物理学培训讲学

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1、物理学,史彭,QQ:52528242,物理作业要求: 1.各班统一卖有建大抬头的暗格纸； 2.每班发一份作业，大家抄题，做作业； 3.每次作业前面写班级、学号、姓名，订好； 4.交作业时，学委按学号排号交； 5.发现抄别人的作业，按0记！重做！ 6.不抄题的作业按0记！重做！ 7.不按时交作业按0记！,上大学的目的,获取知识,提高能力,没有足够的知识就无法认识世界；无法完成工作岗位的要求！,没有足够的能力就无法改造世界；不能重新！无法完成高级岗位的要求！,获取知识,基础知识,专业知识,包括：数学、物理、计算机、外语等。 基础知识是专业知识的基础，也是工作的基础！,包括：各种专业基础、专业课程等

2、。 专业知识是完成专业任务必备条件！,基础做厚、做牢才可能盖高楼！,创新思维 一切不完美，都有可能改进,单摆：小球质量不变 变化是沙漏摆 摆线长度不变 变化是弹性摆 摆线很长 为0为扭摆（物理摆）。,反常思维,2004年诺贝尔物理奖 强相互作用的“渐进自由”,类比思维,变化磁场产生 电场，那么变化电场 ？,创新能力,为什么要学习物理学？,物理学是一切自然学科的基础，要成为专家必须学好物理学！,物理学中的思维、研究、内容最丰富、最有效,物理学对各种工科专业有直接和间接的支撑,1. 青年人具有较强创造性 爱因斯坦、德波罗意、2004年诺贝尔物理奖中一位都是在25-26岁突破的。,2. 人类科技与自

3、然威胁赛跑！ 直径1公里以上的小行星撞击地球，地球生物就会“清零”,小行星撞击地球是可能的吗？,为什么要抓紧学习物理学？,1937年10月30日直径1500m的赫米斯从地球和月球之间飞过!,1994年10月另一颗小行星掠过地球,2002年编号2002MN小行星掠过地球,要避免小行星撞击地球，必须,近早发现（光学测量技术）,准确测定（时间、长度、质量）,确定运动规律（物理规律、计算物理）,改变其运动规律（核物理等）,总之，要避免小行星撞击地球，必须尽快学好物理学！,一. 物理学的内涵,物理学 (Physics),自然界万物由物质构成。物质大致可分为： （1）固态物质 （2）液态物质 （3）气态物

4、质 （4）液晶态物质、。 （5）还有一种特殊形式的物质场，电场、磁场、电磁场、引力场。 物理学研究自然界中各类物质的结构及各类物质具有的各种性质。,认识各类物质结构，可以掌握物质的共性！,自然界万物都不是独立的，各个物质之间每时每刻都在相互作用。在物质内部，组成物质的分子、原子每时每刻也在相互作用着。 由于物质不同，其相互作用方式也不同，如 （1）固体物体之间的摩擦作用； （2）液体物质之间的粘滞作用； （3）气体物质之间的扩散作用； （4）电场对电场中电荷的作用，。 物理学研究自然界中各类物质的各类相互作用所遵循的方式和规律。,自然界万物都在永不停息地运动着。 由于物质不同，运动方式不同，各

5、类物质运动所遵循的运动规律也不同。如： （1）刚体转动规律； （2）热量传递规律； （3）光干涉、衍射规律等。 物理学研究自然界中各类物质的各种运动的运动方式和运动规律。,物理学是研究物质世界中最基本形态的科学,物理学是一门定量的科学，需要用一组“物理量”定量地描述物质的性质、物体的运动规律。 以下通过几个常用物理量的分析，让同学们了解物理学的博大。,长度 长度是物理学最常用的物理量之一。国际单位制（SI）中长度的单位为：米（m），这是由于我们周围常见物体的尺寸大致在米的数量级。,物理学中的物理量,我们已熟悉了常规尺寸物体的测量，从我们常见物体向下看 纳米材料颗粒的尺寸为小于100nm（10-

