大学物理学基础.ppt

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1、（物理专题）（物理专题）2005世界物理年世界物理年 爱因斯坦奇迹年爱因斯坦奇迹年主题：主题：物理学与社会物理学与社会(4)质能关系质能关系让物理走进大众让物理走进大众让世界拥抱物理让世界拥抱物理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(2)分子动理论分子动理论(3)创立狭义相对论创立狭义相对论2022/12/19320002000年美国工程院选择了二十项二十世纪最伟大的工程年美国工程院选择了二十项二十世纪最伟大的工程 首先是电气化首先是电气化*、汽车、汽车*、飞机、飞机*、自来水系统、自来水系统、微电子微电子*、无线电广播和电视、

2、无线电广播和电视 *其次是农业机械化其次是农业机械化*、计算机、计算机*、电话、电话*、空调和冰箱空调和冰箱*、高速公路、卫星、高速公路、卫星*、因特网因特网*、摄影、摄影*。最后是家用电器最后是家用电器*，医疗技术，医疗技术*，石油和石油化工，石油和石油化工，激光和光纤激光和光纤*，核技术，核技术*，高性能材料，高性能材料*，主要原因：物理学研究对象十分广泛且发展迅速主要原因：物理学研究对象十分广泛且发展迅速.第一章第一章 人类社会为什么变化这么快？人类社会为什么变化这么快？物理学改变世界物理学改变世界 2022/12/194粒子物理粒子物理天体物理天体物理物理学最前沿物理学最前沿研究最小的

3、对象研究最小的对象研究最大的对象研究最大的对象物质结构层次物质结构层次宇宙演化和起源宇宙演化和起源粒子标准模型粒子标准模型宇宙标准模型宇宙标准模型纳米技术纳米技术宏观宏观介介观观微微观观宇宇观观物理学研究对象十分广泛：物理学研究对象十分广泛：1 1、从虚无到无所不有、从虚无到无所不有2 2、从简单到复杂、从简单到复杂1.1 物理学在改变着世界物理学在改变着世界三次工业（技术）革命的物理学基础：三次工业（技术）革命的物理学基础：第一次工业革命（第一次工业革命（17-18世纪）世纪）建立在建立在牛顿力学牛顿力学和和热力学热力学发展的基础上发展的基础上第二次工业革命（第二次工业革命（19世纪）世纪）

4、建立在建立在电磁理论电磁理论发展和发展和热力学热力学发展的基础上发展的基础上 第三次工业革命（第三次工业革命（20世纪）世纪）建立在建立在相对论相对论和和量子力学量子力学发展的基础上发展的基础上 第一次工业革命使英国成为世界近代文明的中心第一次工业革命使英国成为世界近代文明的中心到到1860年，当时仅占世界人口年，当时仅占世界人口2%的英国，工业品已占世界的英国，工业品已占世界总量的总量的45%，还拥有世界出口总额的，还拥有世界出口总额的1/4和进口总额的和进口总额的1/3。第二次工业革命使美国成为世界经济的霸主第二次工业革命使美国成为世界经济的霸主 到到1890年，美国工业产值跃居世界第一位

5、。年，美国工业产值跃居世界第一位。1900年，年，人均收入超过欧洲。人均收入超过欧洲。1913年，成为世界经济的霸主。年，成为世界经济的霸主。第三次技术革命使全球经济得以迅速发展第三次技术革命使全球经济得以迅速发展 到到20世纪末，世界世纪末，世界GDP达达30万亿美元，其中美国占万亿美元，其中美国占26.6%，人均，人均3万美元。世界财富约达万美元。世界财富约达50万亿美元。万亿美元。每一次科学技术革命不仅提高了劳动生产率，促进了全每一次科学技术革命不仅提高了劳动生产率，促进了全球化进程。而每一次技术革命都源于物理学的创新成果。球化进程。而每一次技术革命都源于物理学的创新成果。一、物理学加速

