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文檔簡介
1、歡迎大家進入物理世界授課教師授課教師: 焦志勇焦志勇答疑時間答疑時間: 隨時預約隨時預約答疑地點:文理樓答疑地點:文理樓270聯(lián)系電話聯(lián)系電話:作業(yè)時間交作業(yè)時間: 每周第一次課上課前每周第一次課上課前本學期授課內容本學期授課內容:大學物理學大學物理學B版(力學、電磁學)版(力學、電磁學)緒論緒論 Introduction一、為什么要學習物理學?一、為什么要學習物理學?1.Physics:研究物質的:研究物質的基本結構基本結構、相互作用相互作用和物質最基本、和物質最基本、最普遍的最普遍的運動形式運動形式及其及其相互轉化規(guī)律相互轉化規(guī)律的學科。的學科。是是自然科學自然科
2、學的許多領域和的許多領域和工程技術工程技術的基礎。的基礎。In short:探討物質:探討物質基本結構基本結構和和運動最基本規(guī)律運動最基本規(guī)律Come from a Greek term physis meaning nature內容:力學、熱學、聲學、電磁學、光學、相對論、量子力內容:力學、熱學、聲學、電磁學、光學、相對論、量子力學、核物理與粒子物理、天體物理等學、核物理與粒子物理、天體物理等(按研究領域分類按研究領域分類)空間尺寸:空間尺寸:從亞核粒子從亞核粒子到浩瀚的宇到浩瀚的宇宙(微觀、宙(微觀、宏觀、宇觀)宏觀、宇觀)20271010mm時間時間尺度:尺度:從微觀粒子從微觀粒子的壽命
3、到宇的壽命到宇宙的年齡。宙的年齡。27181010ssv 速率范圍:速率范圍:0(靜止靜止) - 3 108 m/s(光速光速)物理學的研究對象物理學的研究對象宇宙宇宙( (一一) )勇氣號于勇氣號于20032003年六月升空年六月升空“勇氣勇氣”號和號和“機遇機遇”號分別于號分別于20042004年年1 1月月3 3日日和和1 1月月2424日在火星不同區(qū)域著陸機遇號傳回照日在火星不同區(qū)域著陸機遇號傳回照片片火星人類的第二家園?火星人類的第二家園?勇氣號找到水存在的證據(jù)勇氣號找到水存在的證據(jù)機遇號證實遠古海洋機遇號證實遠古海洋“卡西尼卡西尼”號土星探測器進入土星號土星探測器進入土星軌道效果圖
4、軌道效果圖(NASA(NASA圖片圖片) ) 美航空航天局美航空航天局(NASA)(NASA)和歐空局和歐空局(ESA)(ESA)合作合作研究的研究的“卡西尼卡西尼惠更斯惠更斯”土星探測土星探測器經過器經過6 6年半年半35.235.2億億公里的飛行,公里的飛行,20042004年年7 7月月1 1日成功進入日成功進入了土星軌道。并且了土星軌道。并且向地球傳回了幾組向地球傳回了幾組照片。照片。 美麗的土星及土星環(huán)美麗的土星及土星環(huán) X X光照片光照片距土星距土星150150多萬公里以外多萬公里以外使用濾鏡拍攝使用濾鏡拍攝 TitanTitan土星的月亮土星的月亮( (衛(wèi)衛(wèi)6 6)理想與現(xiàn)實理想
5、與現(xiàn)實讓科學家興奮的土星環(huán)照片讓科學家興奮的土星環(huán)照片真實的真實的Titan Titan 中國人的光榮與夢想中國人的光榮與夢想神舟系列飛船神舟系列飛船探索宇宙的代價探索宇宙的代價20032003年年2 2月月1 1號,哥倫比亞號返航時墜毀號,哥倫比亞號返航時墜毀ABWhich is a picture of the Milky Way?A is what we see from Earth inside the Milky Way while B is what the Milky Way “might” look like if we were far away looking back a
6、t our own galaxy from some other galaxy.What is a Galaxy?200,000 light-yearsGalaxy :a massive collection of stars, gas, and dust kept together by gravitySuns Stellar Region太陽系在銀河系中不過是太陽系在銀河系中不過是滄海一栗,銀河系在宇宙滄海一栗,銀河系在宇宙中僅為天地之一落葉中僅為天地之一落葉What is a Galaxy?If our solar system was only the size of a cell i
7、n the human body, our galaxy would still measure over one mile across.宇宙從哪里來宇宙從哪里來? ?又向何處去又向何處去? ?上帝創(chuàng)世說與盤古開天地上帝創(chuàng)世說與盤古開天地老子老子: :天下萬物生于有天下萬物生于有, ,有有生于無生于無道生一道生一, ,一生二一生二, ,二生三二生三, ,三生萬物三生萬物霍金霍金: :宇宙存在起始點宇宙存在起始點, ,而而且有生于無且有生于無Edwin Hubble at Mt. WilsonHubble guiding the Hooker100 inch telescope in 1923
