物理学和力学(附矢量分析).ppt

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1、普通物理学第一章 物理学和力学1.什么是物质，什么是意识？它们之间的关系如何？（唯物、什么是物质，什么是意识？它们之间的关系如何？（唯物、唯心有什么区别？）唯心有什么区别？）2.世界到底是物质的，还是仅仅只是一个空洞的世界到底是物质的，还是仅仅只是一个空洞的“空间空间”？到？到底怎么样来描述、理解这个世界？物理理论到底是真实的，还底怎么样来描述、理解这个世界？物理理论到底是真实的，还是臆造的模型？物理能赋予我们人类什么（力量）？是臆造的模型？物理能赋予我们人类什么（力量）？3.物体之间的物体之间的“作用作用”或或“力力”是什么？若有，它是物质的固是什么？若有，它是物质的固有属性，还是空间的一个

2、性质？有属性，还是空间的一个性质？4.什么是能量？能量守恒是什么？什么是能量？能量守恒是什么？5.宇宙是有限的还是无限的，有界还是无界的？它有没有历史宇宙是有限的还是无限的，有界还是无界的？它有没有历史和未来？和未来？6.天体（星系）是圆的、椭圆的，还是扁平的？为什么？天体（星系）是圆的、椭圆的，还是扁平的？为什么？7.困扰物理学家的若干问题困扰物理学家的若干问题 格物致理：就是研究事物，推敲道理了解物质的结构和规律；它的理论具有物质运动规律的普适性，即自然界和物质运动的最基本的规律。物理学与哲学密不可分，他们关心共同的问题：物理学与哲学密不可分，他们关心共同的问题：自然界的基本规律自然界的基

3、本规律自然界的基本规律自然界的基本规律 物理是什么？物理是什么？物理学的研究物理学的研究对对象象 物物理理现现象象的的普普通通性性使使得得物物理理学学基基本本知知识识成成为为研研究究任何科学技任何科学技术术所不可缺少的基所不可缺少的基础础。物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学，科学，研究物质运动最基本形态以及他们之间相互转研究物质运动最基本形态以及他们之间相互转化的一门基础科学。化的一门基础科学。物理学的物理学的基本概念、基本规律和基本研究方法基本概念、基本规律和基本研究方法，以及根据物理学原理设计制造的各种仪器设备，已经以及根据物理学原理设

4、计制造的各种仪器设备，已经广泛地应用于所有自然科学的各个学科之中，推动了广泛地应用于所有自然科学的各个学科之中，推动了各学科领域和技术部门的飞速发展。各学科领域和技术部门的飞速发展。时时期期经经 典典 物物 理理 时时 期期近近 代代 物物 理理 时时 期期第一次第一次大大综综合合第二次第二次大大综综合合第三次第三次大大综综合合第四次第四次大大综综合合第五次第五次大大综综合合内内容容经经经经典力学典力学典力学典力学热热热热学学学学统计统计统计统计物理物理物理物理电电电电磁学磁学磁学磁学相相相相对论对论对论对论量子力学量子力学量子力学量子力学代代表表科科学学家家伽利略伽利略牛牛顿顿迈迈尔尔焦耳焦

5、耳克克劳劳修斯修斯玻耳玻耳兹兹曼曼吉布斯吉布斯麦克斯麦克斯韦韦法拉第法拉第赫芝赫芝爱爱因斯坦因斯坦玻玻尔尔德布德布罗罗意意薛定薛定谔谔海森堡海森堡第一次第一次工业革命工业革命经典物理经典物理的困难的困难物理学发展：各种分支、边缘及交叉学科物理学发展：各种分支、边缘及交叉学科物理学发展：各种分支、边缘及交叉学科物理学发展：各种分支、边缘及交叉学科第二次第二次工业革命工业革命第三次第三次工业革命工业革命力力 学学流流体体力力学学固固体体力力学学空空气气动动力力学学结结构构力力学学热热 学学热热动动力力学学传传 热热 学学燃燃 烧烧 学学工工程程热热力力学学电电 磁磁 学学电电 机机 学学电电 子子

6、 学学电电 力力 学学无无线线电电学学近近 代代 物物 理理 相相 对对 论论 激激光光物物理理学学半半导导体体物物理理学学等等离离子子体体物物理理学学超超导导物物理理学学高高能能物物理理学学 物理学是技术发展的主要源泉物理学是技术发展的主要源泉，三次产业革命，三次产业革命（蒸气机、电气化、信息化）均来自物理学或与物理（蒸气机、电气化、信息化）均来自物理学或与物理学紧密相关。学紧密相关。目前世界范围内以信息技术为前导，以微电子学目前世界范围内以信息技术为前导，以微电子学和电子计算机技术为标志的科学技术革命，从根本上和电子计算机技术为标志的科学技术革命，从根本上讲来源于讲来源于20世纪初物理学的

