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1、物理学使人们物理学使人们深入认识世界深入认识世界11物理学与物质世界物理学与物质世界绪论绪论2 2 物理学与科学思维物理学与科学思维3物理学与科学技术物理学与科学技术44 为什么要学习物理学为什么要学习物理学一、物质世界一、物质世界二、关于两个前沿的基本理论二、关于两个前沿的基本理论三、物理学使人们深入认识世界三、物理学使人们深入认识世界一、物理学的研究方法一、物理学的研究方法二、物理学家的科学态度二、物理学家的科学态度2物理学物理学是研究是研究物质、能量物质、能量和它们的和它们的相互作用相互作用的学科。的学科。一、物质世界一、物质世界研究的对象十分广泛研究的对象十分广泛宇观、宏观、介观、宇观
2、、宏观、介观、微观，为人们描绘出一副五彩缤纷的图画微观，为人们描绘出一副五彩缤纷的图画b空间尺度空间尺度(相差相差1010454510104646)101026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年)(宇宙宇宙)101020 20 m m(夸克夸克)b时间尺度时间尺度(相差相差10104545)10101818s 150s 150亿年亿年(宇宙年龄宇宙年龄)-10-10-27-27s s(硬硬 射线周期射线周期)b速率范围速率范围0(0(静止静止)-3-3x10 x108 8 m/sm/s(光速光速)1物理学与物质世界物理学与物质世界第第2323届国际纯粹物理与应用物理联合会（届国际纯粹
3、物理与应用物理联合会（IUPAPIUPAP）大会大会（99.3.162199.3.1621）通过的）通过的“决议五决议五”中十分精辟地指出：中十分精辟地指出：3人们从自己向人们从自己向小尺度追问小尺度追问 以探索以探索物质的组成物质的组成 物理学上对应物理学上对应 粒子物理学粒子物理学 目前物理学界公认组成物质的最小单元是目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克夸克 即认为即认为quarkquark没有内部结构没有内部结构,但近来有消息称但近来有消息称:quark quark 也也可一分为二可一分为二,说明说明认识是无止境认识是无止境物质世界总图象物质世界总图象不同尺度和速度范围的对象要用不同
4、的不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学规律研究物理学规律研究基本的相互作用基本的相互作用 :电磁相互作用、强、弱相互作用、引力相互作用电磁相互作用、强、弱相互作用、引力相互作用4宇宙是怎样运动的呢？宇宙是怎样运动的呢？进行绝热膨胀进行绝热膨胀 宇宙半径增大宇宙半径增大 宇宙密度降低宇宙密度降低 温度降低温度降低宇宙有限又无边宇宙有限又无边!有中心有中心?无中心无中心?二、关于两个前沿的基本理论二、关于两个前沿的基本理论 粒子物理学粒子物理学(微观理论微观理论)标准模型标准模型 认定基本粒子认定基本粒子 揭示物质的组成揭示物质的组成 高能物理实验高能物理实验(实验手段实验手段)发展加速器取得
5、实验数据发展加速器取得实验数据 验证微观理论验证微观理论 人们从自己向人们从自己向大尺度追问以探索大尺度追问以探索宇宙的奥秘宇宙的奥秘 物理学上对应物理学上对应 天体物理学天体物理学5 天体物理学天体物理学(宇观理论宇观理论)标准宇宙模型标准宇宙模型分析宇宙的起源分析宇宙的起源 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 目前天体物理理论和粒子物理理论已成为目前天体物理理论和粒子物理理论已成为 密不可分的姊妹学科密不可分的姊妹学科 标准宇宙模型给出的宇宙标准宇宙模型给出的宇宙起源起源与基本粒子的标准与基本粒子的标准模型给出的物质模型给出的物质组成组成是一致的。是一致的。从遥远的过去宇宙产生于大爆炸，绝热膨胀从遥
