复旦大学《大学物理》课件-绪论(1).ppt

大学物理 复旦大学大学物理复旦大学大学物理 成绩构成成绩构成 -期中考试：期中考试：50%-期末考试：期末考试：50%-习题课考勤：习题课考勤：+10%-作业作业：+10%什么是物理学什么是物理学(physics)?物：物质结构、性质物：物质结构、性质 理：物质运动、变化规律理：物质运动、变化规律 绪绪 论论 空间尺度空间尺度 (相差相差101045 45 10104646)101026 26 m(m(约约150150亿光年亿光年)(宇宙宇宙)101020 20 m m(夸克夸克)时间尺度时间尺度 (相差相差10104545)10101818s(150s(150亿年亿年)(宇宙年龄宇宙年龄)1010-2727s s(硬硬 g g 射线周期射线周期)速率范围速率范围 0 0(静止静止)3x103x108 8 m/s(光速光速)研究研究对象对象十分广泛十分广泛 (一)物理学的研究对象和研究方法物理学的研究对象和研究方法 不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理学研究 m1310610910121015101810211024102710的物质世界的物质世界 Hubble 半径半径 超星系团超星系团 星系团星系团 银河系银河系 太阳系太阳系 太阳太阳 山山 310 DNA长度长度 最小的细胞最小的细胞 610 910 原子原子 1210 1510 原子核原子核 粒子粒子 0ZWe最近最近 星距星距 微微 观观 宏宏 观观 介介 观观 宇宇 观观 伽利略的研究方法 观察现象观察现象 提出假设提出假设 进行数学和逻辑推理进行数学和逻辑推理 实验验证实验验证 形成理论形成理论 开创了科学实验方法，并将实开创了科学实验方法，并将实验、观察和理论思维相结合。验、观察和理论思维相结合。提出了思想实验。提出了思想实验。伽利略在解释其观察结论伽利略在解释其观察结论 爱因斯坦评价他说：“爱因斯坦评价他说：“伽利略的发现以及他所伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。一，而且标志着物理学真正的开端。”伽利略被后人称为“伽利略被后人称为“现代物理之父现代物理之父”。”。罗马教庭对伽利略的审判罗马教庭对伽利略的审判 物理学的研究方法物理学的研究方法 提出命题提出命题 应用应用 修改理论修改理论 实验检验实验检验 理论预言理论预言 推测答案推测答案 物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，其研究方法可概括为：其研究方法可概括为：物理上的直觉、物理上的直觉、想象力、洞察力想象力、洞察力也常常产生重大也常常产生重大突破和发现突破和发现 具体地说，物理学还有许多有特色的方法：具体地说，物理学还有许多有特色的方法：对称性分析对称性分析 守恒量的利用守恒量的利用 简化模型的选取简化模型的选取 概念和方法的类比概念和方法的类比 定性和半定量分析定性和半定量分析 量纲分析量纲分析 从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：从方法论上讲，物理学的研究方法可分为：演绎法演绎法:基本定律基本定律推理、演算推理、演算新理论新理论 归纳法归纳法:归纳实验、观测事实归纳实验、观测事实假设、模型假设、模型新理论新理论 2004年年6月月10日，联合国大会鼓掌通过决议，规定日，联合国大会鼓掌通过决议，规定2005年为年为“世界物理年世界物理年”。决议确认：决议确认：物理学是认识自然界的基础；物理学是认识自然界的基础；物理学是当今众多技术发展的基石；物理学是当今众多技术发展的基石；物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。物理教育为培养人的发展提供了必要的科学基础。科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式是大家都熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地是大家都熟知的：科学直接地、并在更大程度上间接地生产出完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的生产出完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的性质性质它作用于心灵。