大學物理 緒論

1、修德修德博學博學求實求實創(chuàng)新創(chuàng)新翁嘉文tel:mail: weng-一一. 什么是物理學什么是物理學l 物理學物理學是研究物質世界最基本形態(tài)的科學是研究物質世界最基本形態(tài)的科學l 物理學研究的范圍物理學研究的范圍 物質世界的層次和數(shù)量級物質世界的層次和數(shù)量級物理學物理學 (physics)質子質子 10- -15 m空間尺度：空間尺度：物物 質質 結結 構構物質相互作用物質相互作用物質運動規(guī)律物質運動規(guī)律微觀粒子微觀粒子microscopic介觀物質介觀物質mesoscopic宏觀物質宏觀物質macroscopic宇觀物質宇觀物質cosmological類星體類星體

2、10 26 m時間尺度：時間尺度： 基本粒子壽命基本粒子壽命 10- -25 s宇宙壽命宇宙壽命 1018 s蛇吞尾圖，形象地表示了物質空間尺寸的層次蛇吞尾圖，形象地表示了物質空間尺寸的層次e e- -1515e e- -1212e e- -0909e e- -0606e e- -03031m1me+03e+03e+06e+06e+09e+09e+12e+12e+15e+15e+18e+18e+21e+21e+24e+24e+27e+27最小最小 的細胞的細胞原子原子原子核原子核基本粒子基本粒子dnadna長度長度星系團星系團銀河系銀河系最近恒最近恒星的距離星的距離太陽系太陽系太陽太陽山山哈勃

3、半徑哈勃半徑超星系團超星系團人人宇觀宇觀宏觀宏觀介觀介觀微觀微觀物物理理現(xiàn)現(xiàn)象象 按空間尺度劃分：按空間尺度劃分： 量子力學量子力學 經(jīng)典物理學經(jīng)典物理學 宇宙物理學宇宙物理學 按速率大小劃分：按速率大小劃分： 相對論物理學相對論物理學 非相對論物理學非相對論物理學 按客體大小劃分：按客體大小劃分： 微觀系統(tǒng)微觀系統(tǒng) 宏觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng) 按運動速度劃分：按運動速度劃分： 低速現(xiàn)象低速現(xiàn)象 高速現(xiàn)象高速現(xiàn)象 實驗實驗物理物理理論理論物理物理計算計算物理物理今日物理學今日物理學l 物理學的發(fā)展物理學的發(fā)展 牛頓力學牛頓力學 (mechanics) 研究物體機械運動的基本規(guī)律及關于時空相對性的規(guī)律研究

4、物體機械運動的基本規(guī)律及關于時空相對性的規(guī)律 電磁學電磁學 (electromagnetism) 研究電磁現(xiàn)象、物質的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律研究電磁現(xiàn)象、物質的電磁運動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律 熱力學熱力學 (thermodynamics) 研究物質熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)研究物質熱運動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn) 相對論相對論 (relativity) 研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規(guī)律研究物體的高速運動效應以及相關的動力學規(guī)律 量子力學量子力學 (quantum mechanics) 研究微觀物質運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律研究微觀物質運動現(xiàn)象以及基本運動規(guī)律二二. .物理學的五大基本

5、理論物理學的五大基本理論物理學是一門最基本的科學物理學是一門最基本的科學; ;是最古老、但發(fā)展最是最古老、但發(fā)展最快的科學快的科學; ;它提供最多、最基本的科學研究手段。它提供最多、最基本的科學研究手段。l 物理學是一切自然科學的基礎物理學是一切自然科學的基礎l 物理學派生出來的分支及交叉學科物理學派生出來的分支及交叉學科物理學構成了化學、生物學、材料科學、物理學構成了化學、生物學、材料科學、地球物理學等學科的基礎，物理學的基本地球物理學等學科的基礎，物理學的基本概念和技術被應用到所有自然科學之中概念和技術被應用到所有自然科學之中。l 物理學與數(shù)學之間有著深刻的內在聯(lián)系物理學與數(shù)學之間有著深刻

6、的內在聯(lián)系粒粒子子物物理理學學原原子子核核物物理理學學原原子子分分子子物物理理學學固固體體物物理理學學凝凝聚聚態(tài)態(tài)物物理理學學激激光光物物理理學學等等離離子子體體物物理理學學地地球球物物理理學學生生物物物物理理學學天天體體物物理理學學宇宇宙宙射射線線物物理理學學三三. 物理學是構成自然科學的理論基礎物理學是構成自然科學的理論基礎四四. 物理學與技術物理學與技術2020世紀，物理學被公認為科學技術發(fā)展中最重要的帶頭學科世紀，物理學被公認為科學技術發(fā)展中最重要的帶頭學科 熱機的發(fā)明和使用，提供了第一種模式：熱機的發(fā)明和使用，提供了第一種模式： 電氣化的進程，提供了第二種模式：電氣化的進程，提供了第

