第一章 物理学和力学.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,普 通 力 学,主讲：,西南大学物理科学,与技术学院,桑文龙,18324136853,QQ:,99199064,wlsang,wlsang,教材：,力学,漆安慎、杜婵英,2014,年诺贝尔物理学奖,日本,1929-,赤崎勇,日本,1960-,天野浩,日本,1954-,中村修二（美籍）,发明有效率的,蓝色,发光二极管（,LED,）,，催生明亮而节省能源的白色光源,2014,年诺贝尔物理学奖,日本,1929-,赤崎勇,三颗不同颜色的,LED,LED,交通信号,LED,照明,LED,光源与传统光源相比具有,节能、耐久,等优势,评选委员会的声明说：“,白炽灯点亮了,20,世纪，,21,世纪将由,LED,灯点亮。,”,“即使失败，也绝对不要放弃。在失败的情况下，不要气馁、不言放弃非常重要。”,亚洲诺贝尔物理学奖,日本,汤川秀树,1949,朝永振一郎,1965,江崎玲于奈,1973,小柴昌俊,2002,益川敏英,2008,小林诚,2008,南部阳一郎,2008,（美籍）,亚洲诺贝尔物理学奖,印度,钱德拉塞卡拉,拉曼,1930,苏布拉马尼扬,钱德拉塞卡,1983,（美籍）,阿卜杜勒,萨拉姆,1979,巴基斯坦,亚洲诺贝尔物理学奖,中国,杨振宁,1957,（中华民国）,李政道,1957,（中华民国）,丁肇中,1976,（美籍）,崔琦,1998,（美籍）,朱棣文,1997,（美国）,高锟,2009,（英籍）,物理学简介,经典物理,现代物理,1900,年,物理学简介,经典物理学,力,热,光,电,普通力学,理论力学,热学,热力学与统计物理,光学,电磁学,电动力学,现代物理学,相对论,量子力学,狭义相对论,广义相对论,电动力学,研究生课程,原子物理学,量子力学,一、力学发展史,二、热学发展史简介,三、电磁学发展史简介,四、光学发展史简介,阿基米德,伽利略,伽利雷,艾萨克,牛顿,杠杆原理,给我一个支点，我将撬动地球,阿基米德原理,古代最伟大,数学家,之一,物理学之父,古希腊 前,287-,前,212,阿基米德托勒密总结了,希腊,古,天文学,的成就，写成,天文学大成,十三卷,约,90,年,168,年,托罗密,地心说,天体运行论,现代,天文学,的起步点,波兰,1473,1543,尼古拉,哥白尼,假使有一知半解的人，并无数学知识，而根据圣经这一段或那一段妄肆批评或者驳斥我的著作，我不但不预备答复他们，而且还要轻视这样无知的见解,日心说,丹麦,1546,1601,提出一种介于地心说与日心说之间的理论，认为地球作为静止的中心，太阳围绕地球作圆周运动，而除地球之外的其他行星围绕太阳作圆周运动,天文学家,第谷,布拉赫,德国,1571,1630,总结了老师第谷毕生的观测数据,，,开普勒先后发现,开普勒行星运动三大定律,开普勒也是,近代,光学,的奠基者,他为自己撰写的墓志铭是：,“我曾测天高，今欲量地深。我的灵魂来自上帝，凡俗肉体归于此地。”,约翰内斯,开普勒,意大利,15,64,16,42,伽利略,伽利莱,通过,实验,和,数学,方式研究运动科学,用,斜面实验和自由落体实验批驳了,亚里士多德,认为落体速度和重量成正比的观点，,总结出了自由落体的距离与时间平方成正比的关系,“,只要斜面延伸下去，球将无限地继续运动，而且不断加速，因为此乃运动着的重物的本质,”，,惯性定律的前身,。,自然科学,的诞生要归功于,伽利略,史蒂芬,霍金,近代科学之父,伽利略在天文学上最著名的贡献是于,1609,年改良了,折射望远镜,。,月球环形山,。,月球不再是之前如亚里士多德所认为的半透明的、完美的球体,发现了,木星的四颗卫星,太阳黑子,金星,类似于月球的,相,观察了,银河系,，发现它是由许许多多,恒星,组成的,集团,对力学,实验,的兴趣以及他用,数学,语言描述物体运动的方法，为后世建立了一个基于实验研究的自然哲学传统。