绪论医用物理学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Medical Physics医用物理学主编：王振华主编：王振华第1页n什么是物理学 whatn为何要学物理学 whyn怎样学好物理 how主要讲三个问题：三主要讲三个问题：三W第2页物理学历史能够上溯到古希腊自然哲学。物理学历史能够上溯到古希腊自然哲学。实际上，在英文中物理学实际上，在英文中物理学“Physics”Physics”源源于希腊文中于希腊文中“”。意思是意思是“自然自然”，从这能够看出，物理学在早期是广，从这能够看出，物理学在早期是广泛研究自然界一切事物并对它们演化、泛研究自然界一切事物并对它们演化、发展以及伴随它们发生种种现象进行讨发展以及伴随它们发生种种现象进行讨论论1.什么是物理学什么是物理学第3页 what 什么是物理学？什么是物理学？“物物”：即物质（包含实物和场）“理理”：物质运动所遵照基本普遍规律，包含机械 运动、分子热运动、电磁场运动、原子及原子核 运动等.物理学研究对象物理学研究对象物理学所研究是自然界中物质运动最基本、最普遍运动形式和规律，包含机械运动、分子热运动、电磁场运动、原子及原子核运动等.从空间尺度上包含：小到微不足道亚核粒子,大到浩瀚宇宙.时间尺度上，早至宇宙起源，晚至遥远未来.第4页一一.物质世界空间尺度物质世界空间尺度宇宙宇宙4242个台阶个台阶 宇宙学、粒子物理奇妙衔接宇宙学、粒子物理奇妙衔接第5页哈勃半径：哈勃半径：星系团：星系团：银河系：银河系：地球轨道半径：地球轨道半径：太阳半径：太阳半径：地球半径：地球半径：月球半径：月球半径：大分子：大分子：小分子：小分子：原子：原子：原子核：原子核：基本粒子：基本粒子：第6页二二.物质世界时间尺度物质世界时间尺度共计跨越了共计跨越了4242个数量级个数量级宇宙年纪：宇宙年纪：150 150 亿年亿年 生命诞生：生命诞生：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地球年纪地球年纪:大爆炸大爆炸第7页宇宙年纪：宇宙年纪：星系年纪：星系年纪：地球年纪：地球年纪：出现生命：出现生命：富氧大气：富氧大气：人类：人类：地球公转：地球公转：月球公转：月球公转：地球自转：地球自转：中子寿命：中子寿命：中间玻色子寿命：中间玻色子寿命：50亿年亿年150亿年亿年46亿年亿年40亿年亿年3百万年百万年8亿年亿年第8页三三.物质世界质量尺度物质世界质量尺度当前所测宇宙：当前所测宇宙：银河系：银河系：太阳：太阳：地球：地球：月球：月球：细菌：细菌：红血球：红血球：流感病毒：流感病毒：氧分子：氧分子：中子、质子：中子、质子：电子：电子：第9页 宇宙中物体质量量级宇宙中物体质量量级跨跃了约跨跃了约8080个数量级个数量级第10页物理学发展史 成为一门独立科学标志成为一门独立科学标志牛顿力学建立牛顿力学建立之前代表人物之前代表人物亚里士多德亚里士多德 阿基米德阿基米德 哥白尼哥白尼 开普勒开普勒 伽利伽利略略之后分为五次大综合之后分为五次大综合第11页亚里士多德亚里士多德(AristotelesAristoteles，384 BC384 BC322 322 BC)BC)古希腊学者古希腊学者工具论工具论物理学物理学形而上学形而上学第12页阿基米德（阿基米德（Archimedes 287 BCArchimedes 287 BC212 BC212 BC）“力学之父力学之父”静力学基本原理静力学基本原理 阿基米德浮力定律阿基米德浮力定律 杠杆定律杠杆定律第13页开普勒（开普勒（Johannes KeplerJohannes Kepler，1571-16301571-1630），），德国天文学家，德国天文学家，行星运动三定律行星运动三定律哥白尼（哥白尼（Nicolaus Nicolaus CopernicusCopernicus，1473-15431473-1543），），波兰天文学家、日心说创建波兰天文学家、日心说创建者，近代天文学奠基人。