大學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)

大學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)

物理科學(xué)學(xué)院李祖斌zbli@12022/9/7

關(guān)于課程22022/9/7

力學(xué)振動和波熱學(xué)電磁學(xué)光學(xué)量子物理質(zhì)點(diǎn)力學(xué)質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律剛體的運(yùn)動規(guī)律狹義相對論考核形式：平時(shí)30分

筆試70分

平時(shí)成績和考試32022/9/7平時(shí)成績：點(diǎn)名：隨機(jī)點(diǎn)名，請假需正式假條。課堂提問：隨機(jī)提問。作業(yè)：每次作業(yè)根據(jù)完成情況打分，注意截止時(shí)間。思考題：在app發(fā)布，可以不做，參與有加分?？荚嚕旱诰胖苤苣┛荚囯y度不會超出課堂例題和作業(yè)題，預(yù)留兩節(jié)課復(fù)習(xí)。4第零章緒論2022/9/72022/9/75§1 什么是科學(xué)？§2什么是物理學(xué)？§3為什么要學(xué)習(xí)物理？§4大學(xué)物理與中學(xué)物理§5如何學(xué)習(xí)大學(xué)物理§0.1什么是科學(xué)62022/9/7一、科學(xué)的歷史科學(xué)源自古希臘自然哲學(xué)代表人物：亞里士多德理論體系：《天論》《物理學(xué)》四大元素：土水氣火對世界運(yùn)行給出了系統(tǒng)的理論解釋。古人對世界的認(rèn)知從原始的感性認(rèn)知（神話），走向理性認(rèn)知。是一種樸素唯物觀的體現(xiàn)。人類走向理智時(shí)代。2022/9/77中世紀(jì)時(shí)期：基督教時(shí)代希臘哲學(xué)的重新發(fā)現(xiàn)文藝復(fù)興時(shí)期：真正意義的科學(xué)的誕生代表人物：伽利略、牛頓伽利略：從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，科學(xué)的語言是數(shù)學(xué)牛頓：站在巨人肩膀，《自然科學(xué)的數(shù)學(xué)原理》科學(xué)的誕生：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)學(xué)描述的結(jié)合。科學(xué)：以人類理智為源頭、以觀察事實(shí)與數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的描述世界運(yùn)行的規(guī)律及其方法。2022/9/78科學(xué)：正確反映世界本質(zhì)與規(guī)律的理論，包括正確的概念、命題、原理與理論體系；其對象是客觀本質(zhì)與客觀規(guī)律，內(nèi)容是科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)規(guī)律，形式是語言，包括自然語言與數(shù)學(xué)等人工語言?？茖W(xué)是人類認(rèn)識世界、改變世界過程中，總結(jié)出的方法和規(guī)律，有其獨(dú)特的世界觀和方法論。二、科學(xué)的特征和精神科學(xué)的特征：客觀性、可驗(yàn)證可重復(fù)、普遍性、

可發(fā)展可替代?？茖W(xué)的精神：探索創(chuàng)新、理性求實(shí)、懷疑批判、

合作民主。2022/9/79三、科學(xué)的發(fā)展科學(xué)的發(fā)展引發(fā)了技術(shù)革命，極大的改變了世界。近代中國：德先生與賽先生當(dāng)代中國：科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力！科教興國戰(zhàn)略提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家建設(shè)世界科技強(qiáng)國2022/9/710四、科學(xué)的局限暫時(shí)沒有完美的科學(xué)理論（終極理論不存在？）不能解決哲學(xué)大問題（宇宙有沒有意義？）是對客觀世界的解釋，與精神世界無關(guān)本身沒有道德屬性，不保證對人類有利科學(xué)不是生而完美的，但卻是不斷發(fā)展沒有止境的，它是人類理性和探索精神的體現(xiàn)?？茖W(xué)是目前人類認(rèn)知世界的最好理論體系，但它不是人類唯一的精神追求，唯科學(xué)論亦不可取?？茖W(xué)的補(bǔ)充：哲學(xué)、藝術(shù)、文化等等§0.2什么是物理學(xué)112022/9/7物理學(xué)：是探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)(物)及其運(yùn)動規(guī)律(理)的科學(xué)；是所有自然科學(xué)的基礎(chǔ)；是人類文明的重要組成部分；是公眾/通識教育不可缺少的環(huán)節(jié)。物理學(xué)的理論結(jié)構(gòu)充分運(yùn)用數(shù)學(xué)作為自己的工作語言，以實(shí)驗(yàn)作為檢驗(yàn)理論正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)。一、物理學(xué)：萬物運(yùn)行的原理用數(shù)學(xué)推理演繹物理的原理《大學(xué)物理基礎(chǔ)》的內(nèi)容《基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)》2022/9/712二、物理學(xué)的研究對象空間尺度：1026m(約150億光年)-10-20

