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1、 第一讲 物理学的基本概念范畴大学物理专题讲座Date1第一讲 物理学的基本概念范畴一、物理学的概念范畴1、总范畴物质存在的基本形态：实物与场（粒子与场） 物质的根本属性：运动的绝对性、运动描述的相对性、各种低级的运动形式 物质存在的基本形式：时间和空间光延性2、具体学科的范畴比如，力学：力、质量、惯性、碰撞、参照系二、物理学的研究对象 物质的结构以及各种低级的运动形式比如，电磁学：电场强度、电势差、位移电流、涡旋电场比如，热学：温度、内能、理想气体、熵、比如，光学：干涉、衍射、偏振、双折射基本概念导出概念Date21、实物与场三、大学物理学基本概念范畴的简单讨论物质的定义：客观实在性无论实物
2、还是场实物的 （到目前）十种形态日常条件 固、液、气、非晶态、液晶态超高温 等离子态：恒星内部超高压 超固态：恒星后期的“白矮星”，原子被压碎中子态：恒星后期的“中子星” ，原子核被压碎黑洞 超低温 超导态：比如，水银的温度将到4.173K，即 269时超流态：比如，液态氦的温度将到2. 17K， 出现超流动态描述实物运动规律的理论：成熟的经典力学、热力学、电动力学；不完全成熟的量子力学、不成熟现代宇宙学 关于实物Date3量子力学的不足主要侧重于实物粒子的波粒二象性，甚至没有把光当作粒子处理；在粒子的基础上谈其波动性概率波波、粒二象性地位不平等；实物粒子的波动性概率波不是真正物理波场；不能描
3、述粒子的产生与消失微观粒子的转化；传递实物间相互作用的一种形态； 场是物质存在的基本形态；场可以量子化 波粒二象性场与实物并无定性区别： 质能守恒目前对场 的认识描述场运动规律的理论：成熟的电动力学、不完全成熟的量子场论 关于场Date4实物与场的统一：量子场论关于物质存在形式的基本观点：场是物质存在更基本的形态: 场处于基态时无能量、信号释放；实物粒子是场量子的激发态； 两种场:实物粒子场 场量子是实物粒子：电子场、中子场相互作用场 场量子是媒介粒子：引力场、电磁场真空是各种量子场的基态零点振动和虚粒子 实物粒子之间的相互作用表现为场之间的相互作用；实物粒子场 相互作用场引力相互作用 电磁相
4、互作用 弱相互作用 强相互作用量子几何动力学 (引力场、实物粒子场)量子电动力学 (电磁场、电子场)量子色动力学 (胶子场、夸克场)统一场论 （引力场与电磁场的统一）大统一理论 四种相互作用超统一理论，超对称理论 实物粒子场与 相互作用场两种量子场的统一量子味动力学 (电磁场、电子场)Date5狄拉克方程引力场 电磁场 弱相互作用场 强相互作用场引力场方程 麦克斯韦方程组量子色动力学相对论粒子方程普罗卡方程实物与场的统一：量子场论关于场的特性和实物粒子的特性一切微观粒子(实物粒子和媒介粒子 )都对应其量子场(实物 粒子场和媒介粒子场) 实物粒子场(电子场) 没有经典场概念与其对应量;相互作用场
5、(电磁场、引力场)有经典场概念与其对 应量，是相互量子场的极限； 任何量子场都是真实的物理波场，可以用波动方程描述；用算符进行描述其运动规律量子场的基态：“真空态”，彻底否定了脱离物质的绝对时空观；实物粒子场Date6 大学物理学概念体系的尝试1“实物与场”的角度第一篇 宏观力学第1章 低速范围的宏观力学牛顿力学 第2章 高速范围的宏观力学狭义相对论 第3章 万有引力场与天体力学 第4章 广义相对论与宇宙学基础第二篇 电磁场第5章 电荷与电场 第6章 电流与磁场 第7章 电磁感应 第8章 麦克斯韦方程组与电磁辐射 附录 高速运动的电荷与电场的磁场统一性Date7两类粒子 两类波微观粒子 （正、
