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1、欢迎大家进入物理世界绪论绪论 Introduction一、为什么要学习物理学？一、为什么要学习物理学？1.Physics：研究物质的：研究物质的基本结构基本结构、相互作用相互作用和物质最基本、和物质最基本、最普遍的最普遍的运动形式运动形式及其及其相互转化规律相互转化规律的学科。的学科。是是自然科学自然科学的许多领域和的许多领域和工程技术工程技术的基础。的基础。In short：探讨物质：探讨物质基本结构基本结构和和运动最基本规律运动最基本规律Come from a Greek term physis meaning nature内容：力学、热学、声学、电磁学、光学、相对论、量子力内容：力学、热
2、学、声学、电磁学、光学、相对论、量子力学、核物理与粒子物理、天体物理等学、核物理与粒子物理、天体物理等(按研究领域分类按研究领域分类)空间尺寸：空间尺寸：从亚核粒子从亚核粒子到浩瀚的宇到浩瀚的宇宙（微观、宙（微观、宏观、宇观）宏观、宇观）时间时间尺度：尺度：从微观粒子从微观粒子的寿命到宇的寿命到宇宙的年龄。宙的年龄。v 速率范围：速率范围：0(静止静止)-3 108 m/s(光速光速)物理学的研究对象物理学的研究对象宇宙宇宙(一一)勇气号于勇气号于20032003年六月升空年六月升空“勇气勇气”号和号和“机遇机遇”号分别于号分别于20042004年年1 1月月3 3日和日和1 1月月2424日
3、在火星不同区域着陆机遇号传回照片日在火星不同区域着陆机遇号传回照片火星人类的第二家园？火星人类的第二家园？勇气号找到水存在的证据勇气号找到水存在的证据机遇号证实远古海洋机遇号证实远古海洋“卡西尼卡西尼”号土星探测器进入土星轨号土星探测器进入土星轨道效果图道效果图(NASA(NASA图片图片)美美航航空空航航天天局局(NASA)(NASA)和和欧欧空空局局(ESA)(ESA)合合作作研研究究的的“卡卡西西尼尼惠惠更更斯斯”土土星星探探测测器器经经过过6 6年年半半35.235.2亿亿公公里里的的飞飞行行，20042004年年7 7月月1 1日日成成功功进进入入了了土土星星轨轨道道。并并且且向向地
4、地球球传传回回了几组照片。了几组照片。美丽的土星及土星环美丽的土星及土星环 X X光照片光照片距土星距土星150150多万公里以外多万公里以外使用滤镜拍摄使用滤镜拍摄 TitanTitan土星的月亮土星的月亮(卫卫6 6）理想与现实理想与现实让科学家兴奋的土星环照片让科学家兴奋的土星环照片真实的真实的Titan Titan 中国人的光荣与梦想中国人的光荣与梦想神舟系列飞船神舟系列飞船探索宇宙的代价探索宇宙的代价20032003年年2 2月月1 1号，哥伦比亚号返航时坠毁号，哥伦比亚号返航时坠毁ABWhichisapictureoftheMilkyWay?A is what we see fro
5、m Earth inside the Milky Way while B is what the Milky Way“might”look like if we were far away looking back at our own galaxy from some other galaxy.What is a Galaxy?200,000 light-yearsGalaxy：a massive collection of stars,gas,and dust kept together by gravitySuns Stellar Region太太阳阳系系在在银银河河系系中中不不过过是是
6、沧沧海海一一栗栗，银银河河系系在在宇宇宙宙中中仅仅为天地之一落叶为天地之一落叶What is a Galaxy?If our solar system was only the size of a cell in the human body,our galaxy would still measure over one mile across.宇宙从哪里来宇宙从哪里来?又向何处去又向何处去?上帝创世说与盘古开天地上帝创世说与盘古开天地老老子子:天天下下万万物物生生于于有有,有有生于无生于无道道生生一一,一一生生二二,二二生生三三,三生万物三生万物霍霍金金:宇宇宙宙存存在在起起始始点点,而而且
7、有生于无且有生于无Edwin Hubble at Mt.WilsonHubble guiding the Hooker100 inch telescope in 1923.The Hooker 100 inch telescope atop Mt.Wilsonnear Pasadena,CA.It was the largest telescope in the world from 1917-1947.Hubbles observations at the 100 inch during the1920s led him to the conclusion that the universe
