高职高专物理学—课程概述

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1、物理学高职高专教育.课程概述物理学.宇宙最不可理解之处，就在于它是可以理解的。A=X+Y+Z 。A代表成功，X代表艰苦的劳动，Y 代表正确的方法，Z代表少说空话。 爱因斯坦 常常有同学问我做物理工作成功的要素是什么？ 我想要素可以归纳为三个P， Perception,Persistence,and Power。 Perception眼光，看准了什么东西，就要抓住不 放； Persistence坚持，看对了就要坚持； Power力量，有了力量能够闯过关，遇到困难你 要闯下去。杨振宁只要给我一个支点，我就可以撬动地球。阿基米德 .什么是物理学物理是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。

2、是一门以实验为基础的自然科学,物理学的一个永恒主题是寻找各 种序（orders）、对称性（symmetry）和对称破缺（symmetry- breaking）、守恒律（conservation laws）或不变性（ invariance）。“物理”一词的最先出自希腊文，原意是指自然。古时 欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。从最广泛的意义上来说即是研 究大自然现象及规律的学问。汉语、日语中“物理”一词起自于明 末清初科学家方以智的百科全书式著作物理小识。 在物理学的领域中，研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能 量、空间、时间及它们的相互作用；借由被分析的基本定律与法则 来完整了解这个系统。物理在经

3、典时代是由与它极相像的自然哲学 的研究所组成的，直到近代物理才从哲学中分离出来成为一门实证 科学。课程概述.物理学的学科性质物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性 的总结。这种运动和转变应有两种。一是早期人们通过感官视觉的延伸。二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得 出的结果。物理学从研究角度及观点不同，可分为微观与宏观两部分，宏 观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果，是最早 期就已经出现的，微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善。 课程概述.其次，物理又是一种智能，是概括规律性的总结，是概括经验 科学性的理论认识。诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家

4、玻恩所言：“与其说是 因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为 那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对 客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程 中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此， 使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝。课程概述.物理学的学科性质.物理学的学科性质大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而 且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医 学奖，甚至经济学奖的获奖者中，

5、有一半以上的人具有物理学的背 景；这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域 里获得了成功。反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学 家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没 有物理修养的民族是愚蠢的民族！课程概述.总的来说，物理学研究的内容十分广泛，自然界发生的一切物 理现象，诸如物理的位置变动，声、热、光、电、磁等现象，以及 物质的结构、聚集状态和各种特性，都是物理学所要研究的。按照所研究的物质运动和具体对象的不同，通常物理学分为力 学、声学、光学、电磁学、分子原理、原子原理、原子核物理等分 支。课程概述.物理学研究的内容.物理学研究的内容

6、力学研究的是物体的机械运动规律。声学研究声波的产生、传播、接收和作用等问题。热学研究分子、原子、电子、光子等质点做不规则运动所引起 的热现象极其热运动的的规律。电磁学研究电和磁现象及其电流、电磁辐射、电磁场等。光学研究光的本性，光的发射、传播和接收的规律，光和其他 物质的互相作用（如光的吸收、散射，光的机械作用和光的热、电 、化学效应等）及其应用。分子物理学则是依据分子的结构.分子间互作用力和分子运动的 性质，研究物质的性质和状态。原子物理是研究原子结构及其原子中发生的运动。原子核物理是研究原子核的结构.性质和变化的规律。课程概述.物理学的分类不是固定不变的，随着科学的发展，人们对物理 现象的

7、认识不断深入，它的分类也不断变化，越来越细。近代科学发展的初期，物理学还包括天文学、气象学等部分， 以后这些部分很快成为独立的学科。经历长期的发展，现在力学也 成为独立的学科，并产生了许多分支，如流体力学、弹性力学等。随着物理学的广泛应用，它与其他学科结合，还出现了一系列 边缘科学，如化学物理、天体物理、地球物理、生物物理等。与此 同时，又分化出一些尖端科学技术部门，如原子能、半导体、激光 等 课程概述.物理学的分类依据按照研究方法的不同，物理学又可以分为实验物理和理论物理 俩大类。物理学是实验的科学，实验物理主要是通过观察、测试为理论 物理收集感性材料和发现物理事实，解决实验设计和实验过程中

8、的 技术问题。理论物理的主要任务是，把观察.实验得到的结果和已 发现的原理、定律，形成对比，分析概括，并运用数学进行推理， 研究物理量之间的定量关系，建立统一的物理理论体系。课程概述.物理学的分类依据.物理学的分类依据按研究方向的不同，大致可做如下分类：经典力学及理论力学(Mechanics)研究物体机械运动的基本规 律的规律。 电磁学及电动力学(Electromagnetism and Electrodynamics)研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐 射等规律。 热力学与统计物理学(Thermodynamics and Statistical Physics)研究物质热运动的统计规律

9、及其宏观表现。 相对论和时空物理(Relativity)研究物体的高速运动效应，相关 的动力学规律以及关于时空相对性的规律。 量子力学(Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及 基本运动规律。 课程概述.从古时候起，人们就尝试着理解这个世界：为什么物体会往地 上掉，为什么不同的物质有不同的性质等等。宇宙的性质同样是一 个谜，譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在 运动，并且是什么力量决定着这些规律。人们提出了各种理论试图解释这个世界，然而其中的大多数都 是错误的。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论，它们 不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。像托勒