6、远的过去宇宙产生于大爆炸，绝热膨胀至今。我们生活在这样的世界中。人们从自己至今。我们生活在这样的世界中。人们从自己开始，通过各种实验手段开始，通过各种实验手段(比如比如，加速器加速器)把物把物质打开，探索内部的由来。质打开，探索内部的由来。从而体现了从而体现了物理学的和谐、完美和对称。物理学的和谐、完美和对称。6标标准准宇宇宙宙模模型型给给出出的的宇宇宙宙生生成成发发展展人人类类通通过过实实验验认认识识物物质质组组成成的的历历程程依靠高能粒子加速器的发展依靠高能粒子加速器的发展依靠高能粒子加速器的发展依靠高能粒子加速器的发展78三、物理学使人们深入认识世界三、物理学使人们深入认识世界 物质存在
7、的基本形式物质存在的基本形式中学时已有中学时已有 粒子和场粒子和场 的认识的认识场论给出最新认识场论给出最新认识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。场与粒子是统一体的场与粒子是统一体的两种表现形式两种表现形式 基本基本相互作用相互作用粒子是场的激发态形式，粒子间的相互作用来自场之粒子是场的激发态形式，粒子间的相互作用来自场之间的相互作用。间的相互作用。场之间的相互作用是粒子转化的原因场之间的相互作用是粒子转化的原因 物质的凝聚状态物质的凝聚状态 凝聚态凝聚态(固、液固、液)；气态；气态；等离子体；致密态。等离子体；致密态。白矮星、中子星、黑洞。白矮星、中
8、子星、黑洞。9提出命题提出命题提出命题提出命题修改理论修改理论修改理论修改理论推测答案推测答案推测答案推测答案理论预言理论预言理论预言理论预言实验检验实验检验实验检验实验检验应应应应 用用用用b演绎法演绎法推理，演算推理，演算b归纳法归纳法假设，模型假设，模型b定性和半定量定性和半定量物理上的直觉、物理上的直觉、想象力、洞察力想象力、洞察力也常常产生重大也常常产生重大突破和发现突破和发现2 2 物理学与科学思维物理学与科学思维一、物理学的研究方法一、物理学的研究方法物理学物理学是一门理论和实是一门理论和实验高度结合的精确科学验高度结合的精确科学.10具体地说，物理学还有许多有特色的方法具体地说
9、，物理学还有许多有特色的方法物理学家的物理学家的二、物理学家的科学态度二、物理学家的科学态度1/3 1/3 激奋在于激奋在于 建立理论建立理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 证实理论证实理论1/3 1/3 激奋在于激奋在于 突破理论突破理论爱因斯坦是典范爱因斯坦是典范 对称性分析对称性分析 守恒量的利用守恒量的利用 简化模型的选取简化模型的选取 概念和方法的类比概念和方法的类比 定性和半定量分析定性和半定量分析 量纲分析量纲分析 能量分析能量分析 113物理学与科学技术物理学与科学技术 第三次世界物理学会大会第三次世界物理学会大会（2000.12.15-16 2000.12.15-16 Be
10、rlin,GermanyBerlin,Germany）决议指出：决议指出：物理学是我们认识世界的基础，物理学是我们认识世界的基础，是其他科学和是其他科学和绝大部分技术发展的直接的或不可缺少的基础，绝大部分技术发展的直接的或不可缺少的基础，物理学物理学曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要曾经是、现在是、将来也是全球技术和经济发展的主要驱动力。驱动力。历史上历史上物理与技术的关系大致有物理与技术的关系大致有两种模式：两种模式：技术物理技术技术物理技术(以第一次工业革命为标志以第一次工业革命为标志)2020世纪世纪两种模式并存、交叉，两种模式并存、交叉，物理技术物理物理技术物理(以电气化
