01大学物理绪论.ppt

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1、* * 明确为什么学？学什么？怎样学？明确为什么学？学什么？怎样学？课程介绍课程介绍* * 了解物质世界的整体图象了解物质世界的整体图象。物质世界物质世界绪绪 论论* * 获得学习获得学习“大学物理大学物理”的自觉意识和较的自觉意识和较高高 的起点。的起点。 目目 的：的： 请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一服务。我最

2、希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，样，欣赏到这个世界的美妙欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来大的探索中来。 理查德理查德. .费曼费曼 R.P.Feynman R.P.Feynman （1918191819881988）美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者课课 程程 介介 绍绍一

3、一 . . 为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”？物理学物理学: :研究物质世界的基本结构、基本相互作用研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。和最普遍的运动规律。是一切自然科学和工程技术的基础。是一切自然科学和工程技术的基础。 物理书都充满了复杂的数物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理而非公式，才是每一物理理论的开端。论的开端。 爱因斯坦爱因斯坦 物理学的进化物理学的进化雷雷 电电 人体带电后头发人体带电后头发 竖起、散开竖起、散开 在物质世界中，有多姿的物理现象，在实验里在物质世界中，有多姿的物理现象，在实验

4、里有精彩的实验。看一看物理知识是多么广博，多么有精彩的实验。看一看物理知识是多么广博，多么有用，又多么有趣。有用，又多么有趣。火箭发射火箭发射 物理无处不在物理无处不在 人人离不开物理人人离不开物理 1.1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。获得生活、学习、工作所需的知识和技能。2.2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科开启智慧，获得科学思想、科学精神、科 学态度和科学方法的熏陶和培养。学态度和科学方法的熏陶和培养。载体载体不仅仅是为后续课服务不仅仅是为后续课服务不仅仅是为专业服务不仅仅是为专业服务立足于立足于提高自身科学素质提高自身科学素质，有益于终身学习和发展，有益于终身学习和发展学

5、习目的：学习目的：定位：定位：为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？根本原因：根本原因：物理学与工程技术的关系物理学与工程技术的关系* * 第一次工业革命（第一次工业革命（17171818世纪）：世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。蒸汽机为代表的一系列机械的产生和应用。 * * 第二次工业革命（第二次工业革命（1919世纪）：世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。

6、动机、电讯设备的出现和应用。* * 第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪）：世纪）：建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。新技术的兴起和发展。物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式* *技术技术 物理物理 技术（典型例子：热学）技术（典型例子：热学）* *物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）物理（典型例子：电磁学）在现代社会中主要以第二种方式进行。在现代社会中主要以第二种方式进行。 例例 计算机技术、

7、激光技术、核计算机技术、激光技术、核技术、空间技术技术、空间技术其基础正是过去大半个世纪其基础正是过去大半个世纪的现代物理学的研究成果。的现代物理学的研究成果。时间典型事件及意义1593年伽利略利用空气热胀冷缩的性质，制成了温度计的雏形 1695年 法国人巴本第一个发明蒸汽机，但操作不便，不安全。 1705年 钮科门和科里制造了新蒸汽机 1744年 1780年 温度、热量、热容量、潜热等一系列概念形成 1769年 英国技工瓦特加了冷凝器使蒸汽机运作变连续，导致了欧洲的工业革命 时间典型事件及意义代表人物公元前七世纪发现磁石管子(中国) thale(泰勒斯 希腊)公元前二世纪静电吸引西汉初年16

8、00年地磁论论述磁并导入“电的”electricWilliam Gilbert(吉尔伯特)英国女王的御臣1747年电荷守恒定律（正,负电的引入）Benjamim Franktin(富兰克林 美国)1785年库仑定律电磁学进入科学行列Charles Auguste de Coulom(库仑 法国)1820年电流的磁效应（电产生磁）安培分子电流说毕奥-萨伐尔定律Hans Chanstan Oersted(奥斯特 丹麦)Andre Marie Ampere(安培 法国)Jean-Baptute Biot,Felix Savart(毕奥，萨伐尔)1826年欧姆定律Georg Simon ohm(欧姆)

9、1831年电磁感应现象（磁产生电）Michael Faraday(法拉第 英国)1865年麦克斯韦方程组建立了电磁学理论，预言了电磁波Maxwell(麦克斯韦)1888年实验证实电磁波存在Heinrich Hertz(赫兹 德国)电子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础19251925年年 量子力学建立量子力学建立19261926年年 Fermi-Dirac Fermi-Dirac 统计法提出统计法提出19291929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释能带理论提出并得到证实，从理论上解释 了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；了导体、半导体、绝缘体的性质和区别； FermiFer