这个传统与培根的实验归纳的方法论一起，深刻影响了一批后世的自然科学,近代科学之父,伽利略,伽利莱,英国,1643,1727,1687,年,自然哲学的数学原理,对万有引力和三大运动定律进行了描述,，,奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,阐明了,动量,和,角动量守恒,的原理,在光学上，他,发明了反射望远镜,，并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察，发展出了,颜色理论,有史以来最伟大的科学家,科学巨匠,艾萨克,牛顿,认为光是,由粒子或微粒组成,的，,并会因加速通过光密介质而折射,在数学上，牛顿与戈特弗里德,莱布尼茨,分享了发展出,微积分学,的荣誉,人们不要以为，牛顿的伟大工作能被这一理论或者任何别的理论代替。他伟大而明晰的观念，作为自然哲学领域里整个近代概念结构的基础，将永远保持它独特的意义,爱因斯坦,我不知道这个世界会如何看我，但对我自己而言我仅仅是一个在海边嬉戏的顽童，为时不时发现一粒光滑的石子或一片可爱的贝壳而欢喜，可与此同时对我面前的伟大的真理的海洋熟视无睹,。,约瑟夫,拉格朗日常常说牛顿是迄今为止最伟大的天才,科学巨匠,艾萨克,牛顿,牛顿的,绝对时空观,：,绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、,与任何外界事物无关地流逝着,。,绝对空间，就其本性而言，是,与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的,。,曾与胡克和惠更斯有过著名的争论。性格上一方面渴求关注，另一方面性格有比较内向，竭力避免受到批评，而且利用自己的权位打压学术竞争对手。,如果我比别人看得更远，那是因为我站在巨人的肩上,科学巨匠,艾萨克,牛顿,约瑟夫,拉格朗日,意大利裔法国,1736,1813,爱尔兰,1,805,18,65,威廉,哈密顿,力学的其他表述,分析力学,一、力学发展史二、热学发展史简介,三、电磁学发展史简介,四、光学发展史简介,热学起源于人们对热现象的概念和本性的研究,热质说,安托万,拉瓦锡,法国,1,743,1,794,热质说,：,热是一种称为“热质”的物质,（,无质量的气体,）,，物体吸收热质后温度会升高，热质会由温度高的物体流到温度低的物体,。,热质说,无法解释,一些只要,持续作功就可以持续产生热,的现象,热力学第一定律,能量守恒定律,英国,1,818,1,889,詹姆斯,焦耳,德国,尤利奥斯,迈耶,德国,1,821,1,894,赫尔曼,亥姆霍兹,能量既不能被产生也不能被消灭,热和功之间的转换关系,，测量了热功当量,能量的转化与守恒推广到机械运动以外的各种过程,热力学第二定律,熵增加原理,德国,1,822,1,888,鲁道夫,克劳修斯,法国,1796-1832,尼古拉,卡诺,卡诺热机，卡诺循环，,卡诺定理,提出“熵”的概念,重新表述,热力学第二定律,绝对温标,把热力学第一、二定律公式化,卡诺孤独地生活、凄凉地死去，他的著作无人阅读，无人承认,英国,1824-1907,开尔文勋爵,分子运动论,荷兰,1700,1,782,丹尼尔,伯努利,瑞士,1707-1783,莱昂哈德,欧拉,假设空气,由,球形分子构成，在任意温度下速率都相同,，证明了,波义耳定律,气体,包含,不同方向运动的分子，分子对容器表面的冲击效应构成了宏观上的气体压强,建立了气体分子速率的麦克斯韦分布,，,第一个基于统计规律的物理定律,英国,1831-1879,詹姆斯,麦克斯韦,克劳修斯,引入了研究分子运动论的统计思想,统计力学的建立,奥地利,1844-1906,路德维希,玻尔兹曼,玻尔兹曼分布，是经典统计力学中最基本的分布函数,。,热力学第二定律的统计诠释,。,美国,1839-1903,约西亚,吉布斯,建立了统计力学，从而能够用力学定律和统计方法来从本质上精确描述热力学定律,。,统计力学通过统计诠释建立了热力学定律与分子运动论之间的内在联系，至此成为物理学中又一个完备的理论体系,！