11、进程为标志以电气化进程为标志)但几乎所有重大但几乎所有重大新技术的创立，新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。都是以物理学的发展为先导的。12被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：物理等基础科学与工程技术的关系可形象地物理等基础科学与工程技术的关系可形象地 用工程技术的用工程技术的“知识之树知识之树”表示：表示：例如：例如：爱因斯坦受激辐爱因斯坦受激辐射理论（射理论（19171917）（物理）（物理）第一台激光器第一台激光器诞生（诞生（19601960）（技术）
12、（技术）现代光学现代光学（物理）（物理）量子力学量子力学费米费米狄拉克统计狄拉克统计固体能带理论固体能带理论（2020年代）年代）（物理）（物理）晶体管诞生晶体管诞生(1947)(1947)集成电路集成电路(1962)(1962)大规模集成电路大规模集成电路（7070年代后期）年代后期）（技术）（技术）微结构微结构物理物理（物理）（物理）13原子操纵写出的原子操纵写出的“100”和和“中国中国”14我国利用原我国利用原子操纵技术成子操纵技术成功地写入了直功地写入了直径为径为0.6nm的的信信息点阵，比国外息点阵，比国外小一个数量级。小一个数量级。点阵信息存储密点阵信息存储密度达度达1014bi
13、t/cm2直接为直接为1.3nm的信息点阵的信息点阵15工程技术的工程技术的“知识之树知识之树”电气工程电气工程电力电力电子电子自动控制自动控制164 4 为什么要学习物理学为什么要学习物理学 打好学习其它学科的基础打好学习其它学科的基础 提高科学素质和能力提高科学素质和能力,以适应高新技以适应高新技 术和市场经济的发展术和市场经济的发展(转产转产,转行转行)学习物理对提高科学素质有重要作用：学习物理对提高科学素质有重要作用：（1 1）培养辩证唯物主义的世界观）培养辩证唯物主义的世界观（2 2）学会掌握科学的方法）学会掌握科学的方法（3 3）培养科学思维能力、发展智力）培养科学思维能力、发展智
14、力（4 4）培养探索与创新精神）培养探索与创新精神 现代科学技术人员必须具备良好的科学现代科学技术人员必须具备良好的科学 素质。素质。17科学技术人员良好的物理素质表现为：科学技术人员良好的物理素质表现为：*在科学技术问题面前，能够从物理本质上在科学技术问题面前，能够从物理本质上 提出问题和作出判断；提出问题和作出判断；要重视提高科学素质，不要把物理课要重视提高科学素质，不要把物理课当专业课来对待！当专业课来对待！（分析问题）（分析问题）（不断创新）（不断创新）（解决问题）解决问题）*注意物理学的发展，不断探索如何把物理学注意物理学的发展，不断探索如何把物理学 的新成果引入到科学技术中。的新成
15、果引入到科学技术中。*能够把物理学的思想、观点、规律和方法能够把物理学的思想、观点、规律和方法 运用到科学技术的实际中；运用到科学技术的实际中；18关于学习方法和学风的要求关于学习方法和学风的要求 严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。严守课堂纪律（不迟到，不随便说话）。要勤于思考要勤于思考,悟物穷理，不断建立悟物穷理，不断建立自己的物理图象。自己的物理图象。反对应试观点，重视素质和能力的培养，特反对应试观点，重视素质和能力的培养，特 别是创新意识的培养。别是创新意识的培养。记笔记记笔记(要记思路、要点和有特色的内容要记思路、要点和有特色的内容)。高质量地及时完成作业，摈弃高质量地及时完成作业，
16、摈弃“题海战术题海战术”。重视预习和复习，主动培养自学能力，适应重视预习和复习，主动培养自学能力，适应 各种各种讲课方式（如讲思路、讲背景、讲重点讲课方式（如讲思路、讲背景、讲重点和难点）。和难点）。19大学大学物理物理课的课的任务任务把大学生领进物理学的各个领域的大把大学生领进物理学的各个领域的大门。打开大门，并送一枚指南针，使门。打开大门，并送一枚指南针，使之能在物理学展示的五彩缤纷的世界之能在物理学展示的五彩缤纷的世界中汲取营养，茁壮成长。中汲取营养，茁壮成长。参考书目参考书目h“大学物理学大学物理学”上下册，张小兵等上下册，张小兵等 南开大学出版南开大学出版社社 h“物理学物理学”上下
