大学物理电子教案

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1、大学物理电子教案大学物理电子教案大学物理电子教案大学物理电子教案邯郸学院邯郸学院邯郸学院邯郸学院 绪论?观察、思考、交流观察、思考、交流R.P.FeynmanR.P.Feynman （1918191819881988）美国物理学家诺贝尔物理奖获得者 请允许我说明我讲这门课的主要目的。请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣的是，你们能够像

2、真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。 理查德理查德. .费曼费曼2物理学是研究什么的？物理学是研究什么的？为什么学为什么学“大学物理大学物理” ” ？学什么？学什么？有什么要求？有什么要求？结束语结束语绪论内容绪论内容3 物理学物

3、理学是研究是研究物质、能量物质、能量和它们的和它们的相互作用相互作用的学科。的学科。 第第23届国际纯粹物理与应用物理联合大会上十分精辟届国际纯粹物理与应用物理联合大会上十分精辟地指出：地指出： 一、一、一、一、物理学是研究什么的？物理学是研究什么的？物理学是研究什么的？物理学是研究什么的？绪论绪论绪论绪论4 空间尺度空间尺度 （相差（相差1045 1046） 1026 m（约约150亿光年）（宇宙）亿光年）（宇宙） 1020 m（夸克）夸克） 时间尺度时间尺度 （相差（相差1045） 1018s（宇宙年龄宇宙年龄150亿年）亿年） 10-27s （ 硬硬 射线周期）射线周期） 速率范围速率范

4、围 0 （静止）（静止） 3 108 m/s （光速）光速）物理学的研究范围（十分广泛）物理学的研究范围（十分广泛）物理学的研究范围（十分广泛）物理学的研究范围（十分广泛）绪论绪论绪论绪论5绪论绪论绪论绪论6 不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究：绪论绪论绪论绪论7经经典典物物理理 力学（实物粒子）力学（实物粒子）电磁学（场）电磁学（场）热力学热力学 统计物理统计物理（多粒子体系）（多粒子体系）相对论相对论力学力学量子量子力学力学量子统计物理量子统计

5、物理相对论相对论 量子力学量子力学相对论相对论量子场论量子场论？物理学的基本框架物理学的基本框架物理学的基本框架物理学的基本框架分支学科分支学科：激光物理，半导体物理，原子物理，核物理激光物理，半导体物理，原子物理，核物理交叉学科交叉学科：生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理绪论绪论绪论绪论8特点特点：1) 要以相对论、量子物理为基础要以相对论、量子物理为基础 2) 观察和实验手段及设备越来越精密观察和实验手段及设备越来越精密 3) 交叉学科层出不穷交叉学科层出不穷 4) 与新技术革命密切相关与新技术革命密切相关 当代物理前沿：当代物理前沿：当代物理前沿

6、：当代物理前沿：研究微观结构更深层次，研究单个粒子的研究微观结构更深层次，研究单个粒子的结构与性能及少数粒子间的相互作用，最结构与性能及少数粒子间的相互作用，最后希望统一四种相互作用力。后希望统一四种相互作用力。从物质的微观结构出发，揭开宏观多粒子从物质的微观结构出发，揭开宏观多粒子系统复杂结构的奥秘系统复杂结构的奥秘 - - 现代统计物理现代统计物理及凝聚态物理。及凝聚态物理。 少体问题少体问题 多体问题多体问题 天体问题天体问题探索大尺寸的宇观领域，揭开宇宙的奥秘。探索大尺寸的宇观领域，揭开宇宙的奥秘。绪论绪论绪论绪论9物理学的研究方法物理学的研究方法物理学的研究方法物理学的研究方法提出命

7、题提出命题 应用应用 修改理论修改理论 实验检验实验检验 理论预言理论预言 物理学是一门理论和实验高度结合的精确物理学是一门理论和实验高度结合的精确物理的直觉和物理的直觉和想象力及洞察想象力及洞察力也常常产生力也常常产生重大突破和发重大突破和发现现其研究方法可概括为：其研究方法可概括为：科学，科学，观测、实验观测、实验 推测答案推测答案 绪论绪论绪论绪论10根本原因：根本原因：物理学与工程技术的关系物理学与工程技术的关系* *第一次工业革命（第一次工业革命（17171818世纪）：世纪）：建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代表

8、的一系列机械的产生和应用。汽机为代表的一系列机械的产生和应用。 * *第二次工业革命（第二次工业革命（1919世纪）：世纪）：建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯设备的出现和应用。机、电讯设备的出现和应用。* *第三次工业革命（第三次工业革命（2020世纪）：世纪）：建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技息技术为代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。术的兴起和发展。二、为什么要学习二、为什么要学习二、为什

