第0章大學(xué)物理緒論k

1、大學(xué)物理緒論于永麗于永麗物理與電子信息工程學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院159687908581-b116杠桿輕撬，一個(gè)世界從此轉(zhuǎn)動(dòng)；杠桿輕撬，一個(gè)世界從此轉(zhuǎn)動(dòng)；王冠潛底，一條定理浮出水面。王冠潛底，一條定理浮出水面。三棱鏡中折射出七色彩虹；大荒原上升騰起蘑菇煙塵。三棱鏡中折射出七色彩虹；大荒原上升騰起蘑菇煙塵。蘋(píng)果落地，人類(lèi)飛向太空；蝴蝶振羽，風(fēng)云為之色變。蘋(píng)果落地，人類(lèi)飛向太空；蝴蝶振羽，風(fēng)云為之色變。這就是物理學(xué)這就是物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室中窺探上帝的杰作實(shí)驗(yàn)室中窺探上帝的杰作-對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)而又簡(jiǎn)潔而又簡(jiǎn)潔-有趣有趣而又深刻而又深刻在這里在這里你會(huì)贊嘆伽利略的文采你會(huì)贊嘆伽利略的文采你會(huì)折服牛頓的深刻你會(huì)

2、折服牛頓的深刻你會(huì)驚訝法拉第的想象你會(huì)驚訝法拉第的想象你會(huì)欽佩麥克斯韋的數(shù)學(xué)你會(huì)欽佩麥克斯韋的數(shù)學(xué)世界正要變得混沌世界正要變得混沌上帝說(shuō)上帝說(shuō)讓愛(ài)因斯坦出場(chǎng)吧讓愛(ài)因斯坦出場(chǎng)吧于是烏云散去于是烏云散去但世界更加不可琢磨但世界更加不可琢磨 物理學(xué)是研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)形態(tài)的基物理學(xué)是研究物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)形態(tài)的基本規(guī)律的科學(xué)本規(guī)律的科學(xué).物物 理理物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化規(guī)律微觀(guān)粒子微觀(guān)粒子宏觀(guān)物質(zhì)宏觀(guān)物質(zhì)宇觀(guān)物質(zhì)宇觀(guān)物質(zhì)質(zhì)子質(zhì)子 10- -15 m空間尺度：空間尺度：類(lèi)星體類(lèi)星體 10 26 m時(shí)間尺度：時(shí)間尺度：基本粒子壽命基本粒子

3、壽命 10- -25 s宇宙壽命宇宙壽命 1018 s1025m10億光年觀(guān)測(cè)到的宇宙，圖中每一個(gè)點(diǎn)所表現(xiàn)的事物都是無(wú)比古遠(yuǎn)的。1024m1億光年視野縮小10倍，宇宙看起來(lái)還是空空如也，星光點(diǎn)點(diǎn)?？墒?，那些點(diǎn)點(diǎn)斑斑的真的是星星嗎？1000萬(wàn)光年把眼光再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，那些點(diǎn)點(diǎn)看起來(lái)依然象是星星100萬(wàn)光年近些，再近些。星星嗎？銀河系。10萬(wàn)光年銀河系，我們的家園。直徑十萬(wàn)光年。1萬(wàn)光年現(xiàn)代研究得出結(jié)論：太陽(yáng)系位于銀河系螺旋翼內(nèi)側(cè)的邊緣，距離銀河系中心大約2.5萬(wàn)光年。若視銀河系為一個(gè)巨大的扁盤(pán)，我們就應(yīng)該在這張扁盤(pán)的平面上。1千光年密密麻麻！100光年再近點(diǎn)，還是密密麻麻！10光年又是密密麻麻

4、！1光年這是什么？1萬(wàn)億公里依然霧氣昭昭的一團(tuán)1千億公里是太陽(yáng)系100億公里放大十倍觀(guān)察太陽(yáng)系。圖中亮點(diǎn)僅是背景上離得遙遠(yuǎn)的星星，并非太陽(yáng)系的一部分。10億公里被藍(lán)框子圈上的是地球的軌道1億公里地球在哪里？1000萬(wàn)公里月球圍地球轉(zhuǎn)的軌道100萬(wàn)公里10萬(wàn)公里地球！home，sweet home。1萬(wàn)公里1000公里北美五大湖區(qū)中的密西根湖，框住的城市是芝加哥。100公里芝加哥鳥(niǎo)瞰。由此開(kāi)始了人類(lèi)所能夠理解的數(shù)量級(jí)，開(kāi)始了我們熟悉的世界。10公里密密麻麻的建筑。1公里100米10米1米10公分手所能把握的尺度。相信人類(lèi)所接觸的大部分物體都是在這樣一個(gè)數(shù)量級(jí)的?？纯茨愕闹?chē)?，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、手機(jī)、杯

