理论预言：He丰度为丰度为0.25,存在均匀充满空间温度为存在均匀充满空间温度为5K 左

23、右的背景黑体辐射左右的背景黑体辐射按现代的大爆炸宇宙模型，宇宙的演化过程如下：按现代的大爆炸宇宙模型，宇宙的演化过程如下：(1)宇宙创生期宇宙创生期 爆炸爆炸 0 1044 s，T1032 k ,宇宙处于高温、高压、高密度状态宇宙处于高温、高压、高密度状态(2)宇宙的极早期宇宙的极早期 10-4310-36 s,T1028 k ，粒子平均能量粒子平均能量1015 GeV,，宇宙暴涨宇宙暴涨,增大增大1050倍；倍；10-10s以后：以后：T1014 k 弱电相变弱电相变弱作用和电磁作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的过程。弱作用和电磁作用分离，完成了四种相互作用逐一分化出来的过程。1s后

24、：后：温度下降到温度下降到1010K 光子不再有足够的能量产生粒子；光子不再有足够的能量产生粒子；中微子脱耦而独立出来。中微子脱耦而独立出来。10-2s后：后：1.01011K 1.0107eV：宇宙充满光子、电子、正电子、中微子，宇宙充满光子、电子、正电子、中微子，三种夸克可以形成中子、质子及三种夸克可以形成中子、质子及其它强子其它强子,粒子不断碰撞转化粒子不断碰撞转化,整个宇宙处于热力学平衡。整个宇宙处于热力学平衡。(3)宇宙的早期宇宙的早期 10-36102 s,T1027 k T109 k,大爆炸后大爆炸后10-36 s 大统一相变大统一相变强作用同电磁、弱作用分离，物质和反物质之间的

25、不对称性出现；强作用同电磁、弱作用分离，物质和反物质之间的不对称性出现；5s后：后：e、e+电子湮灭，自由中子衰变电子湮灭，自由中子衰变 3分钟后：分钟后：温度降到温度降到109K，p、n结合成结合成2H、4He核核(4)辐射为主时期辐射为主时期 0 1012 s (几十万年几十万年,每年每年3.15107 s)辐射和实物粒子处于热平衡辐射和实物粒子处于热平衡,(5)实物为主时期实物为主时期)t()t(rm 1012 s 现在现在,40万年：中性原子形成万年：中性原子形成,辐射与实物相互作用减弱；辐射与实物相互作用减弱；50亿年：星系形成，太阳系形成；亿年：星系形成，太阳系形成；(6)暗能量为

26、主时期暗能量为主时期70亿年左右亿年左右现在现在1989年，为研究宇宙背景辐射发射了年，为研究宇宙背景辐射发射了“宇宙背景探测者宇宙背景探测者”卫星卫星(COBE)COBE卫星在卫星在30多个波多个波长上，每个波长用四个长上，每个波长用四个仪器做测量。仪器做测量。第一批卫星数据表明：第一批卫星数据表明：在从在从0.05cm到到30cm的的最重要的频谱波段上，最重要的频谱波段上，该辐射的谱分布与温度该辐射的谱分布与温度为为 2.375K0.006K的理想黑体吻合！的理想黑体吻合！美两位物理学家凭借宇宙背景辐射研究成果获奖美两位物理学家凭借宇宙背景辐射研究成果获奖 约翰约翰马瑟马瑟 乔治乔治斯穆特

27、斯穆特 2006年度诺贝尔物理学年度诺贝尔物理学奖奖宇宙中的核丰度宇宙中的核丰度 按大爆炸理论按大爆炸理论,在爆炸后很快就产生了在爆炸后很快就产生了H,几分钟后几分钟后(T1010109k)聚聚变成变成He和其它一些轻核和其它一些轻核,1991年年G.Steigman等人用最新的核反应载面和中子寿命的数据计算了等人用最新的核反应载面和中子寿命的数据计算了这些核的丰度，得出：这些核的丰度，得出：H:74%,4He:24%,2H 和和 3He:10-4,7Li:10-10与实验测量值非常符合。与实验测量值非常符合。跨越跨越10个量级的数据都与实验符合决不是偶然的。个量级的数据都与实验符合决不是偶然

