大學(xué)物理力學(xué)補(bǔ)充華南理工大學(xué)物理學(xué)院By程運(yùn)華本部分是額外補(bǔ)充內(nèi)容，主要有：物理學(xué)概略根本力與粒子物理非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力蛻變量力學(xué)引見(jiàn)守恒定律與物理的對(duì)稱性物理學(xué)概略什么是物理學(xué)？物理學(xué)是研討物質(zhì)，能量和他們相互作用的學(xué)科具有動(dòng)量，能量的客體各種不同的力相互作用對(duì)于空間的積累E=mc2物質(zhì)力能量物理學(xué)概略研討尺度空間：亞原子<=>宇宙時(shí)間：10-44s<=>宇宙的年齡最根本問(wèn)題物質(zhì)的構(gòu)造〔質(zhì)量的來(lái)源，相互作用的一致〕宇宙的來(lái)源〔時(shí)空構(gòu)造，宇宙的演化〕參看小百合文章物理學(xué)概略物理學(xué)分支物理學(xué)原子分子物理和光學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)

場(chǎng)論與粒子物理學(xué)

天體物理和宇宙學(xué)及射線物理學(xué)核物理學(xué)流體和等離子體物理學(xué)

邊緣領(lǐng)域和交叉運(yùn)用學(xué)科借助激光和現(xiàn)代光學(xué)的手段來(lái)研討的實(shí)際和方法以固體物理為主干的研討大量粒子組成的體系的學(xué)科.用場(chǎng)的觀念來(lái)研討物質(zhì)的組分和它們之間的根本相互作用,試圖建立一致的相互作用實(shí)際.研討引力場(chǎng)的屬性,提示時(shí)空的根本屬性和宇宙的來(lái)源尋求高溫高密的核物質(zhì)--夸克膠子等離子體,從而提示物質(zhì)的來(lái)源.研討物質(zhì)的第四態(tài)--大量由正負(fù)電荷粒子組成,動(dòng)力學(xué)行為受電磁力支配的物質(zhì)的學(xué)科物理學(xué)概略物理學(xué)的開(kāi)展經(jīng)典物理學(xué)牛頓力學(xué)(牛頓,拉格朗日,哈密頓),熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)(玻耳茲曼,開(kāi)耳文),經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)(麥克斯韋)特點(diǎn):適用于宏觀景象，除電磁學(xué)外，只適用于低速！兩大根底:1.經(jīng)典統(tǒng)計(jì)實(shí)際的延續(xù)性假設(shè):一切物理量都是延續(xù)變化的;2.牛頓絕對(duì)時(shí)空觀:時(shí)間和空間互不相關(guān),時(shí)間均勻流逝,空間無(wú)限擴(kuò)展,不同慣性系之間的變換滿足Galileo變換(不同參考系的時(shí)間一樣)物理學(xué)概略物理的開(kāi)展20世紀(jì)初,物理學(xué)中的“兩朵烏云〞：黑體輻射實(shí)驗(yàn)=>輻射能量無(wú)限大！延續(xù)性原理在作祟！牛頓絕對(duì)時(shí)空觀導(dǎo)致！紫外災(zāi)難Michelson-Morley實(shí)驗(yàn)=>不存在“以太〞相對(duì)任何參考系的運(yùn)動(dòng)!物理學(xué)概略物理學(xué)的開(kāi)展兩朵烏云導(dǎo)致兩個(gè)新觀念：1.量子概念〔Planck)：能量不是延續(xù)變化的，不是要多小就有多小，能量是一份一份的，每份都是某一最小單元的整數(shù)倍。求總能量由積分=>求和，防止無(wú)窮大。物理學(xué)概略物理學(xué)的開(kāi)展2.相對(duì)時(shí)空觀〔Einstein〕：空間和時(shí)間是聯(lián)絡(luò)的,時(shí)間是作為時(shí)空4維矢量的第4分量出現(xiàn)的,不同慣性參考系中的變換滿足Lorentz變換光速不變作為根本假設(shè),從而防止以太問(wèn)題。物理學(xué)概略量子力學(xué)：1.態(tài)的假設(shè):微觀粒子的波函數(shù)Psi(x,t)表示粒子在時(shí)空坐標(biāo)(x,t)處出現(xiàn)的幾率是:|Psi(x,t)*Psi(x,t)|;2.