大學(xué)物理講義01緒論及預(yù)備知識(shí)大學(xué)物理講義01緒論及預(yù)備知識(shí)大學(xué)物理講義01緒論及預(yù)備知識(shí)*

明確為什么學(xué)？學(xué)什么？怎樣學(xué)？第一章課程介紹*了解物質(zhì)世界的整體圖象。第二章物質(zhì)世界第一篇緒論目的：獲得學(xué)習(xí)“大學(xué)物理”的自覺意識(shí)和較高的起點(diǎn)。學(xué)時(shí)：2

請(qǐng)?jiān)试S我說明我講這門課的主要目的。我的目的不是教你們?nèi)绾螒?yīng)付考試，甚至不是讓你們掌握這些知識(shí)，以便更好地為今后你們面臨的工業(yè)或軍事工作服務(wù)。我最希望的是，你們能夠像真正的物理學(xué)家一樣，欣賞到這個(gè)世界的美妙。物理學(xué)家們看待這個(gè)世界的方式，我相信，是這個(gè)現(xiàn)代化時(shí)代真正文化內(nèi)涵的主要部分。也許你們學(xué)會(huì)的不僅僅是如何欣賞這種文化，甚至也愿意參加到這個(gè)人類思想誕生以來最偉大的探索中來。

－－－理查德.費(fèi)曼R.P.Feynman（1918－1988）美國(guó)物理學(xué)家，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者第一章課程介紹一.為什么要學(xué)習(xí)“大學(xué)物理”？物理學(xué):研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、基本相互作用和最普遍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。是一切自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。

物理書都充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式?？墒撬枷爰袄砟睿枪?，才是每一物理理論的開端。

－－愛因斯坦

《物理學(xué)的進(jìn)化》學(xué)習(xí)目的：1.獲得生活、學(xué)習(xí)、工作所需的知識(shí)和技能。2.開啟智慧，獲得科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法的熏陶和培養(yǎng)。載體定位：不僅僅是為后續(xù)課服務(wù)不僅僅是為專業(yè)服務(wù)立足于提高自身科學(xué)素質(zhì)，有益于終身學(xué)習(xí)和發(fā)展為什么要提高工科學(xué)生的科學(xué)（物理）素質(zhì)？根本原因：物理學(xué)及工程技術(shù)的關(guān)系*第一次工業(yè)革命（17～18世紀(jì)）：建立在牛頓力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是以蒸汽機(jī)為代表的一系列機(jī)械的產(chǎn)生和應(yīng)用。

*第二次工業(yè)革命（19世紀(jì)）：建立在電磁理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電訊設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用。*第三次工業(yè)革命（20世紀(jì)）：建立在相對(duì)論和量子力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是以信息技術(shù)為代表的一系列新學(xué)科、新材料、新能源、新技術(shù)的興起和發(fā)展。物理學(xué)與技術(shù)關(guān)系的兩種模式*技術(shù)物理技術(shù)（典型例子：熱學(xué)）*物理技術(shù)物理（典型例子：電磁學(xué)）在現(xiàn)代社會(huì)中主要以第二種方式進(jìn)行。[例]計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、核技術(shù)、空間技術(shù)……其基礎(chǔ)正是過去大半個(gè)世紀(jì)的現(xiàn)代物理學(xué)的研究成果。電子和信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1925年量子力學(xué)建立1926年Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)法提出1929年能帶理論提出并得到證實(shí)，從理論上解釋了導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的性質(zhì)和區(qū)別；

Fermi面概念及其可測(cè)量的提出1947年發(fā)明晶體管

（肖克萊、巴丁、布拉頓獲1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)）1957年建立Fermi面編目1962年制成集成電路（IC）