7、三大成就。世纪初物理学的三大成就。与其它学科密切结合，产生分支学科和交叉学科：与其它学科密切结合，产生分支学科和交叉学科：物理化学、生物物理、天体物理、地球物理、量子物理化学、生物物理、天体物理、地球物理、量子 生生物、量子化学物、量子化学等。等。1 kcal=4,184 J焦耳实验：焦耳实验：热功当量热功当量迈尔：能量的转换和守恒迈尔：能量的转换和守恒各种形式的能量（机械各种形式的能量（机械能、热能、化学能、电能、热能、化学能、电能、磁能等）能相互转能、磁能等）能相互转换，且总量保持不变。换，且总量保持不变。宏观热现象和微观个体运动之间的关系宏观热现象和微观个体运动之间的关系热力学第一定律：

8、热力学第一定律：能量的转换和守恒定律；能量的转换和守恒定律；第一类永动机是不可能造成的。第一类永动机是不可能造成的。热力学第二定律：热力学第二定律：熵增加原理；熵增加原理；第二类永动机是不可能造成的。第二类永动机是不可能造成的。蒸发器蒸发器水泵水泵 冷凝器冷凝器蒸汽蒸汽窝轮机窝轮机Q1A2Q2A1蒸汽机发明和应用为标蒸汽机发明和应用为标志的志的第一次工业革命第一次工业革命电磁波电磁波麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程组组组组法法法法拉拉拉拉第第第第电电电电磁磁磁磁感感感感应应应应电、磁、光电、磁、光现象的统一现象的统一电电 机机电电 器器工业电器化、电力和信息的传递工业电器化、电

9、力和信息的传递燃煤电厂中的蒸汽循环燃煤电厂中的蒸汽循环化学能化学能高温蒸汽高温蒸汽电能电能动能动能势能势能热能热能气轮机气轮机泵泵凝结器凝结器冷却水冷却水发电机发电机烟气烟气燃烧炉燃烧炉燃烧枪燃烧枪循环水循环水预热预热装置装置热能热能热能热能热能热能热能热能河流河流燃燃烧烧炉炉锅炉锅炉管道管道气气轮轮机机发发电电机机化学能化学能高温蒸汽高温蒸汽电能电能动能动能势能势能热能热能气轮机气轮机泵泵凝结器凝结器冷却水冷却水发电机发电机燃烧炉燃烧炉燃烧枪燃烧枪循环水循环水预热预热装置装置热能热能热能热能热能热能热能热能河流河流燃燃烧烧炉炉锅炉锅炉管道管道气气轮轮机机发发电电机机化学能化学能高温蒸汽高温蒸

10、汽高温蒸汽高温蒸汽电能电能动能动能势能势能热能热能气轮机气轮机气轮机气轮机泵泵冷却水冷却水冷却水冷却水发电机发电机发电机发电机燃烧炉燃烧炉燃烧炉燃烧炉燃烧枪燃烧枪燃烧枪燃烧枪循环水循环水循环水循环水热能热能热能热能热能热能热能热能河流河流燃燃燃燃烧烧烧烧炉炉炉炉锅炉锅炉锅炉锅炉管道管道管道管道气气气气轮轮轮轮机机机机发发发发电电电电机机机机烟气烟气烟气烟气凝结器凝结器凝结器凝结器电力的广泛应用为标志的电力的广泛应用为标志的第二次工业革命第二次工业革命近代物理中的两朵乌云：近代物理中的两朵乌云：量子论量子论相对论相对论迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验镜子镜子镜子镜子半透办反镜半透办反镜单色光源

11、单色光源干涉条纹干涉条纹维恩公式维恩公式实验曲线实验曲线M (10-9 W/m2Hz)5 4 3 2 1瑞利瑞利-金斯公式金斯公式普朗克公式普朗克公式热辐射实验热辐射实验0 1 2 3 (1014 Hz)1905 狭义相对论狭义相对论1916 广义相对论广义相对论爱因斯坦用相对论时空观代替了爱因斯坦用相对论时空观代替了牛顿的绝对时空观，把物质运动、牛顿的绝对时空观，把物质运动、空间和时间统一起来。空间和时间统一起来。把牛顿力学所处理的物质运动的把牛顿力学所处理的物质运动的速度范围从低速扩展到到接近光速度范围从低速扩展到到接近光速的高速。速的高速。把物质的能量和质量联系起来。把物质的能量和质量联

