大學(xué)物理總結(jié)

1、1,大學(xué)物理總結(jié),2,通過一年的大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，,▲ 科學(xué)和生產(chǎn),▲ 理論和實(shí)驗(yàn),▲ 相對和絕對,▲ 繼承和創(chuàng)新,總結(jié)以下四個(gè)關(guān)系：,3,一. 科學(xué)和生產(chǎn),1. 物理學(xué)的三次大突破導(dǎo)致了生產(chǎn)力的大飛躍,（l）熱學(xué)、熱力學(xué)的研究（19世紀(jì)下半葉）? 蒸汽機(jī)的發(fā)明和廣泛應(yīng)用 —— 第一次工業(yè)革命（工業(yè)機(jī)械化） （2）電磁感應(yīng)的研究，電磁學(xué)理論的建立 （19世紀(jì)中葉）

2、? 發(fā)電機(jī)、電動機(jī)的發(fā)明，無線電通訊的發(fā)展 ???? 第二次工業(yè)革命（工業(yè)電氣化）,4,為近代物理的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，使物理學(xué)進(jìn)入高速、微觀的世界，促進(jìn)了：,? 核物理的研究和發(fā)展 ? 核能釋放和利用 ? 原子分子物理的研究和發(fā)展 ? 激光的發(fā)明和應(yīng)用 ? 半導(dǎo)體、固體物理、材料科學(xué)的研究和發(fā)展 ? 晶體管、大規(guī)模集成電路、 微型計(jì)算機(jī)

3、的發(fā)明和應(yīng)用 ???第三次技術(shù)革命（信息化）,（3）相對論、量子力學(xué)的建立（1900?1930）,5,物理學(xué)的突破會導(dǎo)致新技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展，進(jìn)一步就導(dǎo)致了生產(chǎn)的大飛躍。,這些事實(shí)充分說明了：“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力” ?? 鄧小平“沒有今天的基礎(chǔ)科學(xué)就沒有明天的科技 應(yīng)用” ?? 李政道,6,（4

4、）物理學(xué)現(xiàn)在正處在第四次重大突破的前夜,20世紀(jì)末，李政道先生指出, 物理學(xué)晴朗的天空中也有兩朵烏云:,? 對稱性的丟失 ? 夸克的禁閉,物理學(xué)最基本的規(guī)律中存在的這兩大疑難，預(yù)示著新的有重大意義的物理規(guī)律的誕生。,7,? 大型強(qiáng)子對機(jī)（LHC） 8+8 TeV （西歐核研究中心CERN） ? 相對論重離子對撞機(jī)（RHIC） 100GeV/每個(gè)核子 （美國）,它們的運(yùn)行有可

5、能導(dǎo)致重大的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致物理學(xué)的新的重大突破。,1991年4月，錢三強(qiáng)、周光召等十八位物理學(xué)家上書我國有關(guān)部門，建議組織科學(xué)界抓住機(jī)遇，做好準(zhǔn)備，迎接這新的突破。,目前正在興建或即將興建一些用于物理學(xué)基礎(chǔ)研究的世界級的巨大科學(xué)工程，如：,8,2.生產(chǎn)的需要是推動物理學(xué)發(fā)展的根本動力,（1）生產(chǎn)的需要推動了物理學(xué)的研究 ? 要提高蒸汽機(jī)的效率 ? 研究熱學(xué)、卡諾循環(huán)，發(fā)展了熱力學(xué)。 ? 德國要發(fā)展煉鋼業(yè) ? 研

6、究熱輻射的規(guī)律，導(dǎo)致量子論的建立。 ? 利用核能開發(fā)聚變能 ? 促進(jìn)了核物理、等離子體物理、輻射物理的研究。,9,（2）生產(chǎn)為物理學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了物質(zhì)技術(shù)條件,在孔夫子的時(shí)代不可能發(fā)明飛機(jī)，也不會產(chǎn)生量子力學(xué)。 在近代，由于認(rèn)識到科學(xué)對生產(chǎn)發(fā)展的重要作用，從總體來看，物理學(xué)的研究是超前于技術(shù)和生產(chǎn)的，但其發(fā)展離不開當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)技術(shù)水平。,? 促進(jìn)了材料科學(xué)、表面物理、人工微結(jié)構(gòu)物理等的研究。,? 大規(guī)模集成電路,10,二.

