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1、大学物理绪论大学物理绪论大学物理绪论大学物理绪论第一节第一节 物理学的历史发展物理学的历史发展一一 .1719世纪世纪经典物理经典物理古希腊的文化遗产：古希腊的文化遗产：得谟克利特得谟克利特(Democritus)：“原子论原子论”欧几里得欧几里得(Euclid)：几何学几何学亚里士多德亚里士多德(Aristoteles)：研究了研究了运动、空间和时间，著有物理学运动、空间和时间，著有物理学一书，是一书，是Physics一词最早的起源。一词最早的起源。大学物理绪论大学物理绪论阿基米德阿基米德(Archimedes)：浮力定律、浮力定律、杠杆、简单机械和几何学。杠杆、简单机械和几何学。中世纪的欧
2、洲经济和科学：中世纪的欧洲经济和科学：培根培根(R.Bacon)：毕生宣传科学知毕生宣传科学知识，提出识，提出“知识就是力量知识就是力量”。哥伦布哥伦布：1492年发现美洲大陆年发现美洲大陆麦哲伦船队麦哲伦船队： 15191522年完成环年完成环球航行。球航行。大学物理绪论大学物理绪论达达芬奇芬奇(L.da Vinci)：最后的晚餐最后的晚餐、蒙娜丽莎等，研究过弹道、蒙娜丽莎等，研究过弹道和单摆等。和单摆等。哥白尼哥白尼(N.Copernicus)：天天体运行体运行论向地心说发出致命的一击。论向地心说发出致命的一击。布拉赫布拉赫(T.Brahe)和开普勒和开普勒(J.Keppler)：完成从哥
3、白尼的日心完成从哥白尼的日心说向科学天文学的过渡。说向科学天文学的过渡。大学物理绪论大学物理绪论伽利略：伽利略：制成了第一个天文望远镜，制成了第一个天文望远镜，发现了木星的四颗卫星、看到了金发现了木星的四颗卫星、看到了金星和月球表面的山谷星和月球表面的山谷、发现了太阳发现了太阳黑子。黑子。笛卡尔笛卡尔(R.Discartes)：提出了提出了“运动量守恒运动量守恒”，意味着，意味着“动量动量(mv)”概念的萌芽，明确提出了概念的萌芽，明确提出了“惯性定律惯性定律”。惠更斯惠更斯(C.Huygens)：光的波动说，光的波动说，测量重测量重力加速度，力加速度，向心力和离心力向心力和离心力， “活力活
4、力(mv2)守恒守恒”大学物理绪论大学物理绪论1687年发表划时代著作：年发表划时代著作：自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理牛顿牛顿(I.Newton)：确立力学的三条确立力学的三条基本定律和万有引力定律，发明了基本定律和万有引力定律，发明了微积分，光学和天文学。微积分，光学和天文学。第第1次综合次综合：以以17世纪牛顿力学的世纪牛顿力学的建立为标志。建立为标志。大学物理绪论大学物理绪论第第2次综合：次综合：以以18、19世纪热力学世纪热力学理论和气体分子动理论的建立为标理论和气体分子动理论的建立为标志。志。蒸汽机：导致以解决动力机械为主蒸汽机：导致以解决动力机械为主导的第一次工业革命导的第
5、一次工业革命能量转化和守恒定律能量转化和守恒定律“热力学热力学第一定律第一定律”“热力学第二定律热力学第二定律”的建立的建立“绝对零度绝对零度”是不可能达到的是不可能达到的大学物理绪论大学物理绪论第第3次综合：次综合：以以19世纪麦克斯韦电世纪麦克斯韦电磁场理论的建立为标志。磁场理论的建立为标志。卡文迪许卡文迪许(H.Cavendish)、库仑、库仑(C.A.Coulomb)：静电的库仑定律静电的库仑定律伏打伏打(C.A.Volta)：发明了电池发明了电池欧姆欧姆(G.S.Ohm)：欧姆定律欧姆定律奥斯特：奥斯特：电流的磁效应电流的磁效应安培安培(A.M.Ampere)：电流之间相互电流之间相
