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1、力学力学热学热学光学光学经典物经典物理理声学声学电磁学电磁学一、经典一、经典(jngdin)物理模块分类：物理模块分类：17世纪前在观察世纪前在观察(gunch)与哲学与哲学的猜测上对天文、的猜测上对天文、力、热、声、光力、热、声、光有了一定认识。有了一定认识。17世纪初世纪初19世纪末世纪末是经典是经典(jngdin)物理物理学体系建立的关键时学体系建立的关键时期期第1页/共24页第一页，共25页。静力学（描述静止静力学（描述静止(jngzh)物体）物体）运动学（描述物体运动学（描述物体(wt)运动）运动）动力学（描述物体动力学（描述物体(wt)受力作受力作 用下的运动）用下的运动）经典力学
2、经典力学（牛顿力学）（牛顿力学）二、经典力学模块分类：经典力学模块分类：第2页/共24页第二页，共25页。牛顿牛顿(ni dn)万有引力定律万有引力定律变量数学微积分变量数学微积分牛顿三定律牛顿三定律三、牛顿三、牛顿(ni dn)主要贡献主要贡献第3页/共24页第三页，共25页。牛顿牛顿牛顿牛顿伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷伽利略、第谷哥白尼、亚里士多德哥白尼、亚里士多德笛卡尔、胡克笛卡尔、胡克笛卡尔、胡克笛卡尔、胡克(h k)(h k)、哈、哈、哈、哈雷等雷等雷等雷等牛顿所说牛顿所说(su shu)：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩
3、上。” 经经典典力力学学(jn din l xu)金金字字塔塔的的建建立立开普勒开普勒开普勒开普勒第4页/共24页第四页，共25页。 经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛经典力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律更确立了牛顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速顿的地位，牛顿运动定律和万有引力定律在宏观、低速(d s)、弱引力的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：弱引力的广阔领域，经受实践检验。著名物理学家杨振宁赞颂到：“如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我如果一定要举出某个人、某一天作为近代科学诞生的标志，我选牛顿自然哲学的数学原理在选
4、牛顿自然哲学的数学原理在1687年出版的那天。年出版的那天。” 第一部分包括：第一部分包括：“定义和注释定义和注释”和和“运动的基本定理或定律运动的基本定理或定律”。这部分。这部分虽然篇幅不大，却极为重要。虽然篇幅不大，却极为重要。 第二第二(d r)部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万部分是这些基本定律的作用，包括三篇：第一篇是研究万有引力的；第二有引力的；第二(d r)篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是篇是讨论介质对物体运动的影响；第三篇是“论宇论宇宙系统宙系统” 。第5页/共24页第五页，共25页。低速低速(d s)世界世界(经典力学经典力学)高速高速(o s)世界（相
5、对论）世界（相对论）四、经典力学的困境：四、经典力学的困境：第6页/共24页第六页，共25页。在宏观低速的世界：一切在宏观低速的世界：一切(yqi)都理所当然？都理所当然？宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。宏观物体低速运动（远小于光速），经典力学完全适用。时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。时间和空间没有联系，相互独立，与物体及其运动状态都没有关系。当一些当一些(yxi)问题问题(如微观领域的深入如微观领域的深入)牛顿解释不了时，它就只好牛顿解释不了时，它就只好用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后半生的心血，这正是牛顿用上帝的万能来解释，为此牛顿花费了后
6、半生的心血，这正是牛顿的悲剧。的悲剧。物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。物体的相关物理量（位移、质量、大小等）与物体的运动状态都无关。第7页/共24页第七页，共25页。例如：船在水中流，水速例如：船在水中流，水速2m/s，船相对于水顺流而下，船相对于水顺流而下1m/s，则船相对于岸，则船相对于岸3m/s.例如：生活经验：空间如大房间，提供运动舞台，但不干例如：生活经验：空间如大房间，提供运动舞台，但不干扰演出，空间独立于物体及其运动存在。扰演出，空间独立于物体及其运动存在。 例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影例如：生活经验：时间如长河，均匀流逝，任何都影
7、响不了它，时间也是独立的。响不了它，时间也是独立的。所以：不管所以：不管(bgun)选什么参考系，不管选什么参考系，不管(bgun)物体怎物体怎么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果么运动，物体的位移、时间、长度、质量等等的测量结果肯定是一样的，这是天经地义的。肯定是一样的，这是天经地义的。静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样静止看光速和与光速一起运动算得的光速不一样,物体的速度物体的速度(sd)甚至可以超过光速甚至可以超过光速第8页/共24页第八页，共25页。高速世界（接近高速世界（接近(jijn)光速）光速）随着物体线性运动速度随着物体线性运动速度的加快，时间会变慢。的加
