绪论 一.什么是物理学 物理学( Physics) 物质结构 物质相互作用物质运动规律 物理学是研究物质世界最基本形态的科学 物理学研究的范围—物质世界的层次和数量级 微观粒子 介观物质 宏观物质 宇观物质 Microscopic mesoscopIc macroscopIc cosmological 空间尺度:质子10-15m 类星体1026m 时间尺度:基本粒子寿命1025s 宇宙寿命1018s
一. 什么是物理学 ⚫物理学是研究物质世界最基本形态的科学 ⚫物理学研究的范围 —— 物质世界的层次和数量级 物理学 (Physics) 质子 10-15 空间尺度： m 物 质 结 构 物质相互作用 物质运动规律 微观粒子 Microscopic 介观物质 mesoscopic 宏观物质 macroscopic 宇观物质 cosmological 类星体 1026 m 时间尺度：基本粒子寿命 10-25 s 宇宙寿命 1018 s
哈勃半径 基本粒子 超星系团 E+27 星系团 原子核 E+24 银河系 E+21 E-12 原子 E+18 最近恒 星的距离 最小 E+15 的细胞 E+12 E-03 E+09 太阳系 DNA长度 E+06 E+03 太阳 蛇吞尾图,形象地表示了物质空间尺寸的层次
E-15 E-12 E-09 E-06 E-03 1m E+03 E+06 E+09 E+12 E+15 E+18 E+21 E+24 E+27 最小 的细胞 原子 原子核 基本粒子 DNA长度 星系团 银河系 最近恒 星的距离 太阳系 太阳 山 哈勃半径 超星系团 人 蛇吞尾图，形象地表示了物质空间尺寸的层次
按客体大小分: 按空间尺度划分: 微观系统 量子力学 一宏观系统 经典物理学 物理现象 宇宙物理学 按运动速度划分: 按速率大小分 低速现象 高速现象引 三相论物理学 物理学的发展 物理/+理论 实验 物理/+计算 物理 → 今日物理学
物理现象 按空间尺度划分： 量子力学 经典物理学 宇宙物理学 按速率大小划分： 相对论物理学 非相对论物理学 按客体大小划分： 微观系统 宏观系统 按运动速度划分： 低速现象 高速现象 实验 物理 理论 物理 计算 物理 今日物理学 ⚫ 物理学的发展
物理学的五大基本理论 牛顿力学( Mechanics 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 电磁学( Electromagnetism) 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 热力学( hermodynamics 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现 相对论( Relativity 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 量子力学( Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律 物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最 快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段
●牛顿力学 (Mechanics) 研究物体机械运动的基本规律及关于时空相对性的规律 ●电磁学 (Electromagnetism) 研究电磁现象、物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律 ●热力学 (Thermodynamics) 研究物质热运动的统计规律及其宏观表现 ●相对论 (Relativity) 研究物体的高速运动效应以及相关的动力学规律 ●量子力学 (Quantum mechanics) 研究微观物质运动现象以及基本运动规律 二.物理学的五大基本理论 物理学是一门最基本的科学;是最古老、但发展最 快的科学;它提供最多、最基本的科学研究手段
物理学是构成自然科学的理论基础 物理学是一切自然科学的基础 物理学构成了化学、生物学、材料科学 地球物理学等学科的基础,物理学的基本 概念和技术被应用到所有自然科学之中。 物理学派生出来的分支及交叉学科 离数原原 等 宇 子平字子固凝 物物体鬟激 地生天宙 体量物按分 物 态 光 球物体射 理学理物理物物 物物目物线 学理学埋埋 理理理物 学学学理 学 学 学 学 物理学与数学之间有着深刻的内在联系
⚫物理学是一切自然科学的基础 ⚫ 物理学派生出来的分支及交叉学科 物理学构成了化学、生物学、材料科学、 地球物理学等学科的基础，物理学的基本 概念和技术被应用到所有自然科学之中。 ⚫物理学与数学之间有着深刻的内在联系 粒 子 物 理 学 原 子 核 物 理 学 原 子 分 子 物 理 学 固 体 物 理 学 凝 聚 态 物 理 学 激 光 物 理 学 等 离 子 体 物 理 学 地 球 物 理 学 生 物 物 理 学 天 体 物 理 学 宇 宙 射 线 物 理 学 三. 物理学是构成自然科学的理论基础
