1、 1 大學(xué)物理緒論 物理學(xué)之精髓為“悟物窮理”，源于自然哲學(xué)?！拔颉敝父形?、認(rèn)知；“物”乃指天地之間的萬事萬物，自然界客觀存在的所有物體；“窮”的意思是探索、研究；“理”則是道理、原理、內(nèi)在聯(lián)系與客觀規(guī)律。因此，物理學(xué)是以世間萬物為認(rèn)識(shí)、感知、研究的對象，以發(fā)現(xiàn)并建立物體、事物之間的內(nèi)在聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)和作用規(guī)律為目的的一門科學(xué)。 格：就是條條框框，引申為規(guī)則，規(guī)律。格物：就是觀察事物，從中找出規(guī)律或者規(guī)則。格物致知：就是說，從觀察事物、尋找規(guī)律（規(guī)則）的過程中獲得智慧。格物致知，悟物窮理 2 ?觀察、思考、交流R.P.Feynman （19181988）美國物理學(xué)家諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者 請?jiān)试S我說明

2、我講這門課的主要目的。我的目的不是教你們?nèi)绾螒?yīng)付考試，甚至不是讓你們掌握這些知識(shí)，以便更好地為今后你們面臨的工業(yè)或軍事工作服務(wù)。我最希望的是，你們能夠像真正的物理學(xué)家一樣，欣賞到這個(gè)世界的美妙。物理學(xué)家們看待這個(gè)世界的方式，我相信，是這個(gè)現(xiàn)代化時(shí)代真正文化內(nèi)涵的主要部分。也許你們學(xué)會(huì)的不僅僅是如何欣賞這種文化，甚至也愿意參加到這個(gè)人類思想誕生以來最偉大的探索中來。費(fèi)曼物理學(xué)講義前言 理查德.費(fèi)曼 3 著名物理學(xué)家開爾文說：我常說，當(dāng)你能把所講的東西測量出來并用數(shù)字表示時(shí)，那么你對這個(gè)東西已有所認(rèn)識(shí)，但是如果不能用數(shù)字表示，那么你的認(rèn)識(shí)是不夠的，不能令人滿意的，可能只是初步的認(rèn)識(shí)，在你的思想上，

3、還沒有上升到科學(xué)的階段，不論你所講的是什么東西。瑞斯尼克，哈里德.物理學(xué) 第一卷 第一冊. 李仲卿 等譯.北京：高等教育出版社，1965 4 物理學(xué)是研究什么的？為什么學(xué)“大學(xué)物理” ？學(xué)什么？有什么要求？結(jié)束語緒論內(nèi)容 5 物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量和它們的相互作用的學(xué)科。 第23屆國際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合大會(huì)上十分精辟地指出： 一、物理學(xué)是研究什么的？緒論 6 空間尺度 （相差1045 1046） 1026 m（約150億光年）（宇宙） 1020 m（夸克） 時(shí)間尺度 （相差1045） 1018s（宇宙年齡150億年） 10-27s （ 硬 射線周期） 速率范圍 0 （靜止） 3 108 m

4、/s （光速）物理學(xué)的研究范圍（十分廣泛）緒論根據(jù)大爆炸宇宙模型推算，宇宙年齡大約138.2億年 7 8 9 10 11 宇宙“嬰兒期照片”，為宇宙大爆炸理論提供了新的依據(jù)。根據(jù)這張照片，科學(xué)家還精確地測量出了宇宙的實(shí)際年齡是137億年。 12 普朗克衛(wèi)星普朗克衛(wèi)星發(fā)布的嬰兒宇宙的照片圖中的斑點(diǎn)代表著早期宇宙中溫度在十萬分之一量級(jí)上的細(xì)微起伏 宇宙年齡為138.2億年。 宇宙膨脹的速度比我們預(yù)期的稍慢一些。 宇宙有4.9%是普通物質(zhì)，26.8%是暗物質(zhì)，68.3%是暗能量。 數(shù)據(jù)來自果殼網(wǎng) 13 14 玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）是玻色子原子在冷卻到絕對零度附近時(shí)所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的

