大学物理总结资料.pptx

1大学物理总结大学物理总结2 通过一年的大学物理的学习，通过一年的大学物理的学习，科学和生产科学和生产 理论和实验理论和实验 相对和绝对相对和绝对 继承和创新继承和创新总结以下四个关系：总结以下四个关系：3一一.科学和生产科学和生产 1.物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃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（）热学、热力学的研究（19世纪下半叶）世纪下半叶）蒸汽机的发明和广泛应用蒸汽机的发明和广泛应用 第一次工业革命（工业机械化）第一次工业革命（工业机械化）（2）电磁感应的研究，电磁学理论的建立）电磁感应的研究，电磁学理论的建立 （19世纪中叶）世纪中叶）发电机、电动机的发明，无线电通讯的发展发电机、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）第二次工业革命（工业电气化）4 为为近近代代物物理理的的发发展展奠奠定定了了理理论论基基础础，使使物物理理学学进入高速、微观的世界，促进了：进入高速、微观的世界，促进了：核物理的研究和发展核物理的研究和发展 核能释放和利用核能释放和利用 原子分子物理的研究和发展原子分子物理的研究和发展 激光的发明和应用激光的发明和应用 半导体、固体物理、材料科学的研究和发展半导体、固体物理、材料科学的研究和发展 晶体管、大规模集成电路、晶体管、大规模集成电路、微型计算机的发明和应用微型计算机的发明和应用 第三次技术革命（信息化）第三次技术革命（信息化）（3）相对论、量子力学的建立）相对论、量子力学的建立（1900 1930）5 物理学的突破会导致新技术的发明和发展，物理学的突破会导致新技术的发明和发展，进一步就导致了生产的大飞跃。进一步就导致了生产的大飞跃。这些事实充分说明了：这些事实充分说明了：“科学技术是第一生产力科学技术是第一生产力”邓小平邓小平“没没有有今今天天的的基基础础科科学学就就没没有有明明天天的的科科技技 应用应用”李政道李政道6（4）物理学现在正处在第四次重大突破的前夜）物理学现在正处在第四次重大突破的前夜 20世世纪纪末末，李李政政道道先先生生指指出出,物物理理学学晴晴朗朗的的天空中也有两朵乌云天空中也有两朵乌云:对称性的丢失对称性的丢失 夸克的禁闭夸克的禁闭 物理学最基本的规律中存在的这两大疑难，物理学最基本的规律中存在的这两大疑难，预示着新的有重大意义的物理规律的诞生。预示着新的有重大意义的物理规律的诞生。7 大型强子对机（大型强子对机（LHC）8+8 TeV （西欧核研究中心（西欧核研究中心CERN）相对论重离子对撞机（相对论重离子对撞机（RHIC）100GeV/每个核子每个核子 （美国）美国）它们的运行有可能导致重大的发现，导致物理学它们的运行有可能导致重大的发现，导致物理学的新的重大突破。的新的重大突破。1991年年4月月，钱钱三三强强、周周光光召召等等十十八八位位物物理理学学家家上上书书我我国国有有关关部部门门，建建议议组组织织科科学学界界抓抓住住机机遇遇，做做好好准准备，迎接这新的突破。备，迎接这新的突破。目前正在兴建或即将兴建一些用于物理学基础目前正在兴建或即将兴建一些用于物理学基础研究的世界级的巨大科学工程，如：研究的世界级的巨大科学工程，如：8 2.生产的需要是推动物理学发展的根本动力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）生产的需要推动了物理学的研究 要要提高蒸汽机的效率提高蒸汽机的效率 研究热学、卡诺循环，发展了热力学。研究热学、卡诺循环，发展了热力学。德国要发展炼钢业德国要发展炼钢业 研究热辐射的规律，导致量子论的建立。研究热辐射的规律，导致量子论的建立。利用核能开发聚变能利用核能开发聚变能 促促进进了了核核物物理理、等等离离子子体体物物理理、辐辐射射物物理理的研究。的研究。9（2）生产为物理学的发展创造了物质技术条件）生产为物理学的发展创造了物质技术条件 在在孔孔夫夫子子的的时时代代不不可可能能发发明明飞飞机机，也也不不会会产产生生量子力学。量子力学。