者，近代天文学奠基人。第14页(Galileo Galilei 15641642)天空哥伦布天空哥伦布 当代阿基米德当代阿基米德 近代科学之父近代科学之父伽利略伽利略第15页“天空哥伦布天空哥伦布”自制望远镜自制望远镜 证实日心说证实日心说第16页 “当代阿基米德当代阿基米德”落体定律落体定律惯性运动惯性运动抛体运动抛体运动伽利略相对性原理伽利略相对性原理比萨斜塔比萨斜塔第17页培根培根 试验归纳试验归纳 笛卡儿笛卡儿 数学演绎推数学演绎推理理 归纳和演绎相结合归纳和演绎相结合“近代科学之父近代科学之父”著作：关于两种世界体系对话著作：关于两种世界体系对话 关于良种科学叙述和数学证实关于良种科学叙述和数学证实第18页第一次大综合第一次大综合 17世纪最伟大成就，是在于完成了一个普遍力学体系，人们能够把从地球上有限经验得出力学定律，应用到日月星辰运动上去。天体和地面物体均遵照牛顿三定律。这个力学体系建立是许多著名科学家共同努力结果，但集大成，完成第一次伟大综合人，首推牛顿牛顿。牛顿是经典物理学出色代表，科学史上第一位卓越奠基者。他在伽利略、开普勒等前人工作基础上，建立了牛顿力学体系牛顿力学体系即经典力学经典力学体系体系。五次大综合五次大综合第19页牛顿（牛顿（Isaac NewtonIsaac Newton，1642164217271727）恩格斯：“牛顿因为创造了万有引力定律而创建了科学天文学；因为进行了光分解，而创建了科学光学；因为创建了二项式定理和无限理论而创建了科学数学；因为认识了力本质，而创建了科学力学”。第20页天文学：天文学：创制了反射望远镜；解释了潮汐现象；推测出地球不是球体，而是两极稍扁、赤道略鼓；用数学解释了哥白尼日心说和天体运动现象。数学：数学：创造二项式定理；提出无穷级数，创建微积分学。光学：光学：创建了光“微粒说”。发觉白光由不一样颜色光组成，制成“牛顿色盘”；力学：力学：建立了三条运动基本定律和万有引力定律；建立了经典力学理论体系。第21页苹果下落苹果下落月球绕地球旋转月球绕地球旋转万有引力定律万有引力定律 “天与地综合天与地综合”第22页人类认识自然历史上一个重大里程碑人类认识自然历史上一个重大里程碑自然哲学中数学原理自然哲学中数学原理第23页第二次理论大综合 由迈尔、焦尔、克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼等人建立热现象理论（即热力学和统计物理学），揭示了热运动本质及其与其他运动形式之间相互联系和转化，创立了能量守恒和转化定律，找到了宏观现象与微观粒子运动之间联系，一方面找到了各种自然运动公共量度-能量；其次又从质上表明了各种运动形式之间相互转化可能性。实现了物理学认识领域“功和能量大统一”.没有其它任何一个定律能如此广泛地把物理学各个部门乃至整个自然科学各个学科如此本质地联系在一起。第24页焦耳（焦耳（1818181818891889）热功当量热功当量 焦耳测得值：焦耳测得值：J=423.9千千克米克米/千卡千卡现在公认值：现在公认值：J=427千克千克米米/千卡千卡=4.1840焦耳焦耳/卡卡第25页第三次大综合第三次大综合1860年，麦克斯韦电磁场理论建立.