8、 is expanding,and that an objects recession velocityis proportional to its distance from the observer.大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学 1940s Gamov和和Alpher首先首先提出宇宙起源于约提出宇宙起源于约150亿年亿年前一次猛烈的巨大爆炸。前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空间的膨胀，宇宙的爆炸是空间的膨胀，物质则随着空间膨胀（宇宙物质则随着空间膨胀（宇宙是无中心的）。是无中心的）。随着宇宙膨胀和温度降低，随着宇宙膨胀和温度降低，构成物质的原初元素相继形构成物质的原初元素相继形成成。Geor
9、geGamovPossible Fates of the Universe物理学的研究对象物理学的研究对象物质物质(二二)物质是无限可分的物质是无限可分的吗吗?什么是场物质什么是场物质?微电子学微电子学 光电子学光电子学 介观物理与纳电子介观物理与纳电子学学J.J.Thomsons Plum Pudding Model of the Atom(1897)He proposed that the electrons are embedded in a positively charged puddingThe Nobel Prize in Physics 1906 Joseph John Tho
10、msonUnited Kingdom University of Cambridge Cambridge,United Kingdom b.1856d.1940in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gasesAlphaScatteringRutherfords Discovery of the Atomic Nucleus(1911)He found that,once in a while
11、,the a-particles were scattered backwards by the targetSolar System Model of the AtomThe atom consists of electrons orbiting around small but dense central nucleusLord Ernest Rutherford 19081908诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖Bohrs Model of the Hydrogen Atom(1913)He proposed that only certain orbits for the electron ar
12、e allowedBohrs Empirical ExplanationElectrons can only take discrete energies(energy is related to radius of the orbit)Electrons can jump between different orbits due to the absorption or emission of photonsDark lines in the absorption spectra are due to photons being absorbedBright lines in the emi
13、ssion spectra aredue to photons being emittedThe Nobel Prize in Physics 1922Copenhagen University Copenhagen,Denmark Niels Henrik David Bohr b.1885d.1962for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from themThe Nobel Prize in Physics 1935for the disc
14、overy of the neutronJames Chadwick United Kingdom Liverpool University Liverpool,United Kingdom b.1891d.1974The Nobel Prize in Physics 1990 for their pioneering investigations concerning deep inelastic scattering of electrons on protons and bound neutrons,which have been of essential importance for
15、the development of the quark model in particle physics Jerome I.Friedman Henry W.Kendall Richard E.Taylor 物质是无限可分的吗物质是无限可分的吗-“毛子毛子”我们为什么要研究基本粒子我们为什么要研究基本粒子?介观物理学与单原子操做介观物理学与单原子操做iron atoms on a copper surface The Scanning Tunneling Microscope The Nobel Prize in Physics 1986for their design of the sc