5、子、碗1公分手上的皺紋細(xì)部。我們即將進(jìn)入另一個(gè)陌生的領(lǐng)域微觀(guān)世界。1厘米手上的毛孔。100微米依稀可見(jiàn)皮膚的組織結(jié)構(gòu)。10微米一般來(lái)說(shuō)一個(gè)細(xì)胞的數(shù)量級(jí)就是10微米。1微米生物課上學(xué)過(guò)的細(xì)胞核膜的細(xì)部。0.1微米染色體。人類(lèi)細(xì)胞里面都會(huì)有23對(duì)染色體（46條）。100埃這個(gè)數(shù)量級(jí)，能度量某些有機(jī)大分子。脫氧核糖核酸，即dna。分子結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。1納米這個(gè)數(shù)量級(jí)下，連原子都可以數(shù)清。因此，納米級(jí)又叫原子級(jí)。組成dna分子的原子們，以共價(jià)鍵和氫鍵彼此結(jié)合成龐大的有機(jī)分子。生命就在這種復(fù)雜的結(jié)合中得以體現(xiàn)。1埃密布的電子云，能看到原子核附近的電子云比較濃。離核近的地方電子出現(xiàn)的幾率大些，云就密；離核遠(yuǎn)

6、的地方出現(xiàn)的幾率小些，云就稀。10皮米原子核外圍的濃密電子云。仿佛又回到了浩瀚無(wú)邊的宇宙。這樣來(lái)看每個(gè)原子都象是個(gè)小宇宙，我們的世界就這樣的周而復(fù)始著1皮米穿過(guò)最濃的電子云，發(fā)現(xiàn)更近核的地方反倒清凈。0.1皮米傳說(shuō)中的原子核。這個(gè)數(shù)量級(jí)下，看原子核就可以看出很多個(gè)球球來(lái)，它們是帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。10飛米原子核的特寫(xiě)。1飛米（10-15米）質(zhì)子（也可能是中子）的細(xì)部，亂七八糟一大片。未知的結(jié)構(gòu)，未知的領(lǐng)域，那里屬于上帝。0.1飛米一旦我們進(jìn)入下一個(gè)層次，我們將會(huì)看到什么，我們又將會(huì)知道什么？蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次t歷史上物理與技

7、術(shù)的關(guān)系大致有兩種模式歷史上物理與技術(shù)的關(guān)系大致有兩種模式 熱機(jī)的發(fā)明和使用，提供了第一種模式熱機(jī)的發(fā)明和使用，提供了第一種模式 電氣化的進(jìn)程，提供了第二種模式電氣化的進(jìn)程，提供了第二種模式技術(shù)技術(shù) 物理物理 技術(shù)技術(shù)物理物理 技術(shù)技術(shù) 物理物理第一臺(tái)通用電第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)：子計(jì)算機(jī)：eniac electronic numerical integrator and calculator1946年年2月月14日日moore school，univ. of pennsylvania18,000個(gè)電子個(gè)電子管組成管組成大?。洪L(zhǎng)大?。洪L(zhǎng)24m，寬，寬6m，高，高2.5m速度：速度：5000次次/

8、sec；重量：；重量：30噸；噸；功率：功率：140kw；平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間：；平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間：7min1947年年12月月23日日第一個(gè)晶體管第一個(gè)晶體管npn ge晶體管晶體管 w. schokley j. bardeen w. brattain1958年第一塊集成電路：年第一塊集成電路：ti公司的公司的kilby，12個(gè)器件，個(gè)器件，ge晶片晶片杰克杰克基爾比，因發(fā)明集成電路在基爾比，因發(fā)明集成電路在2000年獲得了諾貝爾物理年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。德州儀器董事長(zhǎng)學(xué)獎(jiǎng)。德州儀器董事長(zhǎng)tomengibous說(shuō)：說(shuō)：“按照我的觀(guān)按照我的觀(guān)點(diǎn)，只有很少的人，他們的工作真正改變了世界和我們?cè)?/p>

9、點(diǎn)，只有很少的人，他們的工作真正改變了世界和我們?cè)谶@個(gè)世界上生活的方式。他們是亨利這個(gè)世界上生活的方式。他們是亨利福特、托馬斯福特、托馬斯愛(ài)迪生、愛(ài)迪生、懷特兄弟和杰克懷特兄弟和杰克基爾比。如果說(shuō)曾經(jīng)有一種創(chuàng)新的發(fā)明不基爾比。如果說(shuō)曾經(jīng)有一種創(chuàng)新的發(fā)明不僅改變了我們的行業(yè)，而且還改變了我們的世界，那就是僅改變了我們的行業(yè)，而且還改變了我們的世界，那就是基爾比發(fā)明的第一個(gè)集成電路。基爾比發(fā)明的第一個(gè)集成電路。”在集成電路出現(xiàn)之前，電子設(shè)備大多采用體積龐大且容在集成電路出現(xiàn)之前，電子設(shè)備大多采用體積龐大且容易損壞的電路，主要是真空管。易損壞的電路，主要是真空管。但但1958年基爾比在德州儀年基爾比

