北郵-大學(xué)物理-A0_緒論

1、大學(xué)物理學(xué)緒論緒論1 1什么是什么是物理學(xué)？物理學(xué)？2 2為什么要學(xué)習(xí)為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理？大學(xué)物理？3 3如何學(xué)好如何學(xué)好大學(xué)物理？大學(xué)物理？補充：矢量運算簡介補充：矢量運算簡介1 1什么是物理學(xué)什么是物理學(xué)2 2中國的物理學(xué)發(fā)展歷程中國的物理學(xué)發(fā)展歷程3 3物理學(xué)的研究對象物理學(xué)的研究對象4 4物理學(xué)的研究方法物理學(xué)的研究方法5 5大學(xué)物理課程的任務(wù)大學(xué)物理課程的任務(wù)緒緒 論論一一 什么是物理學(xué)？什么是物理學(xué)？物理：物理：Physics 自然哲學(xué)自然哲學(xué) 物物 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)理理 物質(zhì)的運動和變化規(guī)律物質(zhì)的運動和變化規(guī)律 物理物理：研究物質(zhì)的：研究物質(zhì)的的科學(xué)。的科學(xué)。

2、古代，古代，無論在中國還是在西方，哲學(xué)和科學(xué)本是一家。無論在中國還是在西方，哲學(xué)和科學(xué)本是一家。文藝復(fù)興以后，文藝復(fù)興以后，自自然科學(xué)開始與哲學(xué)分離而成為獨立的學(xué)科，而物理學(xué)也逐漸成為自然科學(xué)然科學(xué)開始與哲學(xué)分離而成為獨立的學(xué)科，而物理學(xué)也逐漸成為自然科學(xué)的一個重要分支。的一個重要分支。物理學(xué)既是一門物理學(xué)既是一門科學(xué)科學(xué)， 也是一種也是一種文化文化， 它是人類思想它是人類思想文明的源泉文明的源泉。在古代，中國在古代，中國問題上提出了問題上提出了“五行說五行說”，即世界是由金、木、，即世界是由金、木、水、火、土五種元素組成的。水、火、土五種元素組成的。在在易經(jīng)易經(jīng)的注解書的注解書易傳易傳中說：

3、中說：“易有太易有太極，是生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦。極，是生兩儀，兩儀生四象，四象生八卦。” “太極太極” 宇宙本體，宇宙本體，“兩儀兩儀”陰陽，陰陽，“四象四象”春夏秋冬四時春夏秋冬四時“八卦八卦”天、地、雷、風(fēng)、水、火、山、澤。天、地、雷、風(fēng)、水、火、山、澤。意思是把世界上萬物變化的原因都歸之于陰陽的相互作用。意思是把世界上萬物變化的原因都歸之于陰陽的相互作用。 現(xiàn)代：現(xiàn)代：物理學(xué)家把世界分成物理學(xué)家把世界分成四個層次四個層次來觀察，來觀察， 那就是那就是宇觀、宏觀、介觀宇觀、宏觀、介觀和和微觀微觀。 西方也有類似的西方也有類似的“四根說四根說”： 認為認為火、水、土、氣火、水、土、

4、氣是組成物質(zhì)的基本元素。是組成物質(zhì)的基本元素。 德謨克利特德謨克利特(Democritus, 460BC 370BC)提出提出“原子論原子論”， “原原子子”atom 一詞在希臘文中的原意是一詞在希臘文中的原意是“不可分割不可分割”，當(dāng)時認為原子的種，當(dāng)時認為原子的種類和數(shù)量都無限多，在空間處于永恒的運動之中，一切物質(zhì)都是由不可分割類和數(shù)量都無限多，在空間處于永恒的運動之中，一切物質(zhì)都是由不可分割的原子組成的。的原子組成的。 二二 中國的物理學(xué)發(fā)展歷程中國的物理學(xué)發(fā)展歷程物理學(xué)與哲學(xué)混為一體物理學(xué)與哲學(xué)混為一體, , “天人合一天人合一”天文、力、聲、光、電天文、力、聲、光、電的成就的成就近代

5、近代中國物理的中國物理的艱辛艱辛現(xiàn)代物理的發(fā)展現(xiàn)代物理的發(fā)展 “物理物理”一詞在一詞在2300前的先秦時期就出現(xiàn)了，它泛指人類對自然界及人前的先秦時期就出現(xiàn)了，它泛指人類對自然界及人類自身的理性認識或世界萬物的道理。類自身的理性認識或世界萬物的道理。當(dāng)時的思想家認為自然界的規(guī)律和人文社會的規(guī)律是統(tǒng)一的當(dāng)時的思想家認為自然界的規(guī)律和人文社會的規(guī)律是統(tǒng)一的，人文社會人文社會的法則也應(yīng)該歸結(jié)為天地、自然的法則的法則也應(yīng)該歸結(jié)為天地、自然的法則；后來有人把這個觀點概括為后來有人把這個觀點概括為“天天人合一人合一”。物理學(xué)的發(fā)展歷程物理學(xué)的發(fā)展歷程物格而后致知，致知而后意誠，物格而后致知，致知而后意誠，

6、意誠而后心正，心正而后身修，意誠而后心正，心正而后身修，身修而后家齊，家齊而后國治，身修而后家齊，家齊而后國治，國治而后天下平。國治而后天下平。朱熹：朱熹：( (“物格者，物格者，物理物理之極處無不到也。之極處無不到也。知至者，吾心之所知無不盡也知至者，吾心之所知無不盡也”。）。） 人們首先要盡力探求世界萬物的道理，深入理人們首先要盡力探求世界萬物的道理，深入理解得到的各種知識，才會有堅定的信念，修養(yǎng)好個解得到的各種知識，才會有堅定的信念，修養(yǎng)好個人的品德；每個人有了崇高的品德，就能處理好家人的品德；每個人有了崇高的品德，就能處理好家族、社會與國家的關(guān)系，達到天下大同。族、社會與國家的關(guān)系，達

