大学物理绪论修改精简(最简)

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1、大学物理电子教案中南大学物理科学与技术学院二00八年九月编者：周克省第一学期：64学时（72学时）第一篇 力学（含相对论）第二篇 热学第三篇 振动和波第四篇 波动光学第二学期：56学时（64学时）第一篇 电磁学第二篇 量子物理讲座：激光，半导体等教学内容安排大学物理绪论绪 论一、什么是物理学？二、物理学发展历史回顾*（从古代到现在）三、物理学对人类社会文明的贡献四、物理学的研究方法*五、大学物理课程的地位六、怎样学好物理学1、什么是物理学众所周知，自然界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的。自然界，处于一个浩瀚无边的时空范围，存在各种各样的物质客体。空间范围大到200亿光年（21026m，宇

2、宙），小到10-16m以下的基本粒子。分为宇观（天体）、宏观、介观、微观层次。宇宙物理和粒子物 理在宇宙早期统一宇观宏观介观微观仙女座大星云黑眼星云银河系地球太阳系 “大”天体物理学48个Fe原子的Cu表面 扫描隧道显微镜照片 。DNA晶体结构模型细胞结构C60操纵原子单个原子照片水分子目前公认组成物质 的最小单元是夸克 “小” 粒子物理学时间范围长到1.51018s（200亿年,宇宙年龄）， 短到10-2410-28s的微观粒子寿命。宇宙中的物质客体处于永不停息的运动中，彼此相互作用、相互转化，运动形式多样，各有规律。对这些规律的研究形成了不同自然科学（天地生物化）。接近光速运动的太空船什么

3、是物理学？物理乃“物”之“理”，“物”指物质 世界，“理”指物质运动的基本规律。 速率范围0（静止）-3108 m/s(光速)物理学研究物质结构、运动和相互作用的基本规律以及它们的实际应用的科学。特点：与其它科学相比，物理学更着重于对物质世界最普遍、最基本的规律的追求。所以，物理学是其它自然科学的基础，是工程技术的源泉；物理学作为自然科学的带头学科，历来是人类物质文明发展的动力；作为人类追求真理、探索未知世界奥妙的工具，物理学又是一种哲学观和方法论，其中充满着活的哲学思想。物理学科分类： 按分支学科分类：力学、热学、电磁学、光学、近代物理学 按物质形体大小分类：粒子物理、核物理、原子物理、分子

4、物理介观物理、凝聚态物理、天体物理、宇宙物理等二、物理学发展历史回顾*物理学发展经历了古代物理学、经典物理学、现代物理学时期。 1、古代物理学时期（远古16世纪以前）中国和古希腊对古代物理学的贡献最为显赫。 中国四大发明：指南针、火药、造纸和印刷术，在农业、手工业、天文、航海、军事、桥梁和数学等方面曾居于世界前列，物理学也达到了很高水平。但在明代以后，中国的物理学以及科学技术发展缓 慢。在近代,中国对世界的物理学没有大的贡献，在中学教科书上没有中国人的名字。 中国古代物理学成就体现在以下方面： 关于物质本原 （物质的起源与构成）“阴阳学说”、“五行思想”、“原子观点”、“元气说” 阴阳学说（老

5、子）： 世间万物的千变万化、生生不息都归结于阴阳之间的彼此消长、对立统一、相互作用和相互转化 五行思想（战国，邹衍）： 万物皆由“金木水火土”这五种元素构成。 原子观点： 墨经：存在构成物质的最小颗粒。 庄子天下：“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，认为物质可无限分割。 元气理论（王船山，王充）： 万物由物质性的元气构成。关于时间、空间和运动的认识魏国尸佼最先给宇宙定义：“上下四方曰宇，往古今来曰宙”，宇即空间，宙即时间。关于运动与静止，墨家定义：“动，域徙也”“止以 久也”即：运动意味物体位置的改变，静止意味物体处于某一位置有一段时间。汉代春秋伟元命苞：“天左旋，地右动”，是对 运动相对性的描

6、述。春秋伟考灵曜：“地恒动不止，而人不知，比如人在大舟中，闭而坐，舟行而人不觉 也”，是相对性原理的思想。关于力的认识 墨经：“力，刑之所以奋也” 。 “刑”即“形” 为物体，“奋” 为“运动状态的改变”，与牛顿定律不谋而合。墨家认识到，浮体的重量与水对物体下沉部分的浮力相等(浮力定律)。“曹冲称象”“燕昭王命水官用船称大 肥猪”至于弹力，许多书籍中记载了外力与形变正比。古代利用杠杆原理制成的各种机械、工具、衡器普遍使用。张衡发明的地动仪，用到了惯性和杠杆原理，可判断地震方向。关于光的认识 墨经记载：光的直线传播、光的反射和折射（平面、凹面和凸面） 、光的色散、小孔成像实验等。宋代沈括梦溪笔谈

