高职高专物理学-课程概述.ppt

物理学,高职高专教育.,课程概述,物理学.,宇宙最不可理解之处，就在于它是可以理解的。A=X+Y+Z。A代表成功，X代表艰苦的劳动，Y代表正确的方法，Z代表少说空话。爱因斯坦,常常有同学问我做物理工作成功的要素是什么？我想要素可以归纳为三个P，Perception,Persistence,and Power。Perception眼光，看准了什么东西，就要抓住不放；Persistence坚持，看对了就要坚持；Power力量，有了力量能够闯过关，遇到困难你要闯下去。杨振宁,只要给我一个支点，我就可以撬动地球。阿基米德,.什么是物理学,物理是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学。是一门以实验为基础的自然科学,物理学的一个永恒主题是寻找各种序（orders）、对称性（symmetry）和对称破缺（symmetry-breaking）、守恒律（conservation laws）或不变性（invariance）。“物理”一词的最先出自希腊文，原意是指自然。古时欧洲人称呼物理学作“自然哲学”。从最广泛的意义上来说即是研究大自然现象及规律的学问。汉语、日语中“物理”一词起自于明末清初科学家方以智的百科全书式著作物理小识。在物理学的领域中，研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用；借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。物理在经典时代是由与它极相像的自然哲学的研究所组成的，直到近代物理才从哲学中分离出来成为一门实证科学。,课程概述.,.物理学的学科性质,物理学是人们对无生命自然界中物质的转变的知识做出规律性的总结。这种运动和转变应有两种。一是早期人们通过感官视觉的延伸。二是近代人们通过发明创造供观察测量用的科学仪器，实验得出的结果。物理学从研究角度及观点不同，可分为微观与宏观两部分，宏观是不分析微粒群中的单个作用效果而直接考虑整体效果，是最早期就已经出现的，微观物理学随着科技的发展理论逐渐完善。,课程概述.,其次，物理又是一种智能，是概括规律性的总结，是概括经验科学性的理论认识。诚如诺贝尔物理学奖得主、德国科学家玻恩所言：“与其说是因为我发表的工作里包含了一个自然现象的发现，倒不如说是因为那里包含了一个关于自然现象的科学思想方法基础。”物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。正因为如此，使得物理学当之无愧地成了人类智能的结晶，文明的瑰宝。,课程概述.,.物理学的学科性质,.物理学的学科性质,大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；这意味着他们从物理学中汲取了智能，转而在非物理领域里获得了成功。反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智能的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族！,课程概述.,总的来说，物理学研究的内容十分广泛，自然界发生的一切物理现象，诸如物理的位置变动，声、热、光、电、磁等现象，以及物质的结构、聚集状态和各种特性，都是物理学所要研究的。按照所研究的物质运动和具体对象的不同，通常物理学分为力学、声学、光学、电磁学、分子原理、原子原理、原子核物理等分支。,课程概述.,.物理学研究的内容,.物理学研究的内容,力学研究的是物体的机械运动规律。声学研究声波的产生、传播、接收和作用等问题。热学研究分子、原子、电子、光子等质点做不规则运动所引起的热现象极其热运动的的规律。电磁学研究电和磁现象及其电流、电磁辐射、电磁场等。光学研究光的本性，光的发射、传播和接收的规律，光和其他物质的互相作用（如光的吸收、散射，光的机械作用和光的热、电、化学效应等）及其应用。分子物理学则是依据分子的结构.分子间互作用力和分子运动的性质，研究物质的性质和状态。原子物理是研究原子结构及其原子中发生的运动。原子核物理是研究原子核的结构.性质和变化的规律。,课程概述.,物理学的分类不是固定不变的，随着科学的发展，人们对物理现象的认识不断深入，它的分类也不断变化，越来越细。近代科学发展的初期，物理学还包括天文学、气象学等部分，以后这些部分很快成为独立的学科。经历长期的发展，现在力学也成为独立的学科，并产生了许多分支，如流体力学、弹性力学等。随着物理学的广泛应用，它与其他学科结合，还出现了一系列边缘科学，如化学物理、天体物理、地球物理、生物物理等。