6、互作用作用安培定律。安培定律。大学物理绪论大学物理绪论电力和无线电通讯：开始工业电气电力和无线电通讯：开始工业电气化进程，导致第二次工业革命。化进程，导致第二次工业革命。法拉第法拉第(M.Faraday)：发现并确立了发现并确立了电磁感应定律。电磁感应定律。麦克斯韦：麦克斯韦：电磁场理论电磁场理论赫兹赫兹(H.R.Hertz)：实验证明实验证明电磁电磁波的存在，波的存在，导致无线电通讯的发明。导致无线电通讯的发明。大学物理绪论大学物理绪论二二.20世纪世纪近代物理近代物理1900年英国物理学家年英国物理学家开尔文开尔文展望展望20 世纪科学：世纪科学：“在已经基本建成的科学大厦中，在已经基本建
7、成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了补工作就行了”“但是，在物理学晴朗天空的远处但是，在物理学晴朗天空的远处, 还有两朵小小的令人不安的乌云还有两朵小小的令人不安的乌云”大学物理绪论大学物理绪论黑体热辐射实验黑体热辐射实验迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验莫雷实验引发物理学史的革命风暴引发物理学史的革命风暴X射线、放射性和电子的发现射线、放射性和电子的发现爱因斯坦：爱因斯坦：狭义相对论狭义相对论卢瑟福：卢瑟福：发现原子核发现原子核玻尔：玻尔：量子理论的建立量子理论的建立海森伯、薛定谔：海森伯、薛定谔：建立量子力学建立量子力学大学物理绪论大学物理绪论高新
8、技术高新技术核能、晶体管、激光、核能、晶体管、激光、大规模集成电路、计算机等：导致大规模集成电路、计算机等：导致第三次工业革命。第三次工业革命。物理学进一步发展：物理学进一步发展：核物理、半导体物理、固体物理、核物理、半导体物理、固体物理、激光物理激光物理相对论相对论量子力学量子力学近代物理的理近代物理的理论基础论基础大学物理绪论大学物理绪论第二节第二节 自然界的物理图象自然界的物理图象一一. .物质存在的形态物质存在的形态实物实物非凝聚态非凝聚态液体液体等离子体等离子体凝聚态凝聚态固体固体气体气体F自然界由物质组成，一切物质都自然界由物质组成，一切物质都处于永不停息的运动中处于永不停息的运动
9、中大学物理绪论大学物理绪论场场稳恒场稳恒场电场、磁场电场、磁场物物质质内内强强作作用用场、弱作用场场、弱作用场引力场引力场运动的场运动的场电磁场电磁场( (波波) )二二. .物质存在的条件物质存在的条件时间、空间是物质存在的条件时间、空间是物质存在的条件“宇宇”空间空间 “ “宙宙”时时间间四方上下曰宇，古往今来曰宙四方上下曰宇，古往今来曰宙三苍三苍大学物理绪论大学物理绪论时间宇宙年龄宇宙年龄 约约180亿年亿年地球年龄地球年龄 约约45亿年亿年恐龙灭绝恐龙灭绝古人类出现古人类出现人类文明史人类文明史一年一年大学物理绪论大学物理绪论自由中子寿命自由中子寿命人体脉博人体脉博 说话声音周期说话声
10、音周期介子寿命介子寿命子寿命子寿命粒子最短寿命粒子最短寿命时间测量跨越时间测量跨越1042量级量级大学物理绪论大学物理绪论空间空间银河系直径银河系直径宇宙线度宇宙线度约约200亿亿l.y距地球最近的恒星距地球最近的恒星太阳系半径太阳系半径太阳直径太阳直径地球直径地球直径珠穆朗玛峰高珠穆朗玛峰高大学物理绪论大学物理绪论人的平均身高人的平均身高细菌细菌原子原子质子质子电子电子层子层子( (guark) )空间测量跨越空间测量跨越1046量级量级大学物理绪论大学物理绪论三三. .物质基本属性之一物质基本属性之一质量质量质质量量内涵内涵惯性的大小惯性的大小引力的大小引力的大小能量的多少能量的多少质质量
11、量分类分类动质量动质量-物体的质量与物体的质量与运动有关运动有关静质量静质量-物体静止时的物体静止时的质量质量大学物理绪论大学物理绪论人体人体宇宙宇宙银河系银河系太阳太阳地球地球月球月球质子质子电子电子质量测量跨质量测量跨越越1083量级量级大学物理绪论大学物理绪论四四. .物质间的相互作用物质间的相互作用自然力自然力F物质间的相互作用是物质的基本物质间的相互作用是物质的基本属性之一属性之一F自然界物质间的相互作用无处不自然界物质间的相互作用无处不有，一切物体都受其周围物体的有，一切物体都受其周围物体的作用，同时也对周围的物体施加作用，同时也对周围的物体施加作用作用大学物理绪论大学物理绪论四种