6、社会经济的发展一、物理学加速社会经济的发展2022/12/1971919世纪的物理学把世纪的物理学把2020世纪的人类社会带进了世纪的人类社会带进了电气化时代电气化时代1919世纪世纪物理学物理学的主要成就：的主要成就：18201820年，奥斯特年，奥斯特 电流的磁效应；电流的磁效应；安培定律安培定律18311831年，法拉第年，法拉第 电磁感应定律电磁感应定律18881888年，赫兹用振荡偶年，赫兹用振荡偶 极子产生电磁波极子产生电磁波18621862年，麦克斯韦年，麦克斯韦 电磁理论电磁理论二、物理学改善人们的生活方式二、物理学改善人们的生活方式19261926年开始了第一次电视图像的传输

7、；年开始了第一次电视图像的传输；19281928年第一次完成了跨大西洋的图像年第一次完成了跨大西洋的图像 无线的传输；无线的传输；19381938年发现硒在光照底下变成良导体，年发现硒在光照底下变成良导体，第一台复印机问世；第一台复印机问世；19361936年又发明了磁带录音；年又发明了磁带录音；19371937年发明了雷达；年发明了雷达；19391939年开始调频广播；年开始调频广播；19491949年用年用X光分析了盘尼西林的晶体结构；光分析了盘尼西林的晶体结构；19581958年超声技术开始在医疗中间应用；年超声技术开始在医疗中间应用；19671967年家用微波炉上市。年家用微波炉上市。

8、18951895年年，马可尼、波波夫，马可尼、波波夫 发明无线电发明无线电2022/12/198相相 对对 论论狭义相对论狭义相对论广义相对论广义相对论 量子力学量子力学（包括量子论）（包括量子论）核能、核能、核技术核技术航空、航天航空、航天宇宙学宇宙学爱因斯坦受激爱因斯坦受激辐射理论辐射理论（1917）现代光学现代光学激光技术激光技术信信息息技技术术 生生物物技技术术纳纳米米技技术术新新材材料料科科学学2020世纪的高新技术与物理学世纪的高新技术与物理学物理学物理学 与与计算机计算机物理学物理学 与与经济学经济学所谓所谓物理物理：观物明理，悟物穷理观物明理，悟物穷理1.2 什么是什么是物理学

9、物理学？即：即：悟理悟理 物理学是研究物质的物理学是研究物质的结构结构、相互相互作用作用和物质基本的、普遍的和物质基本的、普遍的运动形式运动形式及其相互转化规律的科学。及其相互转化规律的科学。Physics is what physicists do!狭义定义：狭义定义：广义定义：广义定义：一、物理学研究的对象和范围一、物理学研究的对象和范围2、空间尺度空间尺度（相差（相差 1046）1026 m（约（约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇宙）10-20 m（夸克）（夸克）1、时间尺度时间尺度（相差（相差1045）1018 s（150亿年）（宇宙年龄）亿年）（宇宙年龄）10-27 s（硬（硬 射

10、线周期）射线周期）3、速率范围速率范围0（静止）（静止）3 108 m/s（光速）（光速）10-38kg（中微子）（中微子）2 1030kg（太阳）（太阳）4、质量范围质量范围空间标准空间标准：1983年第十七届国际计量大会决定年第十七届国际计量大会决定1米米=光在真空中光在真空中1/299792458秒内运行路程的长秒内运行路程的长度。规定度。规定c=299 792 458米米/秒秒时间时间：表征物质运动的持续性，运动变化的阶段性和表征物质运动的持续性，运动变化的阶段性和顺序性。顺序性。空间空间：物质相邻关系的科学抽象，广延性和彼此间排物质相邻关系的科学抽象，广延性和彼此间排列顺序。列顺序。