方程假設(shè):描畫(huà)微觀粒子的波函數(shù)是Schrodinger方程的解(線性方程決議了態(tài)的可疊加性)3.力學(xué)量:可觀測(cè)的物理量用厄米算符表示.狹義相對(duì)論：1.光速不變性:光速不依賴于察看者所在的參考系,也不依賴于光源能否運(yùn)動(dòng);2.相對(duì)性原理:一切的慣性參考系是等價(jià)的,不同慣性系中的物理規(guī)律不變,而4矢量遵照Lorentz變換,所在慣性參考系的運(yùn)動(dòng)對(duì)察看者來(lái)說(shuō)是"透明"的兩個(gè)新觀念構(gòu)筑了兩個(gè)實(shí)際：物理學(xué)的概略兩個(gè)新實(shí)際所導(dǎo)致的新結(jié)果：狹義相對(duì)論:1.同時(shí)相對(duì)性;(怎樣對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)時(shí)鐘?)2.運(yùn)動(dòng)物體縱向Lorentz收縮;3.運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變慢;(雙生子佯謬)4.質(zhì)能關(guān)系E=mc2.量子力學(xué)1.Heisenberg關(guān)系:長(zhǎng)度和動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)(時(shí)間能量測(cè)不準(zhǔn))；2.微觀粒子運(yùn)動(dòng)的幾率性和不可預(yù)知性；3.量子躍遷.物理學(xué)概略兩個(gè)實(shí)際的進(jìn)一步開(kāi)展：狹義相對(duì)論=>廣義相對(duì)論〔略〕相對(duì)論＋量子力學(xué)=>量子場(chǎng)論：量子場(chǎng)論的根本概念：任何粒子在空間都激發(fā)相應(yīng)類型的場(chǎng):任何物體=>引力場(chǎng);帶電粒子電子,光子=>電磁場(chǎng);強(qiáng)子=>色場(chǎng)......而每種場(chǎng)對(duì)應(yīng)的場(chǎng)能量元也是一種粒子,稱場(chǎng)量子,激發(fā)場(chǎng)的粒子經(jīng)過(guò)交換場(chǎng)量子來(lái)相互作用.物理學(xué)概略量子場(chǎng)論的全新結(jié)果：實(shí)物和能量能相互轉(zhuǎn)化,體系的粒子數(shù)不守恒!真空不空,真空可以激發(fā)出大量的粒子!新實(shí)際與舊實(shí)際的適用:經(jīng)典物理學(xué)：低速宏觀系統(tǒng)〔在這一范圍依然是完全正確的，依然被廣泛的運(yùn)用！〕相對(duì)論：任何速度的物體量子力學(xué)：任何大小的物體量子場(chǎng)論：高速微觀多粒子系統(tǒng)物理學(xué)概略現(xiàn)代物理學(xué)導(dǎo)致的思想變革延續(xù)性假設(shè)被否認(rèn):是由分立的一份一份的能量構(gòu)成的,而不是由要多小就有多小的能量構(gòu)成的,我們生活在一個(gè)量子世界中!絕對(duì)時(shí)空觀被否認(rèn):時(shí)間和空間嚴(yán)密聯(lián)絡(luò),他們都受運(yùn)動(dòng)的影響.經(jīng)典決議論被否認(rèn):微觀世界物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是由幾率函數(shù)描寫(xiě),不是象經(jīng)典力學(xué)中那樣"獨(dú)一的開(kāi)場(chǎng)決議獨(dú)一未來(lái)"的一一對(duì)應(yīng)的,而是一對(duì)多的關(guān)系!物理學(xué)概略現(xiàn)代物理依然固守的觀念：因果律:不可以將一件事情的開(kāi)展進(jìn)程顛倒過(guò)來(lái),兩個(gè)地方同時(shí)發(fā)生的事情不能夠有任何聯(lián)絡(luò)!四動(dòng)量守恒律:能量-動(dòng)量永遠(yuǎn)永遠(yuǎn)永遠(yuǎn)守恒慣性系的相對(duì)性:無(wú)論借助什么物理方法都無(wú)法覺(jué)察所在慣性參考系的運(yùn)動(dòng)