在在近近代代，由由于于认认识识到到科科学学对对生生产产发发展展的的重重要要作作用用，从从总总体体来来看看，物物理理学学的的研研究究是是超超前前于于技技术术和和生产的，但其发展离不开当时的生产技术水平。生产的，但其发展离不开当时的生产技术水平。促进了材料科学、表面物理、人工微结构促进了材料科学、表面物理、人工微结构物理等的研究。物理等的研究。大规模集成电路大规模集成电路10二二.理论和实验理论和实验 1.实验实验 （l）实实验验是是理理论论的的基基础础，理理论论正正确确与与否否最最终要接受实验的检验，终要接受实验的检验，如：如：光光电电效效应应实实验验光光子子的的概概念念和和理理论论密密立立根根实实验验、康康普普顿顿散散射射实实验验使使光光子子的的概概念念和和理理论得到确认。论得到确认。疑疑难难弱弱作作用用宇宇称称不不守守恒恒的的理理论论吴吴健雄等人的实验健雄等人的实验证实了这一理论。证实了这一理论。11 如如：实实物物粒粒子子的的波波动动性性是是由由光光的的粒粒子子性性引引伸伸而来，而来，又要电子衍射实验证实。又要电子衍射实验证实。历史上提出过很多理论，只要和正确的实验结历史上提出过很多理论，只要和正确的实验结果不一致就不能成立。果不一致就不能成立。如：如：M M实验的实验的“零结果零结果”否定了以太的存否定了以太的存在。在。“一个矛盾的实验结果就足以推翻一种一个矛盾的实验结果就足以推翻一种 理论理论”爱因斯坦爱因斯坦 有的理论不是以直接的实验为基础，而是从有的理论不是以直接的实验为基础，而是从其它的理论引伸出来的，但原来的理论有其实其它的理论引伸出来的，但原来的理论有其实验基础，新理论也要经过实验的证实才能成立。验基础，新理论也要经过实验的证实才能成立。12按理论和实验的分布如下：按理论和实验的分布如下：获奖类型获奖类型 项目项目 人数人数 实验实验 83 114 理论理论 33 46 实验实验+理论理论 4 6 得奖的实验项目和人数大致占总数的三分之二。得奖的实验项目和人数大致占总数的三分之二。（2）从从诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖看看实实验验在在近近代代物物理理发发展中所起的作用展中所起的作用 1901 2002年年 共共 发发 奖奖 96次次（1916,1931,1934,1940 1942未未发发奖奖），得得奖奖项项目目 120项项，得得奖奖人人数数166人。人。13 格拉肖、格拉肖、温伯格、萨拉姆温伯格、萨拉姆1979年得奖年得奖 很多理论项目的得奖都是在判定性的实验结果得很多理论项目的得奖都是在判定性的实验结果得出后不久才授予的。如：出后不久才授予的。如：这这表表明明：“实实验验是是最最有有力力的的杠杠杆杆，我我们们可可以以利利用用这这个个杠杠杆杆去去撬撬开开自自然然界界的的秘秘密密。在在解解决决某某一一假假说说是是保保留留还还是是摒摒弃弃这这样样一一个个问问题题时时，这这个个杠杠杆杆应应当当成成为为最最高高一级的审理法院一级的审理法院”伦琴伦琴电子衍射实验电子衍射实验(1927)德布洛意德布洛意1929年得奖年得奖吴健雄实验吴健雄实验(1957年初年初)李政道、扬振宁李政道、扬振宁 1957年得奖年得奖中性流实验中性流实验(1973 1978)14 2.理论理论 （1）理论是实验规律的总结、提高和发展，）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。能更深入反映事物的本质，往往具有普遍性。重要理论的建立把物理学推进到新高度。如：重要理论的建立把物理学推进到新高度。如：光电效应实验规律光电效应实验规律(现象现象)光量子理论光量子理论(本质本质)里德伯光谱公式里德伯光谱公式玻尔理论玻尔理论(原子能量量子化原子能量量子化)（2）在在理理论论建建立立或或发发展展的的一一定定阶阶段段，它它本本身身的的内部矛盾和逻辑发展也会导致新理论的建立。内部矛盾和逻辑发展也会导致新理论的建立。15 狭义相对论（物理规律对一切惯性系具有不变性狭义相对论（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对非惯性系是否具有不变性?广义相对论的建立。广义相对论的建立。光的二象性光的二象性 是否一切微观粒子都有二象性是否一切微观粒子都有二象性?