大學(xué)物理講義第一章緒論

1、1大學(xué)物理大學(xué)物理IIIUniversity Physics for Non-Science Students姚文靜姚文北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系2結(jié)合所學(xué)物理知識和自身專業(yè)背景結(jié)合所學(xué)物理知識和自身專業(yè)背景開展如下主題的討論開展如下主題的討論 1 1）一只蘋果引發(fā)的思考）一只蘋果引發(fā)的思考 2 2）我眼中的對稱與守恒）我眼中的對稱與守恒 3 3）熵與社會和經(jīng)濟(jì)）熵與社會和經(jīng)濟(jì) 4 4）縈繞身邊的電磁波）縈繞身邊的電磁波 5 5）神奇的光）神奇的光3第第1章章 緒論緒論一、課程信息一、課程信息1、課程代碼：11100532、課程名稱：大學(xué)物理III3、學(xué)時(shí)/學(xué)分：72

2、/104、先修課程：經(jīng)濟(jì)數(shù)學(xué)5、面向?qū)ο螅何目聘鲗I(yè)本科生6、開課院系：理學(xué)院應(yīng)用物理系7、開課學(xué)期：第2學(xué)期4二、教材、教學(xué)參考書二、教材、教學(xué)參考書物理學(xué)概論 王曉鷗主編、同濟(jì)大學(xué)出版社、2007大學(xué)物理導(dǎo)論、向義和等編、清華大學(xué)出版社、1996年大學(xué)物理、張淳民等編、西安交通大學(xué)出版社、2002年今日物理、高崇壽，謝柏青編著、高等教育出版社、2004年物理與藝術(shù)、施大寧編著、科學(xué)出版社、2005年現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)導(dǎo)論（第3版）、宗占國主編、高等教育出版社、2004年物理學(xué)史、（美）弗卡約里著，戴念祖譯、廣西師范大學(xué)出版社、2002年物理的挑戰(zhàn)、李政道著、中國經(jīng)濟(jì)出版社、2002年5三、為什么

3、要學(xué)習(xí)物理學(xué)三、為什么要學(xué)習(xí)物理學(xué) 1、什么是物理學(xué)？ 物理學(xué)Physics來源于希臘文，意為“自然”，中文中的含義為“物”（物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)）和“理”（物質(zhì)的運(yùn)動、變化規(guī)律）。 物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動基本規(guī)律的科學(xué)。它是自然科學(xué)中與自然界的基本規(guī)律關(guān)系最直接的一門科學(xué)。其他的學(xué)科和工程技術(shù)都是以物理學(xué)為基礎(chǔ)的。62、什么是大學(xué)物理III? 物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)的基礎(chǔ)，大學(xué)物理大學(xué)物理III課程是以課程是以自然界中最基本的物理現(xiàn)象、物質(zhì)形態(tài)和關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動的自然界中最基本的物理現(xiàn)象、物質(zhì)形態(tài)和關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動的一般規(guī)律的理論體系為基本內(nèi)容，同時(shí)介紹人們在科學(xué)歷一般規(guī)律

4、的理論體系為基本內(nèi)容，同時(shí)介紹人們在科學(xué)歷史長河中了解自然、認(rèn)識自然、改造自然的認(rèn)識論和方法史長河中了解自然、認(rèn)識自然、改造自然的認(rèn)識論和方法論，激發(fā)學(xué)生不斷探索科學(xué)奧秘、深化對物質(zhì)世界認(rèn)識的論，激發(fā)學(xué)生不斷探索科學(xué)奧秘、深化對物質(zhì)世界認(rèn)識的興趣和志向。因此，該課程是學(xué)生了解物質(zhì)世界、認(rèn)識自興趣和志向。因此，該課程是學(xué)生了解物質(zhì)世界、認(rèn)識自然規(guī)律、樹立辨證唯物史觀、掌握科學(xué)方法的重要基礎(chǔ)；然規(guī)律、樹立辨證唯物史觀、掌握科學(xué)方法的重要基礎(chǔ)；是激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)、不斷進(jìn)取的重要課程。是激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué)、崇尚科學(xué)、不斷進(jìn)取的重要課程。73、我們?yōu)槭裁匆獙W(xué)習(xí)大學(xué)物理III?情情 商商 與與 智

