大學物理講義01緒論及預備知識大學物理講義01緒論及預備知識大學物理講義01緒論及預備知識*

明確為什么學？學什么？怎樣學？第一章課程介紹*了解物質世界的整體圖象。第二章物質世界第一篇緒論目的：獲得學習“大學物理”的自覺意識和較高的起點。學時：2

請允許我說明我講這門課的主要目的。我的目的不是教你們如何應付考試，甚至不是讓你們掌握這些知識，以便更好地為今后你們面臨的工業或軍事工作服務。我最希望的是，你們能夠像真正的物理學家一樣，欣賞到這個世界的美妙。物理學家們看待這個世界的方式，我相信，是這個現代化時代真正文化內涵的主要部分。也許你們學會的不僅僅是如何欣賞這種文化，甚至也愿意參加到這個人類思想誕生以來最偉大的探索中來。

－－－理查德.費曼R.P.Feynman（1918－1988）美國物理學家，諾貝爾物理獎獲得者第一章課程介紹一.為什么要學習“大學物理”？物理學:研究物質世界的基本結構、基本相互作用和最普遍的運動規律。是一切自然科學和工程技術的基礎。

物理書都充滿了復雜的數學公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理論的開端。

－－愛因斯坦

《物理學的進化》學習目的：1.獲得生活、學習、工作所需的知識和技能。2.開啟智慧，獲得科學思想、科學精神、科學態度和科學方法的熏陶和培養。載體定位：不僅僅是為后續課服務不僅僅是為專業服務立足于提高自身科學素質，有益于終身學習和發展為什么要提高工科學生的科學（物理）素質？根本原因：物理學及工程技術的關系*第一次工業革命（17～18世紀）：建立在牛頓力學和熱力學發展的基礎上，其標志是以蒸汽機為代表的一系列機械的產生和應用。

*第二次工業革命（19世紀）：建立在電磁理論發展的基礎上，其標志是發電機、電動機、電訊設備的出現和應用。*第三次工業革命（20世紀）：建立在相對論和量子力學發展的基礎上，其標志是以信息技術為代表的一系列新學科、新材料、新能源、新技術的興起和發展。物理學與技術關系的兩種模式*技術物理技術（典型例子：熱學）*物理技術物理（典型例子：電磁學）在現代社會中主要以第二種方式進行。[例]計算機技術、激光技術、核技術、空間技術……其基礎正是過去大半個世紀的現代物理學的研究成果。電子和信息技術的物理基礎1925年量子力學建立1926年Fermi-Dirac統計法提出1929年能帶理論提出并得到證實，從理論上解釋了導體、半導體、絕緣體的性質和區別；

Fermi面概念及其可測量的提出1947年發明晶體管

（肖克萊、巴丁、布拉頓獲1956年諾貝爾物理獎）1957年建立Fermi面編目1962年制成集成電路（IC）

1965年摩爾定律：芯片容量每18－24個月翻番。70年代末大規模和超大規模集成電路（VLIC）核技術的物理基礎1896年Becquerel發現鈾的天然放射性1905年Einstein創立狹義相對論，得1911年Rutherford提出原子的有核模型1925年量子力學建立1932年建立原子核的質子——中子模型1933年發現人工放射性1945年實現核裂變——原子彈1952年實現核聚變——氫彈1954年建立第一座核電站（安全、清潔、經濟的能源）比較原理發現（年）工業產品（年）經歷時間（年）電動機1821188665真空管1882191533無線電1887192235X光1895191318雷達193519005原子反應堆193919423半導體194819513激光195819602從基本原理轉變為技術的速度加快直接從各分支物理實驗室移植到工業上的新技術納米（）技術皮秒（）技術超導技術…...IBM公司構成的鉑片表面的“一氧化碳人”身高5納米。物理學提供科學原理指導技術路線的選擇和技術方案的改進培養技術人員的科學品格和創新能力，使其眼光遠，層次高，后勁足全世界工科大學無一例外將物理作為重要基礎課二.學什么？知識、方法、科學觀念“物”——物質世界“理”——普遍規律1.學習物理知識要注意整體性、發展性和遷移性。整體性注意掌握知識的結構和聯系形成物質世界的整體物理圖象避免：只見樹木，不見森林。只得到一堆支離破碎的公式。經典物理

力學（實物粒子）電磁學（場）熱力學統計物理（多粒子體系）相對論力學量子力學量子統計物理相對論量子力學相對論量子場論？物理學的基本框架分支學科：激光物理，半導體物理，原子物理，核物理…交叉學科：生物物理，量子化學，地球物理，海洋物理…物理學的基本框架速率大小或距離1020m10－5m0.01cc狹義相對論廣義相對論量子理論狹義相對論量子理論牛頓物理學禁區禁區來自《物理學：基本概念及其及方方面面的聯系》教材結構和主線上冊下冊多粒子體系的熱運動基本粒子實物的運動規律相互作用和場振動和波動量子現象和量子規律發展性