物质波假说物质波假说 物质波是否可用波动理论来描述物质波是否可用波动理论来描述?薛定格方程的建立。薛定格方程的建立。电弱统一理论电弱统一理论 四种相互作用是否都能统一四种相互作用是否都能统一?超大统一理论的研究。超大统一理论的研究。16（3）理论对实验研究有重要的指导作用）理论对实验研究有重要的指导作用 戴维孙戴维孙 革末实验革末实验 知道物质波理论后才自觉地进行知道物质波理论后才自觉地进行 迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验莫雷实验 瑞利、开尔文催促，洛仑兹提出改进意见瑞利、开尔文催促，洛仑兹提出改进意见 现代的实验现代的实验:使用大型精密的仪器使用大型精密的仪器 设计制造专用的装置设计制造专用的装置 耗费大量的人力物力耗费大量的人力物力 17必必须须有有明明确确的的物物理理目目标标和和学学术术意意义义才才能能开开展展起来并坚持下去，这就起来并坚持下去，这就离不开理论的指导。离不开理论的指导。理理论论和和实实验验的的关关系系可可用用李李政政道道教教授授提提出出的的“物理学家的定律物理学家的定律”作为一个很好的总结：作为一个很好的总结：“没没有有实实验验家家，理理论论家家就就会会迷迷失失方方向向；没没有有理论家，实验家就会迟疑不决。理论家，实验家就会迟疑不决。”18三三.相对和绝对相对和绝对 1.物理定理、定律、理论反映了客观世物理定理、定律、理论反映了客观世界的运动规律，具有稳定性、可重现性界的运动规律，具有稳定性、可重现性 具有绝对真理的成份。具有绝对真理的成份。2.定理、定律、理论又具有近似性，只定理、定律、理论又具有近似性，只在一定范围内才正确，在一定范围内才正确，因为：因为：（1）客观世界本身是不断发展变化的，）客观世界本身是不断发展变化的，人的认识永远没有完结。人的认识永远没有完结。19 1)任何实验都不能绝对精确，测量都有误差。任何实验都不能绝对精确，测量都有误差。2)不可能弄清楚每一现象和别的现象之间的不可能弄清楚每一现象和别的现象之间的全部联系。全部联系。因此，不能把任何物理理论当作无条件的、因此，不能把任何物理理论当作无条件的、永恒的东西加以绝对化永恒的东西加以绝对化!例如：例如：相对论和量子力学的发展表明，经典物理的相对论和量子力学的发展表明，经典物理的很多规律在高速、微观的世界都不适用。很多规律在高速、微观的世界都不适用。（2）人的认识水平受到历史条件的限制。）人的认识水平受到历史条件的限制。20 通常人们认为：通常人们认为：光子静止质量为零光子静止质量为零 实际测量结果是：实际测量结果是：m 10-60 g电子是稳定不变的电子是稳定不变的 3 1023 y质子是稳定不变的质子是稳定不变的 1 1032 y中微子静止质量为零中微子静止质量为零 m 10-2 eV 经典物理的规律并不都有完美的实验验证经典物理的规律并不都有完美的实验验证万有引力定律万有引力定律只在只在10cm的距离的距离有扭称实验证实，有扭称实验证实，距地面距地面10公里以上有人造地球卫星的运行证实，公里以上有人造地球卫星的运行证实，在中间距离过去并没有实验证实，在中间距离过去并没有实验证实，近年来发现确有偏差，并归结为存在第五种力。近年来发现确有偏差，并归结为存在第五种力。21 经典物理也有发展经典物理也有发展例如：过去认为牛顿力学是决定论的典范，例如：过去认为牛顿力学是决定论的典范，历史的经验表明，理论和实验之间非常小历史的经验表明，理论和实验之间非常小 的不一致就可以导致重大的突破。的不一致就可以导致重大的突破。例如：宇称守恒定律的检验例如：宇称守恒定律的检验 p+F19Ne20(1+)O16+He4 不守恒的程度不守恒的程度 310-13 弱作用宇称可能不守恒。弱作用宇称可能不守恒。但混沌的研究表明，它具有内在的随机性。但混沌的研究表明，它具有内在的随机性。22 因因此此，不不能能盲盲目目地地相相信信物物理理定定律律或或理理论论的的普普遍遍适适用用性性，要要从从理理论论和和实实验验结结果果的的差差异异当当中去探索新的天地。中去探索新的天地。目前的实验技术水平：目前的实验技术水平：单个微观粒子的能量转移（最大）单个微观粒子的能量转移（最大）1TeV 最高的能量分辩率最高的能量分辩率 EE 10-16 能直接测量的最短时间能直接测量的最短时间 10-16 sec 最小的空间分辨最小的空间分辨 3.910-19m 很多物理规律、结论就是在这种实验技术水很多物理规律、结论就是在这种实验技术水平下（或者比这差得多的水平下）得到的。