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<p>1大学物理电子教案大学物理电子教案（72学时学时）普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第二版第二版机械工业出版社机械工业出版社孟庆鑫孟庆鑫 张张 宇宇 主编主编 2第第0 0章章 绪绪 论论（一）（一）物理学中的两个前沿物理学中的两个前沿3一一、物理学、物理学What is physics?Physics is what physicists do!1999年年3月月16日日-21日举行的日举行的 第第23届国际纯粹物理与应用届国际纯粹物理与应用物理联合会（物理联合会（IUPAP）大会通过的）大会通过的“决议决议”中精辟地指出：中精辟地指出：物理学物理学是研究是研究物质、能量物质、能量和它们的和它们的相互相互作用作用的学科。的学科。一般而言，物理学是研究物质世界的构成、演化及其规一般而言，物理学是研究物质世界的构成、演化及其规律的学科。律的学科。4他们就是物理学（15641642）意大利意大利（16421727）英国英国（18311879）英国英国（18791955）德裔美国人德裔美国人（18851962）丹麦丹麦5杨振宁杨振宁李政道李政道丁肇中丁肇中朱棣文朱棣文崔琦崔琦 （1957 弱宇称不守恒）弱宇称不守恒）（1976 发现发现J/粒子粒子）（1997 用激光冷却进行用激光冷却进行低温下俘获原子的方法）低温下俘获原子的方法）（1998 强磁场中的分强磁场中的分数分子电荷）数分子电荷）62005世界物理年世界物理年 爱因斯坦奇迹年爱因斯坦奇迹年 “物理照耀世界物理照耀世界”爱因斯坦爱因斯坦(18791955)1905年的奇迹年的奇迹 6篇论文篇论文，在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献。，在三个领域作出了四个有划时代意义的贡献。（1）光量子论）光量子论，提出光量子假说。，提出光量子假说。（2）分子动理论）分子动理论，三篇有关布朗运动的论文，为解决原子是否存，三篇有关布朗运动的论文，为解决原子是否存 在的问题做出了突出贡献。在的问题做出了突出贡献。（3）创立狭义相对论）创立狭义相对论，论动体的电动力学论动体的电动力学 完整地提出狭义完整地提出狭义 相对性理论。相对性理论。（4）质能相当性）质能相当性，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？解释解释 了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。了放射性元素（如镭）所以能释放出大量能量的原因。78 空间尺度空间尺度（相差（相差1046 m）1026 m（约（约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇宙）10-20 m（夸克）（夸克）时间尺度时间尺度（相差（相差1045 s）1018 s（150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄）10-27 s（硬（硬 射线周期）射线周期）速率范围速率范围 0（静止）（静止）3 108 m/s（光速）（光速）不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学方法来研究不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学方法来研究1、物理学的研究范畴、物理学的研究范畴二、物理学的研究范畴和前沿二、物理学的研究范畴和前沿9102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010相对论物理相对论物理经典物理经典物理量子物理量子物理?人类人类活动活动尺度尺度 (cm)速度速度(cm/s)物理学研究的对象十分广泛物理学研究的对象十分广泛 宇观、宏观、微观宇观、宏观、微观102、物理学的研究方法物理学的研究方法提出命题提出命题推测答案推测答案理论理论理论理论预言预言实验实验实验实验检验检验修改理论修改理论应应 用用物理上的直觉、物理上的直觉、想象力、洞察力想象力、洞察力也常常产生重大也常常产生重大突破和发现突破和发现 物物理理学学早早期期被被认认为为是是一一门门实实验验学学科科，是是通通过过对对大大量量实实验验事事实实的的归归纳纳总总结结得得到到一一定定的的理理论论结结论论的的。