物理學1-引言省名師優(yōu)質課賽課獲獎課件市賽課一等獎課件

物理學1

引言張宏浩第1頁教師介紹張宏浩博士副教授中山大學物理學院，研究興趣：理論物理清華大學博士（年）清華大學學士（年）Email:honghaoAT歡迎發(fā)郵件反饋教學情況第2頁教學內容力學（經典力學，相對論力學）熱學（氣體動理論，熱力學基礎）電磁學振動和波動光學量子物理總結，復習第3頁教材和參考書目ppt講義《普通物理學》（第五版），程守洙，江之水《大學物理學》（第二版），張三慧《大學物理學》，盧德馨《Physics》（第五版），Resnick，Halliday，Krane《伯克利物理學教程》（一套五冊）《新概念物理教程》力學，熱學，趙凱華，羅蔚茵………………第4頁課程成績期末考試成績期中考試成績平時作業(yè)成績課堂小測與考勤成績選做大作業(yè)：較復雜或較難附加題，由教師在課程中不定時布置

能夠很好完成課程大作業(yè)者，能夠適當給予附加分目標：勉勵學有余力學生擴寬知識面，但不作為基本要求?？偝煽児?00分第5頁關于學習方法和學風要求▲嚴守課堂紀律（不遲到，不隨便說話）。

要勤于思索,悟物窮理，不停建立自己物理圖象?！磳囉^點，重視素質和能力培養(yǎng)，特別是創(chuàng)新意識培養(yǎng)。▲做到嚴謹、求實，反對浮躁和急功近利。▲高質量地及時完成作業(yè)，擯棄“題海戰(zhàn)術”?！匾曨A習和復習，主動培養(yǎng)自學能力，適應

“粗線條”

講課方式（講思緒、講背景、講重點難點）。第6頁物理學研究對象

物理學是研究物質、能量和它們相互作用學科。

第23屆國際純粹物理與應用物理聯合會（IUPAP）大會（99.3.16—21）經過“決議五”中十分精辟地指出：第7頁7

物理學是研究物質世界最基本形態(tài)科學

物理學研究范圍——物質世界層次和數量級物理學(Physics)質子

10-15m空間尺度：物質結構物質相互作用物質運動規(guī)律微觀粒子Microscopic介觀物質mesoscopic宏觀物質macroscopic宇觀物質cosmological類星體

10

26m時間尺度：基本粒子壽命10-25s宇宙壽命1018s物理學研究對象第8頁8第9頁第10頁能量時間10-44s10-36s10-10s1s1010y105y1019GeV1015GeV102GeV1MeV0.3eV2.610-4eV時空起源輕元素起源（D、Li、He核）星體起源現在電弱相變弱作用電磁宇宙演化不對稱起源引力強作用電弱（1032K）（1028K）（1015K）（1010K）（3500K）（3K）第11頁11物理學研究方法提出命題應用修改理論試驗檢驗理論預言▲

物理學是一門理論和試驗高度結合準確物理直覺和想象力及洞察力也經常產生重大突破和發(fā)覺其研究方法可概括為：科學，觀察、試驗推測答案第12頁

▲對稱性分析

▲守恒量利用

▲簡化模型選取

▲概念和方法類比

從方法論上講，物理學研究方法可分為：▲演繹法：▲歸納法：

基本定律→推理、演算→新理論歸納試驗、觀察事實→假設、模型→新理論詳細地說，物理學還有許多有特色方法，▲定性和半定量分析▲量綱分析▲能量分析

……比如：第13頁13微結構物理，物理學在不停發(fā)展

▲經典物理也在發(fā)展：波動光學→信息光學牛頓力學決定性→內在隨機性

……▲前沿：粒子物理，混沌學，高溫超導，光子學，……第14頁14物理學和生產

1.物理學三次大突破造成了生產力大飛躍（l）熱學、熱力學研究（19世紀下半葉）蒸汽機創(chuàng)造和廣泛應用

——第一次工業(yè)革命（工業(yè)機械化）

（2）電磁感應研究，電磁學理論建立（19世紀中葉）發(fā)電機、電動機創(chuàng)造，無線電通訊發(fā)展第二次工業(yè)革命（工業(yè)電氣化）

第15頁15

為近代物理發(fā)展奠定了理論基礎，使物理學進入高速、微觀世界，促進了：

核物理研究和發(fā)展

核能釋放和利用

原子分子物理研究和發(fā)展

激光創(chuàng)造和應用

半導體、固體物理、材料科學研究和發(fā)展晶體管、大規(guī)模集成電路、微型計算機創(chuàng)造和應用第三次技術革命（信息化）（3）相對論、量子力學建立（19001930）第16頁

