物理学和力学(附矢量分析).ppt

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1、,第一章 物理学和力学,1.什么是物质，什么是意识？它们之间的关系如何？（唯物、唯心有什么区别？）2.世界到底是物质的，还是仅仅只是一个空洞的“空间”？到底怎么样来描述、理解这个世界？物理理论到底是真实的，还是臆造的模型？物理能赋予我们人类什么（力量）？3.物体之间的“作用”或“力”是什么？若有，它是物质的固有属性，还是空间的一个性质？4.什么是能量？能量守恒是什么？5.宇宙是有限的还是无限的，有界还是无界的？它有没有历史和未来？6.天体（星系）是圆的、椭圆的，还是扁平的？为什么？7.,困扰物理学家的若干问题,格物致理：就是研究事物，推敲道理了解物质的结构和规律；它的理论具有物质运动规律的普适

2、性，即自然界和物质运动的最基本的规律。,物理学与哲学密不可分，他们关心共同的问题：自然界的基本规律,物理是什么？,物理学的研究对象,物理现象的普通性使得物理学基本知识成为研究任何科学技术所不可缺少的基础。,物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学，研究物质运动最基本形态以及他们之间相互转化的一门基础科学。,物理学的基本概念、基本规律和基本研究方法，以及根据物理学原理设计制造的各种仪器设备，已经广泛地应用于所有自然科学的各个学科之中，推动了各学科领域和技术部门的飞速发展。,经典物理的困难,物理学发展：各种分支、边缘及交叉学科,物理学是技术发展的主要源泉，三次产业革命（蒸气机、电气化、信息化

3、）均来自物理学或与物理学紧密相关。,目前世界范围内以信息技术为前导，以微电子学和电子计算机技术为标志的科学技术革命，从根本上讲来源于20世纪初物理学的三大成就。,与其它学科密切结合，产生分支学科和交叉学科：物理化学、生物物理、天体物理、地球物理、量子 生物、量子化学等。,1 kcal=4,184 J,焦耳实验：热功当量,迈尔：能量的转换和守恒,各种形式的能量（机械能、热能、化学能、电能、磁能等）能相互转换，且总量保持不变。,宏观热现象和微观个体运动之间的关系,热力学第一定律：能量的转换和守恒定律；第一类永动机是不可能造成的。热力学第二定律：熵增加原理；第二类永动机是不可能造成的。,蒸汽机发明和

4、应用为标志的第一次工业革命,法拉第电磁感应,电、磁、光现象的统一,电 机,电 器,工业电器化、电力和信息的传递,燃煤电厂中的蒸汽循环,电力的广泛应用为标志的第二次工业革命,近代物理中的两朵乌云：,量子论：进一步把实物和场统一起来，揭示了物质的 波粒二向性，找到了微观的运动规律。,Herzen,Langmuir,Curie,Debye,Lorentz,Richardson,Compton,能源技术,物理学大蟒：物理学的尺度和统一,物理学的基本特征,是一门实验科学，从“观察”开始，最终归于“实践”；物理规律是理性认识，是通过归纳、推理、演绎或顿悟得到的道理一个理论的提出往往是“直觉”或“悟”得到的

5、；物理规律的普适性总是要求它的描述具有简洁、优美、对称的形式“美”和“逻辑性”追求是物理永恒的主题。利用“理想模型”来描述物体是物理常用的简单方法。（如果一个“理想模型”和实际有出入，就要修正，即重新建立更好的模型。理想模型：如质点、刚体 等）,提出命题（观测、推演）,物理的发展过程和研究方法,推测答案（惟象，解释，提出新理论）,理论预言（新理论的证实或证伪）,实践检验（新理论的证实或证伪）,修正理论（改良或发展新理论）,震撼人类思想的七大学说（思想）,1.日心说1542年：哥白尼（1473-1542）发表天体运行论，创立日心说1609年：开普勒（1571-1630）太阳系天体运动的第一、第二

