第大学物理绪论.pptx

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1、20-3月-231 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。一、什么是物理学？一、什么是物理学？Physics is what physicists do!狭义定义：狭义定义：广义定义：广义定义：第1页/共32页20-3月-232不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学理论研究不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学理论研究 物理学的物理学的研究对象十分广泛：研究对象十分广泛：空间尺度空间尺度（相差（相差 1045）1025 m（约（约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇

2、宙）10-20 m（夸克）（夸克）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）有超光速吗？有超光速吗？10-38kg（中微子）（中微子）2 1030kg（太阳）（太阳）质量范围第2页/共32页20-3月-233102510-2510-1510-2010-1010-511051015102010101021041061081010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?人类活动尺度尺度 (cm)速度速度(cm/s)第3页/

3、共32页20-3月-234物质世界结构物质世界结构实物粒子实物粒子分分 子子原原 子子原子核原子核质子质子中子中子夸夸 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 宙宙费米子第4页/共32页20-3月-235粒子物理标准模型粒子物理标准模型微观物质基微观物质基本相互作用本相互作用粒子分类粒子分类:(62种种)强强相互作用相互作用电弱电弱 相互作用相互作用电磁电磁相互作用相互作用弱弱相互作用相互作用规范玻色子规范玻色子(13种种)费米子费米子(48种种)Higgs粒子粒子(1种种,尚未发现尚未发现)粒粒子子物

4、物理理标标准准模模型型引力引力相互作用相互作用第5页/共32页20-3月-236规范玻色子规范玻色子 (13(13种种)费米子费米子 (48(48种种)第一代第一代第二代第二代第三代第三代电子中微子电子中微子(e)子中微子子中微子()子中微子子中微子()电子电子(e-)子子(-)子子(-)上夸克上夸克(u)粲夸克粲夸克(c)顶夸克顶夸克(t)下夸克下夸克(d)奇异夸克奇异夸克(s)底夸克底夸克(b)代代轻轻 子子夸夸 克克总数总数包括它们的反粒子共12种每味3色 加反粒子共36种 对象对象 作用距离作用距离cm 相对强度相对强度10-13cm 传递传递引力引力 所有粒子所有粒子 10-38 引

5、力子（引力子（1种种未发现）电磁电磁 带电粒子带电粒子 10-2 光子光子 （1种）种）强强 强子强子 10-13 1 胶子胶子g （8种）种）弱弱 大多数粒子大多数粒子 10-16 10-13 中间玻色子（中间玻色子（3种）种）W,Z0第6页/共32页 宇宙诞生宇宙诞生（约（约150亿年前）亿年前）高温、高密状态高温、高密状态物理过程物理过程137亿年亿年 现现 在在人类活动人类活动大爆炸宇宙标准模型大爆炸宇宙标准模型Planck时代时代1032 K大统一时代大统一时代1028 K强子时代强子时代轻子时代轻子时代核合成时代核合成时代复合时代复合时代1013 K 1011K 109K 4000

6、K10-44 s粒子产生粒子产生10-36 s重子不对称性产生重子不对称性产生10-6 s大量强子过程大量强子过程10-2 s轻子过程轻子过程3 min 中子质子合成轻原子核中子质子合成轻原子核4105 年年中性原子生成，光子脱中性原子生成，光子脱耦，星系形成耦，星系形成第7页/共32页大爆炸宇宙学说验证大爆炸宇宙学说验证 1965年，年，彭齐亚斯和威尔逊彭齐亚斯和威尔逊做通信实验时偶然做通信实验时偶然测到了测到了3K的的微波背景辐射微波背景辐射（CMB）1929年，哈勃发现：星系光谱每条谱线的年，哈勃发现：星系光谱每条谱线的波长增加了波长增加了 1989年，年，美国宇航局专门为此发射了美国宇