物理學突破會造成新技術創(chuàng)造和發(fā)展，深入就造成了生產大飛躍。

這些事實充分說明了：“科學技術是第一生產力”

鄧小平“沒有今天基礎科學就沒有明天科技應用”

李政道第17頁

（4）物理學現在正處于第四次重大突破前夜20世紀末，李政道先生指出,物理學晴朗天空中也有兩朵烏云:

對稱性丟失

夸克禁閉

物理學最基本規(guī)律中存在這兩大疑難，預示著新有重大意義物理規(guī)律誕生。第18頁

大型強子對機（LHC）

7+7TeV

（歐洲核研究中心CERN）

激光干涉引力波天文臺（LaserInterferometerGravitational-WaveObservatory，縮寫為LIGO）

近期觀察到了引力波（美國）

它們運行有可能造成重大發(fā)覺，造成物理學新重大突破。1991年4月，錢三強、周光召等十八位物理學家上書我國相關部門，提議組織科學界抓住機遇，做好準備，迎接這新突破。

當前已經建成一些用于物理學基礎研究世界級巨大科學工程，如：第19頁

2.生產需要是推進物理學發(fā)展根本動力

（1）生產需要推進了物理學研究

要提升蒸汽機效率

研究熱學、卡諾循環(huán)，發(fā)展了熱力學。

德國要發(fā)展煉鋼業(yè)

研究熱輻射規(guī)律，造成量子論建立。

利用核能開發(fā)聚變能促進了核物理、等離子體物理、輻射物理研究。第20頁

（2）生產為物理學發(fā)展創(chuàng)造了物質技術條件

在孔夫子時代不可能創(chuàng)造飛機，也不會產生量子力學。在近代，因為認識到科學對生產發(fā)展主要作用，從總體來看，物理學研究是超前于技術和生產，但其發(fā)展離不開當初生產技術水平。

促進了材料科學、表面物理、人工微結構物理等研究。

大規(guī)模集成電路第21頁物理學理論和試驗

1.試驗

（l）試驗是理論基礎，理論正確是否最終要接收試驗檢驗，如：

光電效應試驗

光子概念和理論—密立根試驗、康普頓散射試驗使光子概念和理論得到確認。

—

疑難→弱作用宇稱不守恒理論—吳健雄等人試驗證實了這一理論。第22頁

如：實物粒子波動性是由光粒子性引伸而來，又要電子衍射試驗證實。

歷史上提出過很多理論，只要和正確試驗結果不一致就不能成立。

如：MM試驗“零結果”否定了以太存在?！耙粋€矛盾試驗結果就足以推翻一個理論”

愛因斯坦

有理論不是以直接試驗為基礎，而是從其它理論引伸出來，但原來理論有其試驗基礎，新理論也要經過試驗證實才能成立。第23頁按理論和試驗分布以下：

獲獎類型項目人數試驗83114

理論3346

試驗+理論46

得獎試驗項目和人數大致占總數三分之二。

（2）從諾貝爾物理學獎看試驗在近代物剪發(fā)展中所起作用1901年共發(fā)獎96次（1916,1931,1934,19401942未發(fā)獎），得獎項目

120項，得獎人數166人。第24頁→格拉肖、

溫伯格、薩拉姆1979年得獎

很多理論項目標得獎都是在判定性試驗結果得出后很快才授予。如：

這表明：“試驗是最有力杠桿，我們能夠利用這個杠桿去撬開自然界秘密。在處理某一假說是保留還是摒棄這么一個問題時，這個杠桿應該成為‘最高一級審理法院’”