,一、力学发展史,二、热学发展史简介,三、电磁学发展史简介,四、光学发展史简介,静电学和静磁学,法国,1736-1806,夏尔,奥古斯丁,库仑,库仑定律,虽然,卡文迪什等人验证了静电力的平方反比律，然而他们的实验却迟迟不为人知,法国,1736-1806,让,-,巴蒂斯特,毕奥,毕奥,-,萨伐尔定律,法国,1791-1841,菲利克斯,萨伐尔,电磁学定理,法国,1775-1836,安德烈,-,马里,安培,安培环路,定律,英国,1791-1867,迈克尔,法拉第,电磁感应定律,创立了力线和,场,的概念,虽然没有得到足够的正式教育，法拉第是历史上最具有影响力的科学家之一,！,爱因斯坦,在他的学习墙上放着法拉第的一张,照片,，并将其与,牛顿,和,麦克斯韦,放在一起,麦克斯韦电磁场理论,英国,1831-1879,詹姆斯,麦克斯韦,将,电,、,磁,、,光,统归为,电磁场,中现象的,麦克斯韦方程组,麦克斯韦提出,电场,和,磁场,以,波,的形式以,光速,在空间中传播,，,理论上预测了,电磁波,的存在,有观点认为，他对物理学的发展做出的贡献仅次于,牛顿,和,爱因斯坦,。,爱因斯坦本人盛赞了麦克斯韦，称其对于物理学做出了“,自牛顿时代以来的一次最深刻、最富有成效的变革,”,麦克斯韦被普遍认为是十九世纪物理学家中，对于,二十世纪初物理学的巨大进展影响最为巨大的一位,一、力学发展史,二、热学发展史简介,三、电磁学发展史简介,四、光学发展史简介,几何光学,阿拉伯学者,965-1040,海什木研究过光的直线传播、,反射,和,折射,、,透镜,和各种反射镜,荷兰,1580-1626,威理博,斯涅尔,法国,1601-1665,皮埃尔,德,费马,费马原理,“,我发现了一个美妙的证明，但由于空白太小而没有写下来,”,光的本性,微粒,vs,波动,微粒,说,可以解释几何光学现象以及色散现象！,荷兰,1629-1695,克里斯蒂安,惠更斯,英国,1635-1703,罗伯特,胡克,光波动说,光是发光体内部的粒子振动所产生的机械波，这种机械波传播所依靠的介质被称作,以太,。,更简单地解释光学现象,！,光的本性,微粒,vs,波动,惠更斯菲涅耳原理,缔造了波动光学的理论基础,法国,1788-1827,奥古斯丁,菲涅耳,德国,1822-1887,古斯塔夫,基尔霍夫,他使用麦克斯韦方程组为,惠更斯菲涅耳原理,提供了坚实的理论基础,光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的,经典物理学革命,世纪之交，,1900,年,物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。但是，美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩,开尔文勋爵,英国,1824-1907,这两朵乌云给物理学带来的是一场突如其来的风暴，这场风暴颠覆了旧理论体系的框架，分别导致了二十世纪物理学的两大理论体系：,相对论,和,量子力学,的诞生,他们奠定了现代物理学基础,爱因斯坦,1879-1955,波尔,1885-1962,1887-1961,1902-1984,海森堡,1901-1976,泡利,1900-1958,普朗克,1958-1947,一、相对论发展史简介,二、量子力学发展史简介,迈克耳孙,-,莫雷实验,以太风,观测,零结果,狭义相对论,荷兰 洛伦兹,法国 庞加莱,真空光速不变,相对性原理,更深刻的了解到整个问题,第一朵,乌云,同年,（,1905,年）,11,月，爱因斯坦阐述了狭义相对论中的,质能等价,关系,:,早期的物理学界,对相对论一直持怀疑态度,，即使到了,1921,年爱因斯坦获诺贝尔奖的原因仍然并非由于相对论的建立,!,相对论的接受情况：,直到,二十世纪四十年代,更精确的实验结果得出后才真正显示出狭义相对论的正确性,！,2011年,9,月，位于,意大利,格兰萨索国家实验室,（,LNGS,）的,OPERA,实验,宣布观测结果，并刊登于,英国,自然,杂志,。研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快。,速度为,光速的,1.0000248,倍,。