8、快，时间会变慢。将一个钟表留在地面上，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速而携带另一个以很快速度移动，随后进行比较，度移动，随后进行比较，地上的钟表总比快速移地上的钟表总比快速移动的快。动的快。物体以接近光线运行的火物体以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。度将会缩短为零。物体的质量随速度物体的质量随速度的增大而增大的增大而增大1905年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速）
9、，物体所占空间年，爱因斯坦提出，物体高速时（接近光速），物体所占空间（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态（如长度），物理、化学过程，生命持续时间，都与运动状态(zhungti)有关，时空都与运动相关联了有关，时空都与运动相关联了-狭义相对论狭义相对论第9页/共24页第九页，共25页。不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结不管你处于什么样的物理状态，你手里做实验得到的结果应该都是一样的。果应该都是一样的。 不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应不管你怎么运动，随便取得一束光来测量速度其结果应该都是一样的该都是一样的 ，不可能超过光速。无论你坐在飞驰的，不可能
10、超过光速。无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。的运动状态无关。 四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之四维空间：空间的三维和时间的一维，前后发生的两件事情之间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体间不单有一定的距离、也相差一定的时间。比方：在某个物体上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除上放个日历，随着物体运动和日历的翻动就能发现，该物体除了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。了空间位置在变，其时间也是在不断流逝的。狭狭义义(xiy)相相对对论论 自然和自
11、然的法则在黑暗中隐藏自然和自然的法则在黑暗中隐藏(yncng)；上帝说，让牛顿；上帝说，让牛顿去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切去吧！于是一切都被照亮。魔鬼说，让爱因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。又回到黑暗中。 第10页/共24页第十页，共25页。趣例：趣例：当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明
12、显。 屋子中有两盏灯，屋子中有两盏灯，A站在两盏灯中间，站在两盏灯中间，B以一定速度踩着滑板向一盏灯运以一定速度踩着滑板向一盏灯运动正好到达中间。当两灯同时打开时动正好到达中间。当两灯同时打开时A看到的现象是两灯同时亮，而看到的现象是两灯同时亮，而B看看到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。到的却是面对他的那盏先亮，背对他的那盏后亮。 你现在穿的是你现在穿的是25厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度厘米的鞋，但在宇宙飞船上的人测得你穿的鞋的长度可能就只有可能就只有20厘米了。厘米了。 说船上的物体下落，从船上看是自由落体，从岸边看就是平抛了说船上的物体下落，从船上看是自由落体，
13、从岸边看就是平抛了 第11页/共24页第十一页，共25页。按照狭义相对论，不仅按照狭义相对论，不仅“同时同时”是相对的，有时候，甚至事是相对的，有时候，甚至事情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为情的先后也都是相对的。举一个例子，一节长为10米的列车，米的列车，A在车后部，在车后部，B在车前部。当列车以在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个的高速度通过一个站台的时候站台的时候,突然站台上的人看到突然站台上的人看到A先向先向B开枪开枪,过了过了12.5毫毫微秒微秒,B又向又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反
14、的情况，他们说，是挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况，他们说，是B先开枪，过了先开枪，过了10毫微秒，毫微秒，A才动手。事件才动手。事件(shjin)是由是由B发动的。发动的。到底是谁先动手呢？没有绝对的答案到底是谁先动手呢？没有绝对的答案(d n)。在这个具体事。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先先A后，后，而在车站参考系中则是而在车站参考系中则是A先先B后。甚至于飞船上的人可能会看后。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。 第12页/共24页第十二页