经经过过几几个个世世纪纪的的发发展展，今今天天的的物物理学是一门理论与实验高度结合的科学，其研究方法可以概括为：理学是一门理论与实验高度结合的科学，其研究方法可以概括为：11从方法论上讲，从方法论上讲，从方法论上讲，从方法论上讲，物理学的研究方法可以分为：物理学的研究方法可以分为：物理学的研究方法可以分为：物理学的研究方法可以分为：演绎法演绎法：基本定律基本定律 推理、演算推理、演算 新理论新理论 归纳法归纳法：归纳实验或观测事实归纳实验或观测事实 假设、模型假设、模型 新理论新理论具体地说，物理学还有许多有特色的方法具体地说，物理学还有许多有特色的方法具体地说，物理学还有许多有特色的方法具体地说，物理学还有许多有特色的方法：对称性分析对称性分析守恒量的利用守恒量的利用简化模型的选取简化模型的选取概念和方法的类比概念和方法的类比定性和半定量分析定性和半定量分析量纲分析量纲分析12三、物理学对人类文明进步的影响三、物理学对人类文明进步的影响 20世纪初的第二次科技革命物理学是以世纪初的第二次科技革命物理学是以 相对论和量子力学的相对论和量子力学的建立为标志；建立为标志；20世纪前半叶，核物理的发展把人类带入了原子能时代。世纪前半叶，核物理的发展把人类带入了原子能时代。19世世纪纪末末的的第第二二次次工工业业革革命命 电电动动机机和和发发电电机机经经典典的的电电磁学理论不断完善的基础之上，使人类社会进入工业电气化时代；磁学理论不断完善的基础之上，使人类社会进入工业电气化时代；18世纪的第一次工业革命世纪的第一次工业革命 蒸汽机的发明蒸汽机的发明 经典的牛顿力经典的牛顿力学和经典热力学完善和发展基础上；学和经典热力学完善和发展基础上；20世纪后半叶，电子计算机的发展把人类带入了信息时代。世纪后半叶，电子计算机的发展把人类带入了信息时代。历史上，我国在科技发展中的重要贡献历史上，我国在科技发展中的重要贡献磁、火药、小孔磁、火药、小孔成像、浑仪和简仪、地动仪等等；成像、浑仪和简仪、地动仪等等；13 19421942年世界上第一个核反应堆运行成功年世界上第一个核反应堆运行成功14欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心(CERN)CERN)座落在日内瓦郊外的加速器：座落在日内瓦郊外的加速器：大环是周长大环是周长27 27 kmkm的强子对撞机，中环是质子同步加速器。的强子对撞机，中环是质子同步加速器。2024/3/17 周日151620世纪物理学给社会的最大冲击世纪物理学给社会的最大冲击-以半导体为基础的电子信息技术以半导体为基础的电子信息技术-信息时代信息时代超大规模集成电路的研究生产技术超大规模集成电路的研究生产技术 从物理基础研究实验移植从物理基础研究实验移植 在在一毫米见方的单晶硅片上制一毫米见方的单晶硅片上制成的集成电路可以穿过针眼成的集成电路可以穿过针眼。9090年代中期年代中期IntelIntel公司，奔腾公司，奔腾(Pentium)(Pentium)芯片上包含芯片上包含500500万个晶万个晶体管，刻蚀线宽不到微米。体管，刻蚀线宽不到微米。最有竞争力的新技术最有竞争力的新技术来源于基础研究实验室来源于基础研究实验室1720世纪物理学又一重大贡献世纪物理学又一重大贡献 激光激光1960年制成第一台年制成第一台红宝石红宝石红宝石红宝石激光器激光器此后几十年制成各种类型、覆盖各种频段的激光器此后几十年制成各种类型、覆盖各种频段的激光器其其应应用用已已拓拓展展到到各各个个领领域域：激激光光通通讯讯、光光学学信信息息处处理理、光光学学信信息息存存储储、激激光光探探测测、激激光光熔熔炼炼、激激光光切切割割、激激光光外外科科手手术术、激光武器等等。激光武器等等。美国机载激光(ABL)18物理学渗透到其它学科物理学渗透到其它学科物理与化学的结合：物理与化学的结合：量子化学、激光化学、分子反应动力学等等量子化学、激光化学、分子反应动力学等等 1999年年,A.H.Zewail 成成功功地地应应用用超超快快激激光光技技术术（飞飞秒秒激光）研究原子的微观运动，获得诺贝尔化学奖。激光）研究原子的微观运动，获得诺贝尔化学奖。飞秒飞秒10-15秒秒 1998年年，在在给给Jolm A.Pople和和Walter Kolm颁颁发发诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖的的颁颁奖奖公公报报中中宣宣布布“化化学学不不再再是是纯纯实实验验科科学学了了”，因因为为在在他他们们的的工工作作中中用用到到了了“电电子子密密度度泛泛函函理理论论和和量量子子化学计算方法化学计算方法”。19物理与生命科学物理与生命科学物理与生命科学物理与生命科学：DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构Francis Crick（克里克）（克里克）&amp;James Watson（沃森）（沃森）20物理学与经济学物理学与经济学物理学与经济学物理学与经济学 利用利用布朗运动模型布朗运动模型布朗运动模型布朗运动模型和和随机微分方程随机微分方程随机微分方程随机微分方程导出导出 BlackScholes 期权定价公式，获期权定价公式，获1997年诺贝尔经济学奖。年诺贝尔经济学奖。