大學(xué)物理電子教案

緒論?緒論觀察、思考、交流

〔1918－1988〕美國物理學(xué)家諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者請?jiān)试S我說明我講這門課的主要目的。我的目的不是教你們?nèi)绾螒?yīng)付考試，甚至不是讓你們掌握這些知識(shí)，以便更好地為今后你們面臨的工業(yè)或軍事工作效勞。我最希望的是，你們能夠像真正的物理學(xué)家一樣，欣賞到這個(gè)世界的美妙。物理學(xué)家們看待這個(gè)世界的方式，我相信，是這個(gè)現(xiàn)代化時(shí)代真正文化內(nèi)涵的主要局部。也許你們學(xué)會(huì)的不僅僅是如何欣賞這種文化，甚至也愿意參加到這個(gè)人類思想誕生以來最偉大的探索中來。－－－理查德.費(fèi)曼2物理學(xué)是研究什么的？

為什么學(xué)“大學(xué)物理”？

學(xué)什么？

有什么要求？

結(jié)束語緒論內(nèi)容3

物理學(xué)是研究物質(zhì)、能量和它們的相互作用的學(xué)科。第23屆國際純粹物理與應(yīng)用物理聯(lián)合大會(huì)上十分精辟地指出：一、物理學(xué)是研究什么的？緒論4▲空間尺度〔相差1045—1046〕1026m〔約150億光年〕〔宇宙〕—10－20m〔夸克〕▲時(shí)間尺度〔相差1045〕1018s〔宇宙年齡150億年〕—10-27s〔硬射線周期〕▲速率范圍0〔靜止〕—3╳108m/s〔光速〕物理學(xué)的研究范圍〔十分廣泛〕緒論5緒論6不同尺度和速度范圍的對象要用不同的物理學(xué)研究：緒論7經(jīng)典物理力學(xué)〔實(shí)物粒子〕電磁學(xué)〔場〕熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理〔多粒子體系〕相對論力學(xué)量子力學(xué)量子統(tǒng)計(jì)物理相對論量子力學(xué)相對論量子場論？物理學(xué)的根本框架分支學(xué)科：激光物理，半導(dǎo)體物理，原子物理，核物理…交叉學(xué)科：生物物理，量子化學(xué)，地球物理，海洋物理…緒論8特點(diǎn)：1)要以相對論、量子物理為根底2)觀察和實(shí)驗(yàn)手段及設(shè)備越來越精密3)交叉學(xué)科層出不窮4)與新技術(shù)革命密切相關(guān)當(dāng)代物理前沿：研究微觀結(jié)構(gòu)更深層次，研究單個(gè)粒子的結(jié)構(gòu)與性能及少數(shù)粒子間的相互作用，最后希望統(tǒng)一四種相互作用力。從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，揭開宏觀多粒子系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的奧秘----現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)物理及凝聚態(tài)物理。

少體問題

多體問題

天體問題探索大尺寸的宇觀領(lǐng)域，揭開宇宙的奧秘。緒論9物理學(xué)的研究方法提出命題應(yīng)用修改理論實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)理論預(yù)言▲物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精確物理的直覺和想象力及洞察力也常常產(chǎn)生重大突破和發(fā)現(xiàn)其研究方法可概括為：科學(xué)，觀測、實(shí)驗(yàn)推測答案緒論10根本原因：物理學(xué)與工程技術(shù)的關(guān)系*第一次工業(yè)革命（17～18世紀(jì)）：建立在牛頓力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是以蒸汽機(jī)為代表的一系列機(jī)械的產(chǎn)生和應(yīng)用。*第二次工業(yè)革命（19世紀(jì)）：建立在電磁理論發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電訊設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用。*第三次工業(yè)革命（20世紀(jì)）：建立在相對論和量子力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，其標(biāo)志是以信息技術(shù)為代表的一系列新學(xué)科、新材料、新能源、新技術(shù)的興起和發(fā)展。二、為什么要學(xué)習(xí)“大學(xué)物理〞？緒論11物理學(xué)與技術(shù)關(guān)系的兩種模式*技術(shù)物理技術(shù)（典型例子：熱學(xué)）*物理技術(shù)物理（典型例子：電磁學(xué)）在現(xiàn)代社會(huì)中主要以第二種方式進(jìn)行。[例]計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、核技術(shù)、空間技術(shù)……其根底正是過去大半個(gè)世紀(jì)的現(xiàn)代物理學(xué)的研究成果。緒論12電子和信息技術(shù)的物理根底1925年量子力學(xué)建立1926年Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)法提出1929年能帶理論提出并得到證實(shí)，從理論上解釋了導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的性質(zhì)和區(qū)別；

Fermi面概念及其可測量的提出1947年發(fā)明晶體管

（肖克萊、巴丁、布拉頓獲1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)）1957年建立Fermi面編目1962年制成集成電路（IC）