5、物態(tài)。 15 16 緒論物理學(xué)大蟒 17 當(dāng)代物理學(xué)有兩個(gè)前沿領(lǐng)域。一個(gè)是研究“至小”的粒子物理學(xué)，它是研究構(gòu)成物質(zhì)的微小粒子以及基本粒子的質(zhì)量、電荷、自旋、壽命的理論，其標(biāo)準(zhǔn)模型的理論就是“規(guī)范粒子理論”；另一個(gè)則是研究“至大”的宇宙學(xué)，它研究宇宙的起源與演化，其標(biāo)準(zhǔn)模型理論就是上面介紹過的大爆炸理論。不難發(fā)現(xiàn)，這兩部分的理論研究上在多處使用了同一的語言。先是物理學(xué)在粒子領(lǐng)域獲得了巨大的成就，后來大爆炸模型利用了粒子理論成功地說明了許多在宇宙演化初期的超高能或高能狀態(tài)時(shí)的性狀。大爆炸理論的成功又反過來證明了粒子物理理論的正確性。由于現(xiàn)時(shí)在地球上人為的超高能狀態(tài)難以實(shí)現(xiàn)，物理學(xué)家還期望利用對宇

6、宙早期演化的觀測來驗(yàn)證極高能量下的粒子理論，而目前哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就擔(dān)負(fù)著這方面的任務(wù)。在這里，至大（1027m以上）和至?。?0-18m以下）領(lǐng)域的理論竟這樣奇妙地聯(lián)系在一起。 18 不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理學(xué)研究：緒論 19 經(jīng)典物理 力學(xué)（實(shí)物粒子）電磁學(xué)（場）熱力學(xué) 統(tǒng)計(jì)物理（多粒子體系）相對論力學(xué)量子力學(xué)量子統(tǒng)計(jì)物理相對論 量子力學(xué)相對論量子場論？物理學(xué)的基本框架分支學(xué)科：激光物理，半導(dǎo)體物理，原子物理，核物理交叉學(xué)科：生物物理，量子化學(xué)，地球物理，海洋物理緒論 20 特點(diǎn)：1) 要以相對論、量子物理為基礎(chǔ)；2) 觀察和實(shí)驗(yàn)手段及設(shè)備越來越精密 3) 交叉學(xué)科層出不窮 4

7、) 與新技術(shù)革命密切相關(guān) 當(dāng)代物理前沿：研究微觀結(jié)構(gòu)更深層次，研究單個(gè)粒子的結(jié)構(gòu)與性能及少數(shù)粒子間的相互作用，最后希望統(tǒng)一四種相互作用力。從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，揭開宏觀多粒子系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的奧秘 - 現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)物理及凝聚態(tài)物理。 少體問題 多體問題 天體問題探索大尺寸的宇觀領(lǐng)域，揭開宇宙的奧秘。緒論所謂暗物質(zhì)、暗能量就是非常稀奇的事物，這里面我想是可能引出基本物理學(xué)中革命性的發(fā)展來的 假如一個(gè)年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)。 楊振寧 2005.04.14 21 物理學(xué)的研究方法提出命題 應(yīng)用 修改理論 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 理論預(yù)言 物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合

8、的精確科學(xué)，物理的直覺和想象力及洞察力也常常產(chǎn)生重大突破和發(fā)現(xiàn)其研究方法可概括為：觀測、實(shí)驗(yàn) 推測答案 緒論 22 根本原因：物理學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系*第一次工業(yè)革命（1718世紀(jì)）：建立在牛頓力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是以蒸汽機(jī)為代表的一系列機(jī)械的產(chǎn)生和應(yīng)用。 *第二次工業(yè)革命（19世紀(jì)）：建立在電磁理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電訊設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用。*第三次工業(yè)革命（20世紀(jì)）：建立在相對論和量子力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是以信息技術(shù)為代表的一系列新學(xué)科、新材料、新能源、新技術(shù)的興起和發(fā)展。二、為什么要學(xué)習(xí)“大學(xué)物理”？緒論 23 物理學(xué)與技術(shù)關(guān)系的兩種模式*技術(shù) 物理 技術(shù)