12、系起来。Max PlanckNiels BohrMax BornHeisenbergSchrdingerPaul Diracde Broglie量子论：量子论：进一步把实物和场统一起来，揭示了物质的进一步把实物和场统一起来，揭示了物质的 波粒二向性，找到了微观的运动规律。波粒二向性，找到了微观的运动规律。1927 Solvay Conference1927 Solvay Conference Held in Belgium,the conference was attended by the worlds most notable physicists to discuss the newly

13、 formulated quantum theory.Herzen Herzen Langmuir Langmuir Curie Curie Debye Debye Lorentz Lorentz Richardson Richardson Compton Compton 能源技术能源技术能源技术能源技术航空航天航空航天航空航天航空航天神州 5,6 号登陆火星太空技术太空技术太空技术太空技术纳纳纳纳米米米米材材材材料料料料C60生生生生命命命命科科科科学学学学DNADNA信息产业信息产业信息产业信息产业集成电路物理学大蟒物理学大蟒：物理学的尺度和统一：物理学的尺度和统一 物理学的基本特征物理学

14、的基本特征是一门实验科学实验科学，从“观察”开始，最终归于“实践”；物理规律是理性认识理性认识，是通过归纳、推理、演绎或顿悟得到的道理一个理论的提出往往是“直觉”或“悟”得到的；物理规律的普适性总是要求它的描述具有简洁、优美、简洁、优美、对称对称的形式“美美”和“逻辑性逻辑性”追求是物理永恒的主题。利用“理想模型理想模型”来描述物体是物理常用的简单方法。（如果一个“理想模型”和实际有出入，就要修正，即重新建立更好的模型。理想模型：如质点、刚体 等）提出命题（观测、推演）提出命题（观测、推演）物理的发展过程和研究方法物理的发展过程和研究方法推测答案（惟象，解释，提出新理论）推测答案（惟象，解释，

15、提出新理论）理论预言（新理论的证实或证伪）理论预言（新理论的证实或证伪）实践检验（新理论的证实或证伪）实践检验（新理论的证实或证伪）修正理论（改良或发展新理论）修正理论（改良或发展新理论）震撼人类思想的七大学说（思想）震撼人类思想的七大学说（思想）1.日心说日心说p1542年：哥白尼（1473-1542）发表天体运行论，创立日心说p1609年：开普勒（1571-1630）太阳系天体运动的第一、第二定律，9年后发表第三定律，否定了托勒密的否定了托勒密的“地心说地心说”。2.绝对时空绝对时空p 加利略（1564-1642）：提出“自然法则”或“物理定律”的概念；创立以观察、测量、分析和演绎为基础的

16、“实验物理”；首先进行“运动”的数学描述，初步给出“惯性定律”；奠定了经典力学的基础。p 牛顿（1642-1727）：1687年发表自然哲学的数学原理，提出运动的三个定律和万有引力定律，创立了微积分方法；创立了经典力学；建立了统治人类几百年的建立了统治人类几百年的“绝对时空观绝对时空观”和和“决定论决定论”力学体系力学体系。3.能量守恒能量守恒p R.迈尔（1818-1878）：最早提出能量守恒概念 p 焦耳（1818-1889）：1843年在论电磁的热效应和热的机械值中正式提出能量守恒，并从试验上进行了研究p 霍姆赫兹（1821-1894）：1847年发表论力的守恒，从物理假设出发论证了能量

17、守恒和转化；建立了世界运动的永恒建立了世界运动的永恒性和多样性性和多样性 4.熵和概率熵和概率 p克劳修斯（1882-1888）：把能量守恒定律描述成热力学第一定律；提出“熵”的概念，并引入统计概念。p开尔文男爵（1824-1907）：在热的动力理论中提出热力学第二定律的开尔文表述（单一热源不可能只作功而不产生其它影响）p麦克斯韦（1831-1879）：将“几率”引入物理学，并提出著名的麦克斯韦分布率p玻尔兹曼（1844-1906）：对热力学第二定律进行了统计解释，给出p普里高津：提出非平衡统计理论，将有序与熵联系起来，提出系统可以自组织，产生“有序性”或“负熵”把概率引入物理，使有序把概率引