12、相互作用的自然力四种相互作用的自然力弱弱相相互互作作用用：引引起起粒粒子子间间的的某某些些过过程程，如如： 衰衰变变( (短短程程相相互互作作用用10-18m) )强强相相互互作作用用：原原子子核核结结合合力力，它它使使原原子子核核牢牢固固地地保保持持为为一一个个整整体体( (短程相互作用短程相互作用10-15m) )大学物理绪论大学物理绪论电电磁磁相相互互作作用用：发发生生在在电电荷荷间间( (电电作作用用) )、运运动动电电荷荷间间( (磁磁作作用用) )的相互作用的相互作用( (长程作用长程作用) )引力相互作用：物体间表现出的引力相互作用：物体间表现出的固有的相互作用固有的相互作用(
13、(长程作用长程作用) )最弱的一种最弱的一种F宏观物体间所能观测的是电磁和宏观物体间所能观测的是电磁和引力相互作用引力相互作用大学物理绪论大学物理绪论五五.物质的微观结构物质的微观结构1808年年 道尔顿提出原子说道尔顿提出原子说“物质由分子决定，分子由原子组物质由分子决定，分子由原子组成，原子是不可再分的最小颗粒成，原子是不可再分的最小颗粒”1897年年 发现电子发现电子1911年年 卢瑟福提出原子核模型卢瑟福提出原子核模型1919年年 发现质子发现质子 1932年年 发现中子发现中子原子核原子核1.基本粒子基本粒子大学物理绪论大学物理绪论本世纪本世纪40年代，认为年代，认为光子、电子、光子
14、、电子、质子、中子质子、中子是物质结构的最小组元是物质结构的最小组元基本粒子基本粒子至今，已发现至今，已发现400400多种基本粒子多种基本粒子轻子轻子尚未观察尚未观察到内部结构到内部结构电子电子mm子子中微子中微子 子子大学物理绪论大学物理绪论强子强子重子重子介子介子核子核子超子超子质子质子中子中子-夸克夸克子子-参加强相互作用参加强相互作用2.强子的夸克模型强子的夸克模型F预言：夸克通过强相互作用结合预言：夸克通过强相互作用结合成强子，是通过一种粒子成强子，是通过一种粒子-胶胶子子的交换来实现的的交换来实现的大学物理绪论大学物理绪论-强子由强子由夸克夸克、反夸克反夸克和和胶子胶子组成组成重
15、子由重子由3个夸克组成个夸克组成反重子由反重子由3个反夸克组成个反夸克组成介子由一对夸克和反夸克组成介子由一对夸克和反夸克组成F至今未能从实验上发现孤立的至今未能从实验上发现孤立的夸克夸克大学物理绪论大学物理绪论3.物质的基本构成物质的基本构成现在认为构成物质的最小微粒是现在认为构成物质的最小微粒是夸克夸克、胶子胶子、轻子轻子六六.宇宙大爆炸说宇宙大爆炸说1929年年 哈勃发现星系光谱的每哈勃发现星系光谱的每条谱线的波长都增加条谱线的波长都增加-宇宙处在膨胀状态宇宙处在膨胀状态大学物理绪论大学物理绪论1946年年 伽莫夫等人提出大爆炸伽莫夫等人提出大爆炸学说学说1965年年 彭齐亚斯和威尔逊观
16、察彭齐亚斯和威尔逊观察到到3K宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射1989年年 宇宙背景探索卫星升空，宇宙背景探索卫星升空，证明背景辐射强度随波长变化证明背景辐射强度随波长变化大学物理绪论大学物理绪论宇宙大爆炸说宇宙大爆炸说180亿年前宇宙为密度极高的宇宙亿年前宇宙为密度极高的宇宙蛋，某一时刻开始大爆炸，粒子蛋，某一时刻开始大爆炸，粒子飞离，宇宙膨胀飞离，宇宙膨胀10-2s 温度达温度达1011K，宇宙象一盆，宇宙象一盆由质子、中子、电子和光子由质子、中子、电子和光子组成的宇宙组成的宇宙“汤汤”3分分 温度为温度为109K，中子和质子组，中子和质子组成原子核成原子核大学物理绪论大学物理绪论3万年万