1965年摩爾定律：芯片容量每18－24個(gè)月翻番。70年代末大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLIC）核技術(shù)的物理基礎(chǔ)1896年Becquerel發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性1905年Einstein創(chuàng)立狹義相對(duì)論，得1911年Rutherford提出原子的有核模型1925年量子力學(xué)建立1932年建立原子核的質(zhì)子——中子模型1933年發(fā)現(xiàn)人工放射性1945年實(shí)現(xiàn)核裂變——原子彈1952年實(shí)現(xiàn)核聚變——?dú)鋸?954年建立第一座核電站（安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源）比較原理發(fā)現(xiàn)（年）工業(yè)產(chǎn)品（年）經(jīng)歷時(shí)間（年）電動(dòng)機(jī)1821188665真空管1882191533無線電1887192235X光1895191318雷達(dá)193519005原子反應(yīng)堆193919423半導(dǎo)體194819513激光195819602從基本原理轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)的速度加快直接從各分支物理實(shí)驗(yàn)室移植到工業(yè)上的新技術(shù)納米（）技術(shù)皮秒（）技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)…...IBM公司構(gòu)成的鉑片表面的“一氧化碳人”身高5納米。物理學(xué)提供科學(xué)原理指導(dǎo)技術(shù)路線的選擇和技術(shù)方案的改進(jìn)培養(yǎng)技術(shù)人員的科學(xué)品格和創(chuàng)新能力，使其眼光遠(yuǎn)，層次高，后勁足全世界工科大學(xué)無一例外將物理作為重要基礎(chǔ)課二.學(xué)什么？知識(shí)、方法、科學(xué)觀念“物”——物質(zhì)世界“理”——普遍規(guī)律1.學(xué)習(xí)物理知識(shí)要注意整體性、發(fā)展性和遷移性。整體性注意掌握知識(shí)的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系形成物質(zhì)世界的整體物理圖象避免：只見樹木，不見森林。只得到一堆支離破碎的公式。經(jīng)典物理

力學(xué)（實(shí)物粒子）電磁學(xué)（場(chǎng)）熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理（多粒子體系）相對(duì)論力學(xué)量子力學(xué)量子統(tǒng)計(jì)物理相對(duì)論量子力學(xué)相對(duì)論量子場(chǎng)論？物理學(xué)的基本框架分支學(xué)科：激光物理，半導(dǎo)體物理，原子物理，核物理…交叉學(xué)科：生物物理，量子化學(xué)，地球物理，海洋物理…物理學(xué)的基本框架速率大小或距離1020m10－5m0.01cc狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論量子理論狹義相對(duì)論量子理論牛頓物理學(xué)禁區(qū)禁區(qū)來自《物理學(xué)：基本概念及其及方方面面的聯(lián)系》教材結(jié)構(gòu)和主線上冊(cè)下冊(cè)多粒子體系的熱運(yùn)動(dòng)基本粒子實(shí)物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相互作用和場(chǎng)振動(dòng)和波動(dòng)量子現(xiàn)象和量子規(guī)律發(fā)展性

不斷從新的角度審視和理解物理概念和規(guī)律，關(guān)注其內(nèi)涵的豐富，應(yīng)用的擴(kuò)展，相互關(guān)系的變化。[例]質(zhì)量初中：循環(huán)定義？前沿：

質(zhì)量究竟是什么？是如何產(chǎn)生的？大學(xué)：高中：－慣性質(zhì)量－引力質(zhì)量？[例]力中學(xué)：以“力”為中心。對(duì)時(shí)間積累動(dòng)量定理——?jiǎng)恿渴睾銓?duì)空間積累動(dòng)能定理——機(jī)械能守恒力矩定軸轉(zhuǎn)動(dòng)物體的平衡近代物理：以守恒量為中心的表述優(yōu)于以力為中心表述。守恒量——?jiǎng)恿俊⒔莿?dòng)量、能量守恒定律－動(dòng)量守恒定律角動(dòng)量守恒定律能量守恒定律守恒定律與自然界對(duì)稱性的聯(lián)系