9、（典型例子：熱學(xué)）*物理 技術(shù) 物理（典型例子：電磁學(xué)）在現(xiàn)代社會(huì)中主要以第二種方式進(jìn)行。例計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、核技術(shù)、空間技術(shù)其基礎(chǔ)正是過去大半個(gè)世紀(jì)的現(xiàn)代物理學(xué)的研究成果。緒論 24 電子和信息技術(shù)的物理基礎(chǔ)1925年 量子力學(xué)建立1926年 Fermi-Dirac 統(tǒng)計(jì)法提出1929年 能帶理論提出并得到證實(shí)，從理論上解釋 了導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的性質(zhì)和區(qū)別； Fermi面概念及其可測量的提出1947年 發(fā)明晶體管 （肖克萊、巴丁、布拉頓獲1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)）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1824個(gè)月翻番。70年代末

10、 大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLIC）緒論 25 核技術(shù)的物理基礎(chǔ)1896年 Becquerel 發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性1905年 Einstein 創(chuàng)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(xué)建立1932年 建立原子核的 質(zhì)子中子 模型1933年 發(fā)現(xiàn)人工放射性1945年 實(shí)現(xiàn)核裂變原子彈1952年 實(shí)現(xiàn)核聚變氫彈1954年 建立第一座核電站（安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源）緒論 26 比較原理發(fā)現(xiàn)（年）工業(yè)產(chǎn)品（年）經(jīng)歷時(shí)間（年）電動(dòng)機(jī)1821188665真空管1882191533無線電1887192235X光1895191318雷達(dá)193519005原子

11、反應(yīng)堆193919423半導(dǎo)體194819513激光195819602從基本原理轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)的速度加快緒論 27 直接從各分支物理實(shí)驗(yàn)室移植到工業(yè)上的新技術(shù)納米（ ）技術(shù)皮秒（ ）技術(shù)超導(dǎo)技術(shù).IBM公司構(gòu)成的鉑片表面的“一氧化碳人”身高5納米。物理學(xué)提供科學(xué)原理指導(dǎo)技術(shù)路線的選擇和技術(shù)方案的改進(jìn)培養(yǎng)技術(shù)人員的科學(xué)品格和創(chuàng)新能力，使其眼光遠(yuǎn)，層次高，后勁足全世界工科大學(xué)無一例外將物理作為重要基礎(chǔ)課緒論 28 三.學(xué)什么？知識(shí)、方法、科學(xué)觀念“物”物質(zhì)世界 “理”普遍規(guī)律1. 學(xué)習(xí)物理知識(shí)要注意 2. 學(xué)習(xí)物理方法3. 學(xué)習(xí)物理思想和培養(yǎng)獨(dú)立思考和解決問題的能力整體性、發(fā)展性、遷移性。緒論 29

12、高斯（Carl Friedrich Gauss 1777-1855） 德國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家。1777年4月30日生于德國布倫瑞克，幼時(shí)家境貧困，聰敏異常，受一貴族資助才進(jìn)學(xué)校受教育。1795-1789年在哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)，1799年獲博士學(xué)位。1870年任哥廷根大學(xué)數(shù)學(xué)教授和哥廷根天文臺(tái)臺(tái)長，一直到逝世。1833年和物理學(xué)家W.E.韋伯共同建立地磁觀測臺(tái)，組織磁學(xué)學(xué)會(huì)以聯(lián)系全世界的地磁臺(tái)站網(wǎng)。1855年2月23日在哥廷根逝世。 高斯長期從事于數(shù)學(xué)并將數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理學(xué)、天文學(xué)和大地測量學(xué)等領(lǐng)域的研究，著述豐富，成就甚多。他一生中共發(fā)表323篇（種）著作，提出404項(xiàng)科學(xué)創(chuàng)見（發(fā)表178項(xiàng)）， 30