,如果此结果确定证实的话，将会是理论物理学界的一大震撼,。然而，在,2012,年,2,月，,CERN,发现是连接,GPS,和电脑光纤的接头松动造成了中微子超光速的假象。,Opera,的实验室中心主任已经引咎辞职。,2012,年,5,月，由诺贝尔奖得主,卡洛,鲁比亚,领导的团队,ICARUS,重新测量了中微子速度，发现结果,并没有超过光速,。,中微子超光速？,牛顿万有引力需要相对论化为什么惯性系比非惯性系更优越,引力质量,=,惯性质量,(,爱因斯坦等效原理,),广义相对性原理,广义相,对论,（引力理论）,1907-1915,广义相对论,的四个检验,水星轨道近日点的,进动,近日点,太阳,水星,光波在太阳附近的,偏折,（,1919,）,光波的,引力红移,（,1959,）,雷达,回波延迟,（,1964,）,宇宙学,物理意义上的,宇宙学,是从,广义相对论,的建立才真正开始的,！,1917,年爱因斯坦将广义相对论应用于整个宇宙,，,标志着物理宇宙学,的建立,方程所预言的宇宙并不是静态的,，,1922,年苏联物理学家弗里德曼,，,推导出了,弗里德曼方程,比利时牧师、物理学家,乔治,勒梅特,在,1927,年利用弗里德曼方程给出了,第一个膨胀宇宙模型,的解,，,提出了,宇宙在不断膨胀并起源于一个“原生原子”的爆炸,。,这成为现代,大爆炸理论,的雏形,。,1929,年，美国天文学家,埃德温,哈勃,通过,观察,支持了勒梅特的观点,，,星系在各个方向上都在退行，其相对地球的退行速度大小正比于它们距地球的距离,（哈勃定律）,阿尔菲、贝特、,伽莫夫,三人在,1948,年,4,月,1,日愚人节那天发表,论文,化学元素的起源,，称为,理论,。,阿尔菲和赫尔曼还预言了残余的,背景辐射,的存在,。,英国天文学家,霍伊尔,、戈尔德和邦迪创立的,稳恒态宇宙模型,。,宇宙在任何时候看起来各处都相同长久以来这两种观点的受支持程度都不相上下,大爆炸理论的实验证据,哈勃定律和宇宙膨胀,宇宙微波背景辐射,原始物质丰度,星系演变和分布,当今宇宙学最为认可的模型，这是能够构建一个自洽的物理宇宙模型的最简单的假设。,2011,年诺贝尔物理学奖：,透过观测遥距超新星而发现,宇宙加速膨胀,一、相对论发展史简介,二、量子力学发展史简介,黑体辐射,理论出现的问题,量子论,第二朵,乌云,德布罗意,波尔,普朗克,海森堡,薛定谔,泡利,狄拉克,爱因斯坦,英国,汤姆孙,于,1897,年发现了电子,，电子是人类发现的第一个,基本粒子,，它的发现,改变了长久以来人们认为原子不可分,的传统观念,原子结构,原子被认为类比于梅子布丁,原子结构的“行星模型”,卢瑟福,1909,1912,年至,1913,年间，丹麦物理学家,玻尔,肯定了卢瑟福的原子模型，但同时指出,原子的稳定性问题不能在经典电动力学,的框架下解决，而唯有依靠,量子化,的方法,丹麦,1885-1962,尼尔斯,玻尔,解释氢原子的,发射,和,吸收光谱,中取得了非常大的成功，是,量子理论发展的重要里程碑,有很多缺点！,泡利,批评“糟糕的跃迁”。,1923,年,，德布罗意提出,实物粒子同样也具有波粒二象性,的,法国,1892-1987,路易,德布罗意,1909,年，爱因斯坦指出,电磁辐射必须同时具有,波动性和粒子性两种自然属性,量子力学诞生,海森堡提出,矩阵力学,薛定谔提出,波动力学,相互等价,1928,年狄拉克提出了,述,电子的相对论性方程,英国,1902-1984,保罗,狄拉克,量子力学满足狭义相对论的要求,量子电动力学,美国,1918-1988,理查德,费曼,美国,1918-1994,朱利安,施温格,日本,1906-1979,朝永振一郎,量子电动力学是迄今为止,建立的最精确的物理理论,1896,年,，,贝可勒尔,发现,铀,的,放射性,法国,1852-1908,亨利,贝可勒尔,1897,年,，卢瑟福和汤姆孙发现其中有,衰变,1934,年,，费米提出,衰变,的,费米理论,意大利,1901-1954,恩里科,费米,1956,年,，李政道和杨振宁提出,宇称不守恒,李政道和杨振宁,盖尔曼,和,乔治,茨威格,在,1964,年分别独立提,夸克模型,1954,年,，,Yang-Mills,规范理论,1964,年，三组人提出,Higgs,机制,默里,盖尔曼,英国,1929-,彼得,希格斯,电弱标准模型,电弱统一理论,谢尔登,格拉肖,史蒂文,温伯格,阿卜杜勒,萨拉姆,原子核由质子和中子组成，,质子之间电荷同性相互排斥,。