物理學(xué)在20世紀(jì)取得了令人驚訝的成功。它改變了我們對(duì)空間和時(shí)間、存在和認(rèn)識(shí)的看法，也改變了我們描述自然的基本語言。在本世紀(jì)行將結(jié)束之際，我們已擁有一個(gè)對(duì)宇宙的嶄新看法。在這個(gè)新的宇宙觀中，物質(zhì)已失去了它原來的中心地位，取而代之的是自然界的對(duì)稱性。

——

（美）斯蒂芬.溫伯格溫伯格(美）(1933---)注意提高應(yīng)用物理知識(shí)理解、解決實(shí)際問題的能力。遷移性

發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)該始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立地思考和工作，他必定會(huì)找到他自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培養(yǎng)內(nèi)容的人來說，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步與變化?！柌?愛因斯坦

德裔（美）愛因斯坦(1879-1955)

2.學(xué)習(xí)物理方法觀察、實(shí)驗(yàn)、模擬、演繹、歸納、分析、綜合、類比、理想化、假說……形成指導(dǎo)性原理:*

簡(jiǎn)單性原理：邏輯前提越簡(jiǎn)單，普遍程度越高。*

對(duì)應(yīng)原理：新理論應(yīng)包容在一定條件下被證實(shí)是正確的舊理論，并在極限條件下過渡到舊理論。

……是否運(yùn)用物理學(xué)方法已經(jīng)成為一門學(xué)科是否成熟的標(biāo)志之一。理想化方法理想模型（單擺、彈簧振子、理想氣體……)理想實(shí)驗(yàn)（伽利略、牛頓…...）理想過程(準(zhǔn)靜態(tài)、絕熱……)[例]方法實(shí)質(zhì):

簡(jiǎn)化、純化，抓住主要矛盾，摒棄次要因素。重要意義：人類認(rèn)識(shí)世界的基本策略牛頓的理想實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的基本思想方法：用模型來描述自然，用數(shù)學(xué)來表達(dá)模型，用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?858-1947）感覺世界物理科學(xué)世界真實(shí)世界大量唯象定律較高層次定律自然界的基本法則(中介)逼近目標(biāo)歸納總結(jié)氣體定律胡克定律……牛頓定律麥?zhǔn)戏匠獭锢韺W(xué)描述的是關(guān)于實(shí)在世界的模型

我們可以把組成這個(gè)“世界”的這些運(yùn)動(dòng)事物的復(fù)雜組合，想象成天神們下的一盤巨大的象棋，而我們是這局棋的觀眾。我們不知道奕棋的規(guī)則，允許我們做的就是觀看這場(chǎng)棋賽。當(dāng)然，如果看的時(shí)間夠長(zhǎng)，我們終歸能看出幾條規(guī)則來。這些奕棋規(guī)則就是我們所說的基礎(chǔ)物理學(xué)?！绻銜?huì)下棋就一定知道，學(xué)會(huì)所有的規(guī)則是容易的，而要選擇最佳的走法或理解人家為什么這樣走則往往很困難。在自然界中也是如此，只是程度更厲害……除了我們還不知道全部規(guī)則之外，用已知的規(guī)則我們確實(shí)能解釋的事物也是非常有限的，因?yàn)樗械那闆r都極其復(fù)雜，我們不能用這些規(guī)則領(lǐng)會(huì)這盤棋的走法，更不用說預(yù)言下一步將發(fā)生什么情況了。因此，我們只能滿足于奕棋規(guī)則這個(gè)比較基本的問題。－－－費(fèi)曼R.P.Feynman（1918－1988）物理概念、規(guī)律及自然實(shí)在并非完全同一。人類是依靠建立模型、不斷改進(jìn)模型來逐漸認(rèn)識(shí)自然的。避免將物理規(guī)律視為一成不變的僵死教條，尋求發(fā)展和創(chuàng)新！又如：科學(xué)假說方法牛頓時(shí)代：以經(jīng)驗(yàn)觀察，邏輯歸納為主?，F(xiàn)代物理：?jiǎn)栴}——假說——(實(shí)踐)——科學(xué)——

（證偽）——新問題——新假說——…...