伏特、安培、法拉第、麦克斯韦、赫兹、富兰克林、库仑、奥斯特等做了大量工作，使电现象、使电现象、磁现象和光现象纳入到一个统一理论体系之磁现象和光现象纳入到一个统一理论体系之中。中。提出了电磁波和场概念，在近代物理中，场成了非常基本非常主要概念，它已经远远超出了电磁学范围，成为物质一个基本、普遍存在形式。第26页富兰克林富兰克林 “风筝试验”统一了天上和地面上电伏打、库仑伏打、库仑 电和磁没相关系奥斯特奥斯特 电流经过导线使磁针偏转电能生磁安培安培 提出安培定则在电流基础上统一了电和磁法拉第法拉第 导线切割磁力线产生电流磁能生电麦克斯韦麦克斯韦 出版电磁通论，经典电磁理论体系建立第27页 麦克斯韦是19世纪伟大英国物理学家、数学家。1873年出版电磁场理论经典巨著论电和磁，1871年受聘为剑桥大学新设置卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名卡文迪什试验室，1874年建成后担任这个试验室第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。麦克斯韦建立电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展最光芒结果，是科学史上最伟大综合之一。麦克斯韦麦克斯韦第28页 19c末，经典物理学大厦出现危机末，经典物理学大厦出现危机 1895年，伦琴发觉x射线；1896年，贝克勒尔发觉天然放射性；1897年，汤姆生发觉电子；两朵乌云：1.寻找以太风失败；2.关于能量均分麦克斯韦-玻尔兹曼理论黑体辐射与“紫外灾难”。第29页 第四次大综合第四次大综合 爱爱因因斯斯坦坦狭狭义义相相对对论论（19051905）和和广广义义相相对对论论（19151915）实实现现了了时间和空间、物质和运动、动量和能量、场和实物大统一.第30页爱因斯坦爱因斯坦(Albert EinsteinAlbert Einstein，1879-1955)1879-1955)千禧之年，加拿大环球邮报请世界各国读者评选，从公元10至今，10来对整个世界影响最大100位名人,爱因斯坦荣登榜首！出色出色物理学对人类社会进步影响，被全物理学对人类社会进步影响，被全世界公认！世界公认！第31页 相对论力学和牛顿力学关系：牛顿力学是相对论力学在低速低速、宏观宏观运动物体上近似空间、时间弯曲结构物质能量密度、动量密度在空间、时间中分布物体运动轨迹广义相对论第32页哈维和爱因斯坦大脑切片第33页第五次大综合第五次大综合 19,普普朗朗克克、玻尔、爱因斯坦、德布罗意、薛定谔等物理学家对微观世界德运动规律进行了不停探索.提出了物质波、微观世界物理量取值量子化、运动规律不确定性（统计规律）实现了“量量子子力力学、量子电动力学学、量子电动力学”理论大综合.第34页四大前沿领域四大前沿领域粒子物理学粒子物理学凝聚态物理学凝聚态物理学天体物理学天体物理学生物物理学生物物理学第35页2.为何要学物理学？为何要学物理学？why 即使基本，但含有极大普遍性.普遍存在于其它高级、复杂运动形式之中.物理学基本知识成为研究其它自然学科不可缺乏基础.第36页1.医学研究高级生命形态是以物理学为基础。2.医学研究（生命现象）物理学+化学3.近代物理学发展以及派生出新学科使医学研 究有了突破性发展。4.物理学技术、方法为医学研究、治疗、诊疗提供许多新路径。