7、到天下大同。 Astronomical observation facilities in 1442, Beijing Celestial Globe of Zhang Heng in 1251.1.天文學(xué)與古代歷法：天文學(xué)與古代歷法： 通過長期通過長期觀測觀測，中國創(chuàng)造了與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟相結(jié)合的，中國創(chuàng)造了與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟相結(jié)合的農(nóng)歷農(nóng)歷，促進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的，促進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，并發(fā)展，并延用至今延用至今, ,這是天體力學(xué)的起源這是天體力學(xué)的起源。The 65 Chime Bells of Marquis Yi of Zeng (Warring States Period (475-221 B.C.)

8、)2.聲學(xué)：聲學(xué)： 在樂器制作、聲音傳播規(guī)律的掌握以及具備完美聽覺的音樂殿堂的建造上都取得在樂器制作、聲音傳播規(guī)律的掌握以及具備完美聽覺的音樂殿堂的建造上都取得了突出的成就。如被譽為了突出的成就。如被譽為20世紀(jì)考古學(xué)的重大事件的湖北隨縣出土的世紀(jì)考古學(xué)的重大事件的湖北隨縣出土的曾侯乙編鐘曾侯乙編鐘是中是中國古代聲學(xué)的杰作國古代聲學(xué)的杰作Performance with Chime Bells in Paris (2000)3.3.光學(xué)：光學(xué)： 在光學(xué)方面，在墨子的在光學(xué)方面，在墨子的“墨經(jīng)墨經(jīng)”中對幾何中對幾何光學(xué)的現(xiàn)象已有相當(dāng)完整的表述，當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)光學(xué)的現(xiàn)象已有相當(dāng)完整的表述，當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)了

9、了小孔成像小孔成像技術(shù)，發(fā)展了技術(shù)，發(fā)展了金屬放大鏡金屬放大鏡技術(shù)技術(shù). .等等能夠在反射光中現(xiàn)出背面紋飾的鏡子能夠在反射光中現(xiàn)出背面紋飾的鏡子 4.4.力學(xué)：力學(xué)： 在在杠桿原理杠桿原理、靜力平衡靜力平衡原理以及在原理以及在秤量工具秤量工具和和建筑結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)等方面也很早就有很多建樹等方面也很早就有很多建樹斗拱斗拱是古建筑抗震中的又一位重要是古建筑抗震中的又一位重要“戰(zhàn)士戰(zhàn)士” 榫卯榫卯是抗擊地震的關(guān)鍵是抗擊地震的關(guān)鍵 5.中國近代物理學(xué)的起步比西方晚了中國近代物理學(xué)的起步比西方晚了200 多年！多年！ 長期長期封建統(tǒng)治下的倫理道德與文化觀念封建統(tǒng)治下的倫理道德與文化觀念不利于近代科學(xué)的萌發(fā)

10、不利于近代科學(xué)的萌發(fā) 清朝清朝“閉關(guān)鎖國閉關(guān)鎖國” 政策阻止西方近代科學(xué)的傳入政策阻止西方近代科學(xué)的傳入 我國的傳統(tǒng)文化比較講究實用我國的傳統(tǒng)文化比較講究實用, 缺乏科學(xué)探索和建立理性思維體系的動力缺乏科學(xué)探索和建立理性思維體系的動力?；A(chǔ)科學(xué)代表著一種探索，基礎(chǔ)科學(xué)代表著一種探索，其目標(biāo)在于揭示和認識客觀世界的基本規(guī)律；它的動機是其目標(biāo)在于揭示和認識客觀世界的基本規(guī)律；它的動機是求知、求真，對真理的追求！求知、求真，對真理的追求！ 鴉片戰(zhàn)爭的慘痛教訓(xùn)，激勵國人鴉片戰(zhàn)爭的慘痛教訓(xùn)，激勵國人“興學(xué)救國興學(xué)救國”開始以譯書、建學(xué)、派留學(xué)生等方式開始以譯書、建學(xué)、派留學(xué)生等方式向西方學(xué)習(xí)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)

11、向西方學(xué)習(xí)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù) 我國正式用物理學(xué)作為我國正式用物理學(xué)作為 Physics 的學(xué)名是的學(xué)名是1900 年從日文翻譯的年從日文翻譯的 “物理學(xué)物理學(xué)”出版出版開始的開始的 1919 年的年的“五四五四” 運動高舉運動高舉“科學(xué)、民主科學(xué)、民主”的大旗，使發(fā)展近代物理和科學(xué)成為的大旗，使發(fā)展近代物理和科學(xué)成為中國人民摒棄陳腐思想、制度，爭取民族獨立解放，建立新中國的重要組成部份中國人民摒棄陳腐思想、制度，爭取民族獨立解放，建立新中國的重要組成部份改革開放、科教興國改革開放、科教興國與與中國物理的春天中國物理的春天北京高能正負電子對撞機北京高能正負電子對撞機5.6 Gev1988年年10月月1

