【正文】 海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 大學(xué)物理 周詩(shī)文 聯(lián)系手機(jī) ： 13648631198 海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 前言： 感謝各位同學(xué)能夠選修大學(xué)物理課。我們理工科一慣強(qiáng)調(diào)物理基礎(chǔ)。因此，我們要懷著愿學(xué)、感興趣的心態(tài)來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，而不是認(rèn)為與專(zhuān)業(yè)無(wú)關(guān)等被動(dòng)的學(xué)習(xí)心理。為此我們應(yīng)明確工科學(xué)生為什么要學(xué)習(xí)物理、大學(xué)物理該怎樣進(jìn)行學(xué)習(xí)等問(wèn)題。 緒 論（ 40分鐘 ） 一 . 物理學(xué)的研究對(duì)象 物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)，所謂“物”即物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)；而“理”則指物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、變化的規(guī)律。（板：物理學(xué)研究宇宙間物質(zhì)存在的各種主要基本形式，它們的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而認(rèn)識(shí)這些結(jié)構(gòu)的組元及其相互作用，運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律。） 這是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然科學(xué)研究（當(dāng)然有些是通過(guò)理想實(shí)驗(yàn)、邏輯推理等多種創(chuàng)新思維而得到的），其研究的范圍及廣： 在空間尺度從宇宙 m（約 150億光年）到 m； 由此我們可以把物理學(xué)的研究對(duì)象劃分為四種研究系統(tǒng)：微觀(guān)、介觀(guān)、宏觀(guān)、宇觀(guān)。 介觀(guān)（納米系統(tǒng)（ 1nm到幾百個(gè) nm，目前研究較紅火），主要研究其量子行為和大塊系統(tǒng)的宏觀(guān)性質(zhì)。這種系統(tǒng)介于宏觀(guān)與微觀(guān)之間，因而，既表現(xiàn)宏觀(guān)性質(zhì)，又表現(xiàn)微觀(guān)性質(zhì)（量子系統(tǒng)） 2610 2022?海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 宇觀(guān) 十分奇妙的是，大尺度與小尺度兩個(gè)極限方向存在某些十分對(duì)稱(chēng)和共同有著銜接的地方。如尺度為 m的通常意義下的連續(xù)物質(zhì)，特殊情況下具有量子行為，反之亦然。例如，對(duì)于“薛定貓”的爭(zhēng)論，目前就有一種思想認(rèn)為，對(duì)于宏觀(guān)物質(zhì)存在“退相干效應(yīng)”的說(shuō)法。 在時(shí)間尺度 從宇宙年齡 s（ 150億年）到硬 γ射線(xiàn)周期 s；在速率范圍 從 靜止 0到光速 m/s 18102710?83 10?２． 物理學(xué)發(fā)展史 ?可以簡(jiǎn)單地劃分成兩個(gè)時(shí)期，包含四個(gè)主要理論。 ?1. 經(jīng)典物理學(xué)時(shí)期 ?? 19世紀(jì)末以前 ?a) 經(jīng)典力學(xué) ?? 研究人體尺度物體的運(yùn)動(dòng)（ v c）及其相互作用。 ?b) 電磁學(xué) ?? 研究帶電物體的運(yùn)動(dòng)及其相互作用，描述磁現(xiàn)象。 ?2. 近代物理學(xué)時(shí)期 ?? 19世紀(jì)末至今 ?a) 狹義相對(duì)論 ?? 澄清時(shí)間和空間的概念。 ?b) 量子力學(xué) ?? 研究各種物體的運(yùn)動(dòng)及其相互作用。 海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) ３ .現(xiàn)代物理簡(jiǎn)介 (1)．粒子物理學(xué)（微觀(guān)世界） ①物質(zhì)是無(wú)限可分的嗎？ 物體 → 分子 → 原子 → 原子核 → 基本粒子 → 夸克 → 亞夸克 禁閉夸克已經(jīng)為實(shí)驗(yàn)所證明，物質(zhì)是否無(wú)限可分尚無(wú)定論。 ② 自然界是統(tǒng)一的嗎？ 我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到物質(zhì)世界千變?nèi)f化的現(xiàn)象，歸根到底只通過(guò)四種基本相互作 300年前（牛頓） 物體運(yùn)動(dòng)，天體運(yùn)動(dòng) → 萬(wàn)有引力 1037 引力子 150年前 電現(xiàn)象，磁現(xiàn)象 → 電磁相互作用力 1 光子 原子核衰變 → 弱相互作用力 103 W177。 ， Z 強(qiáng)子相互作用 → 強(qiáng)相互作用力 膠子 在 20世紀(jì) 70年代，溫伯格和薩拉姆提出了電 弱相互作用統(tǒng)一理論，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。因此僅有三種最基本的相互作用。理論物理學(xué)家還提出了大統(tǒng)一理論和超引力理論，企圖將這三種最基本的相互作用統(tǒng)一為一種相互作用。但這些理論還未經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 210海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) (2) 宇宙物理學(xué)（宇觀(guān)世界） ①極早期宇宙學(xué) 光譜紅移 → 多普勒效應(yīng) → 天體退行 → 宇宙膨脹 → 宇宙奇點(diǎn) → 大爆炸學(xué)說(shuō) 大爆炸學(xué)說(shuō)已經(jīng)很多的天文觀(guān)察所證實(shí)。 ② 世界有末日嗎？（恒星晚期演化學(xué)） 星體平衡 吸力（引力） ←→ 斥力（熱力，輻射壓力 ...） 若吸力＞斥力： 星體收縮 → 白矮星（ M＜ ）， 中子星（ M＜ M ）， 黑洞（ M＞ M） 宇宙是繼續(xù)膨脹、或者膨脹后再收縮，還是平直宇宙決定與宇宙的平均質(zhì)量密度的大小。 研究非常大尺度天地的宇宙論與研究最小世界的粒子物理學(xué)已越來(lái)越顯現(xiàn)出一種共生的關(guān)系，兩個(gè)極端奇妙地銜接在一起，成 (3)物態(tài)物理學(xué) ①固態(tài)（固體物理學(xué)） ②液態(tài)（液態(tài)物理學(xué)） 凝聚態(tài)物理學(xué) ③氣態(tài) ④等離子態(tài) 宇宙間 90%以上物質(zhì)為等離子態(tài)，地球電離層（通訊），受控?zé)岷司圩?，等離子體，磁流體發(fā)電工作物質(zhì)之一，固體等離子體 M海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) ?2?? ?? ee⑤ 超密態(tài)（白矮星、中子星） ⑥反物質(zhì)態(tài) 基本離子： e， p， n... 反基本離子： e+， p， n... 質(zhì)湮反應(yīng)：物質(zhì) +反物質(zhì) → 釋放能量，例如： （ 7）真空態(tài) 物質(zhì)的基態(tài)， Dirac 真空，李政道真空，真空自發(fā)破缺 4極端條件物理學(xué)（極限世界） ①極低溫度： 低溫的獲得：壓縮氣體絕熱膨脹，液 N2（ 77176。 K），液 H2 （ 20176。 K），液 He（ 176。 K）， 核絕熱去磁（ K～ K） 極低溫現(xiàn)象：超導(dǎo)：電阻 =0，超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)電機(jī)；超流：粘度 =0 ② 超高壓力 靜態(tài)超高壓： 大氣壓 動(dòng)態(tài)超高壓： 大氣壓（爆炸法，磁壓縮法） 白矮星超高壓： 大氣壓 中子星超高壓： 大氣壓（ e + p → n ） 超高壓現(xiàn)象： 絕緣體 — 金屬轉(zhuǎn)變；金屬氫問(wèn)題：可能的高溫超導(dǎo)體和高能燃料；超硬材料：人造金剛石超強(qiáng)磁場(chǎng) 810?11 1710 10?24 2810 10?5610 10?610?6710 10?海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 恒定強(qiáng)磁場(chǎng)～ 奧斯特 脈沖強(qiáng)磁場(chǎng) 奧斯特 爆縮超強(qiáng)磁場(chǎng) 奧斯特 中子星超強(qiáng)磁場(chǎng) 奧斯特 超強(qiáng)磁場(chǎng)現(xiàn)象：動(dòng)態(tài)超高壓，改變磁有序 5610 10?6710 10?12 1310 10?510 當(dāng)然 ,我們?cè)谄胀ㄎ锢淼膶W(xué)習(xí)范圍，是一定限制的，沒(méi)有那么寬泛，也不會(huì)深到無(wú)法學(xué)習(xí)。我們只是把其中的基本規(guī)律進(jìn)行介紹，通過(guò)這種摘要性的、簡(jiǎn)明的物理學(xué)習(xí)留給我們感覺(jué)不會(huì)象我們出去工作后，便能馬上拿到報(bào)酬，不會(huì)立竿見(jiàn)影。但其作用卻是潛在的、長(zhǎng)期的、不可估量的。 二、 提出命題 推測(cè)答案 理論預(yù)言 實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 應(yīng)用 修改理論 (1)物理學(xué)的研究方法 (2)學(xué)習(xí)物理的方法 演繹法：基本定律 數(shù)理推理 、 演算 新理論； 對(duì)稱(chēng)分析法； 微元分析法； 隔離分析法； 守恒量的利用； 簡(jiǎn)化模型的選?。? 概念和方法的類(lèi)比； 定性與定量分析； 量綱分析； ．．．．． 