物理学与医学关系物理学与医学关系第37页 工程技术工程技术“知识之树知识之树”医学医学第38页 物理学与医学历史渊源物理学与医学历史渊源伽利略伽利略 物理学家+医学生 创造温度计测发烧杨氏杨氏 物理学家+医生 用弹性理论测动脉血流中脉动，用衍射方法测细胞和纤维直径；用光知识研究人眼调整和散光、色觉三色理论迈尔迈尔 物理学家+医学博士 受静脉血颜色启发研究能量守恒和转换定律亥姆霍兹亥姆霍兹 物理学教授+解剖学教授+生理学教授 在军医中写出叙述“能量守恒定律”；揭示眼聚焦原理；创造眼底镜；研究听觉机理并创造亥姆霍兹共振仪；第一个测定神经脉冲传输速度30ms-1；证实肌肉收缩释放热量是动物热主要起源。第39页十九世纪十九世纪“万能万能”博士博士 19世纪末，一位评论家对亥姆兹写过这么话：“他从硕士理学开始，解剖了眼睛和耳朵，探索它们是怎样起作用。但他发觉要研究眼睛和耳朵作用，就不能不一样时研究光和声本性，这造成他研究物理学。当他开始研究物理学时候，已经是这个世纪最有成就生理学家之一，以后他又成了这个世纪最伟大物理学家之一。可他又发觉，要研究物理学不能不掌握数学，就又研究数学，成为这个世纪最有成就数学家之一。”第40页 物理学研究方法物理学研究方法观察观察试验试验分析、概括分析、概括判断、推理判断、推理定理定理理论理论假说假说实践实践完善完善3、怎样学物理学、怎样学物理学 how观察和试验是物理学基础观察和试验是物理学基础.分析、概括、判断、推理是在以上基础上进行，分析、概括、判断、推理是在以上基础上进行，找出其内在、本质联络找出其内在、本质联络.第41页 物理学与数学物理学与数学 物理学是定量科学，他不满足于定性地说物理学是定量科学，他不满足于定性地说明现象或者简单地用文字记载事实，所以数学明现象或者简单地用文字记载事实，所以数学就成了物理学不可缺乏工具。就成了物理学不可缺乏工具。欧几里德几何学欧几里德几何学 牛顿自然哲学数学原理牛顿自然哲学数学原理 麦克斯韦电磁方程麦克斯韦电磁方程第42页 物理学与科学精神物理学与科学精神第43页 （1）要有创新意识）要有创新意识 创新精神三个要素：创新精神三个要素：爱因斯坦爱因斯坦 发展独立思索和独立创新普通能力，发展独立思索和独立创新普通能力，应该一直放在首位，而不应该把知识放应该一直放在首位，而不应该把知识放在首位。在首位。假假如如一一个个人人掌掌握握了了他他学学科科基基础础理理论论，而而且且学学会会了了独独立立思思索索与与工工作作，他他必必定定会会找到自己道路。找到自己道路。第44页 不怕名人权威。不怕名人权威。（2）要有创新勇气）要有创新勇气 “进步道路上绊脚石是，进步道路上绊脚石是，也一向是，也一向是，不允许怀疑传统不允许怀疑传统”吴健雄吴健雄第45页爱因斯坦、英菲尔德爱因斯坦、英菲尔德物理学进化物理学进化“提出一个问题往往比处理一个问题更主要，提出一个问题往往比处理一个问题更主要，提出问题是对旧理论、旧观念怀疑和探讨提出问题是对旧理论、旧观念怀疑和探讨,是建立新观念起点。是建立新观念起点。从新角度去看旧问题，从新角度去看旧问题，却需要有创造性却需要有创造性而且标志着科学真正进步而且标志着科学真正进步”因为处理问题可能仅仅是数学上或试验上因为处理问题可能仅仅是数学上或试验上一个技能而已。一个技能而已。而提出新问题、新可能性，而提出新问题、新可能性，想象力，想象力，第46页（3）勇于想象）勇于想象 法拉弟：法拉弟：电磁作用经过场来传递，需要时间。电磁作用经过场来传递，需要时间。德布罗意：德布罗意：微观粒子同时又是一个波。微观粒子同时又是一个波。狄拉克：狄拉克：真空充满了负能态电子，其中空穴就是真空充满了负能态电子，其中空穴就是正电子。正电子。人们幻想象鸟一样在空中飞行才创造了飞机，人们幻想象鸟一样在空中飞行才创造了飞机，人们幻想到月球上旅行才实现了登月。人们幻想到月球上旅行才实现了登月。