m

(夸克半徑)時(shí)間尺度：1018s

(宇宙年齡)-10-27

s

(高能光子頻率-1)速度范圍：0

m/s

(靜止)-3×108

m/s

(真空光速)質(zhì)量范圍：1041

kg(銀河系質(zhì)量)-10-36

kg(中微子質(zhì)量上限)不同尺度和速度范圍下，物理學(xué)規(guī)律也不同：宏觀低速的經(jīng)典力學(xué)、宏觀高速的相對論力學(xué)、微觀低速的量子力學(xué)、微觀高速的量子場論等2022/9/713三、物理學(xué)的研究方法提出命題推測答案理論預(yù)言實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證修改完善物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精確科學(xué)。最常用的研究方法：歸納法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果或原有理論推出結(jié)論。演繹法，從原有理論推出新的理論。2022/9/714

物理學(xué)的特色方法對稱性分析守恒量的利用簡化模型的選取概念和方法的類比定性和半定量分析量綱分析能量分析……2022/9/715四、物理學(xué)與技術(shù)“物理學(xué)是我們認(rèn)識世界的基礎(chǔ)，是其他科學(xué)和絕大部分技術(shù)發(fā)展的直接的或不可缺少的基礎(chǔ)，物理學(xué)曾經(jīng)是、現(xiàn)在是、將來也是全球技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要驅(qū)動力。”第三次世界物理學(xué)會大會決議。歷史上物理與技術(shù)的關(guān)系大致有兩種模式：技術(shù)－物理－技術(shù)(以第一次工業(yè)革命為標(biāo)志)物理－技術(shù)－物理(以電氣化進(jìn)程為標(biāo)志)20世紀(jì)兩種模式并存、交叉，但幾乎所有重大新技術(shù)的創(chuàng)立，都是以物理學(xué)的發(fā)展為先導(dǎo)的。2022/9/716愛因斯坦受激輻射理論（1917）（物理）第一臺激光器誕生（1960）（技術(shù)）現(xiàn)代光學(xué)（物理）被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的信息技術(shù)的發(fā)生、發(fā)展，其硬件部分幾乎都以物理學(xué)成果為基礎(chǔ)：量子力學(xué)費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)固體能帶理論（20世紀(jì)20年代）（物理）晶體管誕生(1947)集成電路(1962)大規(guī)模集成電路微納加工技術(shù)（技術(shù)）微結(jié)構(gòu)物理（物理）§0.3為什么學(xué)習(xí)物理172022/9/7掌握基本的物理知識培養(yǎng)基本的科學(xué)素養(yǎng)學(xué)會物理的思想和方法科學(xué)的數(shù)理邏輯訓(xùn)練培養(yǎng)探索與創(chuàng)新精神提高全民科學(xué)素質(zhì)，是國家發(fā)展的需要。以科學(xué)的世界觀思考問題，以科學(xué)的方法論解決問題?！?.4大學(xué)物理與中學(xué)物理182022/9/7大學(xué)物理的深度：用更準(zhǔn)確、更普適的方式引入概念和理論，用更準(zhǔn)確、更普適的數(shù)學(xué)形式描述和求解物理問題。最大區(qū)別在于數(shù)學(xué)形式：矢量的運(yùn)用坐標(biāo)系的擴(kuò)展微積分的運(yùn)用微分：微元、質(zhì)點(diǎn)的思想積分：疊加原理的體現(xiàn)§0.5如何學(xué)習(xí)大學(xué)物理192022/9/7要有正確的目的對世界有客觀認(rèn)識培養(yǎng)探索精神分析演繹的數(shù)學(xué)能力學(xué)習(xí)方法和學(xué)風(fēng)認(rèn)真聽講做作業(yè)預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)勤于思考自學(xué)能力的培養(yǎng)2022/9/720發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立創(chuàng)新的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把知識放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會了獨(dú)立思考與工作，他必定會找到自己的道路。而且比起那些主要以獲取細(xì)節(jié)知識為其訓(xùn)練內(nèi)容的人來他一定會更好適應(yīng)進(jìn)步和變化。－愛因斯坦21第一章力學(xué)的內(nèi)容和研究方法2022/9/7作業(yè)：1-3，1-42022/9/722§1.1力學(xué)的研究內(nèi)容力學(xué)就是研究物體機(jī)械運(yùn)動的學(xué)科。它主要包括以下兩個(gè)方面：運(yùn)動總是在一定空間里進(jìn)行的，運(yùn)動過程經(jīng)歷了一段時(shí)間，對時(shí)間和空間的認(rèn)識（稱為時(shí)空觀）也是力學(xué)的一個(gè)課題。（1）研究如何描述物體的運(yùn)動，稱為運(yùn)動學(xué)。（2）研究物體為什么運(yùn)動，探討物體運(yùn)動和物體間相互作用的聯(lián)系及規(guī)律，稱為動力學(xué)。