6、定律，9年后发表第三定律，否定了托勒密的“地心说”。,2.绝对时空 加利略（1564-1642）：提出“自然法则”或“物理定律”的概念；创立以观察、测量、分析和演绎为基础的“实验物理”；首先进行“运动”的数学描述，初步给出“惯性定律”；奠定了经典力学的基础。牛顿（1642-1727）：1687年发表自然哲学的数学原理，提出运动的三个定律和万有引力定律，创立了微积分方法；创立了经典力学；建立了统治人类几百年的“绝对时空观”和“决定论”力学体系。,3.能量守恒 R.迈尔（1818-1878）：最早提出能量守恒概念 焦耳（1818-1889）：1843年在论电磁的热效应和热的机械值中正式提出能量守恒

7、，并从试验上进行了研究 霍姆赫兹（1821-1894）：1847年发表论力的守恒，从物理假设出发论证了能量守恒和转化；建立了世界运动的永恒性和多样性,4.熵和概率 克劳修斯（1882-1888）：把能量守恒定律描述成热力学第一定律；提出“熵”的概念，并引入统计概念。开尔文男爵（1824-1907）：在热的动力理论中提出热力学第二定律的开尔文表述（单一热源不可能只作功而不产生其它影响）麦克斯韦（1831-1879）：将“几率”引入物理学，并提出著名的麦克斯韦分布率玻尔兹曼（1844-1906）：对热力学第二定律进行了统计解释，给出普里高津：提出非平衡统计理论，将有序与熵联系起来，提出系统可以自组

8、织，产生“有序性”或“负熵”把概率引入物理，使有序无序的产生具有新的概念和含义。,5.相对论 马赫（1838-1916）：1883年在力学中公开反对“绝对时空”，提出只有可观察到的量才是真正的物理量和研究对象，反对著名的“水桶实验”，提出了著名的“马赫原理”：即匀速或非匀速运动是相对的，惯性力来自宇宙的其它物体；洛仑兹（1853-1928）：提出只有空间收缩（12）1/2，才能使光速不变；彭加勒（1854-1912）：引进四维时空，并指出物理规律对洛仑兹变换的不变性；爱因斯坦（1879-1995）：1905年，提出狭义相对论（光速不变和相对性原理），为纪念这一年，后来称为爱因斯坦年，每100年

9、称为“物理年”；1916年，广义相对论（局部空间的引力场与加速度等效；即惯性力与引力等效），后来又提出“统一场”设想。相对论摧毁了人们习以为常的绝对时空观，把时空联系起来，但仍没有解决时空的本质,6.量子论N.玻尔（1885-1962）：原子论；“哥本哈根”学派创始人普朗克（1857-1947）：1900年能量量子化假设；德布罗意（）：1924年物质波，波粒二象性；泡利（1900-1961）：1925年，电子排布的泡利不相容原理；海森堡（1901-1976）：1923年矩阵力学；1927年不确定关系薛定谔（1887-1961）：1926年著名的薛定谔方程；狄拉克（1902-1984）：1925

10、年量子力学的基本方程；1930年量子力学原理，是“量子力学的圣经”；1928年创立“相对论量子力学”，预言正电子的存在，并在1932年被安德森发现（36年获Nobel Prize）。量子力学将“决定论”彻底打入冷宫，并将“还原论”的短处揭开，开始了整体论。,7.守恒律和对称性物理守恒律和对称性是相对应的：能量守恒时间均匀动量守恒空间均匀角动量守恒空间各向同性粒子数守恒（重子、轻子）粒子的内禀对称性宇称守恒空间反演不变（左右对称）世界是非常“美”的，表现为“对称性”。可是后来发现所谓“-”之谜，它们除了分左右外，其它性质完全相同；1956年，李-杨提出“宇称不守恒”在弱相互作用中普遍存在，195

11、7年被吴健雄博士实验证实，使李-杨获得1957年Nobel Prize。可见，“美”的世界也存在着某些不和谐因素。,巨人的肩膀,最伟大的物理学家：牛顿、爱因斯坦；伟大的物理学家（对思维有重大贡献）：伽利略/哥白尼、马赫、麦克斯韦、普里高津、狄拉克、海森堡、薛定谔、汤川秀树大物理学家：a(对理论有重大贡献)：焦耳、卡诺、普朗克、玻尔兹曼、德布罗意、泡利、克劳修斯、开尔文、法拉第、库仑、波恩、杨振宁、阿尔芬；b(有开拓性工作)：许多Nobel Prize得主，如李政道/李远哲/优秀物理学家（重要但缺乏开拓性，包括许多一般Nobel Prize）：如吴健雄一般物理学家：普通物理工作者：,关于普物 力