与此同时，又分化出一些尖端科学技术部门，如原子能、半导体、激光等,课程概述.,.物理学的分类依据,按照研究方法的不同，物理学又可以分为实验物理和理论物理俩大类。物理学是实验的科学，实验物理主要是通过观察、测试为理论物理收集感性材料和发现物理事实，解决实验设计和实验过程中的技术问题。理论物理的主要任务是，把观察.实验得到的结果和已发现的原理、定律，形成对比，分析概括，并运用数学进行推理，研究物理量之间的定量关系，建立统一的物理理论体系。,课程概述.,.物理学的分类依据,.物理学的分类依据,按研究方向的不同，大致可做如下分类：经典力学及理论力学(Mechanics)研究物体机械运动的基本规律的规律。电磁学及电动力学(Electromagnetism and Electrodynamics)研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律。热力学与统计物理学(Thermodynamics and Statistical Physics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现。相对论和时空物理(Relativity)研究物体的高速运动效应，相关的动力学规律以及关于时空相对性的规律。量子力学(Quantum mechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律。,课程概述.,从古时候起，人们就尝试着理解这个世界：为什么物体会往地上掉，为什么不同的物质有不同的性质等等。宇宙的性质同样是一个谜，譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动，并且是什么力量决定着这些规律。人们提出了各种理论试图解释这个世界，然而其中的大多数都是错误的。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论，它们不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。像托勒密（Ptolemy）和亚里士多德（Aristotle）提出的理论，其中有些与我们日常所观察到的事实是相悖的。当然也有例外，譬如印度的一些哲学家和天文学家在原子论和天文学方面所给出的许多描述是正确的，再比如希腊的思想家阿基米德（Archimedes）在力学方面导出了许多正确的结论，像我们熟知的阿基米德定律。,课程概述.,.物理学的发展历史,物理学的真正建立是在十六世纪以后，由于人们乐意对原先持有的真理提出疑问并寻求新的答案，最后导致了重大的科学进展，这个时期现在被称为科学革命。其中起到奠基作用的就是我们熟知的伽利略。在他的影响下，科学研究采用了系统的实验方法，并在此基础上发现了许多前所未见的事实，从而很快建立了一套完整的理论，最终在牛顿手上发展到了一个顶峰。在科学上人们把它称为经典理论物理学，或叫古典理论物理学。经典物理学以经典力学、热力学和统计物理学、经典点动力学为基础，构成一个完整.严密的理论体系。这几个体系的建立，标志着人类对物理现象认识的第一次巨大飞跃，它对生产和科学的发展起了很大的推动作用。,课程概述.,.物理学的发展历史,到十九世纪末二十世纪初，物理学又发现了一系列新的实验事实，如电子和放射性现象；迈克耳逊莫雷测量以太实验得出的负结果；黑体辐射实验等。这些事实冲击了经典物理理论，使得物理学经历了一次比以前更为深刻的变革，由此诞生了现代物理学。研究高速（接近光速）物理现象的相对论，和研究微观的量子力学，乃是现代物理学的两大基础理论。,课程概述.,.物理学的发展历史,物理学的迅猛发展也引发了20世纪科学技术的空前高速发展。在此世纪内，人类社会在科技进步上经历了一个又一个划时代的变革。这个世纪之初，人类社会就全面地进入了“电气化时代”。这是19世纪安培、法拉第、麦克斯韦等一批物理学家和爱迪生等发明家努力的结果。从上个世纪之交放射性的发现，经过近半个世纪原子物理、核物理的研究，40年代物理学使人类掌握了核能的奥秘，把人类社会带进了“原子时代”。今天核技术的应用远不止于为社会提供长久可靠的能源，放射性与核磁共振在医学上的诊断与治疗作用，已为人所共知。这个成果是和卢瑟福、玻尔、爱因斯坦、居里夫人和她的女婿和女儿约里奥-居里夫妇、海森伯、费米、哈恩等一大串光辉的名字分不开的。,课程概述.,.物理学的发展历史,.物理学的发展历史,到了50、60年代，物理学家又发明了激光，它的理论基础是爱因斯坦1916年提出的光的受激发射过程。