物理學(xué)概略數(shù)學(xué)與物理學(xué):數(shù)學(xué):先驗(yàn)性的科學(xué)，最高層次是“公理〞,是被人們100%認(rèn)同的道理,無(wú)須也無(wú)法證明,它是進(jìn)展推理演繹的根底！物理學(xué):實(shí)驗(yàn)性的科學(xué)，最高層次是"根本假設(shè)",是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的,是物理學(xué)中開(kāi)展中被檢驗(yàn)是正確的,或者說(shuō)到目前為止,還未在先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段面前"慘遭落馬"的閱歷之談!物理與數(shù)學(xué)的真正的結(jié)合是從1687年,牛頓的<自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理>出版開(kāi)場(chǎng)的,從此蜜不可分,相互促進(jìn)!然而:物理學(xué)概略物理學(xué)中最偉大的幾件事情蒸汽機(jī)(力學(xué),熱學(xué))電氣化(電磁實(shí)際)半導(dǎo)體二極管(量子力學(xué))脈沖星的發(fā)現(xiàn)與3k宇宙背景輻射(射電天文學(xué)與X射線天文學(xué))激光器(原子分子物理學(xué)與光學(xué))原子能(相對(duì)論)高溫超導(dǎo)(凝聚態(tài)物理學(xué))物理學(xué)概略最偉大的10個(gè)物理學(xué)家Galileo(Italy)物理學(xué)的奠基人,自在落體運(yùn)動(dòng),慣性定律,Galileo時(shí)空變換Newton(U.K.)經(jīng)典力學(xué)的建立者,三大定律,微積分,光學(xué),時(shí)空觀Maxwell(U.K.)電磁實(shí)際的集大成者Einstain(AmericanborninGermany)統(tǒng)計(jì)物理，量子實(shí)際,相對(duì)論Bohr(Damark)玻爾實(shí)際,量子力學(xué)Schrodinger(Austrial)量子力學(xué)(動(dòng)搖方式)Heisenberg(Germany)量子力學(xué)(距陣方式),同位旋Dirac(U.K.)相對(duì)論量子力學(xué),正電子與反物質(zhì)Femi(AmericanborninItaly)統(tǒng)計(jì)力學(xué),粒子物理Faynman(U.S.A)途徑積分,量子電動(dòng)力學(xué)根本力與粒子物理自然界的一切的力歸結(jié)為4種：引力作用:普遍存在于一切有質(zhì)量的粒子間,是吸引的電磁作用:一切帶電粒子之間的作用，與電磁場(chǎng)聯(lián)絡(luò)強(qiáng)相互作用:使中子和質(zhì)子集合成原子核的凝聚力弱相互作用:引起中子衰變成質(zhì)子的作用作用強(qiáng)度力程粒子傳遞子傳遞子質(zhì)量自旋強(qiáng)力1短程夸克膠子01電磁力10-2長(zhǎng)程帶電粒子光子01弱力10-5短程輕子夸克1引力10-39長(zhǎng)程所有粒子引力子02根本力與粒子物理自然界的最常見(jiàn)的力自然界中最常見(jiàn)的力是引力與電磁相互作用的力重力就是由于引力導(dǎo)致的〔重力與引力的關(guān)系是？〕我們感遭到的引力都是地球施加的。拉力，推力，摩擦力本質(zhì)上是什么力?為什么？根本力與粒子物理現(xiàn)代物理中的力力是什么？力是物體之間的相互作用，這些作用歸結(jié)到微小的粒子之間，例如：引力：有質(zhì)量的原子，分子，電子之間的相互吸引力的宏觀集體表達(dá)彈力/摩擦力/范德華力：接觸/臨近的原子，分子相互之間的電荷相互作用的宏觀表現(xiàn)；核力：質(zhì)子/中子內(nèi)部夸克之間的作用力的剩余外流部分集體效應(yīng)。根本力與粒子物理粒子之間并沒(méi)有直接接觸，為什么有相互作用？粒子物理學(xué)以為，這種粒子之間的四種相互作用，是由不同的叫做“傳播子〞的粒子傳送的，這種傳播子就像媒介一樣，傳播粒子之間的相互作用。引力：引力子電磁力：光子弱力：強(qiáng)力：膠子〔8種〕因此，我們共有13種傳播粒子，他們擔(dān)任傳播相互作用根本力與粒子物理構(gòu)成物質(zhì)的粒子物質(zhì)由各種粒子組成，他們大多數(shù)有內(nèi)部構(gòu)造，分為以下的層次：分子>原子>原子核>根本粒子>夸克分子：堅(jiān)持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒分子的大小懸殊很大計(jì)算機(jī)模擬大分子研討分子層次的物理學(xué)=>分子生物學(xué)，化學(xué)根本力與粒子物理構(gòu)成物質(zhì)的粒子原子：由原子核，核外電子構(gòu)成。