7、中：对凹面镜和凸面镜的成像规律、测定凹面镜焦点的原理以及虹的成因等均有创造性 的阐述（几何光学） 。关于电和磁的认识“电”字最早见于西周的青铜器铭文中（指雷电）。 对磁现象，吕氏春秋：“慈石召铁，或引之也”“ 石，铁之母也。以有慈石，故能引其子”，明确描述了磁石的吸铁性如同慈母吸引着自己的孩子。战国韩非子 记载有司南勺（指向工具）。后来有指南鱼、指南龟 、指南针。沈括改进了指南针形制还发现了地磁偏现象 。关于声的认识 中国古人对声音的产生与传播、共振与共鸣等现象也有许多研究。北京天坛的回音壁和山西永济的莺莺塔是 声学在建筑上应用的杰作。西方古代物理学思想体现在以下方面：关于物质本原（主要是古希

8、腊元素论、原子论） 元素论： 泰勒斯：大地漂浮在水面，万物源于水又复归于水，任何东西都会产生和消灭，惟独水长存。 阿那克西米尼：大地是“漂浮在空气中的一片宽大 的树叶”，万物本原应是“气”。 赫拉克立特：物质本原归于“火” 恩培多克勒：万物由四种“元素”组成即“土、水、 气、火”，其中土、水、气代表物质的固态、液态和气态，火代表颜色和温度。亚里士多德：四种元素是世界万物的本原。但冷、热、湿和干是更基本的性质。四 元素是这四种性质两两组合：湿与冷组成水 ，湿与热组成气，干与冷组成土，干与热组 成火。原子论 古希腊德谟克利特认为万物由原子构成，原子不可分割。关于运动和力 亚里士多德将物体的运动分为

9、自然运动和强迫运动。 自然运动：重物垂直下落、轻物竖直上升，含土元素的重物天然位置在地心，火元素的天然位置在天空，气和水的轻重是相对的。因而，重物下坠，烟雾升空，石头在水中下降，气泡在水中上升。物体下落的快慢即速度与重量成正比。强迫运动：物体运动的速度与外力成正比，与阻力成反比。不推，物体就静止。显然上述观点是错误的。 古希腊阿基米德发现了浮力定律。他曾经声称：“给我一个稳定的支点，我就能把地球挪动”（杠杆）。14世纪早期，牛津大学一批学者开始对运动学问题进行探讨。他们定义了匀速运动、匀加速运动、瞬时速度。关于光学 希腊数学家欧基里德首先将几何知识引入光学研究（现称为几何光学）。提出了反射定律

10、。希腊天文学家托勒密系统地研究了光的折射，最先测定入射角和折射角。英国的罗杰 培根发明了暗室，描述了光的反射定律和折射，用光的折射解释了虹的成因，提出了用 透镜组构成望远镜的可能性。关于其它物理学知识 电磁现象：泰勒斯知道，琥珀被摩擦后能吸引轻小物体，天然磁石可吸铁。马里古特认识到，磁针断为两截，每一截又变成磁针。铁与磁石摩擦可以被磁化。热现象：亚里士多德把热看成是物质元素的基本性质。原子论者认为热是物质流引起的。声现象：亚里士多德认为，发声物体碰撞空气使之在各方向发生拉伸和压缩运动，从而发生传播。总之，从古代到15世纪，人类对自然界的认识，未形成科学理论，处于有限观察和零星的记载阶段，许多观

11、点也是错误的。尽管如此，古代物理学思想对后来物理学新体系的建立和发展的影响仍然是非常重要的。2、经典物理学时期（1619世纪）经典物理学理论有三大支柱即牛顿的经典力学、热力学与统计物理和经典电磁学理论（包括光学）。经典力学理论体系开普勒：发现行星运动三大定律。伽利略：其研究涉及到静力学、运动学和动力学。研究了匀加速运动包括自由落体；物体惯性；运动叠加或合成的原理 ；力学相对性原理。笛卡儿：建立碰撞理论，描述了动量传递。牛顿力学之前：17世纪，牛顿在前人基础上，建立了经典力学理论，形成了物理学的开端。1687年牛顿出版了自然哲学的数学原理（简称原理），奠定了他在世 界科学史上的崇高地位。惠更斯：