13、 在各領(lǐng)域的主要成就有： （1）物理學(xué)和地磁學(xué)中，關(guān)于靜電學(xué)、溫差電和摩擦電的研究、利用絕對單位（長度、質(zhì)量和時(shí)間）法則量度非力學(xué)量以及地磁分布的理論研究。 （2）利用幾何學(xué)知識(shí)研究光學(xué)系統(tǒng)近軸光線行為和成像，建立高斯光學(xué)。 （3）天文學(xué)和大地測量學(xué)中，如小行星軌道的計(jì)算，地球大小和形狀的理論研究等。 （4）結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測算，發(fā)展了概率統(tǒng)計(jì)理論和誤差理論，發(fā)明了最小二乘法，引入高斯誤差曲線。此外，在純數(shù)學(xué)方面，對數(shù)論、代數(shù)、幾何學(xué)的若干基本定理作出嚴(yán)格證明。在CGS電磁系單位制（emu）中磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位定為高斯（1932年以前曾經(jīng)用高斯作為磁場強(qiáng)度單位），便是為了紀(jì)念高斯在電磁學(xué)上的卓越貢

14、獻(xiàn)。 31 麥克斯韋（James Clerk Maxwell 1831-1879)麥克斯韋是19世紀(jì)偉大的英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡，自幼聰穎，父親是個(gè)知識(shí)淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育。10歲時(shí)進(jìn)入愛丁堡中學(xué)學(xué)習(xí)， 14歲就在愛丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文，已顯露出出眾的才華。1847年進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理。1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，1854年以第二名的成績獲史密斯獎(jiǎng)學(xué)金，畢業(yè)留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學(xué)教授。1860年到倫敦國王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授。 32 1

15、861年選為倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1865年春辭去教職回到家鄉(xiāng)系統(tǒng)地總結(jié)他的關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著論電和磁，并于1873年出版，1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪什試驗(yàn)物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建著名的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，1874年建成后擔(dān)任這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的第一任主任，直到1879年11月5日在劍橋逝世。麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。麥克斯韋大約于1855年開始研究電磁學(xué)，在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思

16、想之后，堅(jiān)信法拉第的新理論包含著真理。于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來。他在前人成就的基礎(chǔ)上，對整個(gè)電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究， 33 憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場理論的三篇論文：論法拉第的力線（1855年12 月至1856年2月）；論物理的力線（1861棗1862年）；電磁場的動(dòng)力學(xué)理論（1864年12月8日）。對前人和他自己的工作進(jìn)行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來，經(jīng)后人整理和改寫，成為經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組。據(jù)此，1865年他預(yù)言了電磁波的存在，電磁波只

17、可能是橫波，并計(jì)算了電磁波的傳播速度等于光速，同時(shí)得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1888年德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著電磁理論。系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。在熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面麥克斯韋也作出了重要貢獻(xiàn)，他是氣體動(dòng)理論的創(chuàng)始人之一。1859年他首次用統(tǒng)計(jì)規(guī)律棗麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀兩求統(tǒng)計(jì)平均值的更確切的途徑。1866年他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的。 34 他引入了遲豫時(shí)間的概念，發(fā)展了一般形式的輸