倫琴電子衍射試驗(1927)→德布洛意1929年得獎吳健雄試驗(1957年初)→李政道、揚振寧1957年得獎中性流試驗(19731978)第25頁

2.理論

（1）理論是試驗規(guī)律總結、提升和發(fā)展，能更深入反應事物本質，往往含有普遍性。主要理論建立把物理學推進到新高度。如：

光電效應試驗規(guī)律(現象)→光量子理論(本質)

里德伯光譜公式→玻爾理論(原子能量量子化)（2）在理論建立或發(fā)展一定階段，它本身內部矛盾和邏輯發(fā)展也會造成新理論建立。第26頁

狹義相對論（物理規(guī)律對一切慣性系含有不變性）

對非慣性系是否含有不變性?

廣義相對論建立。

光二象性

是否一切微觀粒子都有二象性?

物質波假說

物質波是否可用波動理論來描述?

薛定格方程建立。

電弱統(tǒng)一理論

四種相互作用是否都能統(tǒng)一?

超大統(tǒng)一理論研究。第27頁（3）理論對試驗研究有主要指導作用

戴維孫—革末試驗

知道物質波理論后才自覺地進行

邁克耳孫莫雷試驗瑞利、開爾文催促，洛侖茲提出改進意見當代試驗:

使用大型精密儀器

設計制造專用裝置

花費大量人力物力

第28頁必須有明確物理目標和學術意義才能開展起來并堅持下去，這就離不開理論指導。

理論和試驗關系可用李政道教授提出“物理學家定律”作為一個很好總結：“沒有試驗家，理論家就會迷失方向；沒有理論家，試驗家就會遲疑不決?！钡?9頁物理學相對和絕對

1.物理定理、定律、理論反應了客觀世界運動規(guī)律，含有穩(wěn)定性、可重現性

含有絕對真理成份。

2.定理、定律、理論又含有近似性，只在一定范圍內才正確，因為：

（1）客觀世界本身是不停發(fā)展改變，人認識永遠沒有完結。第30頁1)任何試驗都不能絕對準確，測量都有誤差。

2)不可能搞清楚每一現象和別現象之間全部聯絡。

所以，不能把任何物理理論看成無條件、永恒東西加以絕對化!

比如：

相對論和量子力學發(fā)展表明，經典物理很多規(guī)律在高速、微觀世界都不適用。（2）人認識水平受到歷史條件限制。第31頁

通常人們認為：

光子靜止質量為零實際測量結果是：

m10-60g電子是穩(wěn)定不變

31023y質子是穩(wěn)定不變

11032y中微子靜止質量為零

m

10-2eV

經典物理規(guī)律并不都有完美試驗驗證萬有引力定律只在<10cm距離有扭稱試驗證實，距地面10公里以上有些人造地球衛(wèi)星運行證實，在中間距離過去并沒有試驗證實，未來有可能發(fā)覺有偏差，等候天琴計劃發(fā)威。第32頁

經典物理也有發(fā)展比如：過去認為牛頓力學是決定論典范，

歷史經驗表明，理論和試驗之間非常小不一致就能夠造成重大突破。

比如：宇稱守恒定律檢驗

p+F19Ne20(1+)O16+He4

不守恒程度3×10--13

弱作用宇稱可能不守恒。但混沌研究表明，它含有內在隨機性。第33頁

所以，不能盲目地相信物理定律或理論普遍適用性，要從理論和試驗結果差異當中去探索新天地。

當前試驗技術水平：

單個微觀粒子能量轉移（最大）

10TeV

最高能量分辯率E／E

10-16

能直接測量最短時間

10-16sec

最小空間分辨

3.9×10-19m

很多物理規(guī)律、結論就是在這種試驗技術水平下（或者比這差得多水平下）得到。第34頁比如認為電子無內部結構，能夠看成點粒子，

所以，必須重視物理規(guī)律近似性，注意它適用范圍。不能把現在得到物理定律、結論看成是永恒不變、絕對正確。要注意存在矛盾，勇于突破，進行創(chuàng)新。實際上這只是在3.9×10-19m空間分辨能力下，沒有發(fā)覺電子含有內部結構。空間分辨能力進一步提升后，很可能會發(fā)覺電子有結構。第35頁物理學繼承和創(chuàng)新