不是由觀察結(jié)果歸納出理論，而是由理論決定觀察什么。

——愛因斯坦3.學(xué)習(xí)先進(jìn)的科學(xué)觀念，樹立科學(xué)世界觀物理學(xué)中的唯物論：實(shí)踐（實(shí)驗(yàn)）是判斷（檢驗(yàn)）真理（科學(xué)）的唯一標(biāo)準(zhǔn).物理學(xué)中的辨證法:相對(duì)性原理，變革性原理，對(duì)應(yīng)原理，互補(bǔ)原理……物理學(xué)“美”的標(biāo)準(zhǔn)：簡(jiǎn)單、和諧、統(tǒng)一、對(duì)稱。

應(yīng)當(dāng)期望物理學(xué)家的美感有一種用途：協(xié)助物理學(xué)家去選擇可幫助我們了解大自然的理念。

－－－溫伯格自然是和諧統(tǒng)一的整體，自然界的復(fù)雜性是由簡(jiǎn)單規(guī)則演變而來。物理上真實(shí)的東西，一定是邏輯上簡(jiǎn)單的東西。

——愛因斯坦符合物理學(xué)審美原則：學(xué)科的分化、交叉、整合。人及自然的和諧發(fā)展——新的自然觀

一切工程技術(shù)實(shí)踐都要尊重生態(tài)規(guī)律，講求環(huán)境效益，樹立“整體優(yōu)化”和“可持續(xù)發(fā)展”的價(jià)值觀念。三.怎樣學(xué)?業(yè)精于勤荒于嬉，行成于思?xì)в陔S。

——

韓愈第二章物質(zhì)世界教育的實(shí)質(zhì)就是克服狹隘性，也就是要開闊人的眼界。

－曼格一.物質(zhì)世界的空間尺度——宇宙的42個(gè)臺(tái)階宇宙學(xué)、粒子物理的奇妙銜接哈勃半徑：星系團(tuán)：銀河系：地球軌道半徑：太陽(yáng)半徑：地球半徑：月球半徑：大分子：小分子：原子：原子核：基本粒子：二.物質(zhì)世界的時(shí)間尺度共計(jì)跨越了42個(gè)數(shù)量級(jí)宇宙年齡：150億年生命的誕生：約40億年人類：300萬年（1014s）中間玻色子壽命：10－24s地球年齡:大爆炸宇宙年齡：星系年齡：地球年齡：出現(xiàn)生命：富氧大氣：人類：地球公轉(zhuǎn)：月球公轉(zhuǎn)：地球自轉(zhuǎn)：中子壽命：中間玻色子壽命：50億年150億年46億年40億年3百萬年8億年三.物質(zhì)世界的質(zhì)量尺度目前所測(cè)宇宙：銀河系：太陽(yáng)：地球：月球：細(xì)菌：紅血球：流感病毒：氧分子：中子、質(zhì)子：電子：宇宙中物體的質(zhì)量量級(jí)——跨躍了約80個(gè)數(shù)量級(jí)四.基本粒子家族基本粒子：指人類迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“點(diǎn)”粒子，是一個(gè)不斷向更深層次轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)概念。

基本粒子特征：質(zhì)量、電荷、自旋、壽命……要點(diǎn)：三大家族四種相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型：1964年美國(guó)蓋爾曼提出，1969年斯坦福直線加速器中心電子—核子撞擊實(shí)驗(yàn)首次驗(yàn)證，獲當(dāng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)。（1929－）1.規(guī)范粒子（場(chǎng)粒子，傳遞相互作用，共13種）三大家族名稱符號(hào)靜質(zhì)量（MeV）電荷（e）自旋壽命（s）傳遞的相互作用光子001電磁中間玻色子11弱膠子（8種）001強(qiáng)引力子??002引力玻色子根據(jù)范德米爾與魯比亞“隨機(jī)冷卻”設(shè)想制造的高能加速器于1984年1月發(fā)現(xiàn)了規(guī)范場(chǎng)粒子W±和Z°粒子。其性質(zhì)最終確定了弱電統(tǒng)一理論的正確性。二人于1984年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。范德米爾(1925～)荷蘭物理學(xué)家魯比亞(1934～)(意)物理學(xué)家