5、智 商商 對文管類專業(yè)開設(shè)大學(xué)物理課程的目的，是為了適應(yīng)現(xiàn)代對文管類專業(yè)開設(shè)大學(xué)物理課程的目的，是為了適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展對高素質(zhì)人才的需要，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)社會發(fā)展對高素質(zhì)人才的需要，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和全面素質(zhì)。化，培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維能力和全面素質(zhì)。84、物理學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系 1）物理學(xué)使數(shù)學(xué)有了用武之地 數(shù)學(xué)是物理學(xué)定量描述的工具；物理學(xué)為數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)是物理學(xué)定量描述的工具；物理學(xué)為數(shù)學(xué)的發(fā)展提供空間。的發(fā)展提供空間。2）物理學(xué)與天文學(xué)密不可分 物理學(xué)為天文學(xué)的發(fā)展提供各種探測手段；天物理學(xué)為天文學(xué)的發(fā)展提供各種探測手段；天文學(xué)為物理的發(fā)展提供素

6、材和佐證。文學(xué)為物理的發(fā)展提供素材和佐證。3）物理學(xué)為化學(xué)提供理論依據(jù) 唇齒相依、息息相關(guān)。唇齒相依、息息相關(guān)。94）物理學(xué)在生物學(xué)發(fā)展中的貢獻(xiàn) 物理學(xué)一是為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段：物理學(xué)一是為生命科學(xué)提供現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段：X-ray、B超、核磁共振、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡；二是為生超、核磁共振、電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡；二是為生命科學(xué)提供理論概念和方法。生物學(xué)有可能潛藏著人類尚命科學(xué)提供理論概念和方法。生物學(xué)有可能潛藏著人類尚未認(rèn)識的運(yùn)動規(guī)律。未認(rèn)識的運(yùn)動規(guī)律。5）物理學(xué)是信息科學(xué)的基礎(chǔ) 信息科學(xué)的發(fā)展是建立在先進(jìn)的能夠存儲，傳輸和處理信息科學(xué)的發(fā)展是建立在先進(jìn)的能夠存儲，傳輸和處理

7、數(shù)據(jù)的硬件（存儲介質(zhì)、數(shù)據(jù)的硬件（存儲介質(zhì)、CPU、光纜等等）基礎(chǔ)之上的科、光纜等等）基礎(chǔ)之上的科學(xué)。自然是物理學(xué)發(fā)展的結(jié)果。學(xué)。自然是物理學(xué)發(fā)展的結(jié)果。6）物理學(xué)在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的作用10 5、物理學(xué)與技術(shù)的關(guān)系 三次工業(yè)革命 物理學(xué)為技術(shù)的形成提供科學(xué)原理物理學(xué)影響技術(shù)進(jìn)行的路線物理學(xué)左右技術(shù)的實(shí)施方案 兩種基本的模式： 一是由于生產(chǎn)實(shí)踐的需要而創(chuàng)建了技術(shù)，然后提高到理論上來，再反饋到技術(shù)中去，促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展；二是先在實(shí)驗(yàn)室中揭示了基本規(guī)律，建立比較完整的理論，然后再在生產(chǎn)中發(fā)展成為一種全新的技術(shù)。116、物理學(xué)與方法論和世界觀 物理學(xué)描繪了世界的一幅完整的圖像，它揭示出各種運(yùn)動形態(tài)的相互

8、聯(lián)系與相互轉(zhuǎn)化，充分體現(xiàn)了世界的物質(zhì)性與物質(zhì)世界的統(tǒng)一性。理解世界的方法論：1）邏輯方法 分析-綜合法 歸納-演繹法2）與物理學(xué)基本原理相聯(lián)系的方法（不能違背的法則） 能量守恒原理，熵增大原理（有序-無序）3）科學(xué)發(fā)現(xiàn)中創(chuàng)造性的思維方法 物理模型，理想實(shí)驗(yàn)，物理類比，物理假說看待世界的世界觀（唯物主義）： 這個(gè)世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)是運(yùn)動著的和普遍聯(lián)系著的。這個(gè)世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，物質(zhì)是運(yùn)動著的和普遍聯(lián)系著的。12 例：掃描隧道顯微鏡 (STM)的發(fā)明70年代 羅伯特.楊制成場發(fā)射顯微鏡。1981年 賓尼和羅雷爾應(yīng)用隧道效應(yīng)，正是由于其掌握了量子力學(xué)方面的知識，改進(jìn)了場發(fā)射顯微鏡研制成了掃描

9、隧道顯微鏡（STM），1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，得益于深厚的科學(xué)素養(yǎng)。7、物理學(xué)素質(zhì)的重要性只有堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)，才能在科學(xué)領(lǐng)域有所發(fā)現(xiàn)，有所只有堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)，才能在科學(xué)領(lǐng)域有所發(fā)現(xiàn)，有所創(chuàng)造。創(chuàng)造。13 硅表面77重構(gòu)圖象 “原子和分子的觀察與操縱” - 白春禮 插頁彩圖2解決許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問題14用AFM得到的癌細(xì)胞的表面圖象“原子和分子的觀察與操縱” - 白春禮 P.98 圖 4-8基于STM工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列原子力(AFM) 磁力 分子力顯微鏡 等等15 1994年中國科學(xué)院科學(xué)家“寫”出平均每個(gè)字的面積僅百萬分之一平方厘米 10-10 m2“原子和分子