它作用于心灵。爱因斯坦爱因斯坦（二）物理学的发展（二）物理学的发展 17世纪后半期：世纪后半期：诞生诞生。伽利略、开伽利略、开普勒和牛顿。普勒和牛顿。16871687年牛顿发表了年牛顿发表了自然自然哲学的数学原理哲学的数学原理，阐述并证明了以他，阐述并证明了以他命名的三大定律，标志着经典物理学正命名的三大定律，标志着经典物理学正式诞生。式诞生。经典力学、热力学与统计物理以及电磁学经典力学、热力学与统计物理以及电磁学构成了“经典物理学”的大厦构成了“经典物理学”的大厦。18世纪至世纪至19世纪：世纪：蓬勃发展的时期蓬勃发展的时期。焦耳、迈尔、。焦耳、迈尔、开尔文和克劳修斯开尔文和克劳修斯热现象、聚集态的热力学基热现象、聚集态的热力学基础础；玻尔兹曼和吉布斯的统计物理学；库仑；玻尔兹曼和吉布斯的统计物理学；库仑和法拉第电磁学和法拉第电磁学；麦克斯韦麦克斯韦方程组；麦克斯韦麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，预言了电磁波的存在。狭义相对论、广义相对论和量子力学构成了狭义相对论、广义相对论和量子力学构成了20世纪现代物理学的基础世纪现代物理学的基础。19世纪和世纪和20世纪世纪：三大发现（：三大发现（X射射线、电子、放射性）以及经典物理线、电子、放射性）以及经典物理学在解释这些新发现时遇到的困难学在解释这些新发现时遇到的困难孕育着新的突破。孕育着新的突破。1905年，爱因斯坦创立了狭义相对年，爱因斯坦创立了狭义相对论；论；1915年，他又创立了广义相对年，他又创立了广义相对论；论；爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡等共同建立了量子力学等共同建立了量子力学。物理学中最重大的基本理论有下面物理学中最重大的基本理论有下面5个：个：牛顿力学或经典力学（牛顿力学或经典力学（Mechanics）研究物）研究物体的机械运动；体的机械运动；热力学（热力学（Thermodynamics）研究温度、热）研究温度、热、能量守恒以及熵原理等等、能量守恒以及熵原理等等 电磁学（电磁学（Electromagnetism）研究电、磁以）研究电、磁以及电磁辐射等等及电磁辐射等等 相对论（相对论（Relativity）研究高速运动、引力、）研究高速运动、引力、时间和空间等等时间和空间等等 量子力学（量子力学（Quantum mechanics）研究微观）研究微观世界世界 前沿：前沿：粒子物理，宇宙学，高温超导，光子学，粒子物理，宇宙学，高温超导，光子学，微结构物理，混沌，复杂微结构物理，混沌，复杂 .物理学在不断发展物理学在不断发展 经典物理也在发展经典物理也在发展:波动光学波动光学信息光学信息光学 牛顿力学的决定性牛顿力学的决定性内在随机性内在随机性 （三）物理学与技术（三）物理学与技术 物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域，应物理学基本规律渗透在自然科学的一切领域，应用于生产技术的各个部门，是许多自然科学的用于生产技术的各个部门，是许多自然科学的 基础，也是工程技术特别是高新技术的基础。基础，也是工程技术特别是高新技术的基础。历史上历史上物理与技术的关系大致有物理与技术的关系大致有两种模式：两种模式：技术物理技术技术物理技术(以第一次工业革命为标志以第一次工业革命为标志)物理技术物理物理技术物理(以电气化进程为标志以电气化进程为标志)本世纪本世纪两种模式并存、交叉，两种模式并存、交叉，但几乎所有重大的但几乎所有重大的新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。新技术的创立，都是以物理学的发展为先导的。