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1、1力力 学学(Mechanics)(Mechanics)我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学的全部责任似乎在于从运动的现象去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其他现象。牛顿， 自然哲学的数学原理（1686）大学物理课的头一年一向是最困难的，在第一年里，学生要接受的新思想、新慨念和新方法，要比在高年级或研究院课程中还要多得多。一个学生如果清楚地理解了力学中所阐述的基本物理内容，即使他还不能在复杂情况下运用自如，他也已经克服了学习物理学的大部分的真正困难了。伯克利物理学教程力学卷 （1973）2力学力学教案之一教案之一教学章节 第一章 物理学和力学教学学时 2 学时教学目的和要求 物理学
2、是自然科学中最基础的学科，力学是物理学中最基础的学科，它不 但给出了物体作机械运动时的运动规律，还包含有运动、能量、动量等最基本的 物理学概念以及对这些概念的表述，因此将力学放在物理学乃至整个自然界的背 景中介绍，目的是让学生在学习力学的过程中，不仅仅只是掌握牛顿力学的公式 和计算方法，还要为学习其他的物理学课程做好准备。教学重点 物理学的方法和理论，物理学的时间空间计量和时空观以及力学与物理学 及技术的关系是本章的重点，另外对大一新生讲讲学习方法也很有必要。教学手段利用 Powerpoint 课件讲述，课件中尽量多的插入图片和表格。教学内容和程序1.1 物理学是自然科学最基础的学科1物理学的
3、研究对象：物质世界及其运动规律 （1）物质世界的层次物质世界的空间尺度对象m 宇宙(哈勃半径)21026 星系团21023 银河系半径11021 太阳系半径61012 太阳半径7108 地月距离3.8108 地球半径6.4106 珠穆朗玛峰高度8.84103 人类身高1.5-2.3100 大肠杆菌 DNA 长度110-3 最大分子长度110-4 血液红细胞平均直径7.510-6 可见光波长5-710-7 小分子110-9 氢原子直径110-103原子核直径110-14 质子直径110-15物质世界的时间尺度对象s 质子半衰期51038 宇宙年龄（大爆炸发生）51017 地球年龄1.51017
4、古人类出现11014 人类文明史1.51011 人的寿命2-3109 免疫 B 细胞平均寿命3106 中子寿命9.3102 超快速摄影曝光时间110-4 子的寿命2.210-6 0介子的寿命0.8310-16 核碰撞时间间隔110-22 共振态的寿命10-23-10-24 Z0粒子的寿命110-25物质世界的粒子数对象质子和中子数 宇宙1080 太阳11057 地球41051 人11029 一克原子（阿伏伽德罗数）61023 细胞1013-1014 DNA 分子108-1010（2）物质世界的结构 今天的基本粒子 夸克U d c s t b6 味 3 色正 36 种 轻子e e 正 12 种
5、媒介子 W+ W- Z0 8 种胶子（引力子）共 13 种 合计61 种*理论还提出：磁单极子，Higgs 粒子夸克（交换胶子）强子（质子，中子等重子及，K 等介子） 重子（交换介子）原子核4等离子体-恒星-星团-星系-星系团-宇宙 原子核+电子(交换光子)原子-分子-蛋白质-生物（3）宇宙的起源和演化1010a0.5106a2-3min10-6s 10s10-35s 10-43s 恒星系形成0 强子时代 轻子时代 辐射时代 直至现在1032K1027K1013K1010K3000K2.7K 标准宇宙模型示意（4）非线性系统的复杂性线性与非线性 混沌与有序 介观物理学 复杂物理体系 2物理学的
6、研究方法和理论 （1）物理学研究以实验为基础古代：亚里士多德，墨子，以思辩为主17 世纪： 力学伽利略，牛顿18-19 世纪：热力学卡诺，焦耳，开尔文，克劳修斯统计物理玻耳兹曼，吉布斯电磁学库仑，安培，法拉第，麦克斯韦20 世纪： 相对论爱因斯坦量子力学汤姆逊，卢瑟福，薛定谔，海森堡，狄拉克，玻尔 （2）物理学的研究模式一 一一 一一 一一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一
7、 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一5（3）物理学理论3.物理学与其他自然科学学科的关系 (1) 物理学与数学 微积分,矢量分析,微分方程,级数等已成为物理学的基本工具 广义相对论与黎曼几何 量子力学与希尔伯特空间 (2) 物理学与化学 物理化学 量子化学 化学物理 (3) 物理学与生物学 生物力学 生物物理学 DNA 双螺旋结构 人工合成胰岛素1.2 物理学与高新技术1. 历史回顾 力学,热力学-机械,蒸汽机 第一次工业革命一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1687一 一一 一一 一 一
8、一一 一一 一 一 一 一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1867一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1905一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1925）一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1930-1958） 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1934-一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1915一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1948）一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1967）一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1970一 一一 一一 一一 一 （？）一 一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一