8、.The Hooker 100 inch telescope atop Mt. Wilsonnear Pasadena, CA. It was the largest telescope in the world from 1917-1947.Hubbles observations at the 100 inch during the1920s led him to the conclusion that the universe is expanding, and that an objects recession velocityis proportional to its distan
9、ce from the observer.大爆炸宇宙學大爆炸宇宙學 1940s Gamov和和Alpher首先首先提出宇宙起源于約提出宇宙起源于約150億年億年前一次猛烈的巨大爆炸。前一次猛烈的巨大爆炸。 宇宙的爆炸是空間的膨脹,宇宙的爆炸是空間的膨脹,物質則隨著空間膨脹(宇宙物質則隨著空間膨脹(宇宙是無中心的)。是無中心的)。 隨著宇宙膨脹和溫度降低,隨著宇宙膨脹和溫度降低,構成物質的原初元素相繼形構成物質的原初元素相繼形成成 。 George GamovPossible Fates of the Universe物理學的研究對象物理學的研究對象物質物質( (二二) ) 物質是無限可分的物質
10、是無限可分的嗎嗎? ? 什么是場物質什么是場物質? ? 微電子學微電子學 光電子學光電子學 介觀物理與納電子介觀物理與納電子學學J.J. Thomsons Plum Pudding Model of the Atom (1897)He proposed that the electrons are embedded in a positively charged puddingThe Nobel Prize in Physics 1906 Joseph John ThomsonUnited Kingdom University of Cambridge Cambridge, United Ki
11、ngdom b.1856d.1940in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gasesAlpha Scattering Rutherfords Discovery of the Atomic Nucleus (1911) He found that, once in a while, the a-particles were scattered backwards by the targetS
12、olar System Model of the AtomThe atom consists of electrons orbiting around small but dense central nucleusLord Ernest Rutherford 19081908諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎Bohrs Model of the Hydrogen Atom(1913)He proposed that only certain orbits for the electron are allowedBohrs Empirical ExplanationElectrons can only t
13、ake discrete energies (energy is related to radius of the orbit)Electrons can jump between different orbits due to the absorption or emission of photonsDark lines in the absorption spectra are due to photons being absorbedBright lines in the emission spectra aredue to photons being emittedThe Nobel
14、Prize in Physics 1922Copenhagen University Copenhagen, Denmark Niels Henrik David Bohr b.1885d.1962for his services in the investigation of the structure of atoms and of the radiation emanating from themThe Nobel Prize in Physics 1935for the discovery of the neutronJames Chadwick United Kingdom Live