能量=粒子間的電勢(shì)能

+軌道相互作用能

+自旋與軌道作用能~10eV殼層構(gòu)造~10-4eV精細(xì)構(gòu)造~10-6eV超精細(xì)構(gòu)造根本力與粒子物理構(gòu)成物質(zhì)的粒子原子核：質(zhì)子〔盧瑟福1911〕+中子〔查德威1932〕質(zhì)子和中子間存在一種相互吸引的“核力〞日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)Yukawa的Pi介子實(shí)際：為解釋了核力的來(lái)源，預(yù)言Pi介子，獲得Nobelprize根本力與粒子物理構(gòu)成物質(zhì)的粒子比原子核小的粒子，最早發(fā)現(xiàn)的是電子J.J.湯姆遜〔1897〕盧瑟福提出原子核，第一次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子接著，中子、正電子…很多新的粒子被發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)有幾百種！描畫(huà)這些粒子的物理量有：

質(zhì)量、電荷、自旋、壽命僅僅質(zhì)子，電子，中微子是穩(wěn)定的，其他的粒子都有有限的壽命根本力與粒子物理構(gòu)成物質(zhì)的粒子粒子的分類：各種粒子參與不同的相互作用，分類如下強(qiáng)子：能參與強(qiáng)作用的粒子〔可以參與哪些作用？〕輕子：不能參與強(qiáng)作用的粒子〔可以參與哪些作用？〕輕子目前共有12種，他們被以為沒(méi)有內(nèi)部構(gòu)造，即：電子，子，子以及相應(yīng)的中微子，加上反粒子根本力與粒子物理在發(fā)現(xiàn)的幾百種粒子中，大部分粒子是強(qiáng)子構(gòu)成物質(zhì)的粒子強(qiáng)子又按照其自旋不同分為重子：自旋為半整數(shù)的粒子

介子：自旋為整數(shù)的粒子強(qiáng)子是根本的粒子嗎？根本力與粒子物理強(qiáng)子的內(nèi)部構(gòu)造夸克物質(zhì)實(shí)際以為：強(qiáng)子是更小的粒子——夸克組成的其中，重子由3個(gè)夸克組成，而輕子由一對(duì)正反夸克組成！夸克自旋II3BSYQu1/21/2+1/21/301/32/3d1/21/2-1/21/301/3-1/3s1/2001/3-1-2/3-1/3夸克有6種，每種有三種色，加上他們的反粒子，共36種UpperDownStrangeCharmTopBottom根本力與粒子物理目前以為最小的粒子——“根本粒子〞共有63種傳播子13種輕子12種夸克36種Higgs粒子GWS實(shí)際預(yù)言存在的粒子，尚未發(fā)現(xiàn)。擔(dān)任傳播各種相互作用的粒子參與電磁，弱相互作用的粒子強(qiáng)子組份粒子非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力非慣性系牛頓方程我們知道，牛頓定律成立的條件是：所選參考系為慣性系！什么是慣性系？在哪里定義的？地球根本可以看作是一個(gè)理想的慣性系，怎樣驗(yàn)證？那問(wèn)題是：如何研討一個(gè)加速的參考系中的力學(xué)問(wèn)題？或者說(shuō)如何準(zhǔn)確的計(jì)算地球上〔即思索到地球的加速度〕的力學(xué)問(wèn)題？地面參考系,地心參考系,太陽(yáng)參考系分別是怎樣的?非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力課后練習(xí)查閱地球,太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)以及軌道半徑等數(shù)據(jù),試闡明:太陽(yáng),地球,地面是比較理想的慣性參考系.非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力非慣性系牛頓方程不成立舉一些例子：加速運(yùn)動(dòng)非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力非慣性系中如何求解這些問(wèn)題?設(shè)在慣性系s中,物體受力為F,加速度為a,那么牛頓方程為:F=mas設(shè)非慣性系s’相對(duì)s的加速度為as’s那么根據(jù)加速度的相對(duì)性:as=as’+as’s所以上述牛頓方程可以寫(xiě)成:F=m(as’+as’s)即:F-mas’s=mas’非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力非慣性系中如何求解這些問(wèn)題?我們要明白:力的作用是獨(dú)立于參考系的選擇的，所以不論是慣性系還是非慣性系,物體遭到的力總是不變的.F-mas’s=mas’根據(jù)慣性系中的牛頓定律表達(dá)式:假設(shè)我們?cè)诜菓T性系s’中思索這個(gè)力學(xué)問(wèn)題,F部分是不變的,而表達(dá)式的右側(cè)剛好是在非慣性系中丈量的物體的加速度,所以,我們?cè)诜菓T性系中引入一個(gè)假想的力,即:在非慣性系中,物體受力有兩部分,即:真實(shí)力+(-mas’s)非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力非慣性系中如何求解這些問(wèn)題?在做這樣的處置之后,在非慣性系中的力學(xué)問(wèn)題也可以求解了!F+(-mas’s)=mas’這就是非慣性系中的牛頓方程!留意我們?cè)诖艘肓藨T性力,這不是真實(shí)的力,與真實(shí)力之間的區(qū)別:1.不遵照牛頓第三定律

