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1、 大学物理学 物理系物理系苟成玲苟成玲8231793582317935，1绪论绪论主要内容主要内容引言引言物理学与物质世界物理学与物质世界物理学与科学技术物理学与科学技术物理学与高素质人才物理学与高素质人才怎样学习物理学怎样学习物理学2一、引言-关于宇宙关于宇宙现代关于宇宙起源的理论现代关于宇宙起源的理论 大爆炸理论大爆炸理论问题：问题：大爆炸的原点是如何形成的？大爆炸的原点是如何形成的？大爆炸之前是什么？大爆炸之前是什么？3老子论宇宙起源老子，姓李名耳，字伯阳。春秋时期楚国老子，姓李名耳，字伯阳。春秋时期楚国苦县历乡曲仁里（今河南省鹿邑县境内）苦县历乡曲仁里（今河南省鹿邑县境内）人。人。道德
2、经又名五千文，分上下篇。道德经又名五千文，分上下篇。上篇道经，论宇宙根本，含天地变化之机；上篇道经，论宇宙根本，含天地变化之机；下篇德经，论处世之方，含人事进退之本。下篇德经，论处世之方，含人事进退之本。4道德经第一章 道可道，非常道。道可道，非常道。名可名，非常名。名可名，非常名。无名天地之始。无名天地之始。有名万物之母。有名万物之母。故常无，欲以观其妙。故常无，欲以观其妙。常有，欲以观其徼。常有，欲以观其徼。此两者同出而异名，同谓之玄。玄之又此两者同出而异名，同谓之玄。玄之又 玄，玄，众妙之门众妙之门01。5明物质与暗物质现代科学对暗物质的认识基本如下：现代科学对暗物质的认识基本如下：暗物
3、质对所有我们能测量的明物质的光、电场、暗物质对所有我们能测量的明物质的光、电场、磁场、强作用都不起任何作用，最肯定的是暗物磁场、强作用都不起任何作用，最肯定的是暗物质有引力场，通过引力场间接知道有暗物质存在。质有引力场，通过引力场间接知道有暗物质存在。明暗物质所占的质量约为明暗物质所占的质量约为1比比6。暗物质可分为冷、。暗物质可分为冷、热暗物质，运动模式可能和气体分子运动差不多。热暗物质，运动模式可能和气体分子运动差不多。高温并高速运动的热暗物质却不发出辐射，其比高温并高速运动的热暗物质却不发出辐射，其比例应该是例应该是20%。科学家们最倾向把中微子当做暗物质的一类。但科学家们最倾向把中微子
4、当做暗物质的一类。但是对暗物质的其他性质则完全不知道。对无所不是对暗物质的其他性质则完全不知道。对无所不在的暗能量除了推测其可能有负引力作用外更是在的暗能量除了推测其可能有负引力作用外更是一无所知。一无所知。6天下万物生於有，有生於无天下万物生於有，有生於无40。道生一。一生二。二生三。三生万物。万道生一。一生二。二生三。三生万物。万物负阴而抱阳，冲气以为和物负阴而抱阳，冲气以为和42。天地相合以降甘露天地相合以降甘露32(霍金也说宇宙生于无霍金也说宇宙生于无)71.什么是物理学？什么是物理学？早期：早期：自然哲学自然哲学（Physics=希腊希腊:自然）自然）现在：现在：研究研究物质结构物质
5、结构、相互作用相互作用及其及其基本运动规律基本运动规律。是整个自然科学的基础。是整个自然科学的基础。2.为什么物理学很为什么物理学很“基础基础”？其他自然学科的基本概念建立在物理概念的基础上其他自然学科的基本概念建立在物理概念的基础上其他自然学科的定律不得违反物理定律其他自然学科的定律不得违反物理定律不依赖于其他自然学科自成体系不依赖于其他自然学科自成体系二.物理学与物质世界83.物质是什么？物质是什么？现代观点：粒子现代观点：粒子场场(具有质量具有质量,动量和能量动量和能量)场与粒子是统一体的两种表现形式场与粒子是统一体的两种表现形式粒子是场的激发态形式粒子是场的激发态形式粒子间的相互作用来
6、自场之间的相互作用粒子间的相互作用来自场之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粒子种类：粒子种类：自由状态存在的自由状态存在的:约约452 种种其中其中规范玻色子规范玻色子4 种，轻子种，轻子12 种种强子强子 436 种种9粒粒子子（实实物物）固态：（晶态固态：（晶态/非晶态非晶态）液态：（液态：（液晶液晶/非晶液态）非晶液态）气态气态等离子态等离子态玻色玻色 爱因斯坦凝聚质爱因斯坦凝聚质凝聚态凝聚态4.物质的状态物质的状态致密态致密态(恒星晚年恒星晚年):白矮星白矮星 中子星中子星 黑洞黑洞105.基本相互作用基本相互作用 是自然界一切现象的终极原因