7、航局专门为此发射了CMB探测探测人造卫星（人造卫星（COBE卫星），给出了更加精确的符合卫星），给出了更加精确的符合温度为温度为2.7K的黑体谱曲线的黑体谱曲线.第8页/共32页20-3月-239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 逻辑推理法：逻辑推理法：还有：简化模型概念和方法类比假说定性和半定量分析量纲分析对称性分析守恒量的利用 分析与综合分析与综合 归纳与演绎归纳与演绎第9页/共32页20-3月-2310物理学在不断发展物理学在不断发展前沿前沿 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

8、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 21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第10页/共32页20-3月-231120世纪世纪麦克尔逊麦克尔逊 -莫雷实验莫雷实验黑体辐射黑体辐射 光电效应光电效应相相 对对 论论 量子力学量子力学 21世纪世纪微观世界微观世界两大两大疑问疑问宇宙中的宇宙中的两大两大疑问疑问 弱相互作用中宇称不守恒弱相互作用中宇称不守恒 自由夸克没有观测到自由夸克没有观测到 暗物质、暗能量是什

9、么暗物质、暗能量是什么 类星体具有巨大能量类星体具有巨大能量“真空真空”第11页/共32页20-3月-2312 物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域,应用于生产技术的各个部门,是许多自然科学的基础,也是工程技术特别是高新技术的基础.历史上物理与技术的关系大致有两种模式:技术技术 物理物理 技术技术 (以第一次工业革命为标志)物理物理 技术技术 物理物理 (以电气化进程为标志)二十二十世纪两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的新技术世纪两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的的创立，都是以物理学的发展为先导的。二、为什么学习物理学？二、为什么学习物理学？第12

10、页/共32页20-3月-2313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最有竞争力的新技术来源于基础研究的实验室！物理学物理学 与与计算机计算机物理学物理学 与与经济学经济学物理等基础科学与工程技术的关系可以形象地用物理等基础科学与工程技术的关系可以形象地用“知识之树知识之树

11、”表示：表示：第13页/共32页20-3月-2314生生物物物物理理化化学学物理自然法则应应用用数数学学人人类类理理解解 美美学学机械控制机械控制 热热 力学力学流流 体体化学工程化学工程生物化学工程生物化学工程放射学放射学应用生物学应用生物学结构学结构学土力学土力学建筑学建筑学机械原理机械原理核能核能电学电学电力机械电力机械人类利益电电气气工工程程土土木木工工程程医医 学学机机械械工工程程化化 工工知知识识之之树树第14页/共32页20-3月-2315相对论、天体物理预期2l世纪的高科技与物理学有如下的对应与关联：与之关联的物理学及其交叉学科信息技术等离子体、强激光物理原子分子物理、凝聚态物

12、理微米机电系统纳米机电系统纳米科技、介观物理量子化学、量子生物学介观物理、量子信息预期的高科技聚变能源基因工程宇航与太空开发功能材料制造第15页/共32页20-3月-2316物理学对社会发展的影响物理学对社会发展的影响20002000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、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*

13、、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*第16页/共32页形势的要求形势的要求 高校大规模的扩招高校大规模的扩招 大学毕业生就业难大学毕业生就业难 毕业生专业不对口毕业生专业不对口 研究生基础太差研究生基础太差 物理学具有全面知识，力、光、电、原子物物理学具有全面知识，力、光、电、原子物理覆盖了自然科学的全部领域。是专业的入门砖理覆盖了自然科学的全部领域。是专业的入门砖物理学的思维方法是再学习、适应社会的需要物理学的思维方法是再学习、适应社会的需要第17页/共32页2

14、0-3月-2318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，建立自己的物理图像三、怎样学好物理学？三、怎样学好物理学？重视预习、复习。重视预习、复习。培养自学能力培养自学能力重视基本概念的理解。重视基本概念的理解。培养独立思考的能力培养独立思考的能力认真完成作业。认真完成作业。培养自己分析问题和解决问题能力培养自己分析问题和解决问题能力第18页/共32页20-3月-2319参考书目参考书目 新概念物理教程新概念物理教程力学，热学，赵凯华，罗蔚茵力学，热学，赵凯华，罗蔚茵s基础物理学基础物理学上、下册，陆果上、下册，陆果s大学物理学大学物理学 卢德馨卢德馨s基