28、的。大爆炸模型面临的挑战大爆炸模型面临的挑战分析结果表明，星系象是集中在一堆肥皂泡的泡壁上：壁上星系密度为平分析结果表明，星系象是集中在一堆肥皂泡的泡壁上：壁上星系密度为平均值的均值的5倍，而泡内密度则为平均值的倍，而泡内密度则为平均值的1/5(称为称为“空洞空洞”)。20世纪世纪80年代末，发现了目前宇宙中已知的最大结构年代末，发现了目前宇宙中已知的最大结构长达长达5亿光年的亿光年的“长城长城”，在那里集中了比最大的星系还大在那里集中了比最大的星系还大1万倍的质量万倍的质量!这是任何宇宙演化理论都必须回答的关键问题之一。这是任何宇宙演化理论都必须回答的关键问题之一。(2)(2)暗物质是什么？

29、暗物质是什么？由动力学方法测定的星系质量由动力学方法测定的星系质量由光度推算出来的星系质量由光度推算出来的星系质量暗物体在宇宙整体中份量如此之大是一大挑战暗物体在宇宙整体中份量如此之大是一大挑战是一时还探测不到的暗弱恒星、行星、气体是一时还探测不到的暗弱恒星、行星、气体?是根本没有光信息的黑洞是根本没有光信息的黑洞?是带有微小质量的中微子是带有微小质量的中微子?是除引力作用外不参与其它作用的某种亚原子粒子是除引力作用外不参与其它作用的某种亚原子粒子?暗能量是什么？暗能量是什么？真空能量（宇宙常数）？真空能量（宇宙常数）？动力学场？（动力学场？（Quintessence）暗能量是新世纪的暗能量是

30、新世纪的“以太以太”？物理学的研究对象物理学的研究对象(二二)物质物质 实物粒子实物粒子 物质是无限可分的吗物质是无限可分的吗?什么是场物质什么是场物质?介观物理与纳米电子学介观物理与纳米电子学J.J.TJ.J.THOMSONHOMSONS S P PLUMLUM P PUDDINGUDDING MMODELODEL OFOF THETHE A ATOMTOM(1897)(1897)He proposed that the electrons are embedded in a positively charged puddingR RUTHERFORDUTHERFORDS S D DISCO

31、VERYISCOVERY OFOF THETHE A ATOMICTOMIC NNUCLEUSUCLEUS(1911)(1911)He found that,once in a while,the a-particles were scattered backwards by the target19081908诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖ALPHA SCATTERING S SOLAROLAR S SYSTEMYSTEM M MODELODEL OFOF THETHE A ATOMTOMThe atom consists of electrons orbiting around small bu

32、t dense central nucleusB BOHROHRS S M MODELODEL OFOF THETHE H HYDROGENYDROGEN A ATOMTOM(1913)(1913)He proposed that only certain orbits for the electron are allowed物质是无限可分的吗物质是无限可分的吗-“毛子毛子”19551955年年1 1月月1515日日，毛泽东主持书记处扩大会议，钱三强讲到核原理时，毛插问：，毛泽东主持书记处扩大会议，钱三强讲到核原理时，毛插问：“原子核，是由中子和质子组成的吗原子核，是由中子和质子组成的吗”“是

33、这样。是这样。”“”“质子、中子又是什么质子、中子又是什么东西组成的呢东西组成的呢”钱回答：钱回答：“根据现在科学研究的最新成果，只知道质子、中根据现在科学研究的最新成果，只知道质子、中子是构成原子的基本粒子。基本粒子，也就是最小的、不可分的。子是构成原子的基本粒子。基本粒子，也就是最小的、不可分的。”毛却从毛却从容地说容地说：“以哲学的观点来说，物质是无限可分的。质子、中子、电子也应以哲学的观点来说，物质是无限可分的。质子、中子、电子也应该是可分的。一分为二，对立统一嘛！该是可分的。一分为二，对立统一嘛！”后来的事实证明，此一论题的胜者，后来的事实证明，此一论题的胜者，正是毛泽东。正是毛泽东

