复旦大学《大学物理3》课件-绪论.pdf

大学物理III复旦大学复旦大学为什么要学习为什么要学习“大学物理大学物理”物理学是研究物质、能量和相互作用的学科。物理学是研究物质、能量和相互作用的学科。物理学研究物质世界的基本结构、基本相互作物理学研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍的运动规律。用和最普遍的运动规律。研究不同层次上物质的结构、物质间相互作用研究不同层次上物质的结构、物质间相互作用和相互作用下产生的运动形态和运动规律，始终是和相互作用下产生的运动形态和运动规律，始终是基础科学无止境的前沿基础科学无止境的前沿.什么是物理学物理是人类了解和认知自然的基本科学。物理学的核心在于：使用数学模型进行自然科学现象的阐述。唯神论用于解释无法理解的自然现象人类使用数字进行实物数量的量化及形貌模型的描述宗教的出现数字计量及数学的出现人类使用数学模型进行自然现象的描述人类用神学解释物体形成的过程至今依然呈竞争模式至今依然呈竞争模式大学物理教学核心目的使学生运用数学手段进行物理模型的描述利用合理的物理参数或图像进行物理特性的阐述使用物理思维的进行实验方法的设计教学基本目标本课程的核心在于物理模型的理解！重点在于理解课堂所授的物理模型的详解（课堂理解为重点）利用数学手段进行物理模型的阐述（作业题）基于物理模型进行相关物理参量的测量（实验）大学物理学大学物理学-包含力学包含力学,热学热学,电磁学电磁学,光学光学和量子物理基础等和量子物理基础等.大学物理大学物理-包括热学包括热学,电磁学电磁学,振动和波动振动和波动,波动光学等波动光学等.热学与生命科学的联系生物的组成：组织器官-细胞-分子-原子因此：生物的形成过程中大到组织器官小到DNA/RNA都必须服从分子和原子运动的原则，而分子及原子的运动无外乎热力学相关的物理模型。思考：是否有直观观测分子和原子热运动的手段？思考：是否有直观观测分子和原子热运动的手段？电磁学与生命科学的联系l任何生物体的行为都基于信号的交流l任何生物体都会对电磁场做出特征的应激反应l不同电场强度及电子能量对生物体的生命特征及基因组存在决定性的影响思考：举出三个例子，说明生物体对电磁场的反应振动（波动）与生命科学的关系分子振动，原子振动以及电子的波动直接影响了基因的重组内部分子振动和波动的强度及频率直接影响了生物的生命体特征思考：举例说明，分子与原子的振动频率如何影响生物的生命体特征？波动光学与生命科学的关系光子能量可改变生物体的生命特征及生长速率光子的偏振状态可用于测试生物体中分子的极性光子的衍射可用于器官病变的检测思考：举例说明，光子的能量与生物体的生命特征及生长速率有何影响。光子的衍射如何检测器官的病变？如何物理的解释生命科学中的重要物理参量例子：假设某种植物在紫外光下会提高生长速率，则如何物理的进行紫外光的能量，光强对植物生长速率影响的实验？如何物理的解释生命科学中的重要物理参量首先，在物理参数的研究中，必须保证单一可变条件，设定其余参数为定值，仅改变单一物理参量进行研究及数学模型分析。则在上述例子中，研究紫外光光子能量与植物生长速率的关系，需首先设定光强为定值，在通过改变紫外光光子能量进行植物生长速率的研究。而在光强与生长速率的物理参量研究时则需保持光子能量不变，改变辐照光强进行研究。如何物理的解释生命科学中的重要物理参量下面我们对上述例子进行升级：假设所研究植物在无光环境下的生长速率为1 毫米/天，在4 eV深紫外光照下生长速率为50 毫米/天，3eV光子能量环境下生长速率为10 毫米/天，2eV光子能量环境下生长速率为4 毫米/天,1eV光子能量环境下生长速率为3 毫米/天.其余所使用的营养土及紫外光源辐照光强均相同，则我们如何物理描述紫外光子能量对植物生长的影响？如何物理的解释生命科学中的重要物理参量首先，我们需要利用函数图像直观联系植物生长速率与紫外光子能量的关系。如何物理的解释生命科学中的重要物理参量现在，根据所测量的光子能量-植物生长速率的关系，我们需要找到最优化的数学函数进行模型解释对于我们上述的测量，对于我们上述的测量，则最能解释光子能量对植物则最能解释光子能量对植物生长速率影响的函数为指数生长速率影响的函数为指数函数！函数！因此，我们对此物理因此，我们对此物理模型可描述为：植物的生长模型可描述为：植物的生长速率随入射光子能量的增加速率随入射光子能量的增加呈指数增强！呈指数增强！如何物理的解释生命科学中的重要物理参量从上述例子可看出，其实大部分的经验物理都基于用最优化的拟合函数进行某一种物理过程的描述。例如牛顿三大定律等。而理论物理则是从最基础的粒子与物质的相互作用或微结构物理实验中去推导并挖掘为什么光子能量与植物生长速率呈指数函数的物理关系！什么是理论物理？通过纯数学的手段对某一个物理现象进行解释，例如：光的波动性（杨氏双缝干涉）偶极子的震荡（电磁场电磁波的产生）量子力学及弦理论（通过概率统计的手段实现万物统一场理论）什么是微结构物理？