格拉肖(美1932～)薩拉姆(巴基斯坦1926～1996)溫伯格(美1933～)因?yàn)槿蹼娤嗷プ饔美碚摵皖A(yù)言弱中性流獲1979年諾貝爾物理獎(jiǎng)。歷史之旅2.輕子：共3代12種三大家族名稱符號(hào)靜質(zhì)量（MeV）電荷（e）自旋壽命（s）代電子電子中微子一0.510-1μ子μ子中微子二1060-1子

子中微子三*1776.90-1費(fèi)米子*：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)測(cè)量結(jié)果北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）的正電子源1988年建成，1992年成果：將子質(zhì)量測(cè)量精度提高10倍2003年：發(fā)現(xiàn)新粒子2004年：國(guó)家投入6.4億元改造，搭建通向諾貝爾獎(jiǎng)平臺(tái)反粒子的發(fā)現(xiàn)1930年狄拉克預(yù)言其存在；1932年安德森在宇宙射線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)正電子。（1905－1991）（1902－1984）1931年安德森用過的云室和磁鐵歷史之旅粒子從何方穿入？粒子帶何種電荷？由徑跡算出荷質(zhì)比及電子相同。鉛板1999年6月3日，美國(guó)肯尼迪航天中心“發(fā)現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)搭載中國(guó)科學(xué)家參加研制的阿爾法磁譜儀（AMS）升空，尋找宇宙空間的暗物質(zhì)和反物質(zhì)（反碳核和反氦核）中微子之謎1930年泡利為解釋衰變中能量不守恒，提出假設(shè)：1933年費(fèi)米建立弱作用理論。1942年王淦昌提出間接驗(yàn)證方案，由美國(guó)艾倫完成。1956年美國(guó)雷尼斯完成探測(cè)中微子實(shí)驗(yàn)，獲1995年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1999年日本科學(xué)家宣布測(cè)量到中微子質(zhì)量不為零。2002年美國(guó)雷蒙德.戴維斯，日本小柴昌俊獲諾貝爾物理獎(jiǎng)，表彰他們?cè)谔綔y(cè)宇宙中微子，開創(chuàng)中微子天文學(xué)方面取得的成就。尚存許多未解之謎，應(yīng)用前景廣闊（地球斷層掃描，中微子通訊，探測(cè)星球內(nèi)部信息……）歷史之旅3.夸克:3代、6味、每味3色，共36種三大家族名稱符號(hào)靜質(zhì)量（MeV）電荷（e）自旋代一上夸克下夸克ud-300-300二粲夸克奇異夸克cs-500-1500三頂夸克底夸克tb-180000-5000費(fèi)米子1964年蓋爾曼：1974年丁肇中：1977年萊德曼：1995年費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室：（粲夸克）（底夸克）（頂夸克）（上、下、奇異夸克）歷史之旅強(qiáng)子（核子、介子）的夸克模型名稱符號(hào)符號(hào)組成組成名稱質(zhì)子中子反質(zhì)子正介子正K介子J/介子pnJ/特點(diǎn)：分?jǐn)?shù)電荷

1977年超導(dǎo)鈮球?qū)嶒?yàn)

漸近自由紅外奴役色禁閉（找不到自由夸克）duuduuduuuduuu基本粒子規(guī)范粒子13種輕子12種夸克36種玻色子（引力子？）費(fèi)米子希格斯粒子（？）62種

小結(jié)：基本粒子的三大家族五.物質(zhì)存在的基本形式——實(shí)物和場(chǎng)輕子