被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、发展，被誉为第二次工业革命的整个信息技术的发生、发展，其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：其硬件部分几乎都以物理学成果为基础：物理等基础科学与工程技术的关系可形象地物理等基础科学与工程技术的关系可形象地 用用“知识之树知识之树”表示：表示：例如：例如：爱因斯坦受激辐爱因斯坦受激辐 射理论（射理论（19171917）（物理）物理）第一台激光器第一台激光器 诞生（诞生（19601960）（技术）技术）现代光学现代光学（物理）（物理）量子力学量子力学 费米费米狄拉克统计狄拉克统计 固体能带理论固体能带理论 （2020年代）年代）（物理）（物理）晶体管诞生晶体管诞生(1947)(1947)集成电路集成电路(1962)(1962)大规模集成电路大规模集成电路 （7070年代后期）年代后期）（技术）（技术）微结构微结构物理物理 （物理）（物理）物物理理 物理学物理学 化学化学 生物学生物学 生理学生理学 心理学心理学 管理学管理学 经济学经济学 政治学政治学 社会学社会学 教育学教育学 自然科学和数学自然科学和数学 我已把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲我已把哲学的原理确定下来了，但这些原理不是哲学的，而是数学的。学的，而是数学的。-牛顿牛顿 在这个世界上，除了空虚的弯曲空间之外，就什么在这个世界上，除了空虚的弯曲空间之外，就什么也没有了。物质、电荷、电磁性和其他力场，只不过是也没有了。物质、电荷、电磁性和其他力场，只不过是空间弯曲的几种不同的表现形式。物理学就是几何学。空间弯曲的几种不同的表现形式。物理学就是几何学。-惠勒惠勒 力学力学 运动学：运动学：导数，微分，积分，导数，微分，积分，1阶常微分方程，矢量（向量）点乘，阶常微分方程，矢量（向量）点乘，矢量的导数，极坐标系，（微分几何，曲线论）矢量的导数，极坐标系，（微分几何，曲线论）质心，转动惯量：质心，转动惯量：面积分，体积分面积分，体积分 势能：势能：矢量（向量）点乘，曲线（路径）积分矢量（向量）点乘，曲线（路径）积分 力矩，角动量：力矩，角动量：矢量（向量）叉乘矢量（向量）叉乘 振动：振动：2阶常微分方程阶常微分方程 波：波：偏导数，偏导数，2阶偏微分方程，（付里叶变换）阶偏微分方程，（付里叶变换）分析力学：分析力学：偏导数，全微分，变分法偏导数，全微分，变分法 热学热学 热力学（宏观）：热力学（宏观）：偏导数，全微分偏导数，全微分 统计物理（微观）：统计物理（微观）：概率论概率论 电磁学电磁学 场论场论 自然科学和宗教自然科学和宗教 拿破仑在读过拉普拉斯的拿破仑在读过拉普拉斯的天天体力学体力学第一、二卷后曾问他说：第一、二卷后曾问他说：“在您写的著作中怎么没有提到上“在您写的著作中怎么没有提到上帝呢？”帝呢？”拉普拉斯回答说：“陛下，我拉普拉斯回答说：“陛下，我不需要这个假设不需要这个假设”拉普拉斯拉普拉斯 哲学哲学 哲学和具体科学又是密切联系的：哲学和具体科学又是密切联系的：首先，哲学以具体科学为基础。但是，把哲首先，哲学以具体科学为基础。但是，把哲学凌驾于具体科学之上，认为哲学是“科学的科学凌驾于具体科学之上，认为哲学是“科学的科学”的观点也是错误的。学”的观点也是错误的。其次，哲学为具体科学提供世界观和方法论其次，哲学为具体科学提供世界观和方法论的指导。的指导。学习哲学的好处是，你不会被更坏的哲学所影响。学习哲学的好处是，你不会被更坏的哲学所影响。爱因斯坦爱因斯坦 唯物论的认识思想唯物论的认识思想 被现代科学给驳倒了被现代科学给驳倒了 而基本粒子又是什么呢？这正是量子力而基本粒子又是什么呢？这正是量子力学的困惑，科学家发现对基本粒子的存在学的困惑，科学家发现对基本粒子的存在状态的必须依赖于人的认识过程和意识建状态的必须依赖于人的认识过程和意识建构反映过程。因此，到了量子力学这里，构反映过程。因此，到了量子力学这里，人们已经无法再重复唯物论这样的错误了，人们已经无法再重复唯物论这样的错误了，因为人们发现人对于微观粒子认识状态取因为人们发现人对于微观粒子认识状态取决于人的认识过程。决于人的认识过程。意识课程意识课程 从严谨的、科学的观点看来，如果不考从严谨的、科学的观点看来，如果不考虑观察者的意识这个因素，是不可能明白物虑观察者的意识这个因素，是不可