15、，共25页。不敢相信图中的横线是平行不敢相信图中的横线是平行(pngxng)的，不过它就是平行的，不过它就是平行(pngxng)的的 第13页/共24页第十三页，共25页。两个位于两个位于(wiy)中心的圆哪个大？其实一样大的！中心的圆哪个大？其实一样大的！ 第14页/共24页第十四页，共25页。五、从宏观五、从宏观(hnggun)到微观到微观19世纪末世纪末-20世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅世纪初，深入到微观领域，发现电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。具有粒子性，同时还具有波动性，很多情况下经典力学说明不了。
16、量子力学量子力学爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的爱因斯坦提出的光子的概念，认为光既是电磁波，又是一份一份传播的 原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，电子只有从一个轨道跳原子中的电子只能在分立的特定轨道上运动，电子只有从一个轨道跳跃到另一个轨道。中间不连续。跃到另一个轨道。中间不连续。 任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。任何物体都具有波动性，你坐在椅子上，你是波动的，有波长。物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。物体的位置是不确定的，只能用几率来反映。第15页/共24页第十五页，共25页。六，从弱引力六，从弱引力(ynl)到强引力到强引力
17、(ynl)物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用物体间的万有引力是弱引力，经典力学适用天体半径减小到一定程度时天体半径减小到一定程度时(太阳的引力半径为太阳的引力半径为3 km，地球的引力半径为，地球的引力半径为1 m,如如白矮星白矮星)，天体间的引力就趋于无穷大，天体间的引力就趋于无穷大 ，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天，强引力。黑洞这种极端条件下的宇宙天体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲体。它有极强的吸引力，黑洞本身的巨大质量造成空间弯曲光之所以会被黑洞吸进去光之所以会被黑洞吸进去,是因为黑洞引力大造成空间扭曲是因为黑洞引力大造成空间扭曲,光随着被扭光随着被扭曲的空间
18、走而进去黑洞里曲的空间走而进去黑洞里,大家大家(dji)都知道光只走直线都知道光只走直线,所以光并不是所以光并不是被引力吸进去的被引力吸进去的,而是光还是走直线而是光还是走直线,但空间扭曲而进到黑洞但空间扭曲而进到黑洞,打个比方打个比方,在纸上画一条线在纸上画一条线,把那张纸扭曲把那张纸扭曲,但展开后它还是一条线。这时候，光虽但展开后它还是一条线。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。爱因斯坦广义相对论爱因斯坦广义相对论第16页/共24页第十六页，共25页。经典力学经典力学(jn din l
19、xu)狭义狭义狭义狭义(xiy)(xiy)相对论相对论相对论相对论广义广义广义广义(gungy)(gungy)相对论相对论相对论相对论量子力学量子力学量子力学量子力学互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。互为补充，互不矛盾，互不否定共同支撑起物理学科的骨架。宏观低速宏观低速高速高速微观世界微观世界强引力强引力第17页/共24页第十七页，共25页。 认识层次的飞跃认识层次的飞跃 新新旧旧新新旧旧 理论理论1 理论理论2 科学总是从正确科学总是从正确(zhngqu)走向错误。走向错误。 萧伯纳萧伯纳 科学科学(kxu)的发展是在曲折中不断上升的的发展是在曲折中不断上升的从地心说到日
20、心说，是科学战胜了宗教从地心说到日心说，是科学战胜了宗教(zngjio)，是哲学观，是哲学观的一次飞跃。的一次飞跃。从圆轨道到椭圆轨道，从太阳中心说到宇宙无中心，是从圆轨道到椭圆轨道，从太阳中心说到宇宙无中心，是理智战胜了情感理智战胜了情感例如：例如：第18页/共24页第十八页，共25页。（1）对证据的质疑：水星旋进）对证据的质疑：水星旋进(xun jn)数据数据观测值：观测值：43秒秒/百年百年爱因斯坦计算相对论值：爱因斯坦计算相对论值：43.03秒秒/百年百年最新相对论值（太阳非正球体）：最新相对论值（太阳非正球体）：39.6秒秒/百年百年 （2）对共设的质疑：光速不可超越吗？）对共设的质
21、疑：光速不可超越吗？哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随着哲学：光速是否只是某一时空层次的极限速度？随着目前认识目前认识(rn shi)的宇观世界更大结构层次的发现，的宇观世界更大结构层次的发现，光速是否会被超越？光速是否会被超越？例如：相对论是一定例如：相对论是一定(ydng)正确的吗？正确的吗？例如：量子力学就不会错吗？例如：量子力学就不会错吗？ 量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿年，量子力学证明质子是可分的，其半衰期约为三万亿年，说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，新的时空说明其内部是有复杂结构的。一旦进入超微观，新的时空层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量子力