15、rpool University Liverpool, United Kingdom b.1891d.1974The Nobel Prize in Physics 1990 for their pioneering investigations concerning deep inelastic scattering of electrons on protons and bound neutrons, which have been of essential importance for the development of the quark model in particle physi
16、cs Jerome I. Friedman Henry W. Kendall Richard E. Taylor 物質是無限可分的嗎物質是無限可分的嗎-“毛子毛子” 我們?yōu)槭裁匆芯炕玖W游覀優(yōu)槭裁匆芯炕玖W? ?介觀物理學與單原子操做介觀物理學與單原子操做iron atoms on a copper surface The Scanning Tunneling Microscope The Nobel Prize in Physics 1986for their design of the scanning tunneling microscope 3940導體表面導體表面 自由自由電
17、子電子探針探針 表面電流表面電流表面結構表面結構UUE 獅子的能量必須滿足獅子的能量必須滿足才能越過高墻才能越過高墻按經典的觀點:按經典的觀點:E量子:量子:同樣用勢能表示同樣用勢能表示UE獅子可能穿過獅子可能穿過勢壘到左方勢壘到左方實際:實際:UE勢壘勢壘41 中國科學院化學研究所研制的中國科學院化學研究所研制的 CSTM-9000CSTM-9000型掃描隧道顯微鏡型掃描隧道顯微鏡 “原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 插頁彩圖插頁彩圖1 142 硅表面硅表面7 7 7 7重構圖象重構圖象 “原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春
18、禮 插頁彩插頁彩圖圖2 2解決許多理論和實驗上的疑難問題解決許多理論和實驗上的疑難問題43 用用AFMAFM得到的癌細胞的表面圖象得到的癌細胞的表面圖象“原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 P.98 P.98 圖圖 4-84-8基于基于STMSTM工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列原子力原子力(AFM) (AFM) 磁力磁力 分子力顯微鏡分子力顯微鏡 等等等等44 1994 1994年中國科學院科學家年中國科學院科學家“寫寫”出的出的 平均每個字的面積僅百萬分之一平方厘米平均每個字的面積僅百萬分之一平方厘米“原子和分子
19、的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 插頁彩圖插頁彩圖1313操縱原子不是夢操縱原子不是夢 “原子書法原子書法”45 一氧化碳一氧化碳“分子人分子人”“原子和分子的觀察與操縱原子和分子的觀察與操縱” - - 白春禮白春禮 P.151 P.151 圖圖7-7-8 8“掃描隧道繪畫掃描隧道繪畫”46移動鐵原子移動鐵原子什么是場物質什么是場物質The most famous photograph This is one of the most famous images in photographic history and propelled him within two m
20、ore weeks into an international celebrity. The medical implications were immediately realised and the first images of fractured bones were being made by January 1896 even though none yet knew what the mystery rays were.The Nobel Prize in Physics 1901磁場的應用(磁場的應用(MRIMRI)The Nobel Prize in Physics 2003
21、物理學的研究對象物理學的研究對象運動運動( (三三) ) 運動的四種形式運動的四種形式: : 物理物理( (化學化學) )運動運動 生物運動生物運動 思維運動思維運動 社會運動社會運動 物理運動的分類物理運動的分類:(:(低高速低高速) ) 機械運動機械運動; ; 分子熱運動分子熱運動; ; 電磁運動電磁運動; ; 原子及原子核內部運動原子及原子核內部運動機械運動機械運動分子熱運動分子熱運動Bose-Einstein condensate (BEC) Nobel Prize in Physics in 2001 電磁運動(電磁運動(MaxwellMaxwell方程組)方程組)原子及原子核內部運