17、册，上下册，马根源、王松立、金庆华编马根源、王松立、金庆华编 h“大学物理学大学物理学”一套五册（第二版），一套五册（第二版），张三慧主张三慧主编编 h“大学物理通用教程大学物理通用教程”，北京大学出版社鈡锡华陈熙谋北京大学出版社鈡锡华陈熙谋等等h“基础物理学基础物理学”上下册，上下册，陆果陆果20发展发展独立思考独立思考和和独立创新独立创新的一般能力，应的一般能力，应当始终放在首位，而不应当把知识放在首当始终放在首位，而不应当把知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考与工作，他必定论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的
18、道路。会找到自己的道路。而且比起那些主要而且比起那些主要以获取细节知识为其训练内容的人来以获取细节知识为其训练内容的人来他一定会更好适应进步和变化他一定会更好适应进步和变化 爱因斯坦爱因斯坦结束语结束语不断地探索不断地探索未知未知是是物理学家一生的物理学家一生的21第一章第一章 力学引论力学引论1 1 力学的研究力学的研究对对象象 力学就是研究物体机械运动的学科。力学就是研究物体机械运动的学科。它主要包括以下两个方面：它主要包括以下两个方面：运动总是在一定空间里进行的，运动过程经历了运动总是在一定空间里进行的，运动过程经历了一段时间，对时间和空间的认识（称为一段时间，对时间和空间的认识（称为时
19、空观时空观）也是力学的一个课题。也是力学的一个课题。（1）研究如何描述物体的运动，称为）研究如何描述物体的运动，称为运动学运动学；（2 2）研究物体为什么运动，探讨物体运动和）研究物体为什么运动，探讨物体运动和 物体间相互作用的联系及规律，称为物体间相互作用的联系及规律，称为动力学动力学。22质点运动学的基本概念质点运动学的基本概念一、参照系和坐标系一、参照系和坐标系宇宙中的一切物体都在运动，没有绝对静止的物体，宇宙中的一切物体都在运动，没有绝对静止的物体，这叫这叫运动的绝对性运动的绝对性。为了描述一个物体的机械运动，必须选另一个物体作为了描述一个物体的机械运动，必须选另一个物体作参照物，被选
20、作参照的物体称为参照物，被选作参照的物体称为参照系参照系，参照系的选，参照系的选择可视问题性质而任意选定。择可视问题性质而任意选定。同一物体的运动，由于我们选取的参照系不同，对同一物体的运动，由于我们选取的参照系不同，对它的运动的描述就不同，这称为它的运动的描述就不同，这称为运动描述的相对性运动描述的相对性只有参照系还不能定量地描述物体的位置。需要在参只有参照系还不能定量地描述物体的位置。需要在参照系上固定一个照系上固定一个坐标系，坐标系，这样就可定量描述物体的位这样就可定量描述物体的位置。常用坐标系有置。常用坐标系有直角坐标系直角坐标系、柱坐标系柱坐标系和和球坐标系球坐标系。23二、二、质点
21、和刚体质点和刚体 在某些问题中，物体的形状和大小并不重要，可以在某些问题中，物体的形状和大小并不重要，可以忽略，可看成一个只有质量、没有大小和形状的理想忽略，可看成一个只有质量、没有大小和形状的理想的点，这样的物体可称为的点，这样的物体可称为质点质点。在某些问题中，物体的形状和大小不能忽略，但是外在某些问题中，物体的形状和大小不能忽略，但是外力作用下发生的形变可以忽略，可看成一个有质量、力作用下发生的形变可以忽略，可看成一个有质量、有大小和形状、但不会发生形变的理想物体，这样的有大小和形状、但不会发生形变的理想物体，这样的物体可称为物体可称为刚体刚体。三、三、时间和时刻时间和时刻一个过程对应的
22、时间间隔称一个过程对应的时间间隔称时间时间，某一瞬时，某一瞬时称称时刻时刻。242 2 力学中的数学方法力学中的数学方法 运动学：运动学：位移、速度、加速度位移、速度、加速度矢量加（减）法、矢量微积分，矢量加（减）法、矢量微积分，坐标系及矢量的坐标表示，坐标系及矢量的坐标表示，角速度矢量的叉乘（矢量积）角速度矢量的叉乘（矢量积）相对运动坐标变换相对运动坐标变换动力学：动力学：力、矢量加（减）法、力矩、角动量、矢量的叉乘力、矢量加（减）法、力矩、角动量、矢量的叉乘（矢量积）、功、矢量的点乘（标量积）、线积分（矢量积）、功、矢量的点乘（标量积）、线积分253 3 力学中的基本物理量力学中的基本物理