宏觀物體相對于其他物體位置的變動，或物體各部分之間相對位置的變動，稱為機(jī)械運(yùn)動。2022/9/723運(yùn)動學(xué)的基本概念在某些問題中，物體的形狀和大小并不重要，可以忽略，可看成一個(gè)只有質(zhì)量、沒有大小和形狀的理想的點(diǎn)，這樣的物體可稱為質(zhì)點(diǎn)(particle)。在某些問題中，物體的形狀和大小不能忽略，但是外力作用下發(fā)生的形變可以忽略，可看成一個(gè)有質(zhì)量、有大小和形狀、但不會發(fā)生形變的理想的物體，這樣的物體可稱為剛體(rigidbody)。一、質(zhì)點(diǎn)和剛體二、時(shí)間和時(shí)刻一個(gè)過程對應(yīng)的時(shí)間間隔稱時(shí)間，某一瞬時(shí)稱時(shí)刻。2022/9/724三、參考系和坐標(biāo)系宇宙中的一切物體都在運(yùn)動，沒有絕對靜止的物體，這稱為運(yùn)動的絕對性。為了描述一個(gè)物體的機(jī)械運(yùn)動，必須選另一個(gè)物體作參照物，被選作參照的物體稱為參考系，參考系的選擇是任意的。同一物體的運(yùn)動，由于我們選取的參考系不同，對它的運(yùn)動的描述就不同，這稱為運(yùn)動描述的相對性。只有參考系還不能定量地描述物體的位置。需要在參考系上固定一個(gè)坐標(biāo)系，這樣就可定量描述物體的位置。常用坐標(biāo)系有直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系。2022/9/725§1.2力學(xué)中的數(shù)學(xué)描述方法1.矢量(vector)與標(biāo)量(scalar)標(biāo)量：大小矢量：大小，方向2.矢量加(減)法(滿足平行四邊形法則)3.矢量分解單位矢量：矢量相等：大小相等，方向相同2022/9/7264.矢量乘法(1)矢量乘以標(biāo)量(2)兩個(gè)矢量的標(biāo)量積(點(diǎn)乘)(3)兩個(gè)矢量的矢量積(叉乘)5.矢量在直角坐標(biāo)軸上的分量xyzAxAyAz2022/9/7276.矢量的微分和積分將矢量按坐標(biāo)系分解，在各坐標(biāo)分量上進(jìn)行積分和微分以上方法在力學(xué)中的應(yīng)用：運(yùn)動學(xué)：位移、速度、加速度：矢量加（減）法、矢量微積分，坐標(biāo)系及矢量的坐標(biāo)表示；角速度：矢量的叉乘（矢量積）；相對運(yùn)動：坐標(biāo)變換