18、運(yùn)理論，并把它應(yīng)用于擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過程。1867年引入了“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這個(gè)術(shù)語。麥克斯韋是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析物理問題和精確地表述科學(xué)思想的大師，他非常重視實(shí)驗(yàn)，由他負(fù)責(zé)建立起來的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，發(fā)展成為舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。他善于從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，經(jīng)過敏銳的觀察思考，應(yīng)用嫻熟的數(shù)學(xué)技巧，從縝密的分析和推理，大膽地提出有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的假設(shè)，建立新的理論，再使理論及其預(yù)言的結(jié)論接受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，逐漸完善，形成系統(tǒng)、完整的理論。特別是湯姆孫W卓有成效地運(yùn)用類比的方法使麥克斯韋深受啟示，使他成為建立各種模型來類比研究不同物理現(xiàn)象的能手。在他的電磁場理論的三篇論文中多次使用了類比研

19、究方法，尋找到了不同現(xiàn)象之間的聯(lián)系，從而逐步揭示了科學(xué)真理。麥克斯韋嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)研究方法是人類極其寶貴的精神財(cái)富。 35 楊振寧、李政道 1956年楊振寧、李政道提出在電磁相互作用和強(qiáng)相互作用中基本粒子遵循一定的對稱和守恒定律，但在弱相互作用中宇稱是不守恒的，他們因此獲1957年物理獎(jiǎng)?！皵?shù)學(xué)的運(yùn)用能力是很重要的，因?yàn)榉匠淌骄褪枪ぞ摺薄！把芯渴且患B續(xù)不斷的事情”，“你不能計(jì)較早晨或黃昏，一天二十四小時(shí)都是你的工作時(shí)間。”李政道“我們愈研究自然，自然愈顯得復(fù)雜”，在三十四歲即獲得諾貝爾獎(jiǎng)金的楊振寧相信，年輕人在科學(xué)的進(jìn)展中最具有沖刺力：“當(dāng)你老了，你就會(huì)變得愈來愈膽小.因?yàn)橐坏┠懔诵滤?/p>

20、想，會(huì)馬上想到一大堆永無止境的爭論，而害怕前進(jìn)。當(dāng)你年輕力壯的時(shí)候，可以到處尋求新觀念，大膽地面對挑戰(zhàn)。我有時(shí)候常常自問：是否已經(jīng)丟掉自己的膽魄？。” 36 整體性注意掌握知識(shí)的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系形成物質(zhì)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。發(fā)展性 不斷從新的角度審視和理解物理概念和規(guī)律，關(guān)注其內(nèi)涵的豐富，應(yīng)用的擴(kuò)展，相互關(guān)系的變化。 物理學(xué)在不斷發(fā)展注意提高應(yīng)用物理知識(shí)理解、解決實(shí)際問題的能力。遷移性緒論1. 學(xué)習(xí)物理知識(shí)要注意整體性、發(fā)展性、遷移性。 37 例 質(zhì)量初中：循環(huán)定義？前沿： 質(zhì)量究竟是什么？是如何產(chǎn)生的？大學(xué)：高中： 慣性質(zhì)量引力質(zhì)量？緒論 38 例

21、 力經(jīng)典物理：以“力”為中心。對時(shí)間積累動(dòng)量定理動(dòng)量守恒對空間積累動(dòng)能定理機(jī)械能守恒力矩定軸轉(zhuǎn)動(dòng)物體的平衡緒論 39 近代物理：以守恒量為中心的表述優(yōu)于以力為中心表述。守恒量動(dòng)量、角動(dòng)量、能量守恒定律動(dòng)量守恒定律 角動(dòng)量守恒定律 能量守恒定律守恒定律與自然界對稱性的聯(lián)系緒論 40 物理學(xué)在20世紀(jì)取得了令人驚訝的成功。它改變了我們對空間和時(shí)間、存在和認(rèn)識(shí)的看法，也改變了我們描述自然的基本語言。在本世紀(jì)行將結(jié)束之際，我們已擁有一個(gè)對宇宙的嶄新看法。在這個(gè)新的宇宙觀中，物質(zhì)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- )緒論 41 2. 學(xué)習(xí)物理學(xué)方法 是否運(yùn)用物理學(xué)方法已經(jīng)成為一門學(xué)科是否成熟的標(biāo)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(shí)驗(yàn)（伽