平下（或者比这差得多的水平下）得到的。23例如认为电子无内部结构，可以看成点粒子，例如认为电子无内部结构，可以看成点粒子，因此，必须重视物理规律的近似性，注意它因此，必须重视物理规律的近似性，注意它的适用范围。的适用范围。不能把现在得到的物理定律、结论看成是永不能把现在得到的物理定律、结论看成是永恒不变、绝对正确的。恒不变、绝对正确的。要注意存在的矛盾，敢于突破，进行创新。要注意存在的矛盾，敢于突破，进行创新。实际上这只是在实际上这只是在3.910-19 m的空间分辨能力下，的空间分辨能力下，没有发现电子具有内部结构。没有发现电子具有内部结构。空间分辨能力进空间分辨能力进一步提高后，很可能会发现电子有结构。一步提高后，很可能会发现电子有结构。24四四.继承和创新继承和创新 有继承才有创新，有创新才有发展。有继承才有创新，有创新才有发展。1.继承继承 重重大大理理论论的的创创立立都都是是在在继继承承和和总总结结前前人人成成果果的基础上加以发展才完成的。的基础上加以发展才完成的。没有继承就不会有发展和创新。没有继承就不会有发展和创新。例如，牛顿完成了经典力学体系的建立，例如，牛顿完成了经典力学体系的建立，他继承了很多前人的工作。他继承了很多前人的工作。25 在牛顿以前在牛顿以前 伽利略惯性原理伽利略惯性原理 牛顿牛顿 推广总结出第一定律推广总结出第一定律 伽利略对自由落体伽利略对自由落体 规律的研究，提出规律的研究，提出 加速度的概念加速度的概念 笛卡尔、惠更斯对笛卡尔、惠更斯对 碰撞问题的研究碰撞问题的研究 第谷的天文观测、开普第谷的天文观测、开普 勒的行星运动三定律、勒的行星运动三定律、胡克、惠更斯、哈雷关胡克、惠更斯、哈雷关 于重力、引力的研究于重力、引力的研究 定义了质量、力，定义了质量、力，总结出第二定律总结出第二定律 总结出第三定律总结出第三定律 提出万有引力定律提出万有引力定律26 又如，电磁理论的创立：又如，电磁理论的创立：库仑定律库仑定律 高斯定律高斯定律 奥斯特（电流的磁效应）奥斯特（电流的磁效应）安培环路定理安培环路定理 法拉第（电磁感应，力线的概念，场的概念）法拉第（电磁感应，力线的概念，场的概念）麦克斯韦在总结以上成果的基础上，麦克斯韦在总结以上成果的基础上，提出提出“位移电流位移电流”和和“涡旋电场涡旋电场”的概念，的概念，建立了麦克斯韦方程组。建立了麦克斯韦方程组。27 再如，爱因斯坦创立狭义相对论：再如，爱因斯坦创立狭义相对论：伽利略的相对性原理伽利略的相对性原理 迈克耳孙迈克耳孙 莫雷实验莫雷实验 洛仑兹提出尺度收缩假说洛仑兹提出尺度收缩假说 彭加勒提出以太可能不存在，彭加勒提出以太可能不存在，在上述原理、假说、实验的基础上，在上述原理、假说、实验的基础上，爱因斯坦提出爱因斯坦提出相对性原理相对性原理和和光速不变原理光速不变原理，建立了狭义相对论。建立了狭义相对论。绝对运动在原则上观察不到。绝对运动在原则上观察不到。28正如牛顿所说：正如牛顿所说：“如果说我比笛卡尔看得更远，那是因为如果说我比笛卡尔看得更远，那是因为我是站在巨人们的肩膀上我是站在巨人们的肩膀上”所以，要把科学的发展看成是集体的贡献，所以，要把科学的发展看成是集体的贡献，应应当当把把著著名名的的科科学学家家看看作作是是成成百百上上千千无无名名科科学家的代表。学家的代表。29 谁最有创新精神，谁最有创新精神，谁敢于突破旧观念、旧理论的束缚，谁敢于突破旧观念、旧理论的束缚，谁就能率先做出重大的贡献，谁就能率先做出重大的贡献，爱因斯坦爱因斯坦创立相对论时是这样，创立相对论时是这样，李、杨李、杨提出弱作用宇称不守恒时也是这样。提出弱作用宇称不守恒时也是这样。当科学本身的矛盾已经成熟甚至刚刚显露时，当科学本身的矛盾已经成熟甚至刚刚显露时，科学研究贵在创新，科学研究贵在创新，创新是科学研究的灵魂，创新是科学研究的灵魂，2.创新创新对基础研究来说更是这样。对基础研究来说更是这样。30 （1）要有创新意识）要有创新意识 不墨守成规，不人云亦云。不墨守成规，不人云亦云。总想探索总想探索新途径，新途径，提出提出新观念，新观念，尝试尝试新方法，新方法，导出导出新结论。