18、入物理，使有序无序的产生具有无序的产生具有新的概念和含义。新的概念和含义。5.相对论相对论 p马赫（1838-1916）：1883年在力学中公开反对“绝对时空”，提出只有可观察到的量才是真正的物理量和研究对象，反对著名的“水桶实验”，提出了著名的“马赫原理”：即匀速或非匀速运动是相对的，惯性力来自宇宙的其它物体；p 洛仑兹（1853-1928）：提出只有空间收缩（12）1/2，才能使光速不变；p 彭加勒（1854-1912）：引进四维时空，并指出物理规律对洛仑兹变换的不变性；p爱因斯坦（1879-1995）：1905年，提出狭义相对论（光速不变和相对性原理），为纪念这一年，后来称为爱因斯坦年，

19、每100年称为“物理年”；1916年，广义相对论（局部空间的引力场与加速度等效；即惯性力与引力等效），后来又提出“统一场统一场”设想。相对论摧毁了人们习以为常的绝对时空观，把时空联相对论摧毁了人们习以为常的绝对时空观，把时空联相对论摧毁了人们习以为常的绝对时空观，把时空联相对论摧毁了人们习以为常的绝对时空观，把时空联系起来，但仍没有解决时空的本质系起来，但仍没有解决时空的本质系起来，但仍没有解决时空的本质系起来，但仍没有解决时空的本质6.量子论量子论pN.玻尔（1885-1962）：原子论；“哥本哈根”学派创始人p普朗克（1857-1947）：1900年能量量子化假设；p德布罗意（）：1924

20、年物质波，波粒二象性；p泡利（1900-1961）：1925年，电子排布的泡利不相容原理；p海森堡（1901-1976）：1923年矩阵力学；1927年不确定关系p薛定谔（1887-1961）：1926年著名的薛定谔方程；p狄拉克（1902-1984）：1925年量子力学的基本方程；1930年量子力学原理，是“量子力学的圣经”；1928年创立“相对论量子力学”，预言正电子的存在，并在1932年被安德森发现（36年获Nobel Prize）。量子力学将量子力学将量子力学将量子力学将“决定论决定论决定论决定论”彻底打入冷宫，并将彻底打入冷宫，并将彻底打入冷宫，并将彻底打入冷宫，并将“还原论还原论还

21、原论还原论”的短处揭开，开始了整体论。的短处揭开，开始了整体论。的短处揭开，开始了整体论。的短处揭开，开始了整体论。7.守恒律和对称性守恒律和对称性p物理守恒律和对称性是相对应的：能量守恒时间均匀动量守恒空间均匀角动量守恒空间各向同性粒子数守恒（重子、轻子）粒子的内禀对称性宇称守恒空间反演不变（左右对称）世界是非常世界是非常“美美”的，表现为的，表现为“对称性对称性”。可是后来发现所谓“-”之谜，它们除了分左右外，其它性质完全相同；1956年，李-杨提出“宇称不守恒”在弱相互作用中普遍存在，1957年被吴健雄博士实验证实，使李-杨获得1957年Nobel Prize。可见，“美美”的世界也存在

22、着某些不和的世界也存在着某些不和谐因素。谐因素。巨人的肩膀巨人的肩膀p最伟大的物理学家：最伟大的物理学家：牛顿、爱因斯坦；p伟大的物理学家伟大的物理学家（对思维有重大贡献）：伽利略/哥白尼、马赫、麦克斯韦、普里高津、狄拉克、海森堡、薛定谔、汤川秀树p大物理学家大物理学家：a(对理论有重大贡献)：焦耳、卡诺、普朗克、玻尔兹曼、德布罗意、泡利、克劳修斯、开尔文、法拉第、库仑、波恩、杨振宁、阿尔芬；b(有开拓性工作)：许多Nobel Prize得主，如李政道/李远哲/p优秀物理学家优秀物理学家（重要但缺乏开拓性，包括许多一般Nobel Prize）：如吴健雄p一般物理学家一般物理学家：p普通物理工作

23、者普通物理工作者：关于关于普物普物 力学力学力学力学力学力学MechanicsMechanics：机械运动论或机械论；是关于“机械运动机械运动”（Mechanical motion）及其规律的学问/科学。“力学”概念已经远远地超出了机械论的范围：四大力学理论、电动、统计、量子理论、电动、统计、量子；还有建筑、弹性、建筑、弹性、波动波动；还有心理心理、社会群体力学社会群体力学等。实际上，“力学”是关于“相互作用相互作用”的科学。只要有相互作用，就可以说是力学。“力学”也就几乎成了整个“物理学”的代名词 力学力学力学力学研究是总从“机械论机械论”开始的。普物力学（经典力学）是研究机械运动及其基本规