有繼承才有創(chuàng)新，有創(chuàng)新才有發(fā)展。

1.繼承重大理論創(chuàng)建都是在繼承和總結前人結果基礎上加以發(fā)展才完成。

沒有繼承就不會有發(fā)展和創(chuàng)新。

▲比如，牛頓完成了經典力學體系建立，他繼承了很多前人工作。第36頁

在牛頓以前

伽利略慣性原理

牛頓

推廣總結出第一定律

伽利略對自由落體規(guī)律研究，提出加速度概念

笛卡爾、惠更斯對碰撞問題研究

第谷天文觀察、開普勒行星運動三定律、胡克、惠更斯、哈雷關于重力、引力研究

定義了質量、力，總結出第二定律

總結出第三定律

提出萬有引力定律第37頁▲

又如，電磁理論創(chuàng)建：

庫侖定律

高斯定律

奧斯特（電流磁效應）

安培環(huán)路定理

法拉第（電磁感應，力線概念，場概念）

麥克斯韋在總結以上結果基礎上，提出“位移電流”和“渦旋電場”概念，建立了麥克斯韋方程組。第38頁▲再如，愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對論：

伽利略相對性原理

邁克耳孫—莫雷試驗

洛侖茲提出尺度收縮假說

彭加勒提出以太可能不存在，

在上述原理、假說、試驗基礎上，愛因斯坦提出相對性原理和光速不變原理，建立了狹義相對論。絕對運動在標準上觀察不到。第39頁正如牛頓所說：“假如說我比笛卡爾看得更遠，那是因為我是站在巨人們肩膀上”

所以，要把科學發(fā)展看成是集體貢獻，應該把著名科學家看作是成百上千無名科學家代表。第40頁

誰最有創(chuàng)新精神，誰勇于突破舊觀念、舊理論束縛，誰就能率先做出重大貢獻，

愛因斯坦創(chuàng)建相對論時是這么，

李、楊提出弱作用宇稱不守恒時也是這么。當科學本身矛盾已經成熟甚至剛才顯露時，科學研究貴在創(chuàng)新，創(chuàng)新是科學研究靈魂，2.創(chuàng)新對基礎研究來說更是這么。第41頁

（1）要有創(chuàng)新意識

不墨守成規(guī)，不人云亦云?？傁胩剿餍侣窂剑岢鲂掠^念，嘗試新方法，導出新結論。

沒有想到創(chuàng)新人決不會有新創(chuàng)造。

創(chuàng)新精神三個要素：第42頁

不怕名人權威。在新事實面前

勇于懷疑舊理論，提出新問題。（2）要有創(chuàng)新勇氣“進步道路上絆腳石是，也一向是，不允許懷疑傳統(tǒng)”

吳健雄第43頁

愛因斯坦、英菲爾德《物理學進化》“提出一個問題往往比處理一個問題更主要，

提出問題是對舊理論、舊觀念懷疑和探討,是建立新觀念起點。從新角度去看舊問題，卻需要有創(chuàng)造性而且標志著科學真正進步”因為處理問題可能僅僅是數學上或試驗上一個技能而已。而提出新問題、新可能性，想象力，第44頁（3）勇于想象

法拉弟：電磁作用經過場來傳遞，需要時間。

德布羅意：微觀粒子同時又是一個波。

狄拉克：真空充滿了負能態(tài)電子，其中空穴就是正電子。人們幻想象鳥一樣在空中飛行才創(chuàng)造了飛機，人們幻想到月球上旅行才實現了登月。

“想象力比知識更主要，因為知識是有限，而想象力概括著世界上一切，推進著進步，而且是知識進化源泉。嚴格地說，想象力是科學研究中實在原因”

愛因斯坦第45頁不是要知識很全才能創(chuàng)造。

在物理學發(fā)展中，做出重大創(chuàng)造性貢獻很多是年輕人：牛頓（16421727）

萬有引力定律

24歲（1666）麥克斯韋（18311879）

電磁場理