6、7m）。可以用电子显微镜进行观察测量； 分子、原子的尺寸为10-7 10-10m。可以用X射线衍射进行测量，也可以用电子探针隧道显微镜进行观察测量； 原子核、层子、电子的尺寸为10-15m。可以用多种具有量子效应的仪器间接进行测量。,从我们常见物体向上看 地球的尺寸为106 107m。可以卫星直接进行观测； 太阳系的尺寸为1013m。可以用天文望远镜直接进行测量； 超星系团的尺寸为1024m（100亿光年）。目前，人类可以观测到的最远距离为1026m ，可用哈勃望远镜进行观测。 人类最短最长能够观测的距离相差1041倍！,最小 的细胞,原子,原子核,基本粒子,DNA长度,星系团,银河系,最近恒

7、星的距离,太阳系,太阳,山,哈勃半径,超星系团,人,蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次,时间 时间也是物理学最常用的物理量之一。国际单位制（SI）中时间的单位为：秒（s），这是由于我们人类的脉搏大致在秒的数量级。,我们已熟悉了常规时间间隔的测量，让我们向下看： 照相机快门的时间间隔为10-2s； 计算机时钟晶体振动的周期为10-9s（频率1GHz）； 飞秒激光器发出的脉冲激光时间间隔为10-15s； 基本粒子的平均寿命为10-25s。,再让我们向上看： 地球年龄为1025s（46亿年）； 质子p的平均寿命为1039s。 人类最短最长能够准确测量的时间间隔相差1064倍！,质量 质量也是物

8、理学最常用的物理量之一。国际单位制（SI）中质量的单位为：千克（kg），这是由于我们人类周围常见物体的质量大致在千克的数量级。,我们已熟悉了常见物体的测量，让我们向下、向上看： 电子的质量为10-31kg； 人类正在测量中微子、引力子的质量！ 地球的质量为1025kg； 已知宇宙的部分质量为1053kg。,人类最轻最重能够准确测量的质量间隔相差1086倍！,从以上分析可以看出物理学研究的范围非常博大！随着科学技术的不断发展，会使得我们看得更近、更远；时间测量的更短、更长；物体质量测量的更轻、更重。,人类迫切需要科技发展来保护人类!如小星球碰地球.,物理学的分支,物 理 现 象, 牛顿力学 (M

9、echanics) 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律, 电磁学 (Electromagnetism) 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律, 热力学 (Thermodynamics) 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现, 相对论 (Relativity) 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律, 量子力学 (Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律,物理学的五大基本理论,现代物理学,现代物理学的构成,物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段。,物理学的研究方法,提 出 命 题,推

10、测 答 案,理 论 预 言,实 验 验 证,修 改 理 论,现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学,二. 物理学的外延,1 物理学的发展与社会进步紧密相关 物理学的重大发展、突破为社会进步提供了可能，促使社会产生巨大飞跃。 1.1 冶炼技术的产生、发展引起了农业革命 解决了吃的问题，人类数量大量增加。 冶炼技术的核心是物理学金属、合金的热性质，如铜、青铜的熔点等。,1.2 牛顿力学、热力学的产生、发展引起了第一次工业革命 17-18世纪，在牛顿力学、热力学的基础上发明了蒸汽机，为人类提供了巨大的动力，使工业从手工生产大规模工业生产，解决了人类“穿”及日用必需品的产生问题。,1.3 电磁学

11、的产生、发展引起了第二次工业革命 19世纪法拉第、麦克斯韦建立了电磁理论，发明了发电机、电动机、电灯、电讯设备、，建立起电能时代。极大地解放了产生力，大大丰富了人类的物质生活。,1.4 近代物理学的产生、发展引起了第三次工业革命 20世纪爱因斯坦、普朗克等建立了相对论、量子理论，发明了核能、半导体、集成电路、激光、超导、，建立起现代文明时代。,1.5 目前 目前人类社会的进一步发展要求物理学有重大突破。如智能计算机、光子计算机，研究复杂问题（如长期天气预报）都要求计算机计算速度更快、容量更大。 制作这样的计算机要求IC片中线宽更细，正在进入纳米范围，要求物理学解决其量子效应。光子计算机要求物理