10、密（ Ptolemy）和亚里士多德（Aristotle）提出的理论，其中有些与我 们日常所观察到的事实是相悖的。当然也有例外，譬如印度的一些哲学家和天文学家在原子论和 天文学方面所给出的许多描述是正确的，再比如希腊的思想家阿基 米德（Archimedes）在力学方面导出了许多正确的结论，像我们 熟知的阿基米德定律。 课程概述.物理学的发展历史物理学的真正建立是在十六世纪以后，由于人们乐意对原先持 有的真理提出疑问并寻求新的答案，最后导致了重大的科学进展， 这个时期现在被称为科学革命。其中起到奠基作用的就是我们熟知 的伽利略。在他的影响下，科学研究采用了系统的实验方法，并在 此基础上发现了许多前

11、所未见的事实，从而很快建立了一套完整的 理论，最终在牛顿手上发展到了一个顶峰。在科学上人们把它称为经典理论物理学，或叫古典理论物理学 。经典物理学以经典力学、热力学和统计物理学、经典点动力学为 基础，构成一个完整.严密的理论体系。这几个体系的建立，标志 着人类对物理现象认识的第一次巨大飞跃，它对生产和科学的发展 起了很大的推动作用。 课程概述.物理学的发展历史到十九世纪末二十世纪初，物理学又发现了一系列新的实验事 实，如电子和放射性现象；迈克耳逊莫雷测量以太实验得出的负 结果；黑体辐射实验等。这些事实冲击了经典物理理论，使得物理 学经历了一次比以前更为深刻的变革，由此诞生了现代物理学。研 究高

12、速（接近光速）物理现象的相对论，和研究微观的量子力学， 乃是现代物理学的两大基础理论。 课程概述.物理学的发展历史物理学的迅猛发展也引发了20世纪科学技术的空前高速发展。 在此世纪内，人类社会在科技进步上经历了一个又一个划时代的变 革。这个世纪之初，人类社会就全面地进入了“电气化时代”。这 是19世纪安培、法拉第、麦克斯韦等一批物理学家和爱迪生等发明 家努力的结果。从上个世纪之交放射性的发现，经过近半个世纪原子物理、核 物理的研究，40年代物理学使人类掌握了核能的奥秘，把人类社会 带进了“原子时代”。今天核技术的应用远不止于为社会提供长久 可靠的能源，放射性与核磁共振在医学上的诊断与治疗作用，

13、已为 人所共知。这个成果是和卢瑟福、玻尔、爱因斯坦、居里夫人和她 的女婿和女儿约里奥-居里夫妇、海森伯、费米、哈恩等一大串光 辉的名字分不开的。 课程概述.物理学的发展历史.物理学的发展历史到了50、60年代，物理学家又发明了激光，它的理论基础是 爱因斯坦1916年提出的光的受激发射过程。今天激光技术已广泛 应于尖端科学研究、工业、农业、医学、通讯、计算、军事和日常 生活，成为几十亿、上百亿的巨大产业。1947年底，巴丁、肖克莱、布赖顿等三位物理学家发明了晶 体管，取代了真空管，标志着“信息时代”的诞生。从物理学的角 度看来，这个婴儿在娘胎里至少孕育了20年。这就是说，20年代 建立量子力学之

14、后，物理学家发展了费米-狄拉克统计、能带论， 从此有了电子和空穴的概念。尔后用掺杂的办法产生了N型和P型 的半导体，这才为晶体管的发明打下基础。而现代计算机的硬件核 心是半导体集成电路，PN结是基础。以上成果又是和一连串物理 学家光辉的名字薛定谔、海森伯、狄拉克、泡利、布洛赫、索 末菲等联系在一起的。现在，人类对物理现象的探索，已经在一条更为广阔更为深入 的阵线上展开，原子核物理和“基本”粒子物理学，凝聚态物理学 、统一场论，是现代物理学中最活跃的部门。课程概述.物理学与其他许多自然科学息息相关，如数学、化学、生物和 地理等。特别是数学、化学、地理学。化学与某些物理学领域的关 系深远，如量子力

15、学、热力学和电磁学，而数学是物理的基本工具 ，地理的地质学要用到物理的力学，气象学和热学有关。课程概述.物理学的地位一、物理学和天文学物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的。当今物 理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是 天体物理。前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在 最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源。可是近几十年的进展表明， 这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科。课程概述.物理学的地位二、物理学和化学物理学和化学从来就是并肩前进的。自从伽利略、牛顿以来， 物理学与天文学已是精密的理论科学，然而长期以来，包括化学在 内的其它自然科学却

16、一直是经验性科学。1998年的诺贝尔化学奖颁给了瓦尔特科恩（W.Kohn）和约 翰波普尔（J.A.Pople），以表彰他们在量子化学方面所做的开创 性贡献。颁奖的公报说，量子化学将化学带入一个新的时代，化学 不再是纯实验科学了。化学是研究分子的学科。此前，如果说物理化学还是物理学和 化学在较唯象层次上的结合，则量子化学已深入到化学现象的微观 机理。近年来，量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催 化和功能材料等物理学与化学间的交叉学科，取得了长足的进展， 今后两学科之间的合作将更为兴旺发达。课程概述.物理学的地位三、物理学和生物学物理学和生物学的相互渗透，前途是不可估量的。早在40年代 ，量子力学的创始人之一薛定谔在生命是什么？一书里预言： “生命的物质载体是非周期性晶体，遗传基因分子正是这种有大量 原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体；这种非周期性晶体的结 构，可以有无限可能的排列，不同样式的排列相当于遗传的微型密 码；”他所说的这种