16、anning tunneling microscope 38经典经典量子量子隧道隧道效应效应39导体表面导体表面 自由自由电子电子探针探针 表面电流表面电流表面结构表面结构狮子的能量必须满足狮子的能量必须满足才能越过高墙才能越过高墙按经典的观点：按经典的观点：量子：量子：同样用势能表示同样用势能表示狮子可能穿过狮子可能穿过势垒到左方势垒到左方实际：实际：势垒势垒40 中国科学院化学研究所研制的中国科学院化学研究所研制的 CSTM-9000CSTM-9000型扫描隧道显微镜型扫描隧道显微镜 “原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1 141 硅表面硅表面7
17、 7 7 7重构图象重构图象 “原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 插页彩插页彩图图2 2解决许多理论和实验上的疑难问题解决许多理论和实验上的疑难问题42 用用AFMAFM得到的癌细胞的表面图象得到的癌细胞的表面图象“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 P.98 P.98 图图 4-84-8基于基于STMSTM工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列原子力原子力(AFM)(AFM)磁力磁力 分子力显微镜分子力显微镜 等等等等43 1994 1994年中国科学院科学家年中国科学院科学家“写写”出的出的 平均每
18、个字的面积仅百万分之一平方厘米平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1313操纵原子不是梦操纵原子不是梦“原子书法原子书法”44 一氧化碳一氧化碳“分子人分子人”“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 P.151 P.151 图图7-7-8 8“扫描隧道绘画扫描隧道绘画”45移动铁原子移动铁原子什么是场物质什么是场物质The most famous photograph This is one of the most famous images in photographic history
19、and propelled him within two more weeks into an international celebrity.The medical implications were immediately realised and the first images of fractured bones were being made by January 1896 even though none yet knew what the mystery rays were.The Nobel Prize in Physics 1901磁场的应用（磁场的应用（MRIMRI）Th
20、e Nobel Prize in Physics 2003物理学的研究对象物理学的研究对象运动运动(三三)运动的四种形式运动的四种形式:物理物理(化学化学)运动运动 生物运动生物运动 思维运动思维运动 社会运动社会运动物理运动的分类物理运动的分类:(:(低高速低高速)机械运动机械运动;分子热运动分子热运动;电磁运动电磁运动;原子及原子核内部运动原子及原子核内部运动机械运动机械运动分子热运动分子热运动Bose-Einstein condensate(BEC)Nobel Prize in Physics in 2001 电磁运动（电磁运动（MaxwellMaxwell方程组）方程组）原子及原子核内
21、部运动原子及原子核内部运动Fusion Powers the Sun and Other Stars 伦琴与伦琴与X X射线射线谁真的理解运动谁真的理解运动?？绝对时空观与相对时空观绝对时空观与相对时空观 时间是绝对的均匀的吗时间是绝对的均匀的吗?空间是弯曲的吗空间是弯曲的吗?质量与运动无关吗质量与运动无关吗?HowdidEinsteinarriveatthespecialtheoryofrelativity?过去与未来过去与未来弯曲时空与黑洞弯曲时空与黑洞ClassicalPhysicsTimelineModernPhysicsTimeline物理学本质上是实验科学物理学本质上是实验科学永远
22、没有实验支持的永远没有实验支持的物理理论是无意义的物理理论是无意义的理论的指导作用对物理学发展的影响理论的指导作用对物理学发展的影响理论家与实验家理论家与实验家物理规律的相对性与绝对性物理规律的相对性与绝对性相对性的存在相对性的存在-例一例一未来的证明未来的证明-例二例二继承与创新继承与创新Tycho Brahe,1546-1601Sir Isaac Newton,1643-1727Nicolaus Copernicus,1473-1543Claudius Ptolemy,85-165Johannes Kepler,1571-1630Galileo Galilei,1564-1642Newto