17、年 进行复合过程，形成物质进行复合过程，形成物质分子分子3亿亿年年 物物质质分分子子在在空空间间集集中中，形形成星云、星系成星云、星系50亿年亿年 太阳系形成太阳系形成大学物理绪论大学物理绪论天体物理天体物理与与粒子物理粒子物理两大尖端紧密衔接两大尖端紧密衔接大学物理绪论大学物理绪论第三节第三节 为什么要学习物理学为什么要学习物理学一一. .物理学是自然科学的基础物理学是自然科学的基础物理学：物理学：关于自然界最基本形态的关于自然界最基本形态的科学，它研究物质的结构、相互作科学，它研究物质的结构、相互作用及其运动规律用及其运动规律物理学面向整个自然界物理学面向整个自然界大学物理绪论大学物理绪论
18、如：如：从个体到系统从个体到系统力学：力学：质点质点质系质系热学：热学：粒子粒子系统系统天文学：天文学：星球星球星系星系从状态到过程从状态到过程运动状态运动状态运动过程运动过程热力学状态热力学状态热力学过程热力学过程大学物理绪论大学物理绪论从最大到最小从最大到最小宇观宇观宏观宏观微观微观从最早到最晚从最早到最晚宇宙的创生宇宙的创生宇宙的终结宇宙的终结从有序到无序从有序到无序有序有序混沌混沌无序无序从最快到最慢从最快到最慢光速光速常速常速相对静止相对静止大学物理绪论大学物理绪论物理学研究自然界最基本规律物理学研究自然界最基本规律力学：力学：研究物体机械运动的规律研究物体机械运动的规律热学：热学：
19、研究物质宏观性质变化的规研究物质宏观性质变化的规律及分子微观运动与物质宏观性质律及分子微观运动与物质宏观性质的关系的关系电磁学：电磁学：研究电磁现象和电磁相研究电磁现象和电磁相互作用的规律互作用的规律大学物理绪论大学物理绪论光学：光学：研究光的传播规律和光的波研究光的传播规律和光的波动特性动特性相对论：相对论：研究高速运动物体的力研究高速运动物体的力学规律学规律量子力学：量子力学：研究微观粒子运动的研究微观粒子运动的理论理论大学物理绪论大学物理绪论物理学定律是自然科学的基本定物理学定律是自然科学的基本定律律能量守恒能量守恒自然界遵守一些普遍定律自然界遵守一些普遍定律动量守恒动量守恒角动量守恒角
20、动量守恒如：如：电荷守恒电荷守恒大学物理绪论大学物理绪论科学和技术以物理为基础科学和技术以物理为基础天文学天文学天体物理天体物理地质学地质学地球物理地球物理化化 学学物理化学物理化学生物学生物学生物物理生物物理自然科学自然科学: :半导体半导体半导体物理半导体物理激激 光光激光物理激光物理核技术核技术核物理核物理空间技术空间技术空间物理空间物理技术科学技术科学: :大学物理绪论大学物理绪论物理学方法是科学研究的基本物理学方法是科学研究的基本方法方法提出命题：提出命题：从新的观察或实验事实从新的观察或实验事实中提炼出来，或从已有的原理中推中提炼出来，或从已有的原理中推演出来演出来物理模型：物理模
21、型：把自然现象的主要矛盾把自然现象的主要矛盾或主要矛盾方面科学地描述出来，或主要矛盾方面科学地描述出来，并推测答案并推测答案大学物理绪论大学物理绪论实验检验：实验检验：一切理论最终都要以一切理论最终都要以观察或实验事实为准则观察或实验事实为准则修改理论：修改理论：当一个理论与新的实当一个理论与新的实验事实不符或部分不符，则要修验事实不符或部分不符，则要修改、部分修改或推翻改、部分修改或推翻大学物理绪论大学物理绪论二二.大学物理教育不同于中学大学物理教育不同于中学物理思想和物理概念更强物理思想和物理概念更强数学描述更精确数学描述更精确常量常量变量变量更准确、更深刻更准确、更深刻地揭示物理规律地揭
22、示物理规律物理方法更多物理方法更多大学物理绪论大学物理绪论三三.物理学是科学素质教育基础物理学是科学素质教育基础掌握科学技术的基本理论和基掌握科学技术的基本理论和基本方法本方法拓宽知识面，增强适应能力和拓宽知识面，增强适应能力和综合能力综合能力物理学最直接触及自然界的各物理学最直接触及自然界的各个方面个方面大学物理绪论大学物理绪论增强创新精神和创新能力增强创新精神和创新能力物理学是在不断探索和创新中物理学是在不断探索和创新中发展起来的发展起来的为学习新理论、新知识和新技为学习新理论、新知识和新技术打下基础术打下基础物理学的一些内容在后续专业物理学的一些内容在后续专业课程中多不再涉及课程中多不再涉及大学物理绪论大学物理绪论第四节第四节 国际单位制国际单位制(SI)(SI)、量纲、量纲大学物理绪论大学物理绪论
