大學(xué)物理學(xué)緒論課件

歡迎大家進(jìn)入物理世界歡迎大家進(jìn)入物理世界緒論Introduction一、為什么要學(xué)習(xí)物理學(xué)？1.Physics：研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)最基本、最普遍的運(yùn)動(dòng)形式及其相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科。是自然科學(xué)的許多領(lǐng)域和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。Inshort：探討物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)最基本規(guī)律ComefromaGreektermphysismeaningnature內(nèi)容：力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對論、量子力學(xué)、核物理與粒子物理、天體物理等(按研究領(lǐng)域分類)緒論Introduction一、為什么要學(xué)習(xí)物理學(xué)？空間尺寸：從亞核粒子到浩瀚的宇宙（微觀、宏觀、宇觀）時(shí)間尺度：從微觀粒子的壽命到宇宙的年齡。

速率范圍：0(靜止)-3

108m/s(光速)空間尺寸：從亞核粒子到浩瀚的宇宙（微觀、宏觀、宇觀）時(shí)間尺度物理學(xué)的研究對象—宇宙(一)物理學(xué)的研究對象—宇宙(一)勇氣號于2003年六月升空勇氣號于2003年六月升空“勇氣”號和“機(jī)遇”號分別于2004年1月3日和1月24日在火星不同區(qū)域著陸機(jī)遇號傳回照片“勇氣”號和“機(jī)遇”號分別于2004年1月3日和1月24日在火星－－人類的第二家園？勇氣號找到水存在的證據(jù)機(jī)遇號證實(shí)遠(yuǎn)古海洋火星－－人類的第二家園？勇氣號找到水存在的證據(jù)機(jī)遇號證實(shí)遠(yuǎn)古“卡西尼”號土星探測器進(jìn)入土星軌道效果圖(NASA圖片)美航空航天局(NASA)和歐空局(ESA)合作研究的“卡西尼—惠更斯”土星探測器經(jīng)過6年半35.2億公里的飛行，2004年7月1日成功進(jìn)入了土星軌道。并且向地球傳回了幾組照片?！翱ㄎ髂帷碧柾列翘綔y器進(jìn)入土星軌道效果圖(NASA圖片)美美麗的土星及土星環(huán)X光照片距土星150多萬公里以外使用濾鏡拍攝美麗的土星及土星環(huán)X光照片距土星150多萬公里以外使用濾Titan－－土星的月亮(衛(wèi)6）Titan－－土星的月亮(衛(wèi)6）理想與現(xiàn)實(shí)讓科學(xué)家興奮的土星環(huán)照片真實(shí)的Titan理想與現(xiàn)實(shí)讓科學(xué)家興奮的土星環(huán)照片真實(shí)的Titan大學(xué)物理學(xué)緒論課件中國人的光榮與夢想神舟系列飛船中國人的光榮與夢想神舟系列飛船探索宇宙的代價(jià)2003年2月1號，哥倫比亞號返航時(shí)墜毀探索宇宙的代價(jià)2003年2月1號，哥倫比亞號返航時(shí)墜毀ABWhichisapictureoftheMilkyWay?AiswhatweseefromEarthinsidetheMilkyWaywhileBiswhattheMilkyWay“might”looklikeifwewerefarawaylookingbackatourowngalaxyfromsomeothergalaxy.ABWhichisapictureoftheMiWhatisaGalaxy?200,000light-yearsGalaxy：amassivecollection

ofstars,gas,anddustkepttogether

bygravitySun’sStellarRegion太陽系在銀河系中不過是滄海一栗，銀河系在宇宙中僅為天地之一落葉WhatisaGalaxy?200,000lightWhatisaGalaxy?Ifoursolarsystemwasonlythesizeofacellinthehumanbody,our