12、6日凌晨日凌晨5點點56分分,正負電子對撞機首次對撞成功正負電子對撞機首次對撞成功 重大科學(xué)工程的建設(shè)重大科學(xué)工程的建設(shè)美國美國FermiFermi實驗室質(zhì)子實驗室質(zhì)子- -反質(zhì)子對撞機反質(zhì)子對撞機 TEVATRON 2 TevBEPC中國北京中國北京e e+ +- -5.6 GevTRISTAN日筑波日筑波e e+ +- -70 GevTEVATRON 美美 Fermipp2 TevLHCCERNpp14 Tev對撞機的對撞機的幾種實例幾種實例對反應(yīng)有貢獻的是質(zhì)心系統(tǒng)中的能量對反應(yīng)有貢獻的是質(zhì)心系統(tǒng)中的能量511.2 10mg-將國際上同類實驗上限提高約將國際上同類實驗上限提高約20倍倍!華

13、中科技大學(xué)教授：羅俊華中科技大學(xué)教授：羅俊 20022002年扭秤調(diào)制實驗結(jié)果給出：年扭秤調(diào)制實驗結(jié)果給出：最近改進方案實驗結(jié)果：最近改進方案實驗結(jié)果：521.8 10mg-靶場系統(tǒng)概貌靶場系統(tǒng)概貌傳輸空間濾波器傳輸空間濾波器(SF2)(SF2)輸出端輸出端真空靶室真空靶室神光神光-III原型靶室原型靶室三、物理學(xué)的研究對象三、物理學(xué)的研究對象宇宙宇宙物質(zhì)物質(zhì)運動運動物理學(xué)的研究對象物理學(xué)的研究對象( (一一) )宇宙宇宙1.1.探索探索宇宙從哪里來宇宙從哪里來? ?又向何處去又向何處去? ?上帝上帝創(chuàng)世說與盤古開天地創(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

14、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勇氣號火星探測器于勇氣號火星探測器于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日和日和1 1月月2424日在火星不同區(qū)域著陸機遇號傳回照片日在火星不同區(qū)域著陸機遇號傳回照片“卡西尼卡西尼”號土星探測器進入土星軌道效果號土星探測器進入土星軌道效果圖圖(NASA(NASA圖片圖片) ) 美航空航天局美航空航天局(NASA)(NASA)和歐空和歐空局局(ESA)(ESA)合作

15、研究的合作研究的“卡西卡西尼尼惠更斯惠更斯”土星探測器經(jīng)土星探測器經(jīng)過過6 6年半年半35.235.2億公里億公里的飛行，的飛行，20042004年年7 7月月1 1日成功進入了土日成功進入了土星軌道。并且向地球傳回了星軌道。并且向地球傳回了幾組照片。幾組照片。 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2.2.大爆炸宇宙學(xué)大爆炸宇宙學(xué) 1940s Gamov1940s Gamov和和AlpherAlpher首先首先提出宇宙起源于約提出宇宙起源于約150150億年前

16、億年前一次猛烈的一次猛烈的巨大爆炸巨大爆炸。宇宙的爆炸宇宙的爆炸是空間的膨脹，物是空間的膨脹，物質(zhì)則隨著空間膨脹（宇宙是無質(zhì)則隨著空間膨脹（宇宙是無中心的）。中心的）。隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)隨著宇宙膨脹和溫度降低，構(gòu)成物質(zhì)的成物質(zhì)的原初元素相繼形成原初元素相繼形成 George GamovP POSSIBLEOSSIBLE F FATESATES OFOF THETHE U UNIVERSENIVERSE3.宇宙的概貌宇宙的概貌宇宙中的天體分為不同的層次宇宙中的天體分為不同的層次:恒星恒星(伴隨著行星伴隨著行星)星系星系 星系團星系團 超星系團超星系團 宇宙宇宙 地球地球 其他行星其他行星

17、 太陽系小天體太陽系小天體與行星際物質(zhì)與行星際物質(zhì)以太陽系行星為例以太陽系行星為例 （1） 行星層次行星層次太陽系的行星太陽系的行星 地球地球火星火星金星金星土星土星木星木星水星水星天王星天王星海王星海王星冥王星冥王星 天體的天體的尺度尺度： 地球地球一個精測孤本，其它天體離我們都遠。一個精測孤本，其它天體離我們都遠。 光譜測量：光譜測量：探明天體的原子、分子、離子以及其它粒子的豐度；了解物質(zhì)探明天體的原子、分子、離子以及其它粒子的豐度；了解物質(zhì)狀態(tài)、溫度、密度、磁場、電場狀態(tài)、溫度、密度、磁場、電場；均為對物理量的測量。；均為對物理量的測量。 天文觀測的天文觀測的“觀觀”是遠遠地看天體發(fā)出的

18、光；是遠遠地看天體發(fā)出的光； “測測”是遠遠地測量光所帶來的物理信息。是遠遠地測量光所帶來的物理信息。天體的測量和尺度天體的測量和尺度 （2） 恒星層次恒星層次 其他恒星：其他恒星： 比鄰星、比鄰星、 天狼星等天狼星等 太陽：太陽： M=1.991030kg L=3.901026W R=7105km 星際間物質(zhì)星際間物質(zhì)（3 3）星系層次）星系層次 銀河系銀河系（1011顆恒星顆恒星） 星際物質(zhì)和星際物質(zhì)和 塵埃物質(zhì)塵埃物質(zhì) 河外星系河外星系（106個大星系個大星系）510(頂視頂視) 銀河系的質(zhì)量銀河系的質(zhì)量約為約為1011 M 銀河系約有銀河系約有 1011 顆恒星顆恒星銀河系全貌銀河系全