今天激光技术已广泛应于尖端科学研究、工业、农业、医学、通讯、计算、军事和日常生活，成为几十亿、上百亿的巨大产业。1947年底，巴丁、肖克莱、布赖顿等三位物理学家发明了晶体管，取代了真空管，标志着“信息时代”的诞生。从物理学的角度看来，这个婴儿在娘胎里至少孕育了20年。这就是说，20年代建立量子力学之后，物理学家发展了费米-狄拉克统计、能带论，从此有了电子和空穴的概念。尔后用掺杂的办法产生了N型和P型的半导体，这才为晶体管的发明打下基础。而现代计算机的硬件核心是半导体集成电路，PN结是基础。以上成果又是和一连串物理学家光辉的名字薛定谔、海森伯、狄拉克、泡利、布洛赫、索末菲等联系在一起的。现在，人类对物理现象的探索，已经在一条更为广阔更为深入的阵线上展开，原子核物理和“基本”粒子物理学，凝聚态物理学、统一场论，是现代物理学中最活跃的部门。,课程概述.,物理学与其他许多自然科学息息相关，如数学、化学、生物和地理等。特别是数学、化学、地理学。化学与某些物理学领域的关系深远，如量子力学、热力学和电磁学，而数学是物理的基本工具，地理的地质学要用到物理的力学，气象学和热学有关。,课程概述.,.物理学的地位,一、物理学和天文学 物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的。当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理。前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源。可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科。,课程概述.,.物理学的地位,二、物理学和化学 物理学和化学从来就是并肩前进的。自从伽利略、牛顿以来，物理学与天文学已是精密的理论科学，然而长期以来，包括化学在内的其它自然科学却一直是经验性科学。1998年的诺贝尔化学奖颁给了瓦尔特科恩（W.Kohn）和约翰波普尔（），以表彰他们在量子化学方面所做的开创性贡献。颁奖的公报说，量子化学将化学带入一个新的时代，化学不再是纯实验科学了。化学是研究分子的学科。此前，如果说物理化学还是物理学和化学在较唯象层次上的结合，则量子化学已深入到化学现象的微观机理。近年来，量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催化和功能材料等物理学与化学间的交叉学科，取得了长足的进展，今后两学科之间的合作将更为兴旺发达。,课程概述.,.物理学的地位,三、物理学和生物学 物理学和生物学的相互渗透，前途是不可估量的。早在40年代，量子力学的创始人之一薛定谔在生命是什么？一书里预言：“生命的物质载体是非周期性晶体，遗传基因分子正是这种有大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体；这种非周期性晶体的结构，可以有无限可能的排列，不同样式的排列相当于遗传的微型密码；”他所说的这种“非周期性晶体”，就是存在于细胞核染色体中的DNA分子。1953年沃森(，年青的细菌遗传学博士)和克里克(，一位二战前受过传统物理学训练的人，战后转为生物物理学研究生)共同发现DNA分子的双螺旋结构。核物理学家伽莫夫(G.Gamow，大爆炸宇宙论的创始人)用信息论的方法推测，DNA的遗传密码中，每个“单词”都是用三个“字母”组成的。这些推测相继得到实验证实，20世纪60年代三联密码逐一被破译。,课程概述.,.物理学的地位,薛定谔在生命是什么？一书中还有另一段名言：“生命之所以能存在，就在于从环境中不断得到负熵”。作者还说：“有机体是依赖负熵为生的”。这就是生命的热力学基础。60年代比利时科学家普里高津(I.Prigogine)的耗散结构理论，证实了薛定谔的预言。当前生命科学中分子生物学、量子生物学、遗传信息学、蛋白质结构等新兴学科的研究正方兴未艾。人们说21世纪是生命科学的世纪，一位物理学家则说，21世纪是物理科学全面介入生命科学的世纪。,课程概述.,.物理学的地位,四、物理学和经济学 1997年诺贝尔经济学奖授予的项目，是一个对全球金融产生巨大影响的期权定价模型Black Scholes公式。公式的主要创建人布莱克（）的学历背景如下：1959年毕业于哈佛大学物理系，1964年获该校应用数学系博士，1971年任芝加哥大学经济系教授。可惜他于1995年去世，未能享受诺贝尔奖（被授奖的是他的合作者梅伦斯科尔斯）的殊荣。当前出身数理的人跻身于经济学界的大有人在。,课程概述.,.物理学的地位,五、物理学和信息科学 20世纪科学技术给人类社会带来的最大的冲击，莫过于以现代计算机为基础发展起来的信息技术。