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中国科学技术大学

《普通物理》多媒体电子教案《普通物理》多媒体电子教案

张璞扬 张权 制作

中国科学技术大学《基础物理教程》课题组

（力学）

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我曾对中国科技大学的同学们提出过“三 P” ：

Perception ，Persistence ，Power

意思是：直觉，坚持，力量。要有科学的直觉意识去创造，用坚持不懈的努力去奋斗，以扎实的知识力量去克服困难。

杨振宁

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绪 论

目 录

1 、物理学与物质世界2 、物理学与科学技术3 、物理学与科学思维4 、悟物穷理

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联合国大会于 2004 年 6 月 10 日通过了 2005 年为“国际物理年”的决议。决议全文如下：

联合国大会， 承认物理学为了解自然提供了重要基础， 注意到物理学及其应用是当今众多技术进步的基石， 确信物理教育提供了建设人类发展所必需的科学基础设施的工具。 意识到 2005 年是爱因斯坦关键性科学发现一百周年，这些发现为现代物理学奠定了基础， 1 、欢迎联合国教科文组织宣布 2005 年为国际物理年； 2 、邀请联合国教科文组织，与世界各国，包括发展中国家的物理学会和团体一道，组织活动庆祝 2005 年国际物理年； 3 、宣告 2005 年为国际物理年。

联合国第 58 次会议决议

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一、物质世界 物理学的骄傲在于研究对象无所不包，大至宇宙，小至原子内部 ( 宇观 、 宏观 、介观、微观 ) 。

物理学是探讨物质结构和相互作用以及它们的运动规律的学科，是自然科学的基础。

时间尺度 ( 相差 1045) ：

空间尺度 ( 相差 1045 － 1046) ：

速率范围：1018s (150 亿年 , 宇宙年龄 ) － 10-27s( 硬 射线周期 )

1026 m( 约 150 亿光年 , 宇宙 ) － 10 － 20 m( 夸克 )

0( 静止 ) - 3108 m/s( 光速 )

㈠ 物理学与物质世界

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物质世界总图象：

从整个物理学的发展中，可以看到一条鲜明的主线，这就是执着地追求宇宙的统一，找寻支配宇宙万物的最基本、最统一的规律 .

探索物质的组成 , 物理学上对应粒子物理学 (微观理论)

人们从自己向小尺度追问

粒子物理的标准模型 :目前，粒子物理的所有观测结果都可以用存在三族基本粒子（夸克、轻子、规范玻色子）和三种（或四种）基本相互作用来解释。

人们从自己向大尺度追问探索宇宙的奥秘 , 物理学上对应天体物理学 (宇观理论 )宇宙是怎样运动的呢？宇宙有限又无边 ! 有中心？无中心？宇宙学的标准模型 :大爆炸宇宙学

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三、物理学使人们深入认识世界

•场与粒子是统一体的两种表现形式；•场论给出最新认识 , 每种粒子对应一种场 , 场有不同能量状态

物质存在的基本形式

物质的凝聚状态• 凝聚态 : 固、液、气态、等离子体• 致密态 : 恒星晚年，白矮星、中子星、黑洞

基本相互作用• 强相互作用 （强度 1 ，作用距离 ）• 电磁相互作用（强度 ，作用距离长 ）• 弱相互作用 （强度 ，作用距离 ）• 引力相互作用（强度 ，作用距离长）

210

1310

3810

m1510

m1810

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㈡ 物理学与科学技术

从物理学 300 多年发展的历史看，已经历了三次革命：17 世纪牛顿力学率先发展，完成了物理学的笫一次大综合，这是笫一次革命；笫二次是 18 世纪到 19 世纪，把光、电、磁三者统一起来的麦克斯韦电磁理论的建立；到 20 世纪，第三次大革命则是由相对论和量子力学带动起来的。每一次革命物理学在观念上都产生深刻的转变。

一 物理学的发展 物理学的发展依赖于一种基本的信念：物质世界存在着完整的因果链条，即自然界是统一的。自然界的运动现象是多种多样的，物理学的责任就是寻找支配这些现象的统一的力。

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三 发展模式： 技术－物理－技术物理－技术－物理

• 卢瑟福 粒子散射实验 (1909) －核能利用 (40 年代以后 )• 量子力学－费米狄拉克统计－固体能带理论 (20 年代 ) －晶体管 诞生 (1947) －集成电路 (1962) －大规模集成电路 (70 年代后期 ) －微结构物理

实例：

由于物理学的发展，成为科学技术和社会发展的巨大推动力，引发了三次技术革命：笫一次是开始于 18 世纪 60 年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用 , 它是牛顿力学和热力学发展的结果。笫二次是开始于 19 世纪 70 年代，主要标志是电力的广泛应用和无线电通讯的实现，它是电磁学发展的结果。笫三次则是开始于 20世纪 40 年代的电脑、电信革命，也叫做“数字革命” 。目前正处于笫三次工业革命的初期阶段。它则是近代物理学发展的结果。

二 物理学发展与技术革命

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隧道效应 经典观点

量子观点

70 年代罗伯特 . 杨制成场发射显微镜。1981 年 宾尼和罗雷尔应用隧道效应改进了场发射显微镜 ,制造出扫描隧道显微镜（ STM ）， 1986 年获得诺贝尔物理学奖。

• 量子力学－隧道效应－扫描隧道显微镜（ STM ）

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隧道效应及隧道显微镜（ STM ）

1. 隧道效应

2. 扫描隧道显微镜（ STM ）

粒子能穿透比其更高的势垒的现象。 Ⅰ Ⅱ Ⅲ

0 a x

横向分辨率 0.1nm纵向分辨率 0.01nm

电子显微镜分辨率 0.3－ 0.5nm

扫描探针

电子云

样品表面

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中国科学院科学家“ 写”出的平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米

操纵原子不是梦－“ 原子书法”

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在扫描隧道显微镜下，科学家将 48 个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏 .

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演绎－推理 演算 归纳－假设 模型 估算－定性和半定量

直觉、想象力、

洞察力

一、物理学的研究方法和步骤

㈢ 物理学与科学思维

提出命题

修改理论

推测答案

理论预言

实验检验

研究的步骤

应用

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二、物理学思维特点 物理教学，重要的是要启发学生的思维，加强科学方法论的教学。如果学生能从学习中体会到物理学特有的思维方式，将终生受益。

物理学思维特点主要表现在：

1. 敢于想像。要认识敢想才有物理学，不敢想就没有物理学。爱因斯坦说：“想像力比知识更重要。”例如，麦克斯韦的位移电流假说，爱因斯坦的狭义相对论和光电效应的论述。

一

2. 善于归纳。物理学的构架是一系列大大小小的定律。这些定律都是从实验（或观察）中归纳出来的。但这种所用的科学方法，只能是“不完全”归纳法，而不是数学的完全归纳法。例如“势”概念的应用。

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学好物理学，关键是勤于思考，悟物穷理。

3. 创设模型。物理学并不讳言自身只研究模型。模型并不全同于真实，但物理学的成功正在于创造出许多成功的模型。模型是“理想化”的，但不是“伪劣”的，它突出了许多表面上看是千差万别的物体最本质的特征。

（四） 悟物穷理

“细推物理须行乐，何用浮名绊此身”

唐朝 杜甫（中文的“物理”一词源出此）

“求学问，需学问；只学答，非学问”李政道（ 1957 年与杨振宁同获诺贝尔 物理学奖）