15、础物理学基础物理学梁绍荣梁绍荣s大学物理学大学物理学 张三慧张三慧第19页/共32页20-3月-2320 结束语结束语 发展独立思考和独立创新的一般发展独立思考和独立创新的一般能力，应当始终放在首位能力，应当始终放在首位,而不应当而不应当把知识放在首位。如果一个人掌握把知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了他的学科的基础理论，并且学会了了独独立立思思考考与与工工作作，他他必必定定会会找找到到自自己己的的道道路路。而而且且比比起起那那些些主主要要以以获获取取细细节节知知识识为为训训练练内内容容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。的人来，他一定会更好地适应进步和变化。爱因斯

16、坦爱因斯坦第20页/共32页20-3月-23211、矢量和标量、矢量和标量 矢量矢量:大小大小,方向方向,按按平行四边形法则或三角形法则平行四边形法则或三角形法则合成合成标量标量:一个数一个数+单位单位 m，T，t，E能，A功 平行四边形法则平行四边形法则2、矢量的加法、矢量的加法矢量（矢量（vector)第21页/共32页20-3月-2322解析法解析法三角形法则三角形法则交换率：交换率：结合率：结合率：第22页/共32页20-3月-2323在三维坐标中引入三个单位矢量在三维坐标中引入三个单位矢量;是三个常矢量，（大小，是三个常矢量，（大小，方向都不变。）方向都不变。）xzy第23页/共32

17、页20-3月-23242）标积（点积、内积）标积（点积、内积）例1，功矢量的乘法；矢量的乘法；三种三种 1）标量（或常数）乘矢量）标量（或常数）乘矢量例例 2 单位矢量单位矢量反向反向例例1 单位矢量单位矢量同向同向3、矢量的减法、矢量的减法 第24页/共32页20-3月-2325例例2，3）矢积（叉乘、外积）矢积（叉乘、外积）方向方向 按右手螺旋法则按右手螺旋法则大小大小例例3,平行四边形面积平行四边形面积 平行六面体的体积平行六面体的体积 时时第25页/共32页20-3月-2326例例4可证可证 矢量积有如下性质矢量积有如下性质1）2）3）4）第26页/共32页20-3月-23271m10

18、-2010-1510-1010-5101510510101025 1020W+粒子粒子微观介观宏观宇观天体物理天体物理粒子物理粒子物理两大尖端紧密衔接两大尖端紧密衔接山山太阳系太阳系地球地球星系团星系团星系星系原子原子原子核原子核DNA人人第27页/共32页20-3月-2328宇宙年龄宇宙年龄 1018 秒秒地球年龄地球年龄 1017 秒秒人类文明史人类文明史 1011 秒秒地球公转周期（地球公转周期（1年）年）3107 秒秒百米百米 101 秒秒钟摆周期钟摆周期 100 秒秒 子寿命子寿命 10-6 秒秒 Z0寿命寿命 10-25 秒秒硬硬 射线周期射线周期 10-27 秒秒普朗克时间普朗克

19、时间 10-44 秒秒第28页/共32页20-3月-2329 物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，物理学发展着未来技术进步所需的基本知识，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，提供所需训练有素的人才。发明的利用，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：第29页/共32页宇宙诞生宇宙诞生Planck时代时代大统一时代大统一时代强子时代强子时代轻子时代轻子时代现在现在复合时代复合时代核合成时代第30页/共32页物理学渗入经济学物理学渗入经济学 利用布朗运动模型和随机微分方程导出利用布朗运动模型和随机微分方程导出 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。第31页/共32页20-3月-2332感谢您的观看！第32页/共32页