7、二種模式：核能的利用核能的利用激光器的產(chǎn)生激光器的產(chǎn)生層析成像技術層析成像技術(ct)(ct)超導電子技術超導電子技術技術技術 物理物理 技術技術物理物理 技術技術 物理物理 粒子散射實驗粒子散射實驗x 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)受激輻射理論受激輻射理論低溫超導微觀理論低溫超導微觀理論電子計算機的誕生電子計算機的誕生 1947年年 貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克來發(fā)明了晶體管晶體管，標志著，標志著信息時代信息時代的開始的開始 1962年年 發(fā)明了發(fā)明了集成電路集成電路 70年代后期年代后期 出現(xiàn)了出現(xiàn)了大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 1925 26年年 建立了建立

8、了量子力學量子力學 1926年年 建立了建立了費米費米 狄拉克統(tǒng)計狄拉克統(tǒng)計 1927年年 建立了建立了布洛赫波的理論布洛赫波的理論 1928年年 索末菲提出索末菲提出能帶能帶的猜想的猜想 1929年年 派爾斯提出派爾斯提出禁帶禁帶、空穴空穴的概念的概念 同年貝特提出了同年貝特提出了費米面費米面的概念的概念 1957年年 皮帕得皮帕得測量測量了了第一個費米第一個費米面面超晶格材料超晶格材料納米材料納米材料光子晶體光子晶體晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路電子計算機電子計算機信息技術與工程信息技術與工程 幾乎所有的重大新幾乎所有的重大新(高高)技術領域的創(chuàng)立，事先都在物理學中技

9、術領域的創(chuàng)立，事先都在物理學中經(jīng)過長期的醞釀。經(jīng)過長期的醞釀。 當今物理學和科學技術的關系當今物理學和科學技術的關系兩種模式并存，相互交叉，相互促進兩種模式并存，相互交叉，相互促進“沒有昨日的基礎科學就沒有今日的沒有昨日的基礎科學就沒有今日的技術革命技術革命”。 李政李政道道量子力學量子力學能帶理論能帶理論人工設計材料人工設計材料五五. 物理學的方法和科學態(tài)度物理學的方法和科學態(tài)度提提出出命命題題推推測測答答案案理理論論預預言言實實驗驗驗驗證證修修改改理理論論現(xiàn)代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學現(xiàn)代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學 從新的從新的觀測事實觀測事實或實驗事或實驗事實

10、中提煉實中提煉出來，或出來，或從已有原從已有原理中推演理中推演出來出來 建立模建立模型；用已型；用已知原理對知原理對現(xiàn)象作定現(xiàn)象作定性解釋，性解釋，進行邏輯進行邏輯推理和數(shù)推理和數(shù)學演算學演算 新的新的理論必理論必須提出須提出能夠為能夠為實驗所實驗所證偽的證偽的預言預言 一切一切物理理物理理論最終論最終都要以都要以觀測或觀測或實驗事實驗事實為準實為準則則 當一當一個理論與個理論與實驗事實實驗事實不符時，不符時，它就面臨它就面臨著被修改著被修改或被推翻或被推翻 六六. 怎樣學習物理學怎樣學習物理學著名物理學家費曼說：著名物理學家費曼說：科學是一種方法。它教導人們：一些事物是科學是一種方法。它教導

11、人們：一些事物是怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了怎樣被了解的，什么事情是已知的，現(xiàn)在了解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，解到了什么程度，如何對待疑問和不確定性，證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判證據(jù)服從什么法則；如何思考事物，做出判斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象斷，如何區(qū)別真?zhèn)魏捅砻娆F(xiàn)象 。著名物理學家愛因斯坦說：著名物理學家愛因斯坦說： 發(fā)展獨立思考和獨立判斷地一般能力，應當始終發(fā)展獨立思考和獨立判斷地一般能力，應當始終放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位。如果放在首位，而不應當把專業(yè)知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而獨立思考和工作，他必定會找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內容的且比起那種主要以獲得細節(jié)知識為其培訓內容的人來，他一定會更好地適應進步和變化人來，他一定會更好地適應進步和變化 。 學習的觀點：學習的觀點：從整體上邏輯地、協(xié)調地學習物理學，了解從整體上邏輯地、協(xié)調地學習物理