galaxywouldstillmeasureoveronemileacross.WhatisaGalaxy?Ifoursolar宇宙從哪里來?又向何處去?上帝創(chuàng)世說與盤古開天地老子:天下萬物生于有,有生于無道生一,一生二,二生三,三生萬物霍金:宇宙存在起始點(diǎn),而且有生于無宇宙從哪里來?又向何處去?上帝創(chuàng)世說與盤古開天地EdwinHubbleatMt.WilsonHubbleguidingtheHooker100inchtelescopein1923.TheHooker100inchtelescopeatopMt.WilsonnearPasadena,CA.Itwasthelargesttelescopeintheworldfrom1917-1947.Hubble’sobservationsatthe100inchduringthe1920’sledhimtotheconclusionthattheuniverseisexpanding,andthatanobject’srecessionvelocityisproportionaltoitsdistancefromtheobserver.EdwinHubbleatMt.WilsonHubb大爆炸宇宙學(xué)

1940sGamov和Alpher首先提出宇宙起源于約150億年前一次猛烈的巨大爆炸。宇宙的爆炸是空間的膨脹，物質(zhì)則隨著空間膨脹（宇宙是無中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的原初元素相繼形成。GeorgeGamov大爆炸宇宙學(xué)1940sGamov和Alpher首先提出宇PossibleFatesoftheUniversePossibleFatesoftheUniverse物理學(xué)的研究對象—物質(zhì)(二)

物質(zhì)是無限可分的嗎?

什么是場物質(zhì)?

微電子學(xué)\光電子學(xué)介觀物理與納電子學(xué)物理學(xué)的研究對象—物質(zhì)(二)物質(zhì)是無限可分的嗎?J.J.Thomson’sPlumPuddingModeloftheAtom(1897)Heproposedthattheelectronsareembeddedinapositivelycharged‘pudding’J.J.Thomson’sPlumPuddingMoTheNobelPrizeinPhysics1906

JosephJohnThomsonUnitedKingdom

UniversityofCambridge

Cambridge,UnitedKingdomb.1856

d.1940"inrecognitionofthegreatmeritsofhistheoreticalandexperimentalinvestigationsontheconductionofelectricitybygases"TheNobelPrizeinPhysics190AlphaScattering

AlphaScatteringRutherford’sDiscoveryoftheAtomicNucleus(1911)Hefoundthat,onceinawhile,thea-particleswerescatteredbackwardsbythetargetRutherford’sDiscoveryoftheSolarSystemModeloftheAtomTheatomconsistsofelectronsorbitingaroundsmallbutdensecentralnucleusSolarSystemModeloftheAtomLordErnestRutherford

1908諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)LordErnestRutherford1908諾貝爾Bohr’sModeloftheHydrogenAtom

(1913)HeproposedthatonlycertainorbitsfortheelectronareallowedBohr’sModeloftheHydrogenABohr’sEmpiricalExplanationElectronscanonlytakediscreteenergies(energyisrelatedtoradiusoftheorbit)ElectronscanjumpbetweendifferentorbitsduetotheabsorptionoremissionofphotonsDarklinesintheabsorptionspectraareduetophotonsbeingabsorbedBrightlinesintheemissionspectraareduetophotonsbeingemittedBohr’sEmpiricalExplanationElTheNobelPrizeinPhysics1922CopenhagenUniversity

Copenhagen,DenmarkNielsHenrikDavidBohrb.1885

d.1962"forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem"TheNobelPrizeinPhysics192TheNobelPrizeinPhysics1935"forthediscoveryoftheneutron"JamesChadwickUnitedKingdomLiverpoolUniversity

Liverpool,UnitedKingdomb.1891

d.1974TheNobelPrizeinPhysics193TheNobelPrizeinPhysics1990"fortheirpioneeringinvestigationsconcerningdeepinelasticscatteringofelectronsonprotonsandboundneutrons,whichhavebeenofessentialimportanceforthedevelopmentofthequarkmodelinparticlephysics"

JeromeI.FriedmanHenryW.Kendall

RichardE.Taylor

TheNobelPrizeinPhysics199物質(zhì)是無限可分的嗎---“毛子”