22、学吗？层次会催生新的理论吗？新的理论会代替量子力学吗？第19页/共24页第十九页，共25页。 爱因斯坦给后人的信爱因斯坦给后人的信 一天，爱因斯坦正在撰写光电效应定律一天，爱因斯坦正在撰写光电效应定律的论文，美国总统罗斯福打来电话，让他的论文，美国总统罗斯福打来电话，让他给年后的人们写一封信。爱因斯给年后的人们写一封信。爱因斯坦笑了，说：坦笑了，说：“总统，您真会开玩笑，要总统，您真会开玩笑，要我写些什么呢？我写些什么呢？” 罗斯福非常郑重地说：罗斯福非常郑重地说：“把我们这个时把我们这个时代人们的思想和科学的发展，告诉代人们的思想和科学的发展，告诉年后的人们，让他们对我们有所了解。年后的人们
23、，让他们对我们有所了解。”“这样这样(zhyng)的信，即使写了也没法的信，即使写了也没法寄啊！寄啊！”爱因斯坦说，爱因斯坦说，“没有这样没有这样(zhyng)的邮差。的邮差。” “这个，我考虑过。这个，我考虑过。”罗斯福成竹在胸，罗斯福成竹在胸，“有的。我们给他们做一个安全固定的信有的。我们给他们做一个安全固定的信箱，年后，他们到那里去取就是箱，年后，他们到那里去取就是了了”爱因斯坦饶有兴趣地点点头说：爱因斯坦饶有兴趣地点点头说：“还是总统有办法。还是总统有办法。” 罗斯福年任美国第届总统，罗斯福年任美国第届总统，业绩辉煌。他所以叫爱因斯坦给业绩辉煌。他所以叫爱因斯坦给年后的人们写信，要的是
24、名人效应。爱因年后的人们写信，要的是名人效应。爱因斯坦是伟大的科学家，在物理学的许多方斯坦是伟大的科学家，在物理学的许多方面做出了卓越的贡献，特别是相对论，揭面做出了卓越的贡献，特别是相对论，揭示了空间示了空间时间的辩证关系，无论在科学时间的辩证关系，无论在科学上还是在哲学上，都具有重要的历史意义。上还是在哲学上，都具有重要的历史意义。第20页/共24页第二十页，共25页。年月日，爱因斯坦写了致年月日，爱因斯坦写了致后人书后人书 “我们的时代富于创造思想。我们的发现我们的时代富于创造思想。我们的发现本应该可以大大地使我们的生活轻松愉快。本应该可以大大地使我们的生活轻松愉快。我们利用电能横渡大洋
25、。我们使用电能来减我们利用电能横渡大洋。我们使用电能来减轻人类的繁重的体力劳动。我们学会了飞行。轻人类的繁重的体力劳动。我们学会了飞行。我们利用电波很容易地把消息发到全球各地我们利用电波很容易地把消息发到全球各地去。去。” “但是，虽然有着这一切，我们的商品的但是，虽然有着这一切，我们的商品的生产和分配是完全无组织的，人们必须生活生产和分配是完全无组织的，人们必须生活在忧虑中，担心被人从经济生活中抛出，失在忧虑中，担心被人从经济生活中抛出，失去一切。除此之外，生活在不同国家中的人去一切。除此之外，生活在不同国家中的人们每隔一个长短不等的时间就要进行互相杀们每隔一个长短不等的时间就要进行互相杀戮
26、，因此，每一个想到未来的人必然都生活戮，因此，每一个想到未来的人必然都生活在经常的忧虑中。在经常的忧虑中。” “我相信，我们的后人将怀着一种理所当我相信，我们的后人将怀着一种理所当然的优越感读上面这几行文字吧。然的优越感读上面这几行文字吧。” 爱因斯坦的这封给后人的信是用特制的爱因斯坦的这封给后人的信是用特制的墨水和纸写成的。与其它的文件一起装进一墨水和纸写成的。与其它的文件一起装进一个特制的钢体里，埋入纽约当时准备动工兴个特制的钢体里，埋入纽约当时准备动工兴建的国际博览会建筑地基下面米的花岗建的国际博览会建筑地基下面米的花岗岩洞内，地面岩洞内，地面(dmin)立有一碑柱，要人们立有一碑柱，要
27、人们在年后，即公元年取出钢在年后，即公元年取出钢体内的东西。体内的东西。 爱因斯坦的致后人书，许多报刊上爱因斯坦的致后人书，许多报刊上登过，年后的人们如果只想读到这登过，年后的人们如果只想读到这封信，根本用不着去碰国际博览会地基下的封信，根本用不着去碰国际博览会地基下的那颗那颗“定时炸弹定时炸弹”。第21页/共24页第二十一页，共25页。亚里士多德亚里士多德亚里士多德亚里士多德伽利略伽利略伽利略伽利略笛卡尔笛卡尔笛卡尔笛卡尔牛顿牛顿牛顿牛顿经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动经验主义：必须有力作用在物体上物体才能运动理想实验（斜面）：物体保持运动不需要力维持理想实验（斜面）：物体保持运动
28、不需要力维持如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。如果运动中物体没受到力。将以同一速度沿以直线运动。牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）牛顿定律（惯性定律，加速度定律，作用反作用定律）第22页/共24页第二十二页，共25页。哥白尼：日心说哥白尼：日心说第谷：第谷：20年精心年精心(jngxn)观测数据观测数据开普勒研究开普勒研究(ynji)第谷数据得三个定律第谷数据得三个定律胡克胡克(h k)、哈雷进一步认识、哈雷进一步认识牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力牛顿解决椭圆并延伸到万物间有力万有引力定律万有引力定律万有引力定律万有引力定律万有引力定律万有引力定律第23页/共24页第二十三页，共25页。感谢您的观赏(gunshng)第24页/共24页第二十四页，共25页。内容(nirng)总结力学。牛顿(ni dn)所说：“如果说我看得远，那是因为我站在巨人们的肩上。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。甚至于飞船上的人可能会看到你先把苹果吃了，再看到苹果掉在了地上。六，从弱引力到强引力。理论1 理论2。罗斯福年任美国第届总统，业绩辉煌。感谢您的观赏第二十五页，共25页。