10、在德州儀器半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的集成電路改變了整個(gè)電子世界，并使器半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的集成電路改變了整個(gè)電子世界，并使微處理器的出現(xiàn)成為可能。目前，無(wú)論是蘋(píng)果的微處理器的出現(xiàn)成為可能。目前，無(wú)論是蘋(píng)果的ipod還是互還是互聯(lián)網(wǎng)，都采用了更為復(fù)雜、可靠和高效的集成電路。聯(lián)網(wǎng)，都采用了更為復(fù)雜、可靠和高效的集成電路。著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)：著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦說(shuō)： 發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立判斷的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專(zhuān)業(yè)知識(shí)放在首位。如果放在首位，而不應(yīng)當(dāng)把專(zhuān)業(yè)知識(shí)放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了一個(gè)人掌握了他的學(xué)科的基礎(chǔ)理論，

11、并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而獨(dú)立思考和工作，他必定會(huì)找到自己的道路，而且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的且比起那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化 。 學(xué)習(xí)的觀(guān)點(diǎn)：學(xué)習(xí)的觀(guān)點(diǎn)：從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué)，了解從整體上邏輯地、協(xié)調(diào)地學(xué)習(xí)物理學(xué)，了解物理學(xué)中各個(gè)分支之間的相互聯(lián)系。物理學(xué)中各個(gè)分支之間的相互聯(lián)系。 學(xué)習(xí)的關(guān)鍵：學(xué)習(xí)的關(guān)鍵：勤于思考勤于思考悟物窮理悟物窮理 研究對(duì)象不同：由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由特殊到一般研究對(duì)象不同：由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由特殊到一般中學(xué)講恒力，大學(xué)講變力（變力做功、變力的沖量

12、均涉及中學(xué)講恒力，大學(xué)講變力（變力做功、變力的沖量均涉及積分）積分）大學(xué)物理與中學(xué)物理的主要區(qū)別大學(xué)物理與中學(xué)物理的主要區(qū)別高等數(shù)學(xué)：矢量、微積分高等數(shù)學(xué)：矢量、微積分 研究的方法和使用工具不同研究的方法和使用工具不同學(xué)習(xí)章節(jié)學(xué)習(xí)章節(jié)學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)矢量分析矢量分析 數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)數(shù)學(xué)預(yù)備知識(shí)2第第1章章 1-1、1-2 力學(xué)力學(xué)4第第2章章 2-1、2-2、2-3、2-48第第3章章 3-1、3-28第第4章章 4-1、4-2、4-3 熱學(xué)熱學(xué)自學(xué)自學(xué)第第5章章 5-1、5-2 、5-3第第6章章 6-1、6-2、6-3、6-4 電磁學(xué)電磁學(xué)8第第7章章 7-1、7-2、7-3、7-48第第8章章 8

13、-1、8-26第第9章章 9-1、9-2、9-3 振動(dòng)與波動(dòng)振動(dòng)與波動(dòng)4第第10章章 10-1、10-2、10-44第第11章章 11-1、11-2、11-3、11-4 波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)10期末復(fù)習(xí)期末復(fù)習(xí) 2共共6464學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)上下冊(cè)上下冊(cè) 張三慧張三慧主編主編清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 大學(xué)物理大學(xué)物理 朱朱 峰峰主編主編清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 教教 材：材：物理學(xué)物理學(xué) 祝之光祝之光 主編主編 高等教育出版社高等教育出版社 參考書(shū)：參考書(shū)：平時(shí)成績(jī)（平時(shí)成績(jī)（ ）：）：平時(shí)作業(yè)和考勤平時(shí)作業(yè)和考勤20% + + 期中考試期中考試20% 40%占占期末考

14、試成績(jī)（占期末考試成績(jī)（占60%） 請(qǐng)?jiān)试S我說(shuō)明我講這門(mén)課的主要目的。我的目的請(qǐng)?jiān)试S我說(shuō)明我講這門(mén)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)或軍事工作知識(shí)，以便更好地為今后你們面臨的工業(yè)或軍事工作服務(wù)。我最希望的是，你們能夠像真正的物理學(xué)家一服務(wù)。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)涵的主要部分。也許你們