物質(zhì)是無限可分的嗎---“毛子”

我們?yōu)槭裁匆芯炕玖Ｗ?我們?yōu)槭裁匆芯炕玖Ｗ?介觀物理學(xué)與單原子操做ironatomsonacoppersurface介觀物理學(xué)與單原子操做ironatomsonacopTheScanningTunnelingMicroscopeTheNobelPrizeinPhysics1986"fortheirdesignofthescanningtunnelingmicroscope"TheScanningTunnelingMicrosc38經(jīng)典量子隧道效應(yīng)38經(jīng)典隧道效應(yīng)39導(dǎo)體表面自由電子探針表面電流表面結(jié)構(gòu)獅子的能量必須滿足才能越過高墻按經(jīng)典的觀點(diǎn)：量子：同樣用勢能表示獅子可能穿過勢壘到左方實(shí)際：勢壘39導(dǎo)體表面自由電子探針表面電流獅子40

中國科學(xué)院化學(xué)研究所研制的

CSTM-9000型掃描隧道顯微鏡

“原子和分子的觀察與操縱”

--白春禮

插頁彩圖140中國科學(xué)院化學(xué)研究所研制的41

硅表面77重構(gòu)圖象

“原子和分子的觀察與操縱”

--白春禮插頁彩圖2解決許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問題41硅表面77重構(gòu)圖象解決許多理論和實(shí)42

用AFM得到的癌細(xì)胞的表面圖象“原子和分子的觀察與操縱”

--白春禮P.98圖4-8基于STM工作原理或掃描成像方法的派生顯微鏡系列原子力(AFM)磁力分子力顯微鏡等等42用AFM得到的癌細(xì)胞的表面圖象基于STM工作原431994年中國科學(xué)院科學(xué)家“寫”出的平均每個(gè)字的面積僅百萬分之一平方厘米“原子和分子的觀察與操縱”

--白春禮插頁彩圖13操縱原子不是夢“原子書法”431994年中國科學(xué)院科學(xué)家“寫”出的操縱原子不是44

一氧化碳“分子人”“原子和分子的觀察與操縱”

--白春禮P.151圖7-8“掃描隧道繪畫”44一氧化碳“分子人”“掃描隧道繪畫”45移動(dòng)鐵原子45移動(dòng)鐵原子什么是場物質(zhì)什么是場物質(zhì)ThemostfamousphotographThisisoneofthemostfamousimagesinphotographichistoryandpropelledhimwithintwomoreweeksintoaninternationalcelebrity.ThemedicalimplicationswereimmediatelyrealisedandthefirstimagesoffracturedboneswerebeingmadebyJanuary1896eventhoughnoneyetknewwhatthemysteryrayswere.TheNobelPrizeinPhysics1901Themostfamousphotograph磁場的應(yīng)用（MRI）TheNobelPrizeinPhysics2003磁場的應(yīng)用（MRI）TheNobelPrizeinP物理學(xué)的研究對象—運(yùn)動(dòng)(三)運(yùn)動(dòng)的四種形式:

物理(化學(xué))運(yùn)動(dòng)生物運(yùn)動(dòng)思維運(yùn)動(dòng)社會(huì)運(yùn)動(dòng)物理運(yùn)動(dòng)的分類:(低高速)

機(jī)械運(yùn)動(dòng);

分子熱運(yùn)動(dòng);

電磁運(yùn)動(dòng);

原子及原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)物理學(xué)的研究對象—運(yùn)動(dòng)(三)運(yùn)動(dòng)的四種形式:機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)分子熱運(yùn)動(dòng)Bose-Einsteincondensate(BEC)NobelPrizeinPhysicsin2001

分子熱運(yùn)動(dòng)Bose-Einsteincondensate電磁運(yùn)動(dòng)（Maxwell方程組）電磁運(yùn)動(dòng)（Maxwell方程組）原子及原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)FusionPowerstheSunandOtherStars原子及原子核內(nèi)部運(yùn)動(dòng)FusionPowerstheSu倫琴與X射線倫琴與X射線誰真的理解運(yùn)動(dòng)??？

誰真的理解運(yùn)動(dòng)??？

絕對時(shí)空觀與相對時(shí)空觀

時(shí)間是絕對的均勻的嗎?