12、发现碰撞遵守动量守恒和弹性碰撞机械能守恒的规律。原理两大部分。第一部分为导论，给出了质量、运动量、力、惯性等定义，提出了绝对时间、绝对空间、绝对运动和 绝对静止的概念，写出了著名的三个运动定律、运动 叠加原理、动量守恒原理等。第二部分研究了万有引力定律，给出了引力公式，用万有引力解释了天体的运动，宣布了宇宙中任何 物体之间普遍存在着万有引力。牛顿定律在原则上可以解决所有力学问题，以后逐渐 发展了动量、动量矩、机械能三个守恒定律。18世纪，形成了分析力学，天体力学，弹性力学、流体力学、材料力 学、空气动力学和变质量体力学等，它们是解决许多工程 问题的基础经典光学理论体系从托勒密开始，经历了150

13、0年，形成了几何光学基础（光的直线传播原理、折射定律、反射定律）1704年，牛顿提出光的微粒说：光是微粒流。解释了光的直线传播、光的反射和光的折射。惠更斯等坚决主张光的波动说。认为光是弥漫于宇 宙空间的介质“以太”中传播的波，提出了著名的惠更斯原理，解释了反射和折射定律。由于牛顿的权威，微粒说占 统治地位达一个世纪之久。19世纪初，托马斯杨做了著名的双缝干涉实验，菲涅耳用波动理论解释了光的衍射，马吕斯发现了光的偏振， 说明光是横波。人们开始普遍接受光的波动说。但仍把光 看成是“以太”中的机械弹性波。1865年，麦克斯韦提出了一套完整的电磁场方程，求出了电磁波速度为光速，把光概括到了电磁理论中。

14、经典热力学与统计物理学体系17世纪以后，热的本质问题引起了人们的兴趣。两种观点：一种是从物质内部的运动解释热现象，即热动说另一种是用意想的特殊物质即热质来解释热现象，热质说一度占了上风。18世纪末，热质说受到了严重挑战。伦福德提出了机械功生热的观点，他观察到大炮镗孔时剧烈发热，浸 在水中的炮筒使水温快速上升。认为热是物质运动的一 种形式。英国戴维利用钟表机件使放在真空容器里的两块冰摩擦融化成水。他断言，热质是不存在的，热是物体微 粒的运动或振动。但热质说并未因此而推翻。这个问题直到19世纪能量守恒定律（热力学第一定律）建立后，才得到真正解决17世纪末期，蒸汽机的发明和利用为能量守恒与转化定律（

15、热力学第一定律）的发现创造了最基本的物质 基础。到19世纪40年代，能量守恒定律已经完全确立。焦耳从1837年1878年花了40年的时间，用不同的 方法进行了400多次关于热功当量的实 验，以精确的数据为能量守恒定律提供了无可置疑的实验事实。1847年，亥姆霍兹完整地表述了能量守恒定律。热力学第一定律就是能量守恒与转换定律在涉及热现象过程中的具体体现。热力学第二定律是关于热能与机械能（或其他形式能量）转化的一种特殊规律。热力学第一、第二定律构成了热力学的理论基础。 1912年，德国的能斯脱建立了热力学第三定律（绝对零度不可能达到）。19世纪中叶及以后，克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼、吉布斯等建立

16、了分子运动论和统计物理，使人们对物质 的认识从宏观领域进入到了微观领域。经典电磁学理论体系对电、磁现象进行比较系统的研究，是从16世纪以后才开始的。美国伟大的科学家、政治家和美国独立之父富兰克林发现了尖端放电，发明了避雷针，证明闪电是一种电 现象，统一了天电和地电。发现了电荷守恒原理。第一 个用数学上的正负表示两种电荷，还首创了导体、充电 、放电等一直沿用至今的术语。一些科学家猜测：电的吸引遵从与万有引力相同规律。 1785年，库仑设计了精密实验，测得电荷斥力和引力的平方反比关系。这个定律与牛顿万有引力定律惊人地相 似。库仑定律（电磁学基本定律之一）是电磁学真正成为一门学科的开始。18世纪末，电学的研究从静电领域发展到动电领域 。 “动物电”研究。著名的伏打电堆。1826年，欧姆建立了电路定律即欧姆定律。1820年之前，电和磁是独立研究的。 1820年，丹麦物理学家奥斯特实验发现电流的磁效应。法拉第评价 说：“猛然打开了科学中黑暗领域的大门”。毕奥和萨伐尔确定了载流直导