11、时间标准时间标准：1967年第十三届国际计量大会决定年第十三届国际计量大会决定铯（铯（133）原子基态两超精细能基之间的辐射周）原子基态两超精细能基之间的辐射周期的期的 9 192 631 770倍倍=1秒。秒。二、时间和空间二、时间和空间 牛顿认为：牛顿认为：空间和时间都是空间和时间都是脱离运动脱离运动而客观存在，而客观存在，它们是处处它们是处处均匀均匀的的,其彼此无关。其彼此无关。爱因斯坦认为：爱因斯坦认为：空间、时间以及物质的运动都是相空间、时间以及物质的运动都是相关的。关的。牛顿时空，牛顿时空，绝对时空绝对时空相对时空相对时空1、古人对物质结构的认识、古人对物质结构的认识三、物质结构及

12、其运动规律三、物质结构及其运动规律 约在公元前约在公元前400年，古希腊哲学家年，古希腊哲学家德谟克里特德谟克里特 明确指出，物质是由最小的不可再分的粒子构成明确指出，物质是由最小的不可再分的粒子构成 墨子墨子(约公元前约公元前468一前一前376)提出了提出了 “端，体之无厚，而最前者也端，体之无厚，而最前者也”0 1000 1500 1800 1900 1950 1960 2000 硫、盐硫、盐水银水银化学元素化学元素公元前公元前公元公元原子核原子核基本粒子基本粒子层子（夸克）层子（夸克）轻子轻子2、物质结构的现代理论、物质结构的现代理论实物粒子实物粒子分分 子子原原 子子原子核原子核质子

13、质子中子中子夸夸 克克 电电 子子（轻子）（轻子）场场 规范玻色子规范玻色子宇宇宙宙大大爆爆炸炸标标准准模模型型粒子物理标准模型粒子物理标准模型宇宇 宙宙费米子费米子是两种？抑或统一？是两种？抑或统一？是两种？抑或统一？是两种？抑或统一？物质存在的基本形式物质存在的基本形式 量子场论：量子场论：每种粒子对应一种场；每种粒子对应一种场；场有不同能量状态场有不同能量状态（量子化）量子化）场与粒子是统一体场与粒子是统一体的两种表现形式！的两种表现形式！四、物质间的相互作用四、物质间的相互作用四种基本相互作用四种基本相互作用种类种类作用对象作用对象作用距离作用距离(cm)相对强度相对强度(10-13c

14、m处处)传递作用的传递作用的基本粒子基本粒子引力引力所有物质所有物质 10-38引力子引力子(?)弱力弱力大多数粒子大多数粒子 10-1610-13中间玻色子中间玻色子(W,Z0)电磁力电磁力带电粒子带电粒子 10-2光子光子()强力强力强子强子 10-131胶子胶子(g)探讨：探讨：相互作用的统一；相互作用的统一；电弱及强作用的统一；电弱及强作用的统一；引力作用的统一引力作用的统一 大统一？大统一？3、物理学与社会生活密切相关、物理学与社会生活密切相关1、时代发展对高素质人才的要求、时代发展对高素质人才的要求2、培养科学精神和科学方法、培养科学精神和科学方法 大凡有成就的人，都是文理并重的人

15、。大凡有成就的人，都是文理并重的人。科学文化与人文文化的融合，有利于人素养的提高。科学文化与人文文化的融合，有利于人素养的提高。核能、激光、核能、激光、X射线技术、半导体、超导体、超级射线技术、半导体、超导体、超级计算机等等，都源于相对论和量子力学。计算机等等，都源于相对论和量子力学。没有受过科学教育的人，没有受过科学教育的人，不能算受过真正的高等教育。不能算受过真正的高等教育。细推物理须行乐，何用浮名伴此生。细推物理须行乐，何用浮名伴此生。我国古代思想家认为：我国古代思想家认为：自然界的规律和人文自然界的规律和人文社会的规律是统一的社会的规律是统一的，人文社会的法则也应该归人文社会的法则也应