四.物理学与技术 热机的发明和使用,提供了第一种模式: 技术—物理技术 电气化的进程,提供了第二种模式: 物理技术物理 20世纪,物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 粒子散射实验 X射线的发现 核能的利用 层折成像技术(CT 受激辐射理论 低温超导微观理论 激光器的产生 超导电子技术
四. 物理学与技术 20世纪，物理学被公认为科学技术发展中最重要的带头学科 ●热机的发明和使用，提供了第一种模式： ●电气化的进程，提供了第二种模式： 核能的利用 激光器的产生 层析成像技术(CT) 超导电子技术 技术—— 物理—— 技术 物理—— 技术—— 物理 粒子散射实验 X 射线的发现 受激辐射理论 低温超导微观理论
电子计算机的诞生 1925~26年建立了量子力学 1926 年年 建立了费米一狄拉克统计 1927 建立了布洛赫波的理论 1928年索末菲提出能带的猜想 1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念 同年贝特提出了费米面的概念 1947年尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了 晶体管,标志着信息时代的开始 1957年皮帕得测量了第一个费米面 1962年发明了集成电路 70年代后期出现了大规模集成电路
电子计算机的诞生 ● 1947年 贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克来发明了 晶体管，标志着信息时代的开始 ● 1962年 发明了集成电路 ● 70年代后期 出现了大规模集成电路 ● 1925 26年 建立了量子力学 ● 1926年 建立了费米 ⎯狄拉克统计 ● 1927年 建立了布洛赫波的理论 ● 1928年 索末菲提出能带的猜想 ● 1929年 派尔斯提出禁带、空穴的概念 同年贝特提出了费米面的概念 ● 1957年 皮帕得测量了第一个费米面
量子力学 能带理论 人工设计材料 晶体管的发明纳米材料光子晶体超晶格材料 民颗燃电一电子计算机一信息技术与工程 几乎所有的重大新(高技术领域的创立,事先都在物理学中 经过长期的酝酿。 “没有昨日的基础科学就没有今日的 技术革命”。 李政 当今物理学和科学技术的关系 两种模式并存,相互交叉,相互促进
晶体管的发明 纳米材料 光子晶体 超晶格材料 大规模集成电路 电子计算机 信息技术与工程 ●几乎所有的重大新(高)技术领域的创立，事先都在物理学中 经过长期的酝酿。 ●当今物理学和科学技术的关系 两种模式并存，相互交叉，相互促进 “没有昨日的基础科学就没有今日的 技术革命”。 —— 李政 道 量子力学 能带理论 人工设计材料
五.物理学的方法和科学态度 现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 提出命题 推测答案 理论预 实验验证 修改理论 从新的 建立模 新的 一切 当一个 观测事实型;用已理论必 物理理 理论与实 或实验事知原理对 须提出 论最终 验事实不 实中提炼现象作定 能够为 都要以 符时,它 出来,或性解释 实验所 观测或 就面临着 从已有原进行逻辑证伪的 实验事 被修改或 理中推演推理和数预言 实为准 被推翻 出来 学演算 则
五. 物理学的方法和科学态度 提 出 命 题 推 测 答 案 理 论 预 言 实 验 验 证 修 改 理 论 现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学 从新的 观测事实 或实验事 实中提炼 出来，或 从已有原 理中推演 出来 建立模 型；用已 知原理对 现象作定 性解释， 进行逻辑 推理和数 学演算 新的 理论必 须提出 能够为 实验所 证伪的 预言 一切 物理理 论最终 都要以 观测或 实验事 实为准 则 当一个 理论与实 验事实不 符时，它 就面临着 被修改或 被推翻
六.怎样学习物理学 著名物理学家费曼说: 科学是一种方法。它教导人们:一些事物是 怎样被了解的,什么事情是已知的,现在了 解到了什么程度,如何对待疑问和不确定性 证据服从什么法则;如何思考事物,做出判 断,如何区别真伪和表面现象。 著名物理学家爱因斯坦说: 发展独立思考和独立判断地一般能力,应当始终 放在首位,而不应当把专业知识放在首位。如果 一个人掌握了他的学科的基础理论,并且学会了 独立思考和工作,他必定会找到自己的道路,而 且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的 人来,他一定会更好地适应进步和变化。 e
六. 怎样学习物理学 著名物理学家费曼说： 科学是一种方法。它教导人们：一些事物是 怎样被了解的，什么事情是已知的，现在了 解到了什么程度，如何对待疑问和不确定性， 证据服从什么法则；如何思考事物，做出判 断，如何区别真伪和表面现象。 著名物理学家爱因斯坦说： 发展独立思考和独立判断地一般能力，应当始终 放在首位，而不应当把专业知识放在首位。如果 一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了 独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而 且比起那种主要以获得细节知识为其培训内容的 人来，他一定会更好地适应进步和变化