19、貌河外星系河外星系（4 4）星系團：）星系團：已發(fā)現(xiàn)上萬個星系團已發(fā)現(xiàn)上萬個星系團 本星系團本星系團：由銀河系所屬的星系團，大小麥哲侖云、仙女座星云等：由銀河系所屬的星系團，大小麥哲侖云、仙女座星云等4040多個星系組成。多個星系組成。 星系團星系團：星系結(jié)合而成的星系團：星系結(jié)合而成的星系團 （5 5）超星系團）超星系團 本超星系團：由本超星系團：由本星系群、室女星系團、大熊座星系團等本星系群、室女星系團、大熊座星系團等50多個星系多個星系團團組成。組成。 空洞：空洞：例如幾十例如幾十MpcMpc的范圍內(nèi)幾乎沒有星系存在。的范圍內(nèi)幾乎沒有星系存在。各層次天體的各層次天體的尺度尺度 天體層次天

20、體層次尺度尺度 (單位：光年單位：光年) 地球直徑地球直徑 1.3 10-9 太陽直徑太陽直徑 1.5 10-7 太陽系范圍太陽系范圍 約約 10-3 最近恒星距離最近恒星距離 約約 4 銀河系范圍銀河系范圍 約約 105 近處星系距離近處星系距離 約約 106 本星系團大小本星系團大小 約約 107 可測宇宙范圍可測宇宙范圍 約約 1.5 1010km1046. 9112光年宇宙學(xué)原理和哈勃定律宇宙學(xué)原理和哈勃定律宇宙學(xué)原理宇宙學(xué)原理:宇宙從小尺度看物質(zhì)分布不均勻，但從宇觀尺度看可認為是均勻的宇宙從小尺度看物質(zhì)分布不均勻，但從宇觀尺度看可認為是均勻的（固體微觀看不均勻宏觀看均勻）。（固體微觀

21、看不均勻宏觀看均勻）。大爆炸宇宙學(xué)理論簡介大爆炸宇宙學(xué)理論簡介“The most incomprehensible thing about theuniverse is that it is comprehensible.” Einstein哈勃定律：哈勃定律：哈勃得出了視向速度哈勃得出了視向速度V與距離與距離d之間大致的線性正比關(guān)系?，F(xiàn)代精確之間大致的線性正比關(guān)系?，F(xiàn)代精確觀測已證實這種線性正比關(guān)系：觀測已證實這種線性正比關(guān)系： V = H0d 進一步發(fā)現(xiàn)：進一步發(fā)現(xiàn)： 河外星系；河外星系； 證明黑洞的存在；證明黑洞的存在； 宇宙膨脹；宇宙膨脹； 提供新的恒星形成和消失的照提供新的恒星形成和

22、消失的照片；片； 捕捉到彗星與木星相撞的壯觀捕捉到彗星與木星相撞的壯觀景象。景象。1990年發(fā)射了年發(fā)射了微波背景輻射分析宇宙早期星系團發(fā)現(xiàn)微波背景輻射分析宇宙早期星系團發(fā)現(xiàn): : 一種一種暗能量暗能量正在驅(qū)動著正在驅(qū)動著宇宙加速膨脹宇宙加速膨脹人類目前還人類目前還不理解不理解暗能量暗能量和和暗物質(zhì)暗物質(zhì)的本質(zhì)的本質(zhì) 宇宙起源于宇宙起源于150-200150-200億億年前的一次大爆炸，年前的一次大爆炸， 在產(chǎn)生的初始，在產(chǎn)生的初始，半徑很小半徑很小，能量和溫度很高能量和溫度很高， 以后隨著宇宙的以后隨著宇宙的膨脹膨脹，溫度下降，逐漸形成多層次，溫度下降，逐漸形成多層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，直到星體、星

23、系。的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，直到星體、星系。1948年年Gamove, Alpher, Bethe提出大爆炸宇宙模型提出大爆炸宇宙模型理論預(yù)言：理論預(yù)言： He豐度為豐度為0.25, 存在均勻充滿空間溫度為存在均勻充滿空間溫度為5K 左右的背景黑體輻射左右的背景黑體輻射按現(xiàn)代的大爆炸宇宙模型，宇宙的演化過程如下：按現(xiàn)代的大爆炸宇宙模型，宇宙的演化過程如下：(1) 宇宙創(chuàng)生期宇宙創(chuàng)生期 爆炸爆炸 0 1044 s， T1032 k , 宇宙處于高溫、高壓、高密度狀態(tài)宇宙處于高溫、高壓、高密度狀態(tài)(2) 宇宙的極早期宇宙的極早期 10- 4310-36 s, T1028 k ， 粒子平均能量粒子平均能量101

24、5 GeV, ， 宇宙暴漲宇宙暴漲, 增大增大1050倍；倍；10-10s以后：以后： T1014 k 弱電相變?nèi)蹼娤嘧內(nèi)踝饔煤碗姶抛饔梅蛛x，完成了四種相互作用逐一分化出來的過程。弱作用和電磁作用分離，完成了四種相互作用逐一分化出來的過程。1s后：后： 溫度下降到溫度下降到1010K 光子不再有足夠的能量產(chǎn)生粒子；光子不再有足夠的能量產(chǎn)生粒子； 中微子脫耦而獨立出來。中微子脫耦而獨立出來。10-2s后：后： 1.01011K 1.0107eV： 宇宙充滿光子、電子、正電子、中微子，宇宙充滿光子、電子、正電子、中微子， 三種夸克可以形成中子、質(zhì)子及三種夸克可以形成中子、質(zhì)子及其它強子其它強子,