不斷從新的角度審視和理解物理概念和規律，關注其內涵的豐富，應用的擴展，相互關系的變化。[例]質量初中：循環定義？前沿：

質量究竟是什么？是如何產生的？大學：高中：－慣性質量－引力質量？[例]力中學：以“力”為中心。對時間積累動量定理——動量守恒對空間積累動能定理——機械能守恒力矩定軸轉動物體的平衡近代物理：以守恒量為中心的表述優于以力為中心表述。守恒量——動量、角動量、能量守恒定律－動量守恒定律角動量守恒定律能量守恒定律守恒定律與自然界對稱性的聯系

物理學在20世紀取得了令人驚訝的成功。它改變了我們對空間和時間、存在和認識的看法，也改變了我們描述自然的基本語言。在本世紀行將結束之際，我們已擁有一個對宇宙的嶄新看法。在這個新的宇宙觀中，物質已失去了它原來的中心地位，取而代之的是自然界的對稱性。

——

（美）斯蒂芬.溫伯格溫伯格(美）(1933---)注意提高應用物理知識理解、解決實際問題的能力。遷移性

發展獨立思考和獨立判斷的一般能力，應該始終放在首位，而不應當把獲得專業知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立地思考和工作，他必定會找到他自己的道路，而且比起那種主要以獲得細節知識為其培養內容的人來說，他一定會更好地適應進步與變化。——阿爾伯特.愛因斯坦

德裔（美）愛因斯坦(1879-1955)

2.學習物理方法觀察、實驗、模擬、演繹、歸納、分析、綜合、類比、理想化、假說……形成指導性原理:*

簡單性原理：邏輯前提越簡單，普遍程度越高。*

對應原理：新理論應包容在一定條件下被證實是正確的舊理論，并在極限條件下過渡到舊理論。

……是否運用物理學方法已經成為一門學科是否成熟的標志之一。理想化方法理想模型（單擺、彈簧振子、理想氣體……)理想實驗（伽利略、牛頓…...）理想過程(準靜態、絕熱……)[例]方法實質:

簡化、純化，抓住主要矛盾，摒棄次要因素。重要意義：人類認識世界的基本策略牛頓的理想實驗物理學的基本思想方法：用模型來描述自然，用數學來表達模型，用實驗來檢驗模型。（1858-1947）感覺世界物理科學世界真實世界大量唯象定律較高層次定律自然界的基本法則(中介)逼近目標歸納總結氣體定律胡克定律……牛頓定律麥氏方程……物理學描述的是關于實在世界的模型

我們可以把組成這個“世界”的這些運動事物的復雜組合，想象成天神們下的一盤巨大的象棋，而我們是這局棋的觀眾。我們不知道奕棋的規則，允許我們做的就是觀看這場棋賽。當然，如果看的時間夠長，我們終歸能看出幾條規則來。這些奕棋規則就是我們所說的基礎物理學。……如果你會下棋就一定知道，學會所有的規則是容易的，而要選擇最佳的走法或理解人家為什么這樣走則往往很困難。在自然界中也是如此，只是程度更厲害……除了我們還不知道全部規則之外，用已知的規則我們確實能解釋的事物也是非常有限的，因為所有的情況都極其復雜，我們不能用這些規則領會這盤棋的走法，更不用說預言下一步將發生什么情況了。因此，我們只能滿足于奕棋規則這個比較基本的問題。－－－費曼R.P.Feynman（1918－1988）物理概念、規律及自然實在并非完全同一。人類是依靠建立模型、不斷改進模型來逐漸認識自然的。避免將物理規律視為一成不變的僵死教條，尋求發展和創新！又如：科學假說方法牛頓時代：以經驗觀察，邏輯歸納為主。現代物理：問題——假說——(實踐)——科學——

（證偽）——新問題——新假說——…...

不是由觀察結果歸納出理論，而是由理論決定觀察什么。

——愛因斯坦3.學習先進的科學觀念，樹立科學世界觀物理學中的唯物論：實踐（實驗）是判斷（檢驗）真理（科學）的唯一標準.物理學中的辨證法:相對性原理，變革性原理，對應原理，互補原理……物理學“美”的標準：簡單、和諧、統一、對稱。

應當期望物理學家的美感有一種用途：協助物理學家去選擇可幫助我們了解大自然的理念。

－－－溫伯格自然是和諧統一的整體，自然界的復雜性是由簡單規則演變而來。物理上真實的東西，一定是邏輯上簡單的東西。

——愛因斯坦符合物理學審美原則：學科的分化、交叉、整合。人及自然的和諧發展——新的自然觀

一切工程技術實踐都要尊重生態規律，講求環境效益，樹立“整體優化”和“可持續發展”的價值觀念。三.怎樣學?業精于勤荒于嬉，行成于思毀于隨。

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韓愈第二章物質世界教育的實質就是克服狹隘性，也就是要開闊人的眼界。