7、 理論和實(shí)驗(yàn),1.實(shí)驗(yàn) （l）實(shí)驗(yàn)是理論的基礎(chǔ)，理論正確與否最終要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，如： 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?光子的概念和理論—密立根實(shí)驗(yàn)、康普頓散射實(shí)驗(yàn)使光子的概念和理論得到確認(rèn)。 ? —? 疑難→弱作用宇稱不守恒的理論—吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論。,11,如：實(shí)物粒子的波動性是由光的粒子性引伸而來，又要電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)。,歷史上提出過很多理論，只要和正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致就不能成立。,如：M?M實(shí)驗(yàn)的“零結(jié)果”否定了以

8、太的存在。,“一個(gè)矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就足以推翻一種 理論” ? 愛因斯坦,有的理論不是以直接的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而是從其它的理論引伸出來的，但原來的理論有其實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，新理論也要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的證實(shí)才能成立。,12,按理論和實(shí)驗(yàn)的分布如下：,獲獎(jiǎng)?lì)愋?項(xiàng)目 人數(shù) 實(shí)驗(yàn)

9、 83 114 理論 33 46 實(shí)驗(yàn)+理論 4 6 得獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和人數(shù)大致占總數(shù)的三分之二。,（2）從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)看實(shí)驗(yàn)在近代物理發(fā)展中所起的作用,1901?2002年共發(fā)獎(jiǎng)96次（1916, 193

10、1, 1934, 1940 ?1942未發(fā)獎(jiǎng)），得獎(jiǎng)項(xiàng)目 120項(xiàng)，得獎(jiǎng)人數(shù)166人。,13,→ 格拉肖、 溫伯格、薩拉姆1979年得獎(jiǎng),很多理論項(xiàng)目的得獎(jiǎng)都是在判定性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出后不久才授予的。如：,這表明：“實(shí)驗(yàn)是最有力的杠桿，我們可以利用這個(gè)杠桿去撬開自然界的秘密。在解決某一假說是保留還是摒棄這樣一個(gè)問題時(shí)，這個(gè)杠桿應(yīng)當(dāng)成為‘最高一級的審理法院’ ” ? 倫琴,電子衍射實(shí)驗(yàn)(1927),→ 德布洛意1929年得獎(jiǎng),吳健雄實(shí)驗(yàn)

11、(1957年初),→ 李政道、揚(yáng)振寧 1957年得獎(jiǎng),中性流實(shí)驗(yàn)(1973 ? 1978),14,2. 理論,（1）理論是實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)、提高和發(fā)展，能更深入反映事物的本質(zhì)，往往具有普遍性。重要理論的建立把物理學(xué)推進(jìn)到新高度。如： 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律(現(xiàn)象) →光量子理論(本質(zhì)) 里德伯光譜公式→玻爾理論(原子能量量子化),（2）在理論建立或發(fā)展的一定階段，它本身的內(nèi)部矛盾和邏輯發(fā)展也會導(dǎo)致新理論的建立。,15,? 狹義相

12、對論（物理規(guī)律對一切慣性系具有不變性 ）,? 對非慣性系是否具有不變性? ? 廣義相對論的建立。 ? 光的二象性 ? 是否一切微觀粒子都有二象性? ? 物質(zhì)波假說 ? 物質(zhì)波是否可用波動理論來描述? ? 薛定格方程的建立。 ? 電弱統(tǒng)一理論 ? 四種相互作用是否都能統(tǒng)一? ? 超大統(tǒng)一理論的研究。,16,（3）理論對實(shí)

13、驗(yàn)研究有重要的指導(dǎo)作用,? 戴維孫 — 革末實(shí)驗(yàn) ? 知道物質(zhì)波理論后才自覺地進(jìn)行 ? 邁克耳孫 ? 莫雷實(shí)驗(yàn) ? 瑞利、開爾文催促，洛侖茲提出改進(jìn)意見 現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn): ? 使用大型精密的儀器 ? 設(shè)計(jì)制造專用的裝置 ? 耗費(fèi)大量的人力物力,17,必須有明確的物理目標(biāo)和學(xué)術(shù)意義才能開展起來并堅(jiān)持下去，這就離不開理論的指導(dǎo)。,,理論和實(shí)驗(yàn)的關(guān)系可用李政道教授提出

14、的“物理學(xué)家的定律”作為一個(gè)很好的總結(jié)：,“沒有實(shí)驗(yàn)家，理論家就會迷失方向；沒有理論家，實(shí)驗(yàn)家就會遲疑不決。”,18,三. 相對和絕對,1. 物理定理、定律、理論反映了客觀世界的運(yùn)動規(guī)律，具有穩(wěn)定性、可重現(xiàn)性 ? 具有絕對真理的成份。 2. 定理、定律、理論又具有近似性，只在一定范圍內(nèi)才正確，因?yàn)椋?（1）客觀世界本身是不斷發(fā)展變化的， 人的認(rèn)識永遠(yuǎn)沒有完結(jié)。,19,1) 任何實(shí)驗(yàn)都不能絕對精確，測量都有誤