被誉为“第二次产业革命”。的确，计算机给人类社会带来如此广泛而深刻的变化，是二三十年前任何有远见的科学家都不可能预见到的。自从40年代末晶体管问世以来，60年代制成了集成电路，从70年代后期起，发展成为大规模集成电路，而后是超大规模集成电路，集成度以每10年1000倍的速度增长着。在有的人看来，物理学对高技术的贡献属于过去，今天我国发展高技术的关键在于新材料、新工艺。殊不知，微电子加工和分析手段本身，如离子注入、激光退火、卢瑟福背散射谱、俄歇电子谱、X射线发光光谱、二次发射离子质谱，以及高分辨的电子刻蚀、同步辐射光刻，哪一样不是从物理学各分支的实验室里移植到工业上去的！,课程概述.,.物理学的地位,.物理学的地位,学科渗透对物理学的影响 翻阅一下现在物理学的许多重要期刊，或看看许多国际物理学术会议的日程，就会发现，诸如蛋白质折叠、免疫网络、化学键断裂、水土流失、交通堵塞等，大量本不属于物理学内容的标题，赫然入目。人们不禁要问：“什么是物理学？”的确，今天再从研究对象来回答这个问题已很困难。我们的看法是，不管什么问题，当物理学家用物理学的方法去研究它时，就把它变成了物理问题。物理学，是一门理论和实验高度结合的精确科学。物理学中有一套最全面最有效的科学方法。我们说，在对学生的科学素质教育中，物理课有着无可替代的重要作用，根据就在于此。现在教育界大谈素质教育和培养学生的创新精神，但是20世纪高科技发展的事实已经证明，重大的创造来源于新的物理思想，否则只是“小打小闹”，成不了大气候。,课程概述.,在小学中物理学是以自然或科学的形式出现在小学生的课本中的，里面的知识只涉及一些最基础的物理学常识；在初中物理是在初二年级开设的，里面就有了一些基本的物理量及其简单计算，还有一些基本的物理现象及其理解，算是物理学的一些基础知识；在高中物理就比较系统了，分为力、热、电、光、原五个部分，比较系统地介绍了物理学的各部分的知识，更加重视定性定量地理解一些物理现象和物理情景。在大学和研究生阶段，在真正分门另类地对物理进行细化的研究和学习，上面所说的五部分，每一部分都能算是一个研究方向，而每一部分还可以再细分。,课程概述.,.我国的物理学教育,.我国的物理学教育,在小学中物理学是以自然或科学的形式出现在小学生的课本中的，里面的知识只涉及一些最基础的物理学常识；在初中物理是在初二年级开设的，里面就有了一些基本的物理量及其简单计算，还有一些基本的物理现象及其理解，算是物理学的一些基础知识；在高中物理就比较系统了，分为力、热、电、光、原五个部分，比较系统地介绍了物理学的各部分的知识，更加重视定性定量地理解一些物理现象和物理情景。在大学和研究生阶段，在真正分门另类地对物理进行细化的研究和学习，上面所说的五部分，每一部分都能算是一个研究方向，而每一部分还可以再细分。,课程概述.,1.要重视观察和实验：物理知识来源于实践，特别是来源于观察和实验。要认真观察物理现象，分析物理现象产生的条件和原因。要认真做好物理学生实验，学会使用仪器和处理数据，了解用实验研究问题的基本方法。要通过观察和实验，有意识地提高自己的观察能力和实验能力。2.要重在理解：学好物理，应该对所学的知识有确切的理解，弄清其中的道理。物理知识是在分析物理现象的基础上经过抽象、概括得来的，或者是经过推理得来的。获得知识，要有一个科学思维的过程。不重视这个过程，头脑里只剩下一些干巴巴的公式和条文，就不能真正理解知识，思维也得不到训练。要重在理解，有意识地提高自己的科学思维能力。3.要学会运用知识：学到的知识，要善于运用到实际中去。不注意知识的运用，你得到的知识还是死的，不丰满的，而且不能在运用中学会分析问题的方法。要在不断的运用中，扩展和加深自己的知识，学会对具体问题具体分析，提高分析和解决问题的能力。,课程概述.,.怎样学好物理？,.怎样学好物理？,4.要做好练习：做练习是学习物理知识的一个环节，是运用知识的一个方面。每做一题，务求真正弄懂，务求有所收获。下面是我国物理学家严济慈先生的一段话，希望同学们能记住他的教诲。“做习题可以加深理解，融会贯通，锻炼思考问题和解决问题的能力。一道习题做不出来，说明你还没有真懂；即使所有的习题都做出来了，也不一定说明你全懂了，因为你做习题时有时只是在凑公式而已。如果指导自己懂在什么地方，不懂又在什么地方，还能设法去弄懂它，到了这种地步，习题就可以少做。”5.找出解题方法：物理计算题一般采用两种解题方法，即解析法和综合法。前者是利用物理公式，一步一步地从已知向未知求解，后者是在特定的条件下列出物理方程式求解。还有一种比例法，采用比例法求解，其过程更为简便，起到事半功倍的效果。,课程概述.,