9、么要学习二、为什么要学习“大学物理大学物理大学物理大学物理”？绪论绪论绪论绪论11物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式物理学与技术关系的两种模式* *技术技术 物理物理 技术（典型例子：热学）技术（典型例子：热学）* *物理物理 技术技术 物理（典型例子：电磁学）物理（典型例子：电磁学）在现代社会中主要以第二种方式进行。在现代社会中主要以第二种方式进行。 例例 计算机技术、计算机技术、激光技术、激光技术、核技术、核技术、空间技术空间技术其基础正是其基础正是过去大半个过去大半个世纪的现代世纪的现代物理学的研物理学的研究成果。究成果。绪论绪论绪论绪论12电

10、子和信息技术的物理基础电子和信息技术的物理基础19251925年年 量子力学建立量子力学建立19261926年年 Fermi-Fermi-DiracDirac 统计法提出统计法提出19291929年年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释能带理论提出并得到证实，从理论上解释 了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；了导体、半导体、绝缘体的性质和区别； FermiFermi面概念及其可测量的提出面概念及其可测量的提出19471947年年 发明晶体管发明晶体管 （肖克莱、巴丁、布拉顿获肖克莱、巴丁、布拉顿获19561956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖）19571957年年 建立建立FermiFermi

11、面编目面编目19621962年年 制成集成电路（制成集成电路（ICIC） 19651965年摩尔定律：芯片容量每年摩尔定律：芯片容量每18182424个月翻番。个月翻番。7070年代末年代末 大规模和超大规模集成电路（大规模和超大规模集成电路（VLICVLIC）绪论绪论绪论绪论13核技术的物理基础核技术的物理基础18961896年年 Becquerel Becquerel 发现铀的天然放射性发现铀的天然放射性19051905年年 Einstein Einstein 创立狭义相对论，得创立狭义相对论，得19111911年年 Rutherford Rutherford 提出原子的有核模型提出原子的

12、有核模型19251925年年 量子力学建立量子力学建立19321932年年 建立原子核的建立原子核的 质子质子中子中子 模型模型19331933年年 发现人工放射性发现人工放射性19451945年年 实现核裂变实现核裂变原子弹原子弹19521952年年 实现核聚变实现核聚变氢弹氢弹19541954年年 建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）建立第一座核电站（安全、清洁、经济的能源）绪论绪论绪论绪论14比较比较原理发现原理发现（年）（年）工业产品工业产品（年）（年）经历时间经历时间（年）（年）电动机电动机18211821188618866565真空管真空管188218821915191533

13、33无线电无线电18871887192219223535X X光光18951895191319131818雷达雷达19351935190019005 5原子反应堆原子反应堆19391939194219423 3半导体半导体19481948195119513 3激光激光19581958196019602 2从从基本原理转变为技术的速度加快基本原理转变为技术的速度加快绪论绪论绪论绪论15直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术纳米（纳米（ ）技术）技术皮秒（皮秒（ ）技术）技术超导技术超导技术.IBMIBM公司构成公司构成的铂片表面的铂片表面的的“一氧化

14、一氧化碳人碳人”身高身高5 5纳米。纳米。物物理理学学提供科学原理提供科学原理指导技术路线的选择和技术方案的改进指导技术路线的选择和技术方案的改进培养技术人员的科学品格和创新能力，使其培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼光远，层次高，后劲足眼光远，层次高，后劲足全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课绪论绪论绪论绪论16三三三三. . . .学什么？学什么？学什么？学什么？知识、方法、科学观念知识、方法、科学观念“物物”物质世界物质世界 “理理”普遍规律普遍规律1

15、. 学习物理知识要注意学习物理知识要注意 2. 学习物理方法学习物理方法3. 学习物理思想和培养独立思考和解决问题的能力学习物理思想和培养独立思考和解决问题的能力整体性、发展性、迁移性。整体性、发展性、迁移性。绪论绪论绪论绪论17整体性整体性注意掌握知识的结构和联系注意掌握知识的结构和联系形成物质世界的整体物理图象形成物质世界的整体物理图象避免：只见树木，不见森林。避免：只见树木，不见森林。 只得到一堆支离破碎的公式。只得到一堆支离破碎的公式。发展性发展性 不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。内涵的

16、丰富，应用的扩展，相互关系的变化。 物理学在不断发展物理学在不断发展注意提高应用物理知识理解、解决实际问注意提高应用物理知识理解、解决实际问题的能力。题的能力。迁移性绪论绪论绪论绪论1. 1. 1. 1. 学习物理知识要注意学习物理知识要注意学习物理知识要注意学习物理知识要注意 整体性、发展性、迁移性。整体性、发展性、迁移性。整体性、发展性、迁移性。整体性、发展性、迁移性。18例例 质量质量初中：初中：循环定义？循环定义？前沿：前沿： 质量究竟是什么？是如何产生的？质量究竟是什么？是如何产生的？大学：大学：高中：高中： 惯性质量惯性质量引力质量引力质量？绪论绪论绪论绪论19例例 力力经典物理：