“想象力比知识更主要，因为知识是有限，想象力比知识更主要，因为知识是有限，而想象力概括着世界上一切，推进着进步，而想象力概括着世界上一切，推进着进步，而且是知识进化源泉。严格地说，想象力而且是知识进化源泉。严格地说，想象力 是科学研究中实在原因是科学研究中实在原因”爱因斯坦爱因斯坦第47页不是要知识很全才能创造。不是要知识很全才能创造。在物理学发展中，做出重大创造性贡献很多在物理学发展中，做出重大创造性贡献很多是年轻人：是年轻人：牛顿（牛顿（1642 1727）万有引力定律万有引力定律 24岁（岁（1666）麦克斯韦（麦克斯韦（1831 1879）电磁场理论第一篇论文电磁场理论第一篇论文 24岁（岁（1855）爱因斯坦（爱因斯坦（1879 1955）光子理论，相对论光子理论，相对论 26岁（岁（1905）玻尔（玻尔（l885 1962）原子结构模型原子结构模型 28岁（岁（1913）第48页 海森堡（海森堡（1901 1976）创建矩阵力学创建矩阵力学 24岁（岁（1925）李政道（李政道（1926 ）弱作用宇称不守恒弱作用宇称不守恒 30岁（岁（1956）杨振宁（杨振宁（1922 ）弱作用宇称不守恒弱作用宇称不守恒 34岁（岁（1956）杨杨 米尔斯场米尔斯场 32岁（岁（1954）约瑟夫森（约瑟夫森（1940 ）约瑟夫森效应理论预言约瑟夫森效应理论预言 22岁（岁（1962）第49页 有些年轻人做出重大创造性贡献时候还有些年轻人做出重大创造性贡献时候还了诺贝尔物理学奖。了诺贝尔物理学奖。是学生（硕士），是学生（硕士），如德布罗意，如德布罗意，穆斯保尔，穆斯保尔，约瑟夫森约瑟夫森等，等，他们博士论文研究工作就取得他们博士论文研究工作就取得第50页第51页第52页第53页 科学进步不但表现在降低科学进步不但表现在降低“无知无知”数量，数量，而且表现在发觉新领域。人们经常把人类认识而且表现在发觉新领域。人们经常把人类认识生动地比喻为一个气球，球体内部空间是已被生动地比喻为一个气球，球体内部空间是已被认知认知“已知世界已知世界”，球体外部空间则是还未被，球体外部空间则是还未被认知未知世界。伴随人类认识发展，认知未知世界。伴随人类认识发展，“认知气认知气球球”在不停扩大，不过它与在不停扩大，不过它与“未知世界未知世界”接界接界球面也在不停扩大。科学认识愈是发展，人们球面也在不停扩大。科学认识愈是发展，人们就会发觉更为辽阔就会发觉更为辽阔“未知世界未知世界”，就会愈加清，就会愈加清楚地看到自己知识局限和贫乏。楚地看到自己知识局限和贫乏。知之愈多，无知也更多知之愈多，无知也更多第54页杨振宁、李政道因为发觉宇称不守恒，获杨振宁、李政道因为发觉宇称不守恒，获1957年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理奖华裔物理学家获诺贝尔物理奖华裔物理学家第55页获诺贝尔物理奖华裔物理学家获诺贝尔物理奖华裔物理学家丁肇中：丁肇中：因为发觉因为发觉J粒子，粒子，获获1976年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。朱棣文：朱棣文：因为激光冷却和因为激光冷却和捕捉原子研究获捕捉原子研究获1997年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖。理学奖。崔琦：崔琦：因为在分数量子霍因为在分数量子霍尔效应量子现象研尔效应量子现象研究获究获1998年诺贝尔年诺贝尔物理学奖。物理学奖。第56页提几点注意提几点注意：按时到课，上课认真听讲，做好笔记课后复习，完成课后作业，不懂多问 正确对待考试，平时成绩占30%,考试成绩占70%。第57页