25、粒子不斷碰撞轉(zhuǎn)化粒子不斷碰撞轉(zhuǎn)化, 整個宇宙處于熱力學(xué)平衡。整個宇宙處于熱力學(xué)平衡。(3) 宇宙的早期宇宙的早期 10-36102 s, T1027 k T109 k, 大爆炸后大爆炸后10-36 s 大統(tǒng)一相變大統(tǒng)一相變強作用同電磁、弱作用分離，物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對稱性出現(xiàn)；強作用同電磁、弱作用分離，物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對稱性出現(xiàn)； 5s后：后： e、e+電子湮滅，自由中子衰變電子湮滅，自由中子衰變 3分鐘后：分鐘后： 溫度降到溫度降到109K，p、n結(jié)合成結(jié)合成2H、4He核核(4) 輻射為主時期輻射為主時期 0 1012 s (幾十萬年幾十萬年, 每年每年3.15107 s) 輻射和實

26、物粒子處于熱平衡輻射和實物粒子處于熱平衡,(5) 實物為主時期實物為主時期) t () t (rm 1012 s 現(xiàn)在現(xiàn)在, 40萬年：中性原子形成萬年：中性原子形成, 輻射與實物相互作用減弱；輻射與實物相互作用減弱； 50億年：星系形成，太陽系形成；億年：星系形成，太陽系形成；(6) 暗能量為主時期暗能量為主時期70億年左右億年左右現(xiàn)在現(xiàn)在1989年，為研究宇宙背景輻射發(fā)射了年，為研究宇宙背景輻射發(fā)射了“宇宙背景探測者宇宙背景探測者”衛(wèi)星衛(wèi)星(COBE) COBE衛(wèi)星在衛(wèi)星在30多個波多個波長上，每個波長用四個長上，每個波長用四個儀器做測量。儀器做測量。第一批衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明：第一批衛(wèi)星數(shù)據(jù)表明

27、：在從在從0.05cm到到30cm的的最重要的頻譜波段上，最重要的頻譜波段上，該輻射的譜分布與溫度該輻射的譜分布與溫度為為 2.375K0.006K的理想黑體吻合！的理想黑體吻合！美兩位物理學(xué)家憑借宇宙背景輻射研究成果獲獎美兩位物理學(xué)家憑借宇宙背景輻射研究成果獲獎 約翰約翰馬瑟馬瑟 喬治喬治斯穆特斯穆特 2006年度諾貝爾物理學(xué)年度諾貝爾物理學(xué)獎獎宇宙中的核豐度宇宙中的核豐度 按大爆炸理論按大爆炸理論, 在爆炸后很快就產(chǎn)生了在爆炸后很快就產(chǎn)生了H, 幾分鐘后幾分鐘后(T1010109k)聚聚變成變成He和其它一些輕核和其它一些輕核, 1991年年G.Steigman等人用最新的核反應(yīng)載面和中子

28、壽命的數(shù)據(jù)計算了等人用最新的核反應(yīng)載面和中子壽命的數(shù)據(jù)計算了這些核的豐度，得出：這些核的豐度，得出： H: 74%, 4He: 24%, 2H 和和 3He: 10-4, 7Li: 10-10與實驗測量值非常符合。與實驗測量值非常符合。 跨越跨越10個量級的數(shù)據(jù)都與實驗符合決不是偶然的。個量級的數(shù)據(jù)都與實驗符合決不是偶然的。大爆炸模型面臨的挑戰(zhàn)大爆炸模型面臨的挑戰(zhàn)分析結(jié)果表明，星系象是集中在一堆肥皂泡的泡壁上：壁上星系密度為平分析結(jié)果表明，星系象是集中在一堆肥皂泡的泡壁上：壁上星系密度為平均值的均值的5倍，而泡內(nèi)密度則為平均值的倍，而泡內(nèi)密度則為平均值的1/5(稱為稱為“空洞空洞”)。20世紀(jì)

29、世紀(jì)80年代末，發(fā)現(xiàn)了目前宇宙中已知的最大結(jié)構(gòu)年代末，發(fā)現(xiàn)了目前宇宙中已知的最大結(jié)構(gòu)長達長達5億光年的億光年的“長城長城”，在那里集中了比最大的星系還大在那里集中了比最大的星系還大1萬倍的質(zhì)量萬倍的質(zhì)量! 這是任何宇宙演化理論都必須回答的關(guān)鍵問題之一。這是任何宇宙演化理論都必須回答的關(guān)鍵問題之一。(2)(2)暗物質(zhì)是什么？暗物質(zhì)是什么？由動力學(xué)方法測定的星系質(zhì)量由動力學(xué)方法測定的星系質(zhì)量由光度推算出來的星系質(zhì)量由光度推算出來的星系質(zhì)量暗物體在宇宙整體中份量如此之大是一大挑戰(zhàn)暗物體在宇宙整體中份量如此之大是一大挑戰(zhàn)是一時還探測不到的暗弱恒星、行星、氣體是一時還探測不到的暗弱恒星、行星、氣體? 是

30、根本沒有光信息的黑洞是根本沒有光信息的黑洞?是帶有微小質(zhì)量的中微子是帶有微小質(zhì)量的中微子?是除引力作用外不參與其它作用的某種亞原子粒子是除引力作用外不參與其它作用的某種亞原子粒子?暗能量是什么？暗能量是什么？ 真空能量（宇宙常數(shù)）？真空能量（宇宙常數(shù)）？ 動力學(xué)場？（動力學(xué)場？（Quintessence）暗能量是新世紀(jì)的暗能量是新世紀(jì)的“以太以太”？物理學(xué)的研究對象物理學(xué)的研究對象( (二二) )物質(zhì)物質(zhì) 實物粒子實物粒子 物質(zhì)是無限可分的嗎物質(zhì)是無限可分的嗎? ? 什么是場物質(zhì)什么是場物質(zhì)? ? 介觀物理與納米電子學(xué)介觀物理與納米電子學(xué)J.J. TJ.J. THOMSONHOMSONS S