12、学,力学Mechanics：机械运动论或机械论；是关于“机械运动”（Mechanical motion）及其规律的学问/科学。“力学”概念已经远远地超出了机械论的范围：四大力学理论、电动、统计、量子；还有建筑、弹性、波动；还有心理、社会群体力学等。实际上，“力学”是关于“相互作用”的科学。只要有相互作用，就可以说是力学。“力学”也就几乎成了整个“物理学”的代名词 力学研究是总从“机械论”开始的。普物力学（经典力学）是研究机械运动及其基本规律的科学，是一种“狭义”的力学，是弱引力场中宏观物体低速运动；分为运动学（Kinematics）只描述物体的运动；动力学（Dynamics）物体运动与物体相互

13、作用的内在关系，和静力学（Statics）物体相互作用的平衡问题。,力学的逻辑,一般物理演绎法的描述过程是：1）它是什么？2）有什么规则？3）按此规则该怎么办事？具体到力学：怎样描述一个对象物体的（机械）运动状态或规律？“运动学”；运动状态的变化是怎样产生的，变化又遵循什么规律？“动力学”；物质状态和变化之间的联系是怎样的？“应用科学”：刚体力学、流体力学、材料力学等。,现代物理中，所有的概念、定义或定律都必须是可以通过某种方式实现的，即所谓的“可操作性”，否则就不具备“客观真实性”，这是典型的“逻辑实证主义”哲学。当然，物理也是追求“形而上”的东西，也有严重的“实用主义”倾向。研究物体运动的

14、基本方法：你必须要能把这个物体从众多的对象中隔离出来，这样才能看清它所处的环境（受到的作用）和表现状态（运动规律）。这就是现代物理以致于现代科学（西方哲学）中著名的方法论“分割法”。它是通过孤立研究对象来研究它的运动规律，受到其它物体的作用和影响。,物理哲学和方法论,（不完全按照书本的顺序，但能在书本上找到）数学准备质点运动学质点动力学：（1）牛顿三定律及应用（2）功、动能和机械能守恒律（3）冲量、动量 守恒律（4）力矩、角动量 守恒律（5）质点组力学 附：对称性与守恒律刚体力学振动与波（时间允许的话）,本课程力学的结构,物理学的研究方法,勤于思考做典型习题学习物理学必须正确理解物理学理论和概

15、念，掌握现象和过程的物理图象，弄清定理和定律的条件、适用范围和应用方法。简单说就是正确理解，准确运用。,教材及参考书目,费曼物理学讲义，（中、英文版），上海科学技术出版社，1983伯克利物理教程，1979 哈里德：物理学（中、英文版）赵凯华：力学 新概念物理教程，高教 向义和：大学物理导论，清华，彭亘武：理论物理基础，北大，其它：朗道物理教程；泡利物理讲义,漆安慎，力学，高教（第二版）2005,教科书：,参考书：,Classical Physics Timeline,Modern Physics Timeline,矢量分析,1矢量 标量 矢量 张量 2 矢量的加法与减法 加法交换率 结合率,3 矢量的数乘,数乘分配率,数乘交换率,单位向量表示,4 矢量的正交分解,非唯一性,正交分解和差运算,5 矢量的标积和矢积,标积：点乘，内积,定义式,4 矢量的标积和矢积,矢积：叉乘,大小,方向,右手法则,运算法则,非零平行,笛氏表述,混合积,几何意义？,6 散度，旋度和梯度,散度,笛氏表述,旋度,笛氏表述,通量的密度,梯度,笛氏表述,算符,算符表述,有关定理,1.标量场的梯度必无旋,2.矢量场的旋度必无源,3.无旋场必可表为标量场的梯度,4.无源场必可表为矢量的旋度,奥高公式,Stokes定理,