12、学解决光量子的问题，以实现光信号的储存、传输、。,2 物理学与其它科学的关系 2.1 物理学是一切自然科学的基础 物理学构成了化学、生物学、材料科学、地球物理学等学科的基础。 物理学的基本概念、研究方法和技术被应用到所有自然科学之中。 2.2 物理学与其它自然科学结合，派生出来许多分支及交叉学科,粒 子 物 理 学,原 子 核 物 理 学,原 子 分 子 物 理 学,固 体 物 理 学,凝 聚 态 物 理 学,激 光 物 理 学,等 离 子 体 物 理 学,地 球 物 理 学,生 物 物 理 学,天 体 物 理 学,宇 宙 射 线 物 理 学,2.3 物理学与数学之间有着深刻的内在联系 （1）

13、物理学需要数学的支持，没有数学强有力的支持，物理学不可能定量的描述物理规律，不可能发展，如物理学需要用到矢量、微积分、统计学等； （2）物理学促使了数学的发展，如研究基本粒子时，需要“群论”，促使了数学“群论”的发展。 历史上许多物理学家也是大数学家，如牛顿等。,2.4 物理学与科学技术的关系 （1）物理学需要科学技术的支持，没有科学技术强有力的支持，物理学许多理论无法验证。如1958年物理学家提出“在弱相互作用下，宇称不守恒”的结论，吴健雄解决了许多技术问题，证明了该结论，才使得该结论得以承认，获得诺贝尔奖； （2）物理学的结论促使了新技术的产生和发展。如约色夫建立了著名的“量子约色夫效应”

14、，在该理论基础上，形成了量子测量技术，为电压测量提供了标准。,物理学和科学技术相互支持发展的两种模式：,（1）第一种模式,如电气化的进程,（2）第二种模式,如热机的发明和使用,目前，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科,核能的利用,激光器的产生,层析成像技术(CT),超导电子技术,a 粒子散射实验,X 射线的发现,受激辐射理论,低温超导微观理论,总之，物理学支持者其它自然学科和科学技术，反映在两个方面： （1）直接支持：物理学中的原理、公式是自然界遵守的普遍规律。其它自然学科和科学技术中的原理、公式仅是自然界在特定条件下的表征。学好物理学为学习其它自然学科奠定基础。 （2）间接支持：物

15、理学研究问题的方法、手段、思维方式最科学、最丰富、最有效，掌握之后，可以应用到其它自然学科的学习研究中，可以有效提高自己的研究能力。 其它自然学科也为物理学提供了新的研究领域。 如基因研究要求更大放大倍数的显微镜；更高精度的温度控制和测量，为物理学提供了新的研究领域。 纳米材料的研究要求物理学解决量子效应、表面积比在物性中的作用等理论问题。 物理学和其它自然学科、科学技术相互支持、相互渗透！,超晶格材料,纳米材料,光子晶体,晶体管的发明,大规模集成电路,电子计算机,信息技术与工程, 几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中经过长期的酝酿。,量子力学,能带理论,人工设计材料,三.

16、如何学好物理学,著名物理学家费曼说：,著名物理学家爱因斯坦说：,3.1 为什么要学好物理学 几十亿人构成的社会就向“金字塔”，每一个人处于一定的位置，要想站的高，就必须打好基础。物理学是这个基础中的关键部分。,3.2 做好中学学习方法向大学学习方法的转变 （1）中学学习以教师讲为主，大学以自学为主。要求： 课前：预习，查阅必要的资料； 上课：认真听、记笔记； 课后：复习，使知识系统化，独立完成作业。 （2）学会读书，掌握自己获得知识的方法。 （3）掌握必要的数学知识，如矢量、微积分。 （4）中学所讲的物理知识大多是特例，大学所讲的大多 的普遍情况。 （5）学习中特别注意培养自己的能力，如获得知识的能 力、查询资料的能力等。,3.3 学习的观点：从整体上逻辑地、协调地学习物理学，了解 物理学中各个分支之间的相互联系。,3.4 学习的关键：,3.5 学习的重点