31、P PLUMLUM P PUDDINGUDDING MMODELODEL OFOF THETHE A ATOMTOM (1897) (1897)He proposed that the electrons are embedded in a positively charged puddingR RUTHERFORDUTHERFORDS S D DISCOVERYISCOVERY OFOF THETHE A ATOMICTOMIC NNUCLEUSUCLEUS (1911) (1911) He found that, once in a while, the a-particles were

32、scattered backwards by the target19081908諾貝爾化學(xué)獎諾貝爾化學(xué)獎ALPHA SCATTERING S SOLAROLAR S SYSTEMYSTEM M MODELODEL OFOF THETHE A ATOMTOMThe atom consists of electrons orbiting around small but dense central nucleusB BOHROHRS S M MODELODEL OFOF THETHE H HYDROGENYDROGEN A ATOMTOM(1913)(1913)He proposed that

33、only certain orbits for the electron are allowed物質(zhì)是無限可分的嗎物質(zhì)是無限可分的嗎-“毛子毛子” 19551955年年1 1月月1515日日，毛澤東主持書記處擴大會議，錢三強講到核原理時，毛插問：，毛澤東主持書記處擴大會議，錢三強講到核原理時，毛插問：“原子核，是由中子和質(zhì)子組成的嗎原子核，是由中子和質(zhì)子組成的嗎”“是這樣。是這樣?！薄啊薄百|(zhì)子、中子又是什么質(zhì)子、中子又是什么東西組成的呢東西組成的呢”錢回答：錢回答：“根據(jù)現(xiàn)在科學(xué)研究的最新成果，只知道質(zhì)子、中根據(jù)現(xiàn)在科學(xué)研究的最新成果，只知道質(zhì)子、中子是構(gòu)成原子的基本粒子?；玖Ｗ?，也就是最小

34、的、不可分的。子是構(gòu)成原子的基本粒子。基本粒子，也就是最小的、不可分的?！泵珔s從毛卻從容地說容地說：“以哲學(xué)的觀點來說，物質(zhì)是無限可分的。質(zhì)子、中子、電子也應(yīng)以哲學(xué)的觀點來說，物質(zhì)是無限可分的。質(zhì)子、中子、電子也應(yīng)該是可分的。一分為二，對立統(tǒng)一嘛！該是可分的。一分為二，對立統(tǒng)一嘛！”后來的事實證明，此一論題的勝者，后來的事實證明，此一論題的勝者，正是毛澤東。正是毛澤東。19771977年，世界第七屆粒子物理學(xué)會年，世界第七屆粒子物理學(xué)會在夏威夷召開，諾貝爾獎得主在夏威夷召開，諾貝爾獎得主格拉肖格拉肖發(fā)言，發(fā)言，把物理學(xué)家研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷程比作剝洋蔥，他說：把物理學(xué)家研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷程比作剝洋蔥

35、，他說：“洋蔥還有更深的一層洋蔥還有更深的一層嗎嗎夸克和輕子是否都有共同的更基本的組成部分呢夸克和輕子是否都有共同的更基本的組成部分呢許多中國物理學(xué)家一許多中國物理學(xué)家一直是維護這種觀念的。我提議把構(gòu)成物質(zhì)的所有這些假設(shè)的組成部分命名為直是維護這種觀念的。我提議把構(gòu)成物質(zhì)的所有這些假設(shè)的組成部分命名為毛粒子毛粒子，以紀(jì)念毛澤東，因為他一貫主張自然界有更深的統(tǒng)一，以紀(jì)念毛澤東，因為他一貫主張自然界有更深的統(tǒng)一。” T THEHE S SCANNINGCANNING T TUNNELINGUNNELING MMICROSCOPEICROSCOPE The Nobel Prize in Physic

36、s 1986for their design of the scanning tunneling microscope 二十世紀(jì)八十二十世紀(jì)八十 九十年代迅速發(fā)展起來的人工設(shè)計材料，像九十年代迅速發(fā)展起來的人工設(shè)計材料，像超晶格、納米超晶格、納米（10-9 m）材料和光子晶體）材料和光子晶體等都開辟一個嶄新的材料科學(xué)新時代，等都開辟一個嶄新的材料科學(xué)新時代，有人預(yù)言：有人預(yù)言：二十一世紀(jì)將會是人工設(shè)計材料的世紀(jì)。二十一世紀(jì)將會是人工設(shè)計材料的世紀(jì)。人工設(shè)計材料則意味著人們將按自己人工設(shè)計材料則意味著人們將按自己的需要去設(shè)計并通過人工制作重新排列原子或原子集團，使得這種材料具有人的需要去設(shè)計并通

37、過人工制作重新排列原子或原子集團，使得這種材料具有人們希望有的特性。們希望有的特性。 一氧化碳分子一氧化碳分子豎立在鉑表面上豎立在鉑表面上、分子間距約、分子間距約0.5納米納米的的“分子分子人人。從頭到腳只有。從頭到腳只有5納米納米，堪稱，堪稱世界上最小的人形圖案世界上最小的人形圖案重慶大學(xué)研制的掃描隧道顯微鏡重慶大學(xué)研制的掃描隧道顯微鏡物理學(xué)的研究對象物理學(xué)的研究對象( (二二) )場物質(zhì)場物質(zhì)磁場的應(yīng)用（磁場的應(yīng)用（MRIMRI）The Nobel Prize in Physics 2003物理學(xué)的研究對象物理學(xué)的研究對象( (三三) )運動運動運動的四種形式運動的四種形式: : 物理物理