22、動原子及原子核內部運動Fusion Powers the Sun and Other Stars 倫琴與倫琴與X X射線射線誰真的理解運動誰真的理解運動?? 絕對時空觀與相對時空觀絕對時空觀與相對時空觀 時間是絕對的均勻的嗎時間是絕對的均勻的嗎? ? 空間是彎曲的嗎空間是彎曲的嗎? ? 質量與運動無關嗎質量與運動無關嗎? ?How did Einstein arrive at the specialtheory of relativity?過去與未來過去與未來彎曲時空與黑洞彎曲時空與黑洞Lecture 8: Warped SpaceClassical Physics TimelineModer
23、n Physics Timeline物理學本質上是實驗科學物理學本質上是實驗科學永遠沒有實驗支持的永遠沒有實驗支持的物理理論是無意義的物理理論是無意義的理論的指導作用對物理學發(fā)展的影響理論的指導作用對物理學發(fā)展的影響理論家與實驗家理論家與實驗家物理規(guī)律的相對性與絕對性物理規(guī)律的相對性與絕對性相對性的存在相對性的存在-例一例一未來的證明未來的證明-例二例二繼承與創(chuàng)新繼承與創(chuàng)新Tycho Brahe, 1546-1601Sir Isaac Newton, 1643-1727Nicolaus Copernicus, 1473-1543Claudius Ptolemy, 85-165Johannes
24、Kepler, 1571-1630Galileo Galilei, 1564-1642Newton said he stood on the shoulders of these giants; the last one is Galileo.EgyptMaxwell Maxwell 的繼承的繼承創(chuàng)新是科學研究的靈魂創(chuàng)新是科學研究的靈魂想象力比知識更重要想象力比知識更重要“I was sitting in a chair in the patent office at Bern when all of a sudden a thought occurred to me: If a person
25、 falls freely he will not feel his own weight. I was startled. This simple thought made a deep impression on me. It impelled me towards a theory of gravitation.” The “Happiest Thought” of Einsteins Life (1907) 物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學物理學經典物理經典物理現(xiàn)代物理現(xiàn)代物理力學力學熱學熱學電磁學電磁學光學光學相對論相對論量子論量子論非線性非線性
26、時間時間 t關關鍵鍵概概念念的的發(fā)發(fā)展展力學力學電磁學電磁學熱學熱學相對論相對論量子論量子論1600 1700 1800 1900物理學的發(fā)展經歷了三次大的突破,導致了三次工業(yè)革命物理學的發(fā)展經歷了三次大的突破,導致了三次工業(yè)革命(1)17、18世紀世紀 牛頓力學、熱力學牛頓力學、熱力學機械工業(yè)機械工業(yè)蒸汽機蒸汽機第一次工業(yè)革命第一次工業(yè)革命(2)19世紀世紀70年代年代 法拉第法拉第麥克斯韋的電磁理論麥克斯韋的電磁理論工業(yè)電氣化工業(yè)電氣化第二次工業(yè)革命第二次工業(yè)革命(3)20世紀以來世紀以來 相對論、量子力學相對論、量子力學促進了原子能、計算機、促進了原子能、計算機、激光等的廣泛應用激光等的
27、廣泛應用(4)20世紀世紀80年代以來,以高技術為核心的科技革命年代以來,以高技術為核心的科技革命六個高技術群:能源、材料、信息、生物、空間、海洋六個高技術群:能源、材料、信息、生物、空間、海洋物理學的研究成果源源不斷地在高技術發(fā)展中得到應用,而物理學的研究成果源源不斷地在高技術發(fā)展中得到應用,而高技術的發(fā)展又對物理學提出層出不窮的研究課題。高技術的發(fā)展又對物理學提出層出不窮的研究課題。2.物理學與工程技術的關系物理學與工程技術的關系科學解決科學解決理論問題理論問題技術解決技術解決實際問題實際問題3. 培養(yǎng)科學素質,培養(yǎng)正確的方法論和科學觀。培養(yǎng)科學素質,培養(yǎng)正確的方法論和科學觀。要反對要反對偽科學偽科學4. 培養(yǎng)自學能力,適應大學學習生活。培養(yǎng)自學能力,適應大學學習生活。二、教學環(huán)節(jié):二、教學環(huán)節(jié):1. 上大課上大課2. 答疑和作業(yè)答疑和作業(yè)3. 考核考核:平時平時 20%期中考試期中考試 10%作作 業(yè)業(yè) 10%期末期末 80%4. 重學重學作業(yè)要求作業(yè)要求科學與真理的關系科學與真理的關系作業(yè)格式作業(yè)格式:姓名姓名:班級班級:學號學號:標清題號,畫好標清題號,畫好標準草圖標準草圖10-27解解:建立圖示坐標系,并選取圖示微元則dq單獨存在時在P點產生的電勢為:oxl2Pa
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