16、该归结为天地、自然的法则。结为天地、自然的法则。“天人合一天人合一”文科学生为什么学习物理学？文科学生为什么学习物理学？书山有路勤为径书山有路勤为径学海无涯学海无涯悟悟作舟作舟要勤于思考，悟物穷理，不断建立自己的物理图像要勤于思考，悟物穷理，不断建立自己的物理图像从方法论上看：从方法论上看：逻辑推理方法逻辑推理方法 类比方法类比方法 假说方法假说方法 和谐统一方法和谐统一方法 物理学的研究方法物理学的研究方法修改理论修改理论提出命题提出命题推测答案推测答案理论预言理论预言实验检验实验检验应应 用用预习预习：1、不借助任何仪器，如何判断地球是圆的？、不借助任何仪器，如何判断地球是圆的？2、在望远

17、镜出现之前，我们怎么知道行星的位置？、在望远镜出现之前，我们怎么知道行星的位置？3、如何判断一颗星球是在远离我们还是在向我们靠拢？、如何判断一颗星球是在远离我们还是在向我们靠拢？作业：作业：1、你对人文与科学、技术的关系有何认识？、你对人文与科学、技术的关系有何认识？2、你认为文科学生应该怎样学习物理？有何建议？、你认为文科学生应该怎样学习物理？有何建议？3、为什么说物理学在改变世界？、为什么说物理学在改变世界？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。

18、国治而后天下平。“物格者，物格者，物理之极处无不到也。物理之极处无不到也。知至者，知至者，吾心之所知无不尽也吾心之所知无不尽也”。朱熹朱熹静静态态和和动动态态是是相相辅辅相相成成的的 为了称颂人类已有可能通过为了称颂人类已有可能通过RHIC（相对性重离子对撞机）（相对性重离子对撞机）来探索宇宙的起源和真空的复杂性来探索宇宙的起源和真空的复杂性,李可染奉献了题为李可染奉献了题为核子核子重如牛对撞生新态重如牛对撞生新态的一幅画作。的一幅画作。这幅画很好地体现了这幅画很好地体现了:宇宙的全部动力学产生于似乎是静宇宙的全部动力学产生于似乎是静态的阴阳两极的对峙态的阴阳两极的对峙似静欲动的太极结构蕴育着

19、巨大似静欲动的太极结构蕴育着巨大的势能的势能,这势能可以转换为整个宇宙的所有动能。这势能可以转换为整个宇宙的所有动能。2022/12/1921 物理学发展着未来技术进步所需的物理学发展着未来技术进步所需的基本知识基本知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转；而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转；物理学有助于技术的基本建设，它为科学进步和物理学有助于技术的基本建设，它为科学进步和发明的利用，发明的利用，提供所需训练有素的人才提供所需训练有素的人才。1999年在美国亚特兰大国际纯粹物理和国际年在美国亚特兰大国际纯粹物理和国际应用物理联合会第应用物理联合会第23届代表大会上，通过了决议

20、届代表大会上，通过了决议“物理对社会的重要性物理对社会的重要性”中指出：中指出：22 “科学、宗教与艺术是一个金字塔的三面，当人科学、宗教与艺术是一个金字塔的三面，当人们站在塔的不同侧面的底部时，他们之间相距很远，们站在塔的不同侧面的底部时，他们之间相距很远，但当他们爬到塔的高处时，他们之间的距离就近多但当他们爬到塔的高处时，他们之间的距离就近多了。了。”历史学家，科学史的奠基人历史学家，科学史的奠基人：萨顿萨顿科学不只是一堆知识，而更是一种思维方法，科学不只是一堆知识，而更是一种思维方法，这种思维方法的特征是严峻的怀疑态度与对新思想这种思维方法的特征是严峻的怀疑态度与对新思想的开放态度混合在一起，它是我们生活中每个领域的开放态度混合在一起，它是我们生活中每个领域包括社会、经济、政治、宗教各方面包括社会、经济、政治、宗教各方面绝对绝对需要的。需要的。美国天文学家，大众科学家美国天文学家，大众科学家：萨根萨根