6、反粒子）实物粒子媒介粒子质子、中子、 轻子（电子、中微子） 夸克引力子？ 光子 中间玻色子介质波概率波机械波：声波、水波波粒二象性 ：光波、物质波（德布罗意波）介质波：需要介质（媒质），介质粒子的振动能量的 传播，介质粒子没有迁移是一种经典的机械波；概率波：无需介质（媒质），波动场粒子可以脱离波源独立 的传播能量的传播；波强弱并非是波动场粒子的真实行 为，只是波动场粒子的可能出现的时空几率是一种不完 备的量子观点、波粒二象性的描述；2、粒子与波Date8介质波（机械波）波动方程平面简谐波的波函数对波函数求时间t 的偏导数，得对波函数求传播空间x 的偏导数，得综合，得 波动方程物理学的典型方程之
7、 一；麦克斯韦据此推 断出光的电磁说设原点的扰动函数简谐运动Date9概率波（波粒二象性）的薛定谔方程将该波函数对时间求导，得将波函数求空间x的偏导数，得自由粒子的波函数平面波同理可得自由粒子的能量和动量的关系三式相加得Date10算符设力场的势能函数为， 则薛定谔方程改写（1）（2）式近代物理学的典型 方程之一；波恩解 释概率波Date11目前大学物理（普通物理学）的概念体系力学；热学；电磁学；波动与光学概念体系的错误； 量子物理伯克利物理教程张三惠分科的 高中物理新课程标准体系3-4（一）机械振动与机械波；（二）电磁振荡与电磁波； （三）光干涉、衍射和偏振；（四）相对论 关于两类波(介质波
8、与概率波)科学思维关于两类波(介质波与概率波) 研究方法虽然宏观电磁波与机械波所遵从的数学规律是相同的，但 是其本质完全不同； 表面上降低了高中甚至大学生的学习难度，实际上可能殆 误了这些人才的终身创造力。Date12大学物理学概念体系的尝试2“粒子与波”的角度第三篇 振动与波 第9章 振动机械振动与电磁振荡 第10章 波动机械波与电磁波 第11章 光的波动性第四篇 物质的波粒二象性 第12章 光的二象性 第13章 物质波量子力学基础 第14章 原子物理学第五篇 大量粒子运动的宏观规律 第15章 热力学 第16章 统计物理学基础Date13 单位秒：一个“平太阳日”的1/86400为1秒；19
9、67年，铯-133 原子基态，在零磁场跃迁周期：1秒=9192631770T。 米： 经过巴黎子午线1/4千万为1米；1米=光在真空中经历 1/299792458秒所经过的距离。（在真空中的光速为普适 常数） 物理学的旧时空观盖天说地心说： 唯物地解释自然、生产实践、时间的无限性； 绝对静止的存在、被宗教神学利用（托马斯阿奎那TAguinas）代表人物：托勒密 应当指出旧时空模型 主要观点 承认时间、空间是客观存在的 空间的“上”、“下”观念是相对的；宇宙空间有限有中心， 承认时间的无限性；意义 没有说明时间与空间、时空与物质、时空与物质运动之关系。3、时间与空间Date14 物理学的经典时空