－曼格一.物質世界的空間尺度——宇宙的42個臺階宇宙學、粒子物理的奇妙銜接哈勃半徑：星系團：銀河系：地球軌道半徑：太陽半徑：地球半徑：月球半徑：大分子：小分子：原子：原子核：基本粒子：二.物質世界的時間尺度共計跨越了42個數量級宇宙年齡：150億年生命的誕生：約40億年人類：300萬年（1014s）中間玻色子壽命：10－24s地球年齡:大爆炸宇宙年齡：星系年齡：地球年齡：出現生命：富氧大氣：人類：地球公轉：月球公轉：地球自轉：中子壽命：中間玻色子壽命：50億年150億年46億年40億年3百萬年8億年三.物質世界的質量尺度目前所測宇宙：銀河系：太陽：地球：月球：細菌：紅血球：流感病毒：氧分子：中子、質子：電子：宇宙中物體的質量量級——跨躍了約80個數量級四.基本粒子家族基本粒子：指人類迄今為止尚未發現其內部結構的“點”粒子，是一個不斷向更深層次轉移的動態概念。

基本粒子特征：質量、電荷、自旋、壽命……要點：三大家族四種相互作用標準模型：1964年美國蓋爾曼提出，1969年斯坦福直線加速器中心電子—核子撞擊實驗首次驗證，獲當年諾貝爾物理獎。（1929－）1.規范粒子（場粒子，傳遞相互作用，共13種）三大家族名稱符號靜質量（MeV）電荷（e）自旋壽命（s）傳遞的相互作用光子001電磁中間玻色子11弱膠子（8種）001強引力子??002引力玻色子根據范德米爾與魯比亞“隨機冷卻”設想制造的高能加速器于1984年1月發現了規范場粒子W±和Z°粒子。其性質最終確定了弱電統一理論的正確性。二人于1984年獲諾貝爾物理獎。范德米爾(1925～)荷蘭物理學家魯比亞(1934～)(意)物理學家

格拉肖(美1932～)薩拉姆(巴基斯坦1926～1996)溫伯格(美1933～)因為弱電相互作用理論和預言弱中性流獲1979年諾貝爾物理獎。歷史之旅2.輕子：共3代12種三大家族名稱符號靜質量（MeV）電荷（e）自旋壽命（s）代電子電子中微子一0.510-1μ子μ子中微子二1060-1子

子中微子三*1776.90-1費米子*：北京正負電子對撞機測量結果北京正負電子對撞機（BEPC）的正電子源1988年建成，1992年成果：將子質量測量精度提高10倍2003年：發現新粒子2004年：國家投入6.4億元改造，搭建通向諾貝爾獎平臺反粒子的發現1930年狄拉克預言其存在；1932年安德森在宇宙射線實驗中發現正電子。（1905－1991）（1902－1984）1931年安德森用過的云室和磁鐵歷史之旅粒子從何方穿入？粒子帶何種電荷？由徑跡算出荷質比及電子相同。鉛板1999年6月3日，美國肯尼迪航天中心“發現者”號航天飛機搭載中國科學家參加研制的阿爾法磁譜儀（AMS）升空，尋找宇宙空間的暗物質和反物質（反碳核和反氦核）中微子之謎1930年泡利為解釋衰變中能量不守恒，提出假設：1933年費米建立弱作用理論。1942年王淦昌提出間接驗證方案，由美國艾倫完成。1956年美國雷尼斯完成探測中微子實驗，獲1995年諾貝爾物理獎。1999年日本科學家宣布測量到中微子質量不為零。2002年美國雷蒙德.戴維斯，日本小柴昌俊獲諾貝爾物理獎，表彰他們在探測宇宙中微子，開創中微子天文學方面取得的成就。尚存許多未解之謎，應用前景廣闊（地球斷層掃描，中微子通訊，探測星球內部信息……）歷史之旅3.夸克:3代、6味、每味3色，共36種三大家族名稱符號靜質量（MeV）電荷（e）自旋代一上夸克下夸克ud-300-300二粲夸克奇異夸克cs-500-1500三頂夸克底夸克tb-180000-5000費米子1964年蓋爾曼：1974年丁肇中：1977年萊德曼：1995年費米實驗室：（粲夸克）（底夸克）（頂夸克）（上、下、奇異夸克）歷史之旅強子（核子、介子）的夸克模型名稱符號符號組成組成名稱質子中子反質子正介子正K介子J/介子pnJ/特點：分數電荷

1977年超導鈮球實驗

漸近自由紅外奴役色禁閉（找不到自由夸克）duuduuduuuduuu基本粒子規范粒子13種輕子12種夸克36種玻色子（引力子？）費米子希格斯粒子（？）62種

小結：基本粒子的三大家族五.物質存在的基本形式——實物和場輕子