1965年摩爾定律：芯片容量每18－24個(gè)月翻番。70年代末大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路（VLIC）緒論13核技術(shù)的物理基礎(chǔ)1896年Becquerel發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性1905年Einstein創(chuàng)立狹義相對論，得1911年Rutherford提出原子的有核模型1925年量子力學(xué)建立1932年建立原子核的質(zhì)子——中子模型1933年發(fā)現(xiàn)人工放射性1945年實(shí)現(xiàn)核裂變——原子彈1952年實(shí)現(xiàn)核聚變——?dú)鋸?954年建立第一座核電站（安全、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源）緒論14比較原理發(fā)現(xiàn)（年）工業(yè)產(chǎn)品（年）經(jīng)歷時(shí)間（年）電動(dòng)機(jī)1821188665真空管1882191533無線電1887192235X光1895191318雷達(dá)193519005原子反應(yīng)堆193919423半導(dǎo)體194819513激光195819602從根本原理轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)的速度加快緒論15直接從各分支物理實(shí)驗(yàn)室移植到工業(yè)上的新技術(shù)納米（）技術(shù)皮秒（）技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)…...IBM公司構(gòu)成的鉑片表面的“一氧化碳人”身高5納米。物理學(xué)提供科學(xué)原理指導(dǎo)技術(shù)路線的選擇和技術(shù)方案的改進(jìn)培養(yǎng)技術(shù)人員的科學(xué)品格和創(chuàng)新能力，使其眼光遠(yuǎn)，層次高，后勁足全世界工科大學(xué)無一例外將物理作為重要根底課緒論16三.學(xué)什么？知識(shí)、方法、科學(xué)觀念“物〞——物質(zhì)世界“理〞——普遍規(guī)律1.學(xué)習(xí)物理知識(shí)要注意

2.學(xué)習(xí)物理方法3.學(xué)習(xí)物理思想和培養(yǎng)獨(dú)立思考和解決問題的能力整體性、開展性、遷移性。緒論17整體性注意掌握知識(shí)的結(jié)構(gòu)和聯(lián)系形成物質(zhì)世界的整體物理圖象防止：只見樹木，不見森林。只得到一堆支離破碎的公式。開展性不斷從新的角度審視和理解物理概念和規(guī)律，關(guān)注其內(nèi)涵的豐富，應(yīng)用的擴(kuò)展，相互關(guān)系的變化。物理學(xué)在不斷開展注意提高應(yīng)用物理知識(shí)理解、解決實(shí)際問題的能力。遷移性緒論1.學(xué)習(xí)物理知識(shí)要注意整體性、開展性、遷移性。18[例]質(zhì)量初中：循環(huán)定義？前沿：質(zhì)量究竟是什么？是如何產(chǎn)生的？大學(xué)：高中：－慣性質(zhì)量－引力質(zhì)量？緒論19[例]力經(jīng)典物理：以“力〞為中心。對時(shí)間積累動(dòng)量定理——?jiǎng)恿渴睾銓臻g積累動(dòng)能定理——機(jī)械能守恒力矩定軸轉(zhuǎn)動(dòng)物體的平衡緒論20近代物理：以守恒量為中心的表述優(yōu)于以力為中心表述。守恒量——?jiǎng)恿?、角?dòng)量、能量守恒定律－動(dòng)量守恒定律角動(dòng)量守恒定律能量守恒定律守恒定律與自然界對稱性的聯(lián)系緒論21

物理學(xué)在20世紀(jì)取得了令人驚訝的成功。它改變了我們對空間和時(shí)間、存在和認(rèn)識(shí)的看法，也改變了我們描述自然的基本語言。在本世紀(jì)行將結(jié)束之際，我們已擁有一個(gè)對宇宙的嶄新看法。在這個(gè)新的宇宙觀中，物質(zhì)已失去了它原來的中心地位，取而代之的是自然界的對稱性。

——（美）斯蒂芬.溫伯格溫伯格(美）(1933---)緒論22

2.學(xué)習(xí)物理學(xué)方法是否運(yùn)用物理學(xué)方法已經(jīng)成為一門學(xué)科是否成熟的標(biāo)志之一。理想化方法理想模型（單擺、彈簧振子、理想氣體……)理想實(shí)驗(yàn)（伽利略、牛頓…...）理想過程(準(zhǔn)靜態(tài)、絕熱……)[例]方法實(shí)質(zhì):簡化、純化，抓住主要矛盾，摒棄次要因素。重要意義：人類認(rèn)識(shí)世界的根本策略牛頓的理想實(shí)驗(yàn)緒論23應(yīng)用模型是物理學(xué)的一個(gè)根本方法：用模型來描述自然，用數(shù)學(xué)來表達(dá)模型，用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?858-1947）感覺世界物理科學(xué)世界真實(shí)世界大量唯象定律較高層次定律自然界的根本法那么(中介)逼近目標(biāo)歸納總結(jié)氣體定律、胡克定律……牛頓定律、麥?zhǔn)戏匠獭锢砀拍?、?guī)律與自然實(shí)在并非完全同一。人類是依靠建立模型、不斷改進(jìn)模型來逐漸認(rèn)識(shí)自然的。緒論24又如：科學(xué)假說方法牛頓時(shí)代：以經(jīng)驗(yàn)觀察，邏輯歸納為主?，F(xiàn)代物理：問題——假說——(實(shí)踐)——科學(xué)——〔證偽〕——新問題——新假說——…...

不是由觀察結(jié)果歸納出理論，而是由理論決定觀察什么。

——愛因斯坦緒論25物理書都充滿了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理論的開端。

－－愛因斯坦開展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)該始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把獲得專業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的根底理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立地思考和工作，他必定會(huì)找到他自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培養(yǎng)內(nèi)容的人來說，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步與變化?！柌?愛因斯坦

緒論26四、關(guān)于學(xué)習(xí)方法和學(xué)風(fēng)的要求▲嚴(yán)守課