23、n said he stood on the shoulders of these giants;the last one is Galileo.EgyptMaxwell Maxwell 的继承的继承创新是科学研究的灵魂创新是科学研究的灵魂想象力比知识更重要想象力比知识更重要“I was sitting in a chair in the patent office at Bern when all of a sudden a thought occurred to me:If a person falls freely he will not feel his own weight.I wa
24、s startled.This simple thought made a deep impression on me.It impelled me towards a theory of gravitation.”The“Happiest Thought”of Einsteins Life(1907)物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学物理学经典物理经典物理现代物理现代物理力学力学热学热学电磁学电磁学光学光学相对论相对论量子论量子论非线性非线性时间时间 t关关键键概概念念的的发发展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论量子论量子论1600 1700 18
25、00 1900物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命物理学的发展经历了三次大的突破，导致了三次工业革命(1)17、18世纪世纪 牛顿力学、热力学牛顿力学、热力学机械工业机械工业蒸汽机蒸汽机第一次工业革命第一次工业革命(2)19世纪世纪70年代年代 法拉第法拉第麦克斯韦的电磁理论麦克斯韦的电磁理论工业电气化工业电气化第二次工业革命第二次工业革命(3)20世纪以来世纪以来 相对论、量子力学相对论、量子力学促进了原子能、计算机、促进了原子能、计算机、激光等的广泛应用激光等的广泛应用(4)20世纪世纪80年代以来，以高技术为核心的科技革命年代以来，以高技术为核心的科技革命六个高技术群：能源
26、、材料、信息、生物、空间、海洋六个高技术群：能源、材料、信息、生物、空间、海洋物理学的研究成果源源不断地在高技术发展中得到应用，而物理学的研究成果源源不断地在高技术发展中得到应用，而高技术的发展又对物理学提出层出不穷的研究课题。高技术的发展又对物理学提出层出不穷的研究课题。2.物理学与工程技术的关系物理学与工程技术的关系科学解决科学解决理论问题理论问题技术解决技术解决实际问题实际问题3.培养科学素质，培养正确的方法论和科学观。培养科学素质，培养正确的方法论和科学观。要反对要反对伪科学伪科学4.培养自学能力，适应大学学习生活。培养自学能力，适应大学学习生活。二、教学环节：二、教学环节：1.上大课
27、上大课2.答疑和作业答疑和作业3.考核考核:平时平时 20%期中考试期中考试 10%作作 业业 10%期末期末 80%4.重学重学作业要求作业要求科学与真理的关系科学与真理的关系三、如何学好大学物理？三、如何学好大学物理？1.大学物理的特点大学物理的特点:(中学中学)特殊规律特殊规律例例:直线、匀速度、恒力直线、匀速度、恒力(大学大学)一般规律一般规律(普遍普遍)例例:曲线、变加速、变力曲线、变加速、变力数学方法：应用微积分及其他高等数学工具。数学方法：应用微积分及其他高等数学工具。2.课堂做到四到课堂做到四到(耳、眼、脑、手）耳、眼、脑、手）3.及时复习，独立完成作业及时复习，独立完成作业4
28、.学习态度端正（关键）。学习态度端正（关键）。更上一层楼：更上一层楼：多思考、多总结、多读书多思考、多总结、多读书h“大学物理学大学物理学”，张三慧主编，张三慧主编h“新概念物理教程新概念物理教程”，（，（5 5本）赵凯华，罗蔚本）赵凯华，罗蔚茵茵h“费曼物理学讲义费曼物理学讲义”一套一套3 3卷卷参参 考考 书书 “科学是一种科学是一种方法方法。它教导我们：一些事物是怎样被。它教导我们：一些事物是怎样被 了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度了解的，什么事情是已知的，现在了解到了什么程度 如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如如何对待疑问和不确定性，证据服从什么法则；如 何思考
29、事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象何思考事物，做出判断，如何区别真伪和表面现象”。R.PR.P费曼费曼 “我从不迷信权威，但命运捉弄了我我从不迷信权威，但命运捉弄了我我自己变我自己变 成了权威成了权威”A.A.爱因斯坦爱因斯坦 希望两位著名物理学家的话，能成为大家学习希望两位著名物理学家的话，能成为大家学习物理的座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更物理的座右铭。学习课程除了掌握基本知识外，更重要的是学习一种科学的重要的是学习一种科学的思维方法思维方法。正如一个古老。正如一个古老的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该的故事所讲的那样，学生从老师那里得到的，应该是一个点石成金的是一个点石成金的 法则法则 ，而不是一堆，而不是一堆 金子金子 。