15、學(xué)會(huì)的不僅僅是如何欣賞這種的主要部分。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(lèi)思想誕生以來(lái)最偉文化，甚至也愿意參加到這個(gè)人類(lèi)思想誕生以來(lái)最偉大的探索中來(lái)。大的探索中來(lái)。 理查德理查德. .費(fèi)曼費(fèi)曼r.p.feynmanr.p.feynman （1918191819881988）美國(guó)物理學(xué)家，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者課程介紹課程介紹一一、矢量和標(biāo)量矢量和標(biāo)量標(biāo)量：標(biāo)量：矢量：矢量： （如位移）既有大小又有方向（如位移）既有大小又有方向（5m,正北）且遵循正北）且遵循矢量代數(shù)的特殊運(yùn)算法則（平行四邊形法則）。矢量代數(shù)的特殊運(yùn)算法則（平行四邊形法則）。幾何表示：有方向的幾何線(xiàn)段（箭

16、矢）幾何表示：有方向的幾何線(xiàn)段（箭矢）矢端矢端矢尾矢尾a符號(hào)：符號(hào)：或或aa矢量矢量的大小稱(chēng)作矢量的大小稱(chēng)作矢量的模，的模，記作記作或斜體字母或斜體字母aaaa（如溫度（如溫度）只有大小，由一個(gè)帶單位的數(shù)確）只有大小，由一個(gè)帶單位的數(shù)確定，且遵循算術(shù)和普通代數(shù)的運(yùn)算法則。定，且遵循算術(shù)和普通代數(shù)的運(yùn)算法則。10 c（印刷符號(hào)）（印刷符號(hào)）二矢量相等：二矢量相等：大小相等，方向相同大小相等，方向相同bcdbcd單位矢量單位矢量大小精確為大小精確為1，無(wú)單位，無(wú)單位指向某一特定方向指向某一特定方向沿矢量沿矢量方向的單位矢量方向的單位矢量aaa 在直角坐標(biāo)系中的三個(gè)單位矢量：在直角坐標(biāo)系中的三個(gè)單位

17、矢量：, i j, koyxzikji 沿沿x軸正方向軸正方向j 沿沿y軸正方向軸正方向k 沿沿z軸正方向軸正方向二二、矢量相加的幾何方法矢量相加的幾何方法加法加法abccc三角形法則三角形法則：畫(huà)出矢量：畫(huà)出矢量和和，讓?zhuān)尩氖肝参挥诘氖肝参挥诘氖付耍坏氖付?；從從的矢尾到的矢尾到的矢端的矢量就是矢量和的矢端的矢量就是矢量和abbaabcabab平行四邊形法則平行四邊形法則三角形法則三角形法則abcdabcd多邊形法則多邊形法則減法減法()bcaca- -矢量矢量與與大小相等，方向相反大小相等，方向相反aa-aa-cabcaba-方法：自某點(diǎn)出發(fā)畫(huà)出被減矢量方法：自某點(diǎn)出發(fā)畫(huà)出被減矢量與減矢量

18、與減矢量，由減，由減矢量矢端引向被減矢量矢端，這一矢量即為矢量差矢量矢端引向被減矢量矢端，這一矢量即為矢量差或或cab三三、矢量的正交分解法矢量的正交分解法xaya分量：分量：cossinxyaaaaxa iya jaoaxy以二維情況為例：以二維情況為例：xyaa ia j（單位矢量表示法）（單位矢量表示法）或或22tanxyyxaaaaa（大?。ù笮?角度表示法）角度表示法）表示矢量與表示矢量與x軸正方向間的夾角軸正方向間的夾角 o yxzikj任何矢量都可以表示為：任何矢量都可以表示為：ayazaxaxyzaa ia ja kcoscoscosxyzaaa aaa222xyzaaaa大小

19、大小方向方向用分量作矢量相加減用分量作矢量相加減cabxxxyyyzzzcabcabcab例：已知三矢量例：已知三矢量4.21.5m ;1.62.9m3.7ma i j b i j c j - - -試求它們的矢量和試求它們的矢量和，分別用分別用單位矢量表示法單位矢量表示法和和大小大小-角度表示法角度表示法。rr解：解：xxxxrabc4.2 1.602.6m -yyyyrabc1.52.93.72.3 m - -rabcxyrr ir j2.62.3m i j -單位矢量表示法單位矢量表示法大小大小-角度表示法角度表示法22xyrrroxyr2.6 i2.3j-222.6( 2.3)3.5m -2.3tan2.6yxrr-2.3arctan412.6- -相對(duì)于相對(duì)于x軸正方向測(cè)量的角度按逆時(shí)針?lè)较驕y(cè)量的為軸正方向測(cè)量的角度按逆