在分子或者原子级别的空间分辨率下直观观察分子或原子的物理模式，例如：在皮米级别下观察物质形成的物理结构在纳米级别下观察加热与分子运动间的物理关系在纳米级别下观察细胞的形貌结构在微米级别下观察细胞或器官的克隆生长方式微结构物理代表电子显微镜（electron microscopy）材料原子图像病毒的冷冻电镜超分辨光学显微镜（super resolution optical microscopy）近场光学系统（光致发光，拉曼光谱等）AlN材料的原子分辨图像（北京大学）活体细胞的重组过程（JASON J.HAN（2012），characterization of materials）新型冠状病毒（国家防控中心与日本电子）物理学派系经典物理学派及量子力学学派经典物理学派的两朵乌云：以太学说与紫外辐射。无法通过经典物理进行解释。量子力学学派两朵乌云：仅适用于微观物理，13维空间理论因此目前世界上科学家正在尝试使用弦理论进行万物统一场的发掘（结果相当鸡肋）最经典的中单之战：第五次索维尔会议，爱因斯坦舌战波尔（上帝到底玩不玩骰子）经典物理经典物理 力学（实物粒子）力学（实物粒子）电磁学电磁学(光学光学)（场）（场）热力学统计物理热力学统计物理（多粒子体系）（多粒子体系）相对论相对论力学力学量子力学量子力学量子统计物理量子统计物理相对论量相对论量子力学子力学相对论相对论量子场量子场论论弦理论（重力子）弦理论（重力子）物理学的基本框架物理学的基本框架大学物理3到底是什么？经典物理：经典物理：经典电磁场（电磁学，波动光学）经典统计学（热力学）如何学好大学物理第一步：摒弃传统的公式学习法！物理模型为主，数学不过是解释拟合的一个相关公式。第二步：摒弃数学公式，从数学函数图像中理解函数。第三步：思考为什么一个数学公式可以描述一个物理过程。终极步骤：永远怀疑现有的物理理论的正确性。课程基本规则出勤率（超过4次者，按照学校规定取消考试资格）作业课程课件学习（重点）课本学习（辅助学习资料）坚决杜绝：作弊（作业或者考试）考试后联系任课教师对平时成绩及最终考试有帮助的一些建议课堂上积极提问（容许随时打断教师）质疑一些公式和物理模型的推导，同时给出自己推导出的新物理模型的可行性对每一个章节提出一个相关的实验设计手段（物理上可行的另辟蹊径的手段）接受任何形式的物理新思维，不局限于书本作业中的集中错误 不会出现在考试中！仅仅是思考。大部分同学通过网络资源和思考完成度不错。第一次作业 第一题 核心公式：物理意义：从10个硬币里面选择，选择x为正面，那么1-x则为反面个数。第二题：第二次作业假设自假设自己摇到己摇到的数字的数字假设对假设对手摇到手摇到2的数字的数字和和假设对假设对手摇到手摇到3的数字的数字和和假设对假设对手摇到手摇到4的数字的数字和和假设对假设对手摇到手摇到5的数字的数字和和假设对假设对手摇到手摇到6的数字的数字和和假设对假设对手摇到手摇到7的数字的数字和和2345671345678245678935678910467891011578910111268910111213 第三题：将上述图表想象成三维，在二维平面，两个人骰子模型为36种情况。所以三维环境下为216种第二次作业1113答案：1/216,3/216,6/216,10/216,15/216,21/216,25/21627/216,27/216,25/21621/216,15/216,10/2166/216,3/216,1/216 统计平均值：与事件概率出现相关的平均值，概率越大对平均值的影响越大。P=概率平均值：在一组数据中所有数据之和再除以这组数据的个数。=由于分子的运动中，每个分子均是相同的状态，因此需要使用统计平均值进行概率计算。也就是说，在统计气体中，每种运动状态下的概率乘以相关的平均速率则概率小的分子运动速率在对整体平均速率值的影响更小，则需要用统计平均值作为气体中分子平均速率的计算。第三次作业 N为气体分子数量 NA为阿伏伽德罗常数 n（大坑，多数同学做错了）：n=N/V,为单位体积内的分子数量。！这里的点是看你们是否理解了这个公式的物理意义。第三次作业 模型中的不足（核心）：1）此模型中未考虑分子间碰撞。（未相互碰撞为二项分布，碰撞为泊松分布），则分子平均动能和模型中不相同第三次作业第三次作业 题目1：核心（分子振动看为弹簧）：第四次作业dQ=dE+dA，不吸热，dQ=0，不消耗内能dE=0.而dA0(对外做功）。所以不能形成。理想气体分子间距处于平衡状态。无需考虑分子间作用力。并且不论体积升高到多少，分子间距不变。因此不考虑内能。第四次作业 根据模板，首先从硬币原理开始。理解10枚硬币及以上的概率统计方法。根据硬币模型，考虑为什么伽尔顿板实验可以用硬币模型来解释。根据伽尔顿板实验，每一种运动状态都存在相关的概率。每一种运动状态也存在单一的平均速率。则整体条件下，总的分子平均速率需要用统计平均值进行计算。在加权条件下，概率越小的运动状态对整体平均速率的影响越小。理解PV=nRT公式中如何联系宏观和微观状态的过程。并进行推导。其中，如果给予具体的分子概率分布状态，如何得出相关的PV值。（见下一页）此次总结作业平均速率问题oxyz分子平均速率(v)概率（P）Xoy平面的分子平均速率的概率统计则：xoy平面整体的平均速率为：Vavgx=(P1*v1+P2*v2+P3*v3+P4*v4+P5*v5)/(P1+P2+P3+P4+P5)同理为yoz平面与xoz平面。可得Vavgx,Vavgy,Vavgz（对应课件中的vx,vy及vz）再进行宏观微观联系。可得PV数值 核心：dQ=dE+dA.PV=nRT.进行相关公式推导。卡诺循环：等温，等压，等容的结合运用。观察曲线为哪种状态。并带入相关公式。热力学第二定律两个关键模型：开尔文假设和克劳修斯假设。课件21,22页。图！和公式！热力学第一，二定律