7、。是自然界一切现象的终极原因。相互相互作用作用相对相对强度强度范围范围(m)作用作用粒子粒子 强强 102短程:10-15 胶子胶子电磁电磁1长程光子光子弱弱10-10短程:10-17中间玻色子中间玻色子引力引力10-38长程待发现待发现116.物理学研究的运动形式物理学研究的运动形式 最简单、最基本、最普遍最简单、最基本、最普遍：机械、电磁（光）、热、微观粒子的运动等机械、电磁（光）、热、微观粒子的运动等是是更更高高级级运运动动形形式式的的基基础础(生生命命、遗遗传传、思思维维等等).7.如何描述缤纷复杂的物质世界？如何描述缤纷复杂的物质世界？物理学家：物理学家：物质世界是物质世界是分层次分
8、层次的的自然界是一个内部自然界是一个内部存在普遍规律的统一体存在普遍规律的统一体.理想：理想：探索探索整个物质世界整个物质世界统一自洽的基本规律统一自洽的基本规律.12空间尺度空间尺度(相差相差1010454510104646)10 1026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年)(宇宙宇宙)101020 20 m m(夸克夸克)时间尺度时间尺度(相差相差10104545)10 101818s150s150亿年亿年(宇宙年龄宇宙年龄)1010-27-27s s(硬硬 射线周期射线周期)速率范围速率范围 0 0(静止静止)3 3 10108 8 m/sm/s(光速光速)粒子数目粒子数目 1
9、(1(单粒子系统单粒子系统)6.026.02 10102323以上以上(复杂系统复杂系统)8.物质世界的层次物质世界的层次宇观宇观 宏观宏观 微观微观宇观宇观微观微观复杂复杂宏观宏观高速高速139.物理学不断寻求统一理论的历史物理学不断寻求统一理论的历史:牛顿：力学（地上和天上）牛顿：力学（地上和天上）麦克斯韦：电学、磁学与光学麦克斯韦：电学、磁学与光学温伯格等：弱电统一理论温伯格等：弱电统一理论 弱弱+电电 弱电弱电(70年代年代)大统一理论大统一理论(GUT):弱弱+电电+强强超弦理论超弦理论(?)弱弱+电电+强强+引力引力14分层次但统一分层次但统一天体物理和粒子天体物理和粒子物理已成为
10、密不物理已成为密不可分的姊妹学科可分的姊妹学科1510.物理学的本质：物理学的本质：“猜猜”物质世界之谜，经常问的问题物质世界之谜，经常问的问题“why”实验科学实验科学 理论与实验高度结合的精确科学理论与实验高度结合的精确科学特点：特点：范围广范围广 需要用不同的理论研究需要用不同的理论研究 方法活方法活 涉及各种科研方法涉及各种科研方法难度大难度大 数学化程度最高、抽象思维数学化程度最高、抽象思维+逻辑推理逻辑推理跳跃多跳跃多 创新思维、大胆假设、超越日常经验创新思维、大胆假设、超越日常经验 16物理学为其他学科创立技术和原理物理学为其他学科创立技术和原理重大新技术领域的创立总是经历长期的
11、物理酝酿重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿(如微电子技术的发展）如微电子技术的发展）物理学满足人类从能认识到的最根本的程度上物理学满足人类从能认识到的最根本的程度上了解自然界的需要了解自然界的需要 (美国物理学评述委员会美国物理学评述委员会)三.物理学与科学技术17卢瑟福卢瑟福 a a 粒子散射实验粒子散射实验(1909)(1909)核能利用核能利用(40(40年代以后年代以后)爱因斯坦受激辐射理论爱因斯坦受激辐射理论(1917)(1917)(物理物理)第一台激光器第一台激光器(1960)(1960)(技术技术)信息技术的发生和发展的硬件部分信息技术的发生和发展的硬件部分(技术技术)以