10、mi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出19471947年年 发明晶体管发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获（肖克莱、巴丁、布拉顿获19561956年诺贝尔物理奖）年诺贝尔物理奖）19571957年年 建立建立FermiFermi面编目面编目19621962年年 制成集成电路（制成集成电路（ICIC） 19651965年摩尔定律：芯片容量每年摩尔定律：芯片容量每18182424个月翻番。个月翻番。7070年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLICVLIC）直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术纳米（纳米（ ）

11、技术）技术m109 皮秒（皮秒（ ）技术）技术s1012 超导技术超导技术.IBMIBM公司构成公司构成的铂片表面的的铂片表面的“一氧化碳人一氧化碳人”身高身高5 5纳米纳米。物理学物理学提供科学原理提供科学原理指导技术路线的选择和技术方案的改进指导技术路线的选择和技术方案的改进培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼光远，层次高，后劲足光远，层次高，后劲足全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课 物理学的研究成果和物理学的研究成果和研究方法直接影响和推研究方法直接影响和推动着其它学科的发展。动着其它学科的发展

12、。 DNA双螺旋结构图双螺旋结构图两个物理学家两个物理学家一个生物学家一个生物学家一个化学家一个化学家1962年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖1953年，克里克、威尔金斯发表论年，克里克、威尔金斯发表论文，文，DNA结构首次诞生。结构首次诞生。 高新技术如空间技术、现代通信技术、微电子技高新技术如空间技术、现代通信技术、微电子技术、激光技术等的发展都与物理学密不可分。术、激光技术等的发展都与物理学密不可分。 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM) 被激光囚禁的伽原子云被激光囚禁的伽原子云 1982年，国际商业年，国际商业机器公司苏黎世实验室机器公司苏黎世实验室的葛的葛.宾尼宾尼博士和海博士和海.罗罗雷

13、尔雷尔博士及其同事们共博士及其同事们共同研制成功了世界第一同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪台新型的表面分析仪器器STM。 （应用隧道效应的显微镜）应用隧道效应的显微镜）单原子拼成的汉字单原子拼成的汉字 STM 操纵原子不是梦操纵原子不是梦 它使人类第一次能够实时地它使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为化学性质，被国际公认为80年代年代世界十大科技成就之一世界十大科技成就之一。1986年，年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔

14、物理学奖。微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。 在温度在温度4K、超高真空的条件下，在清洁的单晶超高真空的条件下，在清洁的单晶Cu表面蒸镀一层表面蒸镀一层Fe原子然后用扫描隧道显微镜针尖操作，原子然后用扫描隧道显微镜针尖操作，让让48个个Fe原子围成一个半径为原子围成一个半径为713nm的圆圈的圆圈“量量子围栏子围栏”。 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)二二.学什么？学什么？知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律1.学习物理知识要注意学习物理知识要注意 整体性整体性、发展性发展性和和迁移性迁移性。整体性注意掌握注意掌握知识的结构和联系知识的结

15、构和联系形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象避免：避免：只见树木，不见森林。只见树木，不见森林。 只得到一堆支离破碎的公式。只得到一堆支离破碎的公式。场场 物质的形态：物质的形态：实物实物 运动的形式：运动的形式：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量子运动量子运动 这些是物质运动这些是物质运动最基本、最普遍最基本、最普遍的运动形式的运动形式物物 质质 世世 界界物理学是研究物理学是研究 物质结构和运动基本规律的科学物质结构和运动基本规律的科学 物理学有许多分支学科物理学有许多分支学科 ，如力学、热学、电磁学、光，如力学、热学、电磁学、光学、统计物理学、量子力学

16、、凝聚态物理学、粒子物理学学、统计物理学、量子力学、凝聚态物理学、粒子物理学(高能物理高能物理)等等。物理学的研究范围是非常广阔的。等等。物理学的研究范围是非常广阔的。银河系银河系 现代的标准宇宙模型告诉现代的标准宇宙模型告诉我们，宇宙是在一百多亿年前的我们，宇宙是在一百多亿年前的一次大爆炸中诞生的。以一次大爆炸中诞生的。以s（秒）秒）为单位，宇宙的年龄约为为单位，宇宙的年龄约为1018s的的数量级数量级 。 1. 从时间尺度来看从时间尺度来看s10s102718共计跨越了共计跨越了4545个数量级个数量级s1018 宇宙年龄：宇宙年龄： 150 150 亿年亿年 生命的诞生：生命的诞生：约约4040亿年亿年人类：人类：300300万年（万年（10101414s s）中间玻色子寿命：中间玻色子寿命：10102424s s地球年龄地球年龄: :s10106 . 4179 年年大爆炸大爆炸 时间跨时间跨4545个数量级个数量级 硬硬 射线的周期是射线的周期是 10 10 2727S S。 2. 从空间尺度来看从空间尺度来看 跨越了跨越了4243个数量级个数量级粒子物理学的研粒子物理学的研究