海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 物理學(xué)的這些研究與學(xué)習(xí)方法，對(duì)于訓(xùn)練我們的思維、提高我們提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、建立問(wèn)題模型，最終應(yīng)用模型規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這是十分有益的。 這些方法與工科應(yīng)用研究與實(shí)踐活動(dòng)中的許多創(chuàng)新思維方法與技能是一脈相承的。 物理學(xué)與技術(shù)有關(guān)系嗎？聽(tīng)聽(tīng)當(dāng)年法拉第與英國(guó)首相的對(duì)話(huà)就明白了。 法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)律后，英國(guó)首相參觀(guān)其實(shí)驗(yàn)室時(shí)，問(wèn)：“電流有什么用處？”法回答不上，但他說(shuō)，他確信總有一天首相會(huì)對(duì)電流征稅的。 物理學(xué)基本規(guī)律滲透在自然科的一切領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的各部分，是許多自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是工程技術(shù)，特別是高新技術(shù)的基礎(chǔ)。 歷史上物理與技術(shù)的關(guān)系大致有以下模式： （ 1）技術(shù) 物理 技術(shù)（如第一次工業(yè)革命：在十七、八世紀(jì)，牛頓力學(xué)和熱力學(xué)的發(fā)展，順應(yīng)了第一次技術(shù)革命的需要，其主要標(biāo)志是蒸汽機(jī)的發(fā)明、改進(jìn)和廣泛應(yīng)用，用機(jī)器代替人的勞動(dòng)，人類(lèi)的勞動(dòng)生產(chǎn)力第一次獲得解放。） （ 2）物理 技術(shù) 物理（如電氣化的進(jìn)程：到了十九世紀(jì)，在法拉第 麥克斯韋電磁理論的推動(dòng)下，人們成功地制造了各種電力、電訊設(shè)備，引起工業(yè)電氣化，使人類(lèi)進(jìn)入應(yīng)用電能的時(shí)代，這就是第二次技術(shù)革命） 我們周?chē)氖虑榇蟛糠峙c物理有關(guān)，有的是勞動(dòng)實(shí)踐中碰到的問(wèn)題，建立在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，有的是先有物理改進(jìn)而形成了理論與技術(shù)。那些富于創(chuàng)新和實(shí)踐的科學(xué)工作者和勞動(dòng)運(yùn)人們建立物理理論、物理模型，在實(shí)踐中拿過(guò)來(lái)，進(jìn)行解決實(shí)際問(wèn)題，在新問(wèn)題中繼續(xù)改進(jìn)。前者如，蒸氣機(jī)：通過(guò)從物理的角度（卡諾循環(huán)）設(shè)計(jì)機(jī)器使之從大塊頭、效率低到小巧、效率高；后者如，發(fā)電機(jī)、電燈等都是先有物理，才發(fā)展 海南大學(xué) 海 納 百 川 大 道 致 遠(yuǎn) 第一章 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 起來(lái)的。當(dāng)然交叉是最要的、最基本的。整體來(lái)說(shuō)，先有物后有技術(shù)工程與應(yīng)用。 特別是， 20 世紀(jì)以來(lái)以上兩種模式總是并存、交叉。但幾乎所有重大的新技術(shù)的創(chuàng)立都是以物理學(xué)的發(fā)展為先導(dǎo)的（如被譽(yù)為第三次工業(yè)革命的整個(gè)信息技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展，其硬件部分幾乎都以物理學(xué)成果為基礎(chǔ)）例如： 第一臺(tái)激光器誕生（ 1960年） 現(xiàn)代光學(xué) 愛(ài)因斯坦受激輻射理論（ 1917年） 物理：二原子在不同能級(jí)是否可用外界光子誘導(dǎo)（光子能量正好滿(mǎn)足兩個(gè)能級(jí)差），是否能把高能態(tài)的原子誘導(dǎo)下來(lái)，發(fā)射光子，這些光子再誘導(dǎo)其它更多的光子下來(lái)。從而形成發(fā)出方向性好、光強(qiáng)強(qiáng)的光，按照這個(gè)思路去做，產(chǎn)生了激光器。 技術(shù)：固體、液體、氣體不同頻率段等實(shí)現(xiàn)手段，有著許多的應(yīng)用 物理：形成現(xiàn)代光學(xué) 量子力學(xué)，費(fèi)米 — 狄拉克統(tǒng)計(jì)，固體能帶理論（上世紀(jì)20年代） 晶體管誕生 1947，集成電路 1962，大規(guī)模集成電路70年代后期 微結(jié)構(gòu)物理 按照固體能帶理論進(jìn)行人工材料設(shè)計(jì) （如最基本的二極管）通過(guò)摻雜，人工能帶設(shè)計(jì)出一些新性質(zhì)的材料（如放大信號(hào)等） 集成電路超大規(guī)模的集成度（ ） 海南大學(xué) 海 納 百