34、。19771977年，世界第七届粒子物理学会年，世界第七届粒子物理学会在夏威夷召开，诺贝尔奖得主在夏威夷召开，诺贝尔奖得主格拉肖格拉肖发言，发言，把物理学家研究物质结构的历程比作剥洋葱，他说：把物理学家研究物质结构的历程比作剥洋葱，他说：“洋葱还有更深的一层洋葱还有更深的一层吗吗夸克和轻子是否都有共同的更基本的组成部分呢夸克和轻子是否都有共同的更基本的组成部分呢许多中国物理学家一许多中国物理学家一直是维护这种观念的。我提议把构成物质的所有这些假设的组成部分命名为直是维护这种观念的。我提议把构成物质的所有这些假设的组成部分命名为毛粒子毛粒子，以纪念毛泽东，因为他一贯主张自然界有更深的统一，以纪念

35、毛泽东，因为他一贯主张自然界有更深的统一。”T THEHE S SCANNINGCANNING T TUNNELINGUNNELING MMICROSCOPEICROSCOPE The Nobel Prize in Physics 1986for their design of the scanning tunneling microscope 二十世纪八十二十世纪八十 九十年代迅速发展起来的人工设计材料，像九十年代迅速发展起来的人工设计材料，像超晶格、纳米超晶格、纳米（10-9 m）材料和光子晶体）材料和光子晶体等都开辟一个崭新的材料科学新时代，等都开辟一个崭新的材料科学新时代，有人预言：有

36、人预言：二十一世纪将会是人工设计材料的世纪。二十一世纪将会是人工设计材料的世纪。人工设计材料则意味着人们将按自己人工设计材料则意味着人们将按自己的需要去设计并通过人工制作重新排列原子或原子集团，使得这种材料具有人的需要去设计并通过人工制作重新排列原子或原子集团，使得这种材料具有人们希望有的特性。们希望有的特性。一氧化碳分子一氧化碳分子竖立在铂表面上竖立在铂表面上、分子间距约、分子间距约0.5纳米纳米的的“分子分子人人。从头到脚只有。从头到脚只有5纳米纳米，堪称，堪称世界上最小的人形图案世界上最小的人形图案重庆大学研制的扫描隧道显微镜重庆大学研制的扫描隧道显微镜物理学的研究对象物理学的研究对象(

37、二二)场物质场物质磁场的应用（磁场的应用（MRIMRI）The Nobel Prize in Physics 2003物理学的研究对象物理学的研究对象(三三)运动运动运动的四种形式运动的四种形式:物理物理(化学化学)运动运动 生物运动生物运动 思维运动思维运动 社会运动社会运动物理运动的分类物理运动的分类:(:(低高速低高速)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;原子及原子核内部运动原子及原子核内部运动机械运动机械运动分子热运动分子热运动Bose-Einstein condensate(BEC)Nobel Prize in Physics in 2001 电磁运动（电磁运动

38、（M MAXWELLAXWELL方程组）方程组）原子及原子核内部运动原子及原子核内部运动Fusion Powers the Sun and Other Stars 美国投到日本广岛美国投到日本广岛的原子弹的原子弹“小男孩小男孩”美国投到日本长崎美国投到日本长崎的原子弹的原子弹“胖子胖子”枪枪 法法内爆法内爆法我国广东我国广东 大亚湾核电站大亚湾核电站我国自行研制建造的核潜艇我国自行研制建造的核潜艇谁真的理解运动谁真的理解运动?？绝对时空观与相对时空观绝对时空观与相对时空观 时间是绝对的均匀的吗时间是绝对的均匀的吗?空间是弯曲的吗空间是弯曲的吗?质量与运动无关吗质量与运动无关吗?How did

39、Einstein arrive at the special theory of relativity?过去与未来过去与未来弯曲时空与黑洞弯曲时空与黑洞Lecture 8:Warped Spaceback四、物理学的研究方法四、物理学的研究方法“科学是一种科学是一种方法方法”。R.PR.P费曼费曼“我从我从不迷信权威不迷信权威，但命运捉弄了我，但命运捉弄了我我自己变成我自己变成了权威了权威”爱因斯坦爱因斯坦正如一个古老的故事所讲的那样，学生从老师那里得正如一个古老的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该是一个点石成金的到的，应该是一个点石成金的 法则法则 ，而不是一堆，而不是一堆 金子金子