10、的觀察與操縱” - 白春禮 插頁彩圖13操縱原子不是夢“原子書法”16 一氧化碳“分子人”“原子和分子的觀察與操縱” - 白春禮 P.151 圖7-8掃描隧道繪畫17四、物理學(xué)的重要發(fā)展階段四、物理學(xué)的重要發(fā)展階段 18 迄今為止，物理學(xué)已實(shí)現(xiàn)了五次大統(tǒng)一。 牛頓的力學(xué)定律和萬有引力定律是物理學(xué)上的第一次大統(tǒng)一。牛頓發(fā)現(xiàn)天體運(yùn)動和地面落體運(yùn)動遵循相同的規(guī)律。 19世紀(jì)中葉，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)第二次大統(tǒng)一。它揭示了熱、機(jī)械、電、化學(xué)等各種運(yùn)動形式之間的統(tǒng)一性。 19世紀(jì)末，法拉第和麥克斯韋建立了統(tǒng)一的電磁場理論，預(yù)見了電磁波，揭示光、電、磁現(xiàn)象本質(zhì)上的統(tǒng)一性。19 20世紀(jì)初，愛因

11、斯坦把牛頓力學(xué)和電磁理論統(tǒng)一起來，創(chuàng)建了相對論。它把牛頓力學(xué)作為一種特殊的情況（低速情況）概括在內(nèi)，使力學(xué)、電磁學(xué)在新的時(shí)空觀基礎(chǔ)上達(dá)到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 20世紀(jì)30年代，法國的德布羅意、德國的海森堡和奧地利的薛定諤創(chuàng)建了物質(zhì)波理論，把波動性與粒子性統(tǒng)一起來，建立了量子力學(xué)體系，成功地揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律。20五、物理學(xué)基本理論分支五、物理學(xué)基本理論分支（要學(xué)習(xí)的內(nèi)容）（要學(xué)習(xí)的內(nèi)容） 不同的運(yùn)動形式具有不同的運(yùn)動規(guī)律，因而要用不同的研究方法處理，因此，有發(fā)展起來了諸多的物理學(xué)分支，其中最為重大的基本理論分支基本理論分支有：有： 牛頓力學(xué)牛頓力學(xué)或經(jīng)典力學(xué)（Mechanics）：研究物體的

12、機(jī)械運(yùn)動（質(zhì)點(diǎn)，宏觀，簡單有形系統(tǒng)）； 熱力學(xué)熱力學(xué)（Thermodynamics）：研究溫度、熱、能量守恒以及熵原理等等； 電磁學(xué)電磁學(xué)（Electromagnetism）：研究電、磁以及電磁輻射等等； 相對論相對論（Relativity）：研究高速運(yùn)動、時(shí)間和空間、物理規(guī)律不變性等等； 量子力學(xué)量子力學(xué)（Quantum mechanics）：研究微觀世界。按照物理學(xué)的歷史發(fā)展歷史發(fā)展又可以分為經(jīng)典物理學(xué)經(jīng)典物理學(xué)與近代物理學(xué)近代物理學(xué)（泛指以相對論和量子力學(xué)為基礎(chǔ)的物理學(xué)）。21六、自然界物質(zhì)的物理圖像六、自然界物質(zhì)的物理圖像 1、按照物體的線度劃分：宏觀(10-7m)，微觀(10-7m)

13、，介觀(10-7m)，宇觀(1026m) 2、按聚集狀態(tài)分：（1）固態(tài) （2）液態(tài) （3）氣態(tài) （4）等離子態(tài) （5）中子態(tài) （6）反物質(zhì) （7）真空態(tài) 3、物質(zhì)按其存在形式 ：實(shí)物與場 物質(zhì)特性：與其它物質(zhì)有相互作用力；具有對其它物質(zhì)做功的本領(lǐng)具有能量。2223七、自然界四種基本相互作用力七、自然界四種基本相互作用力 在自然界中，從宇宙天體到基本粒子這樣廣泛的運(yùn)動，均起因于四種基本相互作用力： 引力相互作用（引力子，？）引力相互作用（引力子，？） 弱相互作用（弱力，弱相互作用（弱力，W W、Z Z粒子）粒子） 電磁相互作用（電磁力，光子）電磁相互作用（電磁力，光子） 強(qiáng)相互作用（強(qiáng)力，強(qiáng)相互