12、半导体体物理学成果为基础以半导体体物理学成果为基础(物理物理)量子力学量子力学/费米狄拉克统计费米狄拉克统计/能带理论能带理论(20(20年代年代)()(物理物理)晶体管晶体管(1947)/IC(1962)/(1947)/IC(1962)/大规模集大规模集IC(70s)(IC(70s)(技术技术)微结构物理微结构物理(物理物理)18提高科学素质和能力以适应高新技术和市场提高科学素质和能力以适应高新技术和市场经济的发展经济的发展a学习物理对于提高科学素质的主要作用：学习物理对于提高科学素质的主要作用：培养辨证唯物主义世界观培养辨证唯物主义世界观学习掌握科学方法，培养提高科学思维能力学习掌握科学方
13、法，培养提高科学思维能力培养探索与创新精神培养探索与创新精神四.物理学与高素质人才19b良好的物理素质良好的物理素质/修养：修养：能能把把物物理理学学的的思思想想、观观点点、规规律律和和方方法法运运用用到到工程技术的实际中工程技术的实际中（解决问题解决问题）在在工工程程技技术术问问题题面面前前，能能够够从从物物理理本本质质上上提提出出问题和作出判断问题和作出判断（分析问题分析问题）.注意物理学的发展，不断探索如何把物理学中注意物理学的发展，不断探索如何把物理学中的新成果引入工程技术的新成果引入工程技术（不断创新不断创新）深厚的科学素养是发明创造的基础深厚的科学素养是发明创造的基础20五.怎样学
14、习物理学?物理学的方法物理学的方法1研究方法研究方法: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修改理论修改理论应用应用物物理理直直觉觉、想想象象力、洞察力力、洞察力21演绎法演绎法：基本定律：基本定律推理演算推理演算新理论新理论归纳法归纳法：归纳实验：归纳实验/观测观测假设、模型假设、模型新理论新理论 还原论思想还原论思想:按照研究方式分类：按照研究方式分类：实验物理实验物理:发现新现象、规律，验证理论发现新现象、规律，验证理论 理论物理理论物理:构造理论，解释实验，预言新现象构造理论，解释实验，预言新现象 计算物理计算物理:数值解，数据采集与处理，数学模拟数值解，数据
15、采集与处理，数学模拟 222.学习方法学习方法 物理物理概念概念:内容内容,形成，适用范围，成立条件形成，适用范围，成立条件 物理物理图象图象:用于类比、直观化、定性分析用于类比、直观化、定性分析物理物理思想思想:形成过程中的思维方式，充分重视形成过程中的思维方式，充分重视!物理物理模型模型:突出主要因素，按需要构建突出主要因素，按需要构建实物实物 如质点，刚体，理想导体等如质点，刚体，理想导体等过程过程/状态状态 谐振子，气体碰撞，绝热膨胀谐振子，气体碰撞，绝热膨胀假想假想 电场线，磁场线电场线，磁场线 概念概念 动能，势能，粒子自旋，动能，势能，粒子自旋，数学方法数学方法:数学化程度最高，
16、但不拘泥于数学数学化程度最高，但不拘泥于数学定性与半定量方法定性与半定量方法:突出实质、基本思想，突出实质、基本思想，233.解题方法解题方法 极限、微分与积分的思想极限、微分与积分的思想组合组合,类比类比,对称性对称性,变换变换,量纲分析量纲分析怎么学？怎么学？教会教会?学会学会“粗粗”预习、预习、“细细”复习复习 自学能力自学能力课内学时课内学时：课外学时：课外学时 1：2高质量完成作业，摈弃高质量完成作业，摈弃“题海战术题海战术”会学会学!充分利用答疑时间，解决学习中疑问。充分利用答疑时间，解决学习中疑问。244.大学物理学的主要内容大学物理学的主要内容第一学期第一学期力学力学狭义相对论
17、基础狭义相对论基础电磁学电磁学第二学期第二学期热学与分子动理论热学与分子动理论振动与波动振动与波动光学光学量子物理基础量子物理基础255.5.大学物理课大学物理课:环节：环节：大课，问题分析课，作业，演示实验，复习课，大课，问题分析课，作业，演示实验，复习课，考试，考试，大课：大课：学会记笔记（思路、要点、特色）学会记笔记（思路、要点、特色）主要参考书：大学物理，吴百诗，高等教育主要参考书：大学物理，吴百诗，高等教育 出版社出版社 电子教案：可以课后拷贝电子教案：可以课后拷贝问题分析课问题分析课:随堂进行，主要解决解题方法技巧方面的问随堂进行，主要解决解题方法技巧方面的问 题。题。26作业作业:注意写上班级、学号、姓名注意写上班级、学号、姓名 每周一交前一周作业。每周一交前一周作业。成绩占总评成绩成绩占总评成绩1010 考试：考试：期末统考期末统考 演示实验：演示实验：每学期两次，占总成绩每学期两次，占总成绩5%5%。27