空間是彎曲的嗎?

質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)嗎?HowdidEinstein

arriveatthespecial

theoryofrelativity?絕對時(shí)空觀與相對時(shí)空觀時(shí)間是絕對的均勻的嗎?Howdid過去與未來過去與未來彎曲時(shí)空與黑洞彎曲時(shí)空與黑洞ClassicalPhysicsTimelineClassicalPhysicsTimelineModernPhysicsTimelineModernPhysicsTimeline物理學(xué)本質(zhì)上是實(shí)驗(yàn)科學(xué)物理學(xué)本質(zhì)上是實(shí)驗(yàn)科學(xué)永遠(yuǎn)沒有實(shí)驗(yàn)支持的

物理理論是無意義的永遠(yuǎn)沒有實(shí)驗(yàn)支持的

物理理論是無意義的理論的指導(dǎo)作用對物理學(xué)發(fā)展的影響理論的指導(dǎo)作用對物理學(xué)發(fā)展的影響理論家與實(shí)驗(yàn)家理論家與實(shí)驗(yàn)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---例一相對性的存在---例一未來的證明---例二未來的證明---例二繼承與創(chuàng)新繼承與創(chuàng)新TychoBrahe,1546-1601SirIsaacNewton,1643-1727NicolausCopernicus,1473-1543ClaudiusPtolemy,85-165JohannesKepler,1571-1630GalileoGalilei,1564-1642Newtonsaidhestoodontheshouldersofthesegiants;thelastoneisGalileo.EgyptTychoBrahe,1546-1601SirIsaaMaxwell的繼承Maxwell的繼承創(chuàng)新是科學(xué)研究的靈魂

想象力比知識更重要?jiǎng)?chuàng)新是科學(xué)研究的靈魂

想象力比知識更重要“IwassittinginachairinthepatentofficeatBernwhenallofasuddenathoughtoccurredtome:Ifapersonfallsfreelyhewillnotfeelhisownweight...Iwasstartled.Thissimplethoughtmadeadeepimpressiononme.It

impelledmetowardsatheoryofgravitation.”The“HappiestThought”ofEinstein’sLife(1907)“Iwassittinginachairint

物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力學(xué)熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)相對論量子論非線性時(shí)間t關(guān)鍵概念的發(fā)展力學(xué)電磁學(xué)熱學(xué)相對論量子論1600170018001900物理學(xué)的分支及近年來發(fā)展的總趨勢物理學(xué)經(jīng)典物理現(xiàn)代物理力物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了三次大的突破，導(dǎo)致了三次工業(yè)革命(1)17、18世紀(jì)牛頓力學(xué)、熱力學(xué)機(jī)械工業(yè)蒸汽機(jī)第一次工業(yè)革命(2)19世紀(jì)70年代法拉第——麥克斯韋的電磁理論工業(yè)電氣化第二次工業(yè)革命(3)20世紀(jì)以來相對論、量子力學(xué)促進(jìn)了原子能、計(jì)算機(jī)、激光等的廣泛應(yīng)用(4)20世紀(jì)80年代以來，以高技術(shù)為核心的科技革命六個(gè)高技術(shù)群：能源、材料、信息、生物、空間、海洋物理學(xué)的研究成果源源不斷地在高技術(shù)發(fā)展中得到應(yīng)用，而高技術(shù)的發(fā)展又對物理學(xué)提出層出不窮的研究課題。2.物理學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系科學(xué)解決理論問題技術(shù)解決實(shí)際問題物理學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了三次大的突破，導(dǎo)致了三次工業(yè)革命(1)173.培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)正確的方法論和科學(xué)觀。要反對偽科學(xué)4