24、律的科学，是一种“狭义”的力学，是弱引力场弱引力场中宏观宏观物体低速低速运动；分为运动学（Kinematics）只描述物体的运动；动力学（Dynamics）物体运动与物体相互作用的内在关系，和静力学（Statics）物体相互作用的平衡问题。力学力学的逻辑的逻辑p一般物理演绎法演绎法演绎法演绎法的描述过程是：1）它是什么？2）有什么规则？3）按此规则该怎么办事？p具体到力学：怎样描述一个对象物体的（机械）运动状态或规律？“运动学运动学”；运动状态的变化是怎样产生的，变化又遵循什么规律？“动力学动力学”；物质状态和变化之间的联系是怎样的？“应用科应用科学学”：刚体力学、流体力学、材料力学等。p 现

25、代物理中，所有的概念、定义或定律都必须是可可以通过某种方式实现的以通过某种方式实现的，即所谓的“可操作性可操作性”，否则就不具备“客观真实性”，这是典型的“逻辑实证主义逻辑实证主义”哲学。当然，物理也是追求“形而上形而上”的东西，也有严重的“实用主义实用主义”倾向。p 研究物体运动的基本方法：你必须要能把这个物体从众多的对象中隔离隔离出来，这样才能看清它所处的环境（受到的作用）和表现状态（运动规律）。这就是现代物理以致于现代科学（西方哲学）中著名的方法论“分割法分割法”。它是通过孤立研究对象来研究它的运动规律，受到其它物体的作用和影响。物理哲学和方法论物理哲学和方法论（不完全按照书本的顺序，但

26、能在书本上找到）（不完全按照书本的顺序，但能在书本上找到）p数学准备数学准备p质点运动学质点运动学p质点动力学：质点动力学：（1）牛顿三定律及应用）牛顿三定律及应用 （2）功、动能和机械能守恒律）功、动能和机械能守恒律 （3）冲量、动量）冲量、动量 守恒律守恒律 （4）力矩、角动量）力矩、角动量 守恒律守恒律 （5）质点组力学）质点组力学 附：对称性与守恒律附：对称性与守恒律p刚体力学刚体力学p振动与波（振动与波（时间允许的话时间允许的话）本课程本课程力学力学的结构的结构物理学的研究方法物理学的研究方法 1.勤于思考勤于思考2.做典型习题做典型习题学习物理学必须正确理解物理学理论和概念，学习物

27、理学必须正确理解物理学理论和概念，掌握现象和过程的物理图象，弄清定理和定律掌握现象和过程的物理图象，弄清定理和定律的条件、适用范围和应用方法。的条件、适用范围和应用方法。简单说就是简单说就是正确理解，准确运用正确理解，准确运用。教材及参考书目1.费曼物理学讲义费曼物理学讲义，（中、英文版），上海科，（中、英文版），上海科学技术出版社，学技术出版社，19832.伯克利物理教程伯克利物理教程，19793.哈里德：哈里德：物理学物理学（中、英文版）（中、英文版）4.赵凯华：赵凯华：力学力学 新概念物理教程新概念物理教程，高教，高教 5.向义和：向义和：大学物理导论大学物理导论，清华，清华，6.彭亘武

28、：彭亘武：理论物理基础理论物理基础，北大，北大，7.其它：朗道物理教程；其它：朗道物理教程；泡利物理讲义泡利物理讲义 漆安慎，漆安慎，力学力学，高教（第二版），高教（第二版）2005 教科书：教科书：参考书：参考书：Classical Physics TimelineModern Physics Timeline矢量分析 1矢量 标量 矢量 张量 2 矢量的加法与减法 加法交换率 结合率 3 矢量的数乘数乘分配率数乘交换率单位向量表示 4 矢量的正交分解非唯一性正交分解和差运算 5 矢量的标积和矢积标积：点乘，内积定义式 4 矢量的标积和矢积矢积：叉乘大小方向右手法则运算法则非零平行笛氏表述混合积几何意义？6 散度，旋度和梯度散度笛氏表述旋度笛氏表述通量的密度通量的密度梯度笛氏表述算符算符表述有关定理1.标量场的梯度必无旋2.矢量场的旋度必无源 3.无旋场必可表为标量场的梯度4.无源场必可表为矢量的旋度奥高公式Stokes定理