10、观哥白尼日心说：伽利略的主要贡献伽利略变换 牛顿的主要贡献 承认时间、空间的客观实在性将实验方法、数学方法引入物理学的研究惯性定律 低速宏观伽利略相对性原理经典时空模型 代表人物：哥白尼、伽利略、牛顿哥白尼的主要贡献“太阳中心说” 取代“ 地球中心说”数学表达越简单越接近自然； 建立了绝对的时空观() 时间、空间彼此无关，各自独立；() 时间一维单向有始无终， () 空间三维的均匀性、各向同性和无限性; 超距、质点 发明了微积分；发现了万有引力定律；建立了动力学三定律；Date15绝对时空观的功过是非功时间的均匀性能量守恒定律空间的均匀性动量守恒定律空间的各向同性角动量守恒定律过时间与空间彼此
11、无关时间与空间与物质的运动状态无关同时性的绝对性超距作用抛弃了旧的时空观； 惯性系是等价的绝对静止的空间； 特殊的惯性系 以太 狭义相对论的时空观（高速、宏观、惯性系等价） 继承绝对时空观： 时间的一维、均匀、无限；空间的三维、均匀、无限； 发展了“宇宙无中心”的观点时空对称原理 建立四维时空坐标Date16 抛弃了绝对时时空观相对时空观洛仑兹变换时间与空间皆与物质的运动状态有关空间间隔是相对的时间间隔是相对的同时性是相对的光速不变原理爱因斯坦火车理想实验运动的时间变慢运动尺子收缩Date17由 得当 时，有 同时性不同时的简单理论证明 同时性不同时的理想实验证明：爱因斯坦火车理想实验Date
12、18 四维时空间隔不变性时空相对、 赝欧几何、 惯性系等价注1： 狭义相对论的两条基本假定光速不变原理相对性原理注2： 狭义相对论的实验基础迈克尔逊莫雷实验实验第一步实验第二步时间差附加光程差两步实验的条纹应当移动N=0.37个条纹，但是实验结果N=0Date19第一束光在以太参照系的时间t1（光程 ）光束由分光板P射向M2需时间1光束由M2返回分光板P需时间2 迈克尔逊莫雷实验的原理及其结果证明迈克尔逊干涉仪 Date20第二束光在以太参照系的的时间t2（光程 ）所以 Date21所以得实验第一步同理得实验第二步时间差对应附加光程差两步实验的条纹位置，应当移动N=0.37个条纹， 相当于明暗
13、条纹互换位置，但是实验结果N=0此时，会有一个稳定的条纹分布此时，亦会有一个稳定的条纹分布Date22 广义相对论的时空观（非惯性系与引力场等价） 进一步发展了“宇宙无中心”的观点等效原理 补充了时空观念依赖于物质分布的相对性引力场方程广义相对性原理：一切物理规律在任意参考系间等价。 运动的绝对性 补充了时空结构与物质分布的关系 空间弯曲物质密度越大的地方统一时空弯曲的曲率越大空间越弯曲 时间流逝越慢引力张量； 黎蔓曲率张量； 时空度规张量 ； 宇宙半径关于非 惯性系等效原理：加速场与引力场等效；无法区分Date23 广义相对论的近代引力理论 宇宙空间是有限的还是无限的有限无边小 尺度宇宙：渺
14、观轻子、光子、夸克以下的层次微观光子、质子、中子、原子核、原子、分子、有机物 时间有始有终，还是无始无终？物理学“宇宙”的“生死”交替，构成了哲学“宇宙”的时间的无限性大尺度宇宙： 宏观行星、恒星、恒星系统（太阳系）宇观银河系、星系群、星系团之间的暗物质胀观超星系团、总星系无限宇宙 大爆炸宇宙模型无限膨胀，直至消亡；无限膨胀；膨胀一定阶段，转化为收缩。宇宙辐射背景； 氦丰度 天体年龄物理学的，？哲学的，？现代宇宙学 的理论基础Date24 时间和空间可能存在着一个最小限度时间、空间量子化普朗克时间普朗克长度美国物理学家古斯（guth） 的暴胀宇宙模型：宇宙起源于物理点，而非数学点超过以上范围，现今物理学理论已不适用假真空态黑格斯场， 其能量密度是原子核密度的 倍。 宇宙并非起源于时间、空间和没有物质的“虚无”假真空态 真空也有复杂的结构真空各种基态量子场