M.S.Scholes&amp;F.S.Black 21物质世界结构：物质世界结构：物质世界结构：物质世界结构：（轻子）（轻子）规范粒子规范粒子粒子物理标准模型粒子物理标准模型宇宇 宙宙费米子费米子原原 子子分分 子子实物粒子实物粒子 电电 子子夸夸 克克质子质子中子中子原子核原子核 场场 宇宇宙宙大大爆爆炸炸标标准准模模型型四、现代物理学对物质微观结构和宇宙的认识四、现代物理学对物质微观结构和宇宙的认识四、现代物理学对物质微观结构和宇宙的认识四、现代物理学对物质微观结构和宇宙的认识物质的两种存在形式：实物粒子、场物质的两种存在形式：实物粒子、场物质的两种存在形式：实物粒子、场物质的两种存在形式：实物粒子、场22 物质存在的另一种基本形式物质存在的另一种基本形式 场场现代物理学家认为：物质存在的两种基本形式中，场是现代物理学家认为：物质存在的两种基本形式中，场是更基本的。更基本的。实物粒子实物粒子：在空间占有一定的有限体积，具有不可入性；：在空间占有一定的有限体积，具有不可入性；场场：充满空间，没有不可入性。：充满空间，没有不可入性。二者共同点：场和实物粒子都具有能量和动量，具有不连二者共同点：场和实物粒子都具有能量和动量，具有不连续的微观结构。续的微观结构。2321世纪物理学的发展趋势世纪物理学的发展趋势 把对把对微观微观世界的研究与对世界的研究与对宏观宏观世界的研究结合起来世界的研究结合起来五、物理学在不断发展五、物理学在不断发展前沿基础学科不断发展：前沿基础学科不断发展：粒子物理、粒子物理、天体物理天体物理、复杂性研究复杂性研究 经典经典物理也在发展：物理也在发展：波动光学波动光学 信息光学信息光学 牛顿力学的决定性牛顿力学的决定性 内在随机性内在随机性 24适应高新技术和市场经济的发展适应高新技术和市场经济的发展适应高新技术和市场经济的发展适应高新技术和市场经济的发展 现代工程技术人员必须具备良好的科学素质；物现代工程技术人员必须具备良好的科学素质；物理学基础知识是理学基础知识是学习其它学科的基础学习其它学科的基础六、为什么要学习物理学六、为什么要学习物理学?提高科学素质和能力提高科学素质和能力提高科学素质和能力提高科学素质和能力 学习物理对提高科学素质有重要作用学习物理对提高科学素质有重要作用：（1）培养辩证唯物主义的世界观）培养辩证唯物主义的世界观（2）学会掌握科学的方法）学会掌握科学的方法（3）培养科学思维能力、发展智力）培养科学思维能力、发展智力（4）培养探索与创新精神）培养探索与创新精神25努力塑造自己、成为适应现代科学技术发展需求人才努力塑造自己、成为适应现代科学技术发展需求人才努力塑造自己、成为适应现代科学技术发展需求人才努力塑造自己、成为适应现代科学技术发展需求人才工程科学家型工程科学家型：善于从战略思想上把当代科学成就和工程：善于从战略思想上把当代科学成就和工程 技术联系起来，出概念、出思想。技术联系起来，出概念、出思想。革新发明家型革新发明家型：能创造性的运用当代科技知识建造工程系：能创造性的运用当代科技知识建造工程系 统，发明新方法、创造新产品。统，发明新方法、创造新产品。现场工程专家型现场工程专家型：在现场从事建造、操作和维护复杂设备：在现场从事建造、操作和维护复杂设备 和工程系统的正常工作。和工程系统的正常工作。管理规划专家型管理规划专家型：在领导或管理部门工作，但活动仍以技：在领导或管理部门工作，但活动仍以技 术为背景。术为背景。26参考书目参考书目程守洙、江之永程守洙、江之永.普通物理学（第五版）普通物理学（第五版）.高等教育出版社高等教育出版社.1998马文蔚马文蔚.物理学（第四版）物理学（第四版）.高等教育出版社高等教育出版社.1999（电子教案）（电子教案）严导淦严导淦.物理学（第四版）物理学（第四版）.高等教育出版社高等教育出版社.2003张三慧张三慧.大学物理学（第二版）大学物理学（第二版）.清华大学出版社清华大学出版社.1999（电子教（电子教案）案）吴百诗吴百诗.大学物理（修订版）大学物理（修订版）.西安交通大学出版社西安交通大学出版社.1994吴锡龙吴锡龙.大学物理教程（第二版）大学物理教程（第二版）.高等教育出版社高等教育出版社.1999休休 D.杨，罗杰杨，罗杰 A.弗里德曼弗里德曼.西尔斯物理学西尔斯物理学.机械工业出版社机械工业出版社.200327发展独立思考和独立创新的一般能力，发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首应当始终放在首位，而不应当把知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。而且比起那些主要以会找到自己的道路。而且比起那些主要以获取细节知识为训练内容的人来，他一定获取细节知识为训练内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。会更好地适应进步和变化。爱因斯坦爱因斯坦结束语结束语2024/3/17 周日28</p>