23、量3.1力学的基本单位和导出单位力学的基本单位和导出单位研究问题时会碰到许多物理量研究问题时会碰到许多物理量,但它们之间有一定联但它们之间有一定联系系,为了方便可选一些物理量作为为了方便可选一些物理量作为基本物理量基本物理量,简称为简称为基本量基本量.并规定这此基本量的单位并规定这此基本量的单位,称之为称之为基本单位基本单位.由此导出的物理量简称为由此导出的物理量简称为导出量导出量,其单位称其单位称导出单位导出单位.3.2力学的单位制力学的单位制力学选三个基本单位力学选三个基本单位.不同的基本单位构不同的基本单位构成成不同单位制不同单位制:有有米米公斤公斤秒制秒制,厘米厘米克克秒制秒制,实用工
24、程单位实用工程单位制制等等26SI基本单位基本单位长度长度米米m质量质量千克千克kg时间时间秒秒s电流电流安安培培A热力学温度热力学温度开开尔文尔文K物质的量物质的量摩摩尔尔mol发光强度发光强度坎得拉坎得拉cd 27SISI制是米制是米公斤公斤秒制秒制,是标准国际实用单位制是标准国际实用单位制,即即MKSMKS制制.此制中物理量此制中物理量长度长度的单位用的单位用米米(M M),),物理量物理量质质量量的单位用的单位用千克千克(KgKg),),物理量物理量时间时间的单位用的单位用秒秒(S S).).1.1.米米是是SISI的长度单位的长度单位,1,1m=C/299792458(Cm=C/29
25、9792458(C为真空中光速为真空中光速)2.2.千克千克是是SISI制的质量单位制的质量单位.质量包含质量包含F F=ma中惯中惯性质量性质量m和万有引力和万有引力F=GMm/r2中引力质量中引力质量m,在概念上它们有本质差异在概念上它们有本质差异,但理论和实验上都但理论和实验上都证明它们相等证明它们相等.3.3.秒秒是是SISI制的时间单位制的时间单位.28典型的长度典型的长度哈勃半径哈勃半径地球半径地球半径人的典型高度人的典型高度书页的厚度书页的厚度氢原子半径氢原子半径质子有效半径质子有效半径弱电统一的特征尺度弱电统一的特征尺度普朗克长度普朗克长度29宇观和微观常用尺度宇观和微观常用尺
26、度 注：不是注：不是SISI单位单位天文单位天文单位光年光年埃埃()30典型的质量典型的质量已知宇宙已知宇宙银河系银河系地球地球人人灰尘灰尘烟草花叶病毒烟草花叶病毒质子质子电子电子31典型的时间典型的时间宇宙年龄宇宙年龄地球的年龄地球的年龄人的平均寿命人的平均寿命一天一天典型的分子旋转周期典型的分子旋转周期快速运动粒子穿越原快速运动粒子穿越原子核的时间子核的时间32 力学中的物理量可用基本物理量某种组合力学中的物理量可用基本物理量某种组合式耒表示式耒表示,此式称量纲式此式称量纲式,简称为简称为量纲量纲.SISI制中制中,长度长度.质量质量.时间三个基本物理量的量时间三个基本物理量的量纲纲L.M
27、.T,L.M.T,其他各物理量可由这三个字母耒组合其他各物理量可由这三个字母耒组合,用中括号表示量用中括号表示量纲纲记号记号,表示法如下表示法如下:速度量纲速度量纲v=LT-1力力的量纲的量纲F=LMT-2或或dimF=LMT-2加速度量纲加速度量纲a=LT-2或或dima=LT-2例例1 1.求求万有引力万有引力F=F=GMmGMm/r/r2 2常数常数G的的量纲量纲解解:G=Fr2/m2=LMT-2L2/M2=L3M-1T-23.3力学的力学的量纲量纲或或dimv=LT-133几个非常重要的物理常量几个非常重要的物理常量真空中的光速真空中的光速普朗克常量普朗克常量引力常量引力常量34作业：作业：1-3,1-41-3,1-43.4牛顿力学的适用范围牛顿力学的适用范围宏观、低速。宏观、低速。35