质子和中子怎么能束缚组成原子核？,1935,年,，汤川秀树,质子,、,中子,间存在,强相互作用,日本,1907-1981,汤川秀树,1949,年,成为亚洲人,首位,诺贝尔物理学奖,强相互作用的基本理论：,量子色动力学（,QCD,）特胡夫特,韦尔切克,格娄斯,基本相互作用,Interaction,Strength,Range of Force,Force Carrier,Strong,1,10,-15,m,gluon,EM,10,-2,photon,Weak,10,-5,10,-16,m,W,，,Z,0,Gravity,10,-39,Graviton?,物理学之美,理论公式简洁,包含内容丰富,经典力学的各种问题,各种各样的天文现象,经典电磁学的各种问题,能否把所有的物理规律统一成一个公式？,万有理论？,电力,磁力,电磁相互作用,弱相互作用,弱电统一理论,强相互作用,大统一理论？,万有引力相互作用,万有理论？,物理学家的梦想！,力学的,研究,内容,力学的研究对象是,机械运动,经典力学研究在,弱引力场,中,宏观物体,的,低速运动,力学,:,运动学,、（静力学）、,动力学,力学的特点,以实验,为基础,定量的,科学,概念、定律、定理和结论需要,用准确的语言,并用,数学形式,表述出来。,任何物理学新思想正确与否和正确到何种程度都,需要实验检验。,单位制,讨论物理量的大小时，一定要说明单位是什么！,单位改变了，物理量之间满足的关系也会跟着改变,基本量,基本单位,导出量,导出单位,选择某物理量，,直接规定其单位,，该物理量为基本量，其单位为基本单位。,不直接规定其单位的物理量称导出量，,其单位需要由该物理量与基本量的关系决定,，成为导出单位。,国际单位制（,SI,）,SI,选择,七个,量作为基本量,长度,质量,时间,电流,热力学,温标,物质的量,发光强度,m,kg,s,A,K,mol,cd,米,千克,秒,安培,开尔文,摩尔,坎德拉,SI,规定了,20,个词头，以,搭配基本单位使用,力学三个基本单位计量,时间,计量,铯,-133,原子基态的两个超精细能级间跃迁相对应的辐射的,9 192 631 770,个周期的持续时间作为,1s,。这样的原子标准称为原子种。误差可以小到 。,长度,计量,一切周期运动都可用来量度时间,1m,为光在真空中传播,(1/299 792 458)s,时间间隔内所经路径的长度,。误差可以小到 。,质量,计量,国际千克原器（存放在法国），,国际千克原器的品质需要认真保护，以维持国际标准制的一致性,2010,年,国际度量衡大会,提议以,普朗克常量,重新定义千克,量纲式,表示一个物理量由基本量的幂次组合的式子。,量纲,基本量选定后，导出量的量纲可由基本量的量纲的组合而得。,在国际单位制中,表示力学量,A,的量纲式为,L,为长度的量纲，,M,为质量的量纲，,T,为时间的量纲。,p,、,q,、,r,为量纲指数,参考系,坐标系,任何物理过程都和时间和空间相联系,。对机械运动而言，空间规定了运动物体的大小与位置；时间则规定了运动过程的长短和顺序。在,经典力学范围内,，,空间与时间是脱离物质与运动的独立存在,；空间是延伸到整个宇宙容纳物质的三维平直框架，,时间犹如一座始终均匀转着的钟,。,被选作物体运动依据的物体或物体群称为,参考系,，与参考系固连的三维空间称为,参考空间,。,同一物体的运动情况相对不同的参考系是不同的,。,为了定量表示物体相对参考系的位置，可在参考系上建立适当的,坐标系,。即用固定在参考空间的一组坐标轴和用来规定一组坐标的方法。,考试方法,考试方式,:,闭卷,成绩计算：,平时成绩,30%,（包括,作业,、考勤等）,期末考试,70%,希望大家,:,提前预习,，,课后复习,，,认真完成作业,。,