2.找不到施力物體但是同樣有作用效果非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力慣性力真與真實(shí)力有本質(zhì)的區(qū)別嗎???看一個(gè)有趣的例子:地球上的勻速電梯太空中的加速飛行器非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力Einstein據(jù)此提出

不僅僅慣性參考系,一切參考系都是等價(jià)的這就是廣義相對(duì)論的根本原理.從這個(gè)意義上說(shuō),慣性力也是力非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力慣性離心力簡(jiǎn)單的說(shuō)就是:在旋轉(zhuǎn)的非慣性系中,察看者看到的垂直于轉(zhuǎn)軸向外的力洗衣機(jī)在地面上的人看來(lái),籃球遭到一個(gè)向心力,是人施加的,以使籃球做勻速圓周運(yùn)動(dòng),即:非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力慣性離心力對(duì)于轉(zhuǎn)盤(pán)上的人來(lái)說(shuō),他覺(jué)得他是靜止的,可是他卻感遭到球有一種要飛走的趨勢(shì),即球與他的手之間有摩擦力.因此,在他眼里,牛頓第2定律不在成立,必需引入慣性力,慣性力為:顯然,這個(gè)力沿半徑向外,被定義為“離心力〞非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力慣性離心力慣性離心力不是一種真實(shí)的力,它不是向心力的反作用力.留意:向心力是真實(shí)力的合力或者某個(gè)力的一部分.而慣性離心力僅僅是在非慣性系中假想的力.思索:重力與萬(wàn)有引力有什么區(qū)別?他們之間有什么關(guān)系?可以看出,重力是萬(wàn)有引力與慣性離心力的合力重力是在地面丈量的,地面是在轉(zhuǎn)動(dòng)的,因此存在慣性離心力非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力科里奧利力如圖:兩人坐在轉(zhuǎn)盤(pán)的同一條半徑上,轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),某時(shí)辰A朝B扔出一籃球,結(jié)果發(fā)現(xiàn)球并沒(méi)有沿直線飛出,而是發(fā)生了偏轉(zhuǎn)!AB也就是說(shuō),對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)上的察看者來(lái)說(shuō),籃球分開(kāi)手之后,還遭到一個(gè)力的作用,使其飛行方向發(fā)生改動(dòng)!這個(gè)力就是科里奧利力非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力科里奧利力可見(jiàn),在轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)上的察看者看來(lái),物體能夠還遭到另一個(gè)假想的力,即科里奧利力科里傲利力的定量計(jì)算公式比較難的推導(dǎo),要用到轉(zhuǎn)動(dòng)參考系的知識(shí),書(shū)上P93有簡(jiǎn)單的分析.這里直接援用<實(shí)際力學(xué)>中的結(jié)果，以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的參考系中的物體，假設(shè)在此非慣性系中的速度為那么收到的科里奧利力是：非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力科里奧利力留意：1.只需在非慣性系中的速度不為零，才受此力2.這個(gè)力同樣是假想力，但是有作用效果。3.這個(gè)力與物體的速度垂直，所以永不做功。非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力科里奧利力氣漩與反氣漩非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力67m科里奧利力傅科擺非慣性系以及幾種常見(jiàn)的慣性力引潮力地球上的物體，除了遭到慣性離心力和科里奧利力以外，還有他的的慣性力嗎?慣性力參考系本身加速而導(dǎo)致在參考系內(nèi)部的物體遭到的假想力地球除了自轉(zhuǎn)這個(gè)加速運(yùn)動(dòng)之外,還有什么加速運(yùn)動(dòng)呢?顯然,地球遭到月球的引力和太陽(yáng)的引力,