新结论。没有想到创新的人决不会有新创造。没有想到创新的人决不会有新创造。创新精神的三个要素：创新精神的三个要素：31 不怕名人权威。不怕名人权威。在新的事实面前在新的事实面前 敢于怀疑旧理论，敢于怀疑旧理论，提出新问题。提出新问题。（2）要有创新勇气）要有创新勇气 “进步道路上的绊脚石是，进步道路上的绊脚石是，也一向是，也一向是，不容许怀疑的传统不容许怀疑的传统”吴健雄吴健雄32爱因斯坦、英菲尔德爱因斯坦、英菲尔德物理学的进化物理学的进化“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，提出一个问题往往比解决一个问题更重要，提出问题是对旧理论、旧观念的怀疑和探讨提出问题是对旧理论、旧观念的怀疑和探讨,是建立新观念的起点。是建立新观念的起点。从新的角度去看旧的问题，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性却需要有创造性而且标志着科学的真正进步而且标志着科学的真正进步”因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的因为解决问题也许仅仅是数学上或实验上的一个技能而已。一个技能而已。而提出新的问题、新的可能性，而提出新的问题、新的可能性，的想象力，的想象力，33（3）敢于想象）敢于想象 法拉弟：法拉弟：电磁作用通过场来传递，需要时间。电磁作用通过场来传递，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：真空充满了负能态的电子，其中的空穴真空充满了负能态的电子，其中的空穴就是正电子。就是正电子。人们幻想象鸟一样在空中飞行才发明了飞机，人们幻想象鸟一样在空中飞行才发明了飞机，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。“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力 是科学研究中的实在因素是科学研究中的实在因素”爱因斯坦爱因斯坦34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的很在物理学发展中，做出重大创造性贡献的很多是年轻人：多是年轻人：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）电磁场理论的第一篇论文电磁场理论的第一篇论文 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）35 海森堡（海森堡（1901 1976）创立矩阵力学创立矩阵力学 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 ）约瑟夫森效应的理论预言约瑟夫森效应的理论预言 22岁（岁（1962）36 有些年轻人做出重大创造性贡献的时候还有些年轻人做出重大创造性贡献的时候还了诺贝尔物理学奖。了诺贝尔物理学奖。和严谨踏实、一丝不苟的科学作风结合起来，和严谨踏实、一丝不苟的科学作风结合起来，就一定能作就一定能作出创造性的贡献。出创造性的贡献。年轻人没有负担，框框少，想象力丰富，年轻人没有负担，框框少，想象力丰富，只要方向对头，敢想敢干，只要方向对头，敢想敢干，又又注意把创新精神注意把创新精神如德布罗意，如德布罗意，穆斯保尔，穆斯保尔，约瑟夫森约瑟夫森等，等，他们的博士论文研究工作就获得他们的博士论文研究工作就获得是学生（研究生），是学生（研究生），37一定要有科学作风。一定要有科学作风。但但首先要强调创造精神才可能有创造。首先要强调创造精神才可能有创造。杨振宁杨振宁说：说：“中国的传统观念太倾向于崇拜权威，中国的传统观念太倾向于崇拜权威，而不鼓励年轻人开创出新路子。而不鼓励年轻人开创出新路子。”今天我们就要反其道而行之，今天我们就要反其道而行之，多鼓励年轻人去探索，去创造，多鼓励年轻人去探索，去创造，要敢于走新路。要敢于走新路。38祝愿年轻的朋友们：祝愿年轻的朋友们：努力学习，努力学习，勇于探索，勇于探索，大胆创新，大胆创新，为祖国的繁荣富强为祖国的繁荣富强 作作出出杰杰出出的的贡贡献献！大学物理全部结束大学物理全部结束