動力學(xué)：力：矢量加（減）法；力矩、角動量：矢量的叉乘（矢量積）；功：矢量的點(diǎn)乘（標(biāo)量積）、線積分2022/9/728§1.3力學(xué)中的基本物理量一、基本量(單位)和導(dǎo)出量(單位)研究問題時(shí)會碰到許多物理量，它們之間有一定聯(lián)系，為了方便可選一些物理量作為基本物理量，簡稱為基本量。并規(guī)定這些基本量的單位，稱之為基本單位。其他的物理量可以由這些基本物理量導(dǎo)出，這些導(dǎo)出的物理量簡稱為導(dǎo)出量，其單位稱導(dǎo)出單位。二、力學(xué)的基本量和單位制：力學(xué)中通常選取長度、時(shí)間和質(zhì)量三個(gè)基本物理量。不同的基本單位構(gòu)成不同單位制:米·千克·秒制（國際單位制），厘米·克·秒制等2022/9/729國際單位制（SI）是米·千克·秒制，是標(biāo)準(zhǔn)國際實(shí)用單位制，即MKS制。此制中物理量長度的單位用米(M)，物理量質(zhì)量的單位用千克(Kg)，物理量時(shí)間的單位用秒(S)。1.米是SI的長度單位,1m=C/299792458(C為真空中光速)2.千克是SI制的質(zhì)量單位。質(zhì)量包含F(xiàn)=ma中慣性質(zhì)量m和萬有引力F=GMm/r2中引力質(zhì)量m，在概念上它們有本質(zhì)差異，但理論和實(shí)驗(yàn)上都證明它們相等。3.秒是SI制的時(shí)間單位。2022/9/730千克：1立方分米的純水在4℃時(shí)的質(zhì)量2019年千克被重新定義為“對應(yīng)普朗克常數(shù)為6.62607015×10-34J·s時(shí)的質(zhì)量單位”。其原理是將移動質(zhì)量1千克物體所需機(jī)械力換算成可用普朗克常數(shù)表達(dá)的電磁力，再通過質(zhì)能轉(zhuǎn)換公式算出質(zhì)量。米：最初定義為通過巴黎的子午線上從地球赤道到北極點(diǎn)的距離的千萬分之一。2019年米的定義更新為：當(dāng)真空中光速c以m/s為單位表達(dá)時(shí)選取固定數(shù)值299792458來定義米。其中秒是由銫的頻率來定義。秒：銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能階之間躍遷時(shí)所輻射的電磁波的周期的9,192,631,770倍的時(shí)間。2022/9/731三、物理學(xué)中七個(gè)基本物理量長度 L 米 m質(zhì)量 M 千克 kg時(shí)間 T 秒 s電流 I 安[培] A熱力學(xué)溫度

開[爾文] K物質(zhì)的量 N 摩[爾] mol發(fā)光強(qiáng)度 J 坎得拉 cd2022/9/732四、力學(xué)的量綱力學(xué)中的物理量可用基本物理量的某種組合式來表示，此式稱量綱式，簡稱為量綱。SI制中，長度、質(zhì)量、時(shí)間三個(gè)基本物理量的量綱L.M.T，其他各物理量可由這三個(gè)字母來組合，用中括號表示量綱記號，表示法如下:速度量綱［v］=LT-1加速度量綱［a］=LT-2力的量綱