17、经典物理：以以“力力”为中心。为中心。对时间积累对时间积累动量定理动量定理动量守恒动量守恒对空间积累对空间积累动能定理动能定理机械能守恒机械能守恒力矩力矩定轴转动物体的平衡定轴转动物体的平衡绪论绪论绪论绪论20近代物理：近代物理：以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。守恒量守恒量动量、角动量、能量动量、角动量、能量守恒定律守恒定律动量守恒定律动量守恒定律 角动量守恒定律角动量守恒定律 能量守恒定律能量守恒定律守恒定律与守恒定律与自然界对称自然界对称性的联系性的联系绪论绪论绪论绪论21 物理学在物理学在2020世纪取得了令人惊讶的世纪取得了令人惊讶的成功

18、。它改变了我们对空间和时间、存成功。它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看法，也改变了我们描述自在和认识的看法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本世纪行将结束之际，然的基本语言。在本世纪行将结束之际，我们已拥有我们已拥有一个对宇宙的崭新看法。在一个对宇宙的崭新看法。在这个新的宇宙观中，物质已失去了它原这个新的宇宙观中，物质已失去了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的来的中心地位，取而代之的是自然界的对称性。对称性。 （美）斯蒂芬（美）斯蒂芬 . . 温伯格温伯格温伯格温伯格( (美）美）(1933- (1933- ) )绪论绪论绪论绪论22 2. 2. 2. 2. 学习物理学方法学习物理

19、学方法学习物理学方法学习物理学方法 是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的标志是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的标志之一。之一。理想化理想化方法方法理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体) )理想实验（伽利略、牛顿理想实验（伽利略、牛顿. . ）理想过程理想过程 ( (准静态、绝热准静态、绝热) )例例方法实质方法实质: : 简化、纯化，抓住简化、纯化，抓住主要矛盾，摒弃次要因素。主要矛盾，摒弃次要因素。重要意义：重要意义：人类认识世界的基本人类认识世界的基本策略策略牛顿的理想实验牛顿的理想实验绪论绪论绪论绪论23应用模型是物理学的一个基本方法：应

20、用模型是物理学的一个基本方法：用模型来描述自然，用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验用数学来表达模型，用实验来检验模型。模型。（1858-19471858-1947）感觉世界感觉世界物理科学世界物理科学世界真实世界真实世界大量大量唯象定律唯象定律较高层次较高层次定律定律自然界的自然界的基本法则基本法则( (中介中介) )逼近逼近目标目标归纳归纳总结总结气体定律、胡克气体定律、胡克定律定律牛顿定律、牛顿定律、麦氏方程麦氏方程物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。建立模型、不断改进模型来逐

21、渐认识自然的。绪论绪论绪论绪论24又如：又如：科学假说方法科学假说方法牛顿时代：牛顿时代：以经验观察，逻辑归纳为主。以经验观察，逻辑归纳为主。现代物理：现代物理：问题问题假说假说( (实践实践) )科学科学 （证伪）（证伪）新问题新问题新假说新假说. 不是由观察结果归纳出理论，而是由理论不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观察什么决定观察什么。 爱因斯坦爱因斯坦绪论绪论绪论绪论25 物理书都充满了复杂的数学公式。物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。物理理论的开端。 爱因斯坦爱因斯坦 发展独立思考和独立判断的一般能

22、力，应该始终放在发展独立思考和独立判断的一般能力，应该始终放在首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌首位，而不应当把获得专业知识放在首位。如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，握了他的学科的基础理论，并且学会了独立地思考和工作，他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细他必定会找到他自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地适应进步节知识为其培养内容的人来说，他一定会更好地适应进步与变化。与变化。 阿尔伯特阿尔伯特 . . 爱因斯坦爱因斯坦 绪论绪论绪论绪论26四、关于学习方法和学风的要求四、关于学习方法和学风的

23、要求四、关于学习方法和学风的要求四、关于学习方法和学风的要求 严守课堂纪律（不迟到，不影响他人听课）。严守课堂纪律（不迟到，不影响他人听课）。 要勤于思考要勤于思考要勤于思考要勤于思考, , , ,悟物穷理，不断建立自己的物理图象。悟物穷理，不断建立自己的物理图象。悟物穷理，不断建立自己的物理图象。悟物穷理，不断建立自己的物理图象。 做到严谨、求实，反对浮躁和急功近利。做到严谨、求实，反对浮躁和急功近利。 高质量地及时完成作业，摈弃高质量地及时完成作业，摈弃“题海战术题海战术”。 重视预习和复习，主动培养自学能力，适应重视预习和复习，主动培养自学能力，适应 “粗粗线条线条” 的讲课方式（的讲课方式（ 讲思路、讲思路、 讲背景、讲重点难点）讲背景、讲重点难点）。绪论绪论绪论绪论27 如果一个人掌握了他的学科基础如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且学会了独立思考与工作，理论，并且学会了独立思考与工作，他必定会找到自己的道路。他必定会找到自己的道路。结束语 爱因斯坦爱因斯坦绪论绪论绪论绪论28