38、( (化學(xué)化學(xué)) )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(nèi)部運動原子及原子核內(nèi)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（M MAXWELLAXWELL方程組）方程組）原子及原子核內(nèi)部運動原子及原子核內(nèi)部運動Fusion Powers the Sun and Other Stars 美國

39、投到日本廣島美國投到日本廣島的原子彈的原子彈“小男孩小男孩”美國投到日本長崎美國投到日本長崎的原子彈的原子彈“胖子胖子”槍槍 法法內(nèi)爆法內(nèi)爆法我國廣東我國廣東 大亞灣核電站大亞灣核電站我國自行研制建造的核潛艇我國自行研制建造的核潛艇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(zhì)量與運動無關(guān)嗎質(zhì)量與運動無關(guān)嗎? ?How did Einstein arrive at the special theory 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

40、洞Lecture 8: Warped Spaceback四、物理學(xué)的研究方法四、物理學(xué)的研究方法“科學(xué)是一種科學(xué)是一種方法方法”。R.PR.P費曼費曼“我從我從不迷信權(quán)威不迷信權(quán)威，但命運捉弄了我，但命運捉弄了我我自己變成我自己變成了權(quán)威了權(quán)威” 愛因斯坦愛因斯坦正如一個古老的故事所講的那樣，學(xué)生從老師那里得正如一個古老的故事所講的那樣，學(xué)生從老師那里得到的，應(yīng)該是一個點石成金的到的，應(yīng)該是一個點石成金的 法則法則 ，而不是一堆，而不是一堆 金子金子 。 1. 1.物理學(xué)本質(zhì)上是實驗科學(xué)物理學(xué)本質(zhì)上是實驗科學(xué)理論家與實驗家理論家與實驗家2.2.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3

41、.3.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 Kepler, 1571-1630Galileo Galilei, 1564-1642Newton said： I stand on the shoulders of these giants; the last one is Galileo.Egypt創(chuàng)新是科學(xué)研究的靈魂創(chuàng)新是科學(xué)研究的靈魂想象力比知識更重要想象力比知識更重要 4.新世紀(jì)的挑戰(zhàn)和

42、機遇新世紀(jì)的挑戰(zhàn)和機遇從微觀到宇觀的各個尺度上我們現(xiàn)在的認識還不能理解的現(xiàn)象和問題大量涌現(xiàn)從微觀到宇觀的各個尺度上我們現(xiàn)在的認識還不能理解的現(xiàn)象和問題大量涌現(xiàn)物理物理學(xué)上空的學(xué)上空的一團烏云一團烏云各種跨學(xué)科的研究，特別是生命科學(xué)和信息科學(xué)的崛起，如各種跨學(xué)科的研究，特別是生命科學(xué)和信息科學(xué)的崛起，如納米納米-生物生物-信息信息-認知技術(shù)認知技術(shù)的匯聚和發(fā)展都呼喚著物理學(xué)發(fā)展新思想、新理論和新設(shè)備、新方法的匯聚和發(fā)展都呼喚著物理學(xué)發(fā)展新思想、新理論和新設(shè)備、新方法 人類社會在可持續(xù)發(fā)展上所面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，包括人類社會在可持續(xù)發(fā)展上所面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，包括能源、環(huán)保、人口健康和自然災(zāi)害能源、環(huán)保、

43、人口健康和自然災(zāi)害預(yù)測預(yù)測等也都要求物理學(xué)提供應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的科學(xué)基礎(chǔ)等也都要求物理學(xué)提供應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的科學(xué)基礎(chǔ)五、大學(xué)物理課程的任務(wù)：五、大學(xué)物理課程的任務(wù)：希望：希望：物理知識、原理、方法、理念物理知識、原理、方法、理念 使大家終身受使大家終身受益。益。 目標(biāo)：目標(biāo)：學(xué)好物理學(xué)，為以后專業(yè)課程學(xué)好物理學(xué)，為以后專業(yè)課程 的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)！的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)！ 開啟科學(xué)的大門，獲取科學(xué)的開啟科學(xué)的大門，獲取科學(xué)的指南指南 遨游遨游五五彩彩繽繽紛紛的自然界的自然界溫家寶總理：溫家寶總理： “讀書不只要讀課本上的，課讀書不只要讀課本上的，課本上的只是停留在認知的階段，大學(xué)本上的只是停留在認知

44、的階段，大學(xué)里面的老師能教給你的是一些里面的老師能教給你的是一些基本的基本的東西東西，真正的掌握運用在于，真正的掌握運用在于自己的努自己的努力和創(chuàng)新力和創(chuàng)新” 祝愿： 我們愉快地學(xué)習(xí)大學(xué)物理！ 成為你們的良師益友！與中學(xué)物理的區(qū)別：與中學(xué)物理的區(qū)別：標(biāo)量標(biāo)量 矢量；恒量為主矢量；恒量為主 變量為主；定性分析變量為主；定性分析 定量計算定量計算二、為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理？二、為什么要學(xué)習(xí)大學(xué)物理？1. 物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)物理學(xué)是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)2. 根據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計制造的儀器設(shè)備被廣泛應(yīng)用根據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計制造的儀器設(shè)備被廣泛應(yīng)用3. 由于物理學(xué)的普遍性和基本性，形成一系列派生和交叉學(xué)