40、 。1.1.物理学本质上是实验科学物理学本质上是实验科学理论家与实验家理论家与实验家2.2.物理规律的相对性与绝对性物理规律的相对性与绝对性3.3.继承与创新继承与创新Tycho Brahe,1546-1601Sir Isaac Newton,1643-1727Nicolaus Copernicus,1473-1543Claudius Ptolemy,85-165Johannes Kepler,1571-1630Galileo Galilei,1564-1642Newton said：I stand on the shoulders of these giants;the last one i

41、s Galileo.Egypt创新是科学研究的灵魂创新是科学研究的灵魂想象力比知识更重要想象力比知识更重要 4.新世纪的挑战和机遇新世纪的挑战和机遇从微观到宇观的各个尺度上我们现在的认识还不能理解的现象和问题大量涌现从微观到宇观的各个尺度上我们现在的认识还不能理解的现象和问题大量涌现物理物理学上空的学上空的一团乌云一团乌云各种跨学科的研究，特别是生命科学和信息科学的崛起，如各种跨学科的研究，特别是生命科学和信息科学的崛起，如纳米纳米-生物生物-信息信息-认知技术认知技术的汇聚和发展都呼唤着物理学发展新思想、新理论和新设备、新方法的汇聚和发展都呼唤着物理学发展新思想、新理论和新设备、新方法 人类

42、社会在可持续发展上所面临的严重挑战，包括人类社会在可持续发展上所面临的严重挑战，包括能源、环保、人口健康和自然灾害能源、环保、人口健康和自然灾害预测预测等也都要求物理学提供应对这些挑战的科学基础等也都要求物理学提供应对这些挑战的科学基础五、大学物理课程的任务：五、大学物理课程的任务：希望：希望：物理知识、原理、方法、理念物理知识、原理、方法、理念 使大家终身受使大家终身受益。益。目标：目标：学好物理学，为以后专业课程学好物理学，为以后专业课程 的学习打下坚实的基础！的学习打下坚实的基础！开启科学的大门，获取科学的开启科学的大门，获取科学的指南指南 遨游遨游五五彩彩缤缤纷纷的自然界的自然界温家宝

43、总理：温家宝总理：“读书不只要读课本上的，课读书不只要读课本上的，课本上的只是停留在认知的阶段，大学本上的只是停留在认知的阶段，大学里面的老师能教给你的是一些里面的老师能教给你的是一些基本的基本的东西东西，真正的掌握运用在于，真正的掌握运用在于自己的努自己的努力和创新力和创新”祝愿：我们愉快地学习大学物理！成为你们的良师益友！与中学物理的区别：与中学物理的区别：标量标量 矢量；恒量为主矢量；恒量为主 变量为主；定性分析变量为主；定性分析 定量计算定量计算二、为什么要学习大学物理？二、为什么要学习大学物理？1.物理学是一切自然科学的基础物理学是一切自然科学的基础2.根据物理学原理设计制造的仪器设

44、备被广泛应用根据物理学原理设计制造的仪器设备被广泛应用3.由于物理学的普遍性和基本性，形成一系列派生和交叉学科由于物理学的普遍性和基本性，形成一系列派生和交叉学科三、如何学好大学物理？三、如何学好大学物理？a.勤于思考，悟物穷理勤于思考，悟物穷理，建立自己的物理图象建立自己的物理图象 b.注意物理规律的表述（文字描述、公式表示）和适用范围注意物理规律的表述（文字描述、公式表示）和适用范围 c.通过做题，深入理解并熟练应用所学基本理论通过做题，深入理解并熟练应用所学基本理论d.物理学是一门实验科学，结合实验来加深理解物理学是一门实验科学，结合实验来加深理解学习物理学的困难：学习物理学的困难：1）

45、内容广泛：涵盖力学、热学、光学、电磁学等领域；）内容广泛：涵盖力学、热学、光学、电磁学等领域；2）时空跨度大：从经典到近代，从宏观到微观；）时空跨度大：从经典到近代，从宏观到微观；3）方法变化大：从中学的常量问题到应用矢量和微积分处理）方法变化大：从中学的常量问题到应用矢量和微积分处理复杂的变量问题。复杂的变量问题。矢量的概念起源于对运动和力的研究。矢量的概念起源于对运动和力的研究。力和速度等物理量需要用其大小和方向来表示力和速度等物理量需要用其大小和方向来表示AA0)(-+aa长度为零的矢量叫长度为零的矢量叫零矢量零矢量大小为矢量的模，记为大小为矢量的模，记为 A,1ee长度为长度为1的矢量