9、一 一 一 1687一 一一 一一 一 一 一一 一一 一 一 一 一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1867一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1905一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1925）一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1930-1958） 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1934-一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1915一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1948）一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1967）一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1970一 一一 一一 一一 一 （？）一
10、一一 一 一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1687一 一一 一一 一 一 一一 一一 一 一 一 一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1867一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1905一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1925）一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1930-1958） 一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1934-一 一一 一一 一一 一一 一一 一 一 一 1915一 一一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1948）一 一一 一一 一一 一一 一一 一 （1967）一 一一 一一 一一 一一 一 一 一
11、1970一 一一 一一 一一 一 （？）6电磁学-电机,电报,无线电 2. 物理学与信息技术 量子力学 固体物理 半导体 晶体管 集成电路 大规模集成电路 计算机 量子统计 受激辐射 激光器 量子信息理论 量子通信 量子计算 3. 物理学与能源技术 核物理 狭义相对论 核能源（裂变、聚变） 太阳能 风能 海洋能 地热能 4. 物理学与材料技术 固体物理 半导体 超导物理 超导体 光子晶体 5. 物理学与分析检测技术 扫描隧道显微镜(STM) 扫描探针显微术(SPM) 表面科学 薄膜研究 单原子操纵和控制 核磁共振(NMR) 物质结构分析 核磁共振成象 光学相干断层扫描成象技术(OCT)1.3
12、物理学中的时间和空间1. 时间的计量 古代：沙漏 水钟（我国古称“漏刻” ） 1657 年（惠更斯）：钟表的擒纵机构 现精度可达 10-7 1929 年（马里逊）：石英的压电效应精度可达 10-9 1967 年 第十三届国际计量大会规定：铯-133 原子基态的两个超精细能级间 跃迁相对应的辐射的 9 192 631 770 个周期的持续时间作为 1s（秒）铯原子 钟的精度达 10-14 2. 长度的计量 18 世纪末：规定通过巴黎的子午线的 4107分之一为 1m（米） 19 世纪末：按以上标准铂铱合金米原器 1960 年定义：米等于氪-86 原子的 2p10和 5d5能级之间跃迁所对应的辐射
13、 （橙红色）在真空中的 1 650 763.73 个波长的长度。 相对误差可达 10-8。 1983 年定义：光在真空中传播（1/299 792 458）s 所经路程的长度。 相 对误差为 410-9。 光年：1ly=9.460 5301015m 秒差距：1pc=3.085 6781016m=3.261 633ly3. 物理学时空观 牛顿的时空观：绝对的，时空无联系，与运动无关“我不给时间、空间、位置和运动下定义，因为那是大家都知道的。 ”“绝对、真正和数学的时间是自在的，与任何外在的东西无关，它均一7地流逝着，又称为持续。 ”“绝对空间的自身，与任何外在的东西无关，永远保持不变和不动。 ”
14、相对论时空观：相对的，时空有联系，与运动有关同时的相对性 运动时钟变慢 运动尺度缩短 4参考系和坐标系 参考系：为了描述一个物体的运动，必须选另一个物体为参照物，被选作参 照物的物体称为参考系。我们时常选地球为参考系，又称为实验室参考系。坐标系：为了定量地描述运动，又在参考系上建立起坐标系。常用的有直角坐标系、极坐标系、球坐标系等。1.4 单位制和量纲1 基本单位和导出单位 基本单位直接规定其单位的物理量 导出单位不直接规定其单位，需由它和基本量的关系决定其单位的物理量 2 国际单位制（SI） 1960 年第 11 届国际计量大会通过，其基本单位为 m（米） 、kg（千克，公 斤） 、s（秒）
15、 、A（安培） 、K（开尔文） 、mol（摩尔）和 cd（坎德拉） 。对 平面角的单位 rad（弧度）和立体角的单位 Sr（球面度）未指定是基本单 位还是导出单位，称作“辅助单位”国际单位制词冠及符号数量级词冠汉译符号量级词冠汉译符号 10-1Deci分d10deca十da 10-2Centi厘c102hecto百h 10-3Milli毫m103kilo千k 10-6Micro微106mega兆M 10-9Nano纳n109giga吉G 10-12Pico皮p1012tera太T 10-15Femto飞f1015peta拍P 10-18Atto阿a1018exa艾E 10-21Zepto仄z1021zetta泽Z 10-24Yocto幺y10-24yotta尧Y3 量纲式 导出单位对基本单位的依赖关系式称为该导出量的量纲式，例如，dimv=LT-1，dimF=LMT-2。一般的，国际单位制中物理量 A 与基本量的关系式为dimA=LpMqTr 其中 p、q 和 r 称作量纲指数，将 LpMqTr称作 A 的量