45、科由于物理學(xué)的普遍性和基本性，形成一系列派生和交叉學(xué)科三、如何學(xué)好大學(xué)物理？三、如何學(xué)好大學(xué)物理？a.勤于思考，悟物窮理勤于思考，悟物窮理，建立自己的物理圖象建立自己的物理圖象 b.注意物理規(guī)律的表述（文字描述、公式表示）和適用范圍注意物理規(guī)律的表述（文字描述、公式表示）和適用范圍 c.通過做題，深入理解并熟練應(yīng)用所學(xué)基本理論通過做題，深入理解并熟練應(yīng)用所學(xué)基本理論d.物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，結(jié)合實驗來加深理解物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，結(jié)合實驗來加深理解學(xué)習(xí)物理學(xué)的困難：學(xué)習(xí)物理學(xué)的困難：1）內(nèi)容廣泛：涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域；）內(nèi)容廣泛：涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域；2）時空跨度大

46、：從經(jīng)典到近代，從宏觀到微觀；）時空跨度大：從經(jīng)典到近代，從宏觀到微觀；3）方法變化大：從中學(xué)的常量問題到應(yīng)用矢量和微積分處理）方法變化大：從中學(xué)的常量問題到應(yīng)用矢量和微積分處理復(fù)雜的變量問題。復(fù)雜的變量問題。矢量的概念起源于對運動和力的研究。矢量的概念起源于對運動和力的研究。力和速度等物理量需要用其大小和方向來表示力和速度等物理量需要用其大小和方向來表示AA0)(-+aa長度為零的矢量叫長度為零的矢量叫零矢量零矢量大小為矢量的模，記為大小為矢量的模，記為 A, 1ee長度為長度為1的矢量叫的矢量叫單位矢量單位矢量，記為，記為單位矢量用來表示空間的方向單位矢量用來表示空間的方向aa-大小相等、

47、方向相反的矢量互為負矢量，如大小相等、方向相反的矢量互為負矢量，如 與與一一. .矢量矢量：有大小有大小,方向方向,滿足平行四邊形法則的量滿足平行四邊形法則的量矢量運算簡介矢量運算簡介物理中矢量總有它的作用點，不同作用點的矢量相互物理中矢量總有它的作用點，不同作用點的矢量相互運算，甚至是沒有意義的。一些矢量是可以經(jīng)過平行運算，甚至是沒有意義的。一些矢量是可以經(jīng)過平行移動，移到一點上再作運算，這種矢量叫自由矢量。移動，移到一點上再作運算，這種矢量叫自由矢量。二二. .矢量的加法與數(shù)乘規(guī)則矢量的加法與數(shù)乘規(guī)則cba+1)abcbac)( baba-+-)( 0 0; 0 0aaaaaaaaa-且反

48、向，與同向，且與2)3) 加法交換律加法交換律abba+)()(cbacba+加法結(jié)合律加法結(jié)合律數(shù)乘結(jié)合律數(shù)乘結(jié)合律數(shù)乘分配律數(shù)乘分配律aa)()(babaaaa+)()(4)矢量可表示成單位矢量與標(biāo)量數(shù)的乘積矢量可表示成單位矢量與標(biāo)量數(shù)的乘積aaea aaaeaa1)(212+三三. .直角坐標(biāo)中的矢量直角坐標(biāo)中的矢量, , i j k為三坐標(biāo)軸的單位矢量，或基矢為三坐標(biāo)軸的單位矢量，或基矢kjiaaaazyx+)( kzo ( )y j)( ixa,aaazyxa若矢量與三個軸的夾角為若矢量與三個軸的夾角為,aaaaaazyxcos ,cos ,cosa的單位矢量的單位矢量kajaiaa

49、aeaaaazyx+對兩個可移到一條直線上的矢量對兩個可移到一條直線上的矢量 和和1 aae2 aa e矢量的方向余弦矢量的方向余弦222aaaxyz+a矢量的方向余弦是該矢量同方向的矢量的方向余弦是該矢量同方向的單位矢量的坐標(biāo)單位矢量的坐標(biāo)1coscoscos222+例：例： 求矢量求矢量 的方向余弦的方向余弦1, 2 , 2-a22222( 1)312 212,2, 1 , 33 33221cos,cos,cos333a+ - -ae解：解： 按坐標(biāo)軸按坐標(biāo)軸分解后分解后的矢量可用三個的矢量可用三個標(biāo)量標(biāo)量表示、運算表示、運算 , , , , ()()()aaabbbaaaabababab

50、ababx y zx y zxyzxx yy zzxxyyzz+ + +abaa ba bijkyox)(tr)(tt+rkjir)()()()(tztytxt+ ()( )tttttt + + -r rr若矢量隨時間變化的函數(shù)為若矢量隨時間變化的函數(shù)為r四、矢量的導(dǎo)數(shù)四、矢量的導(dǎo)數(shù)如果極限如果極限 存在，此極限就是矢量函數(shù)存在，此極限就是矢量函數(shù) 在自變量為在自變量為 時的微商，記為時的微商，記為ttr0lim)(trt)(trkjikjirrr)()()( )()()(lim)(0tztytxdttdzdttdydttdxdtdttt+矢量的導(dǎo)數(shù)仍是矢量矢量的導(dǎo)數(shù)仍是矢量五五. .矢量的點乘矢量的點乘( (標(biāo)量積標(biāo)量