46、叫的矢量叫单位矢量单位矢量，记为，记为单位矢量用来表示空间的方向单位矢量用来表示空间的方向aa-大小相等、方向相反的矢量互为负矢量，如大小相等、方向相反的矢量互为负矢量，如 与与一一.矢量矢量：有大小有大小,方向方向,满足平行四边形法则的量满足平行四边形法则的量矢量运算简介矢量运算简介物理中矢量总有它的作用点，不同作用点的矢量相互物理中矢量总有它的作用点，不同作用点的矢量相互运算，甚至是没有意义的。一些矢量是可以经过平行运算，甚至是没有意义的。一些矢量是可以经过平行移动，移到一点上再作运算，这种矢量叫自由矢量。移动，移到一点上再作运算，这种矢量叫自由矢量。二二.矢量的加法与数乘规则矢量的加法与

47、数乘规则cba+1)abcbac)(baba-+-)(0 0;0 0aaaaaaaaa-且反向，与同向，且与2)3)加法交换律加法交换律abba+)()(cbacba+加法结合律加法结合律数乘结合律数乘结合律数乘分配律数乘分配律aa)()(babaaaa+)()(4)矢量可表示成单位矢量与标量数的乘积矢量可表示成单位矢量与标量数的乘积aaea aaaeaa1)(212+三三.直角坐标中的矢量直角坐标中的矢量,i j k为三坐标轴的单位矢量，或基矢为三坐标轴的单位矢量，或基矢kjiaaaazyx+)(kzo()y j)(ixa,aaazyxa若矢量与三个轴的夹角为若矢量与三个轴的夹角为,aaaa

48、aazyxcos,cos ,cosa的单位矢量的单位矢量kajaiaaaeaaaazyx+对两个可移到一条直线上的矢量对两个可移到一条直线上的矢量 和和1 aae2 aa e矢量的方向余弦矢量的方向余弦222aaaxyz+a矢量的方向余弦是该矢量同方向的矢量的方向余弦是该矢量同方向的单位矢量的坐标单位矢量的坐标1coscoscos222+例：例：求矢量求矢量 的方向余弦的方向余弦1,2,2-a22222(1)312 212,2,1,33 33221cos,cos,cos333a+-ae解：解：按坐标轴按坐标轴分解后分解后的矢量可用三个的矢量可用三个标量标量表示、运算表示、运算,()()()aa

49、abbbaaaababababababx y zx y zxyzxx yy zzxxyyzz+abaa ba bijkyox)(tr)(tt+rkjir)()()()(tztytxt+()()tttttt+-r rr若矢量随时间变化的函数为若矢量随时间变化的函数为r四、矢量的导数四、矢量的导数如果极限如果极限 存在，此极限就是矢量函数存在，此极限就是矢量函数 在自变量为在自变量为 时的微商，记为时的微商，记为ttr0lim)(trt)(trkjikjirrr)()()()()()(lim)(0tztytxdttdzdttdydttdxdtdttt+矢量的导数仍是矢量矢量的导数仍是矢量五五.矢量

50、的点乘矢量的点乘(标量积标量积)点乘运算规则点乘运算规则cosbabaab)()()2)1bababaabba（点乘与数乘的结合律点乘的交换律3)点乘的分配律点乘的分配律cbcacba+)(点乘的常用性质还有：点乘的常用性质还有：babababbbaaabbbbaazzyyxxzyxzyxzyxzyx+)()(,),)2 ;)12kjikjibaba41kkjjii0ikkjji30babaaaa有按点乘分配律直角坐标中点乘结果为点乘结果为标量标量，比如功的计算，比如功的计算六六.矢量的叉乘矢量的叉乘(矢量积矢量积)在物理中常有两个相互垂直的矢量相互作用，呈现在物理中常有两个相互垂直的矢量相互