14、作用（強(qiáng)力， 粒子）粒子）24八、物理學(xué)國際基本單位八、物理學(xué)國際基本單位 1、七個(gè)基本單位（基本量）長度米，m質(zhì)量千克，kg時(shí)間秒，s電流安培，A熱力學(xué)溫度開爾文，K物質(zhì)的量摩爾，mol發(fā)光強(qiáng)度坎德拉，cd2、兩個(gè)輔助單位平面角弧度，rad立體角球面度，sr其他物理量都可由以上基本量導(dǎo)出。25九、基本單位標(biāo)準(zhǔn)九、基本單位標(biāo)準(zhǔn)米米: : 光在真空中（1/299 792 458）s時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)過路徑的長度。千克：千克：國際千克原器的質(zhì)量。秒：秒：銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9 192 631 770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間。安培：安培：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1

15、m的無限長平行圓直導(dǎo)線內(nèi)通以等量恒定電流時(shí)，若導(dǎo)線間相互作用力在每米長度上為210-7 N，則每根導(dǎo)線中的電流為1 A。開爾文：開爾文：水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。摩爾：摩爾：是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元（原子、分子、離子、電子及其他粒子，或這些粒子的特定組合）數(shù)與0.012 kg碳-12的原子數(shù)目相等?？驳吕驳吕菏且还庠丛诮o定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為5401012 Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）W/sr。26十、怎樣學(xué)好大學(xué)物理十、怎樣學(xué)好大學(xué)物理勤于思考，悟物窮理。整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)的目的就是要學(xué)會思考！1.首先要有一個(gè)正確的態(tài)度樹

16、立科學(xué)的觀念與精神2.學(xué)習(xí)目的要轉(zhuǎn)變掌握零散的科學(xué)知識掌握系統(tǒng)理論，思想方法培養(yǎng)創(chuàng)新能力應(yīng)試學(xué)習(xí)知識的積累，能力的訓(xùn)練，素質(zhì)的培養(yǎng)的學(xué)習(xí)被動學(xué)習(xí)主動學(xué)習(xí)273.學(xué)習(xí)方法要轉(zhuǎn)變單獨(dú)學(xué)習(xí)相互討論、交流為了作題而學(xué)習(xí)為了學(xué)習(xí)而作題先看書后獨(dú)立完成作業(yè)課堂完成課堂的聽講+課后的閱讀盲從的學(xué)習(xí) 要有批判的精神帶著問題聽課讀書284.幾點(diǎn)具體的建議有疑問要交流和答疑不要簡單的問：題怎么做。課后閱讀以課堂筆記的框架閱讀。及時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)不能照例題做作業(yè)， 推理過程要表達(dá)清楚規(guī)范。堅(jiān)持上課必須學(xué)會記筆記 (問題的提出, 解決的方法, 重要的結(jié)論)。29十一、對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求十一、對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求 在大

17、學(xué)物理課的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅要重視知識的傳授，同時(shí)著重培養(yǎng)科學(xué)研究的基本能力和素質(zhì)，使學(xué)生初步學(xué)習(xí)科學(xué)的思想方法和研究問題的方法，通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使學(xué)生初步具備以下能力：1能夠獨(dú)立地閱讀相當(dāng)于大學(xué)物理水平的教材，參考書和文獻(xiàn)資料，并能理解其主要內(nèi)容和寫出條理較清晰的筆記、小結(jié)或讀書心得。302了解各種理想物理模型并能夠根據(jù)物理概念、問題的性質(zhì)和需要，抓住主要的因素，略去次要要素，對所研究的對象進(jìn)行合理的簡化。 3掌握物理學(xué)中各種理論體系的基本內(nèi)容和知識；并學(xué)會運(yùn)用物理學(xué)的理論、觀點(diǎn)和方法分析、研究、計(jì)算或估算一般難度的物理應(yīng)用問題；并能根據(jù)單位、數(shù)量級與已知典型結(jié)果的比較，判斷結(jié)果的合理性。31十二、作業(yè)規(guī)范與考試資格十二、作業(yè)規(guī)范與考試資格 （1）學(xué)生在完成作業(yè)時(shí)，應(yīng)書寫認(rèn)真、表達(dá)規(guī)范、論證嚴(yán)謹(jǐn)，并完整地完成全部作業(yè)。如有未答題目則視為作業(yè)缺交。作業(yè)書寫潦草、隨意涂劃、符號文字表達(dá)混亂者應(yīng)發(fā)回重做。 （2）學(xué)生應(yīng)獨(dú)立完成作業(yè)，嚴(yán)禁相互照抄或抄襲習(xí)題解答。發(fā)現(xiàn)有抄襲現(xiàn)象2次者，取消課程考試資格。 （3）作業(yè)下發(fā)后學(xué)