15、差。 2) 不可能弄清楚每一現(xiàn)象和別的現(xiàn)象之間的全部聯(lián)系。 因此，不能把任何物理理論當(dāng)作無條件的、永恒的東西加以絕對化 ! 例如： ? 相對論和量子力學(xué)的發(fā)展表明，經(jīng)典物理的很多規(guī)律在高速、微觀的世界都不適用。,（2）人的認(rèn)識水平受到歷史條件的限制。,20,? 通常人們認(rèn)為：,光子靜止質(zhì)量為零,實(shí)際測量結(jié)果是：,m ? 10 - 60 g,電子是穩(wěn)定不變的,? ? 3?1023 y,質(zhì)子是穩(wěn)定不變

16、的,? ? 1?1032 y,中微子靜止質(zhì)量為零,m? ? 10-2 eV,? 經(jīng)典物理的規(guī)律并不都有完美的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,萬有引力定律只在<10cm的距離有扭稱實(shí)驗(yàn)證實(shí)，距地面10公里以上有人造地球衛(wèi)星的運(yùn)行證實(shí)，在中間距離過去并沒有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，近年來發(fā)現(xiàn)確有偏差，并歸結(jié)為存在第五種力。,21,? 經(jīng)典物理也有發(fā)展,例如：過去認(rèn)為牛頓力學(xué)是決定論的典范，,? 歷史的經(jīng)驗(yàn)表明，理論和實(shí)驗(yàn)之間非常小 的不一致就可以導(dǎo)致重大的

17、突破。,例如：宇稱守恒定律的檢驗(yàn) p + F19?Ne20( 1+) ?O16 + He4 不守恒的程度 ? 3×10--13 ? 弱作用宇稱可能不守恒。,但混沌的研究表明，它具有內(nèi)在的隨機(jī)性。,22,因此，不能盲目地相信物理定律或理論的普遍適用性，要從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異當(dāng)中去探索新的天地。,? 目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平： 單個(gè)微觀粒子的能量轉(zhuǎn)移（最大）

18、 ? 1TeV 最高的能量分辯率 ?E／E ? 10-16 能直接測量的最短時(shí)間 ?10-16 sec 最小的空間分辨 ? 3.9×10-19m,很多物理規(guī)律、結(jié)論就是在這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平下（或者比這差得多的水平下）得到的。,23,例如認(rèn)為電子無內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看成點(diǎn)粒子，,因此

19、，必須重視物理規(guī)律的近似性，注意它的適用范圍。 不能把現(xiàn)在得到的物理定律、結(jié)論看成是永恒不變、絕對正確的。 要注意存在的矛盾，敢于突破，進(jìn)行創(chuàng)新。,實(shí)際上這只是在3.9×10-19 m的空間分辨能力下，沒有發(fā)現(xiàn)電子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。,空間分辨能力進(jìn),一步提高后，很可能會發(fā)現(xiàn)電子有結(jié)構(gòu)。,24,四. 繼承和創(chuàng)新,有繼承才有創(chuàng)新，有創(chuàng)新才有發(fā)展。 1. 繼承 重大理論的創(chuàng)立都是在繼承和總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上

20、加以發(fā)展才完成的。 沒有繼承就不會有發(fā)展和創(chuàng)新。 ▲ 例如，牛頓完成了經(jīng)典力學(xué)體系的建立， 他繼承了很多前人的工作。,25,在牛頓以前 ? 伽利略慣性原理,牛頓? 推廣總結(jié)出第一定律,? 伽利略對自由落體 規(guī)律的研究，提出 加速度的概念,? 笛卡爾、惠更斯對 碰撞問題的研究,? 第谷的天文觀測、開普 勒的行星運(yùn)動三定律、 胡克、惠更斯、哈雷關(guān)

21、于重力、引力的研究,? 定義了質(zhì)量、力， 總結(jié)出第二定律,? 總結(jié)出第三定律,? 提出萬有引力定律,26,▲ 又如，電磁理論的創(chuàng)立：,? 庫侖定律,? 高斯定律,? 奧斯特（電流的磁效應(yīng)）,? 安培環(huán)路定理,? 法拉第（電磁感應(yīng)，力線的概念，場的概念） ? 麥克斯韋在總結(jié)以上成果的基礎(chǔ)上， 提出“位移電流”和“渦旋電場”的概念， 建立了麥克斯韋方程組。,27,▲ 再如，愛因斯坦創(chuàng)立

22、狹義相對論：,? 伽利略的相對性原理 ? 邁克耳孫 — 莫雷實(shí)驗(yàn) ? 洛侖茲提出尺度收縮假說 ? 彭加勒提出以太可能不存在，,在上述原理、假說、實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦提出相對性原理和光速不變原理，建立了狹義相對論。,絕對運(yùn)動在原則上觀察不到。,28,正如牛頓所說：,“如果說我比笛卡爾看得更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲沂钦驹诰奕藗兊募绨蛏稀?所以，要把科學(xué)的發(fā)展看成是集體的貢獻(xiàn)，應(yīng)當(dāng)把著名的科學(xué)家看作是成百上千無名科學(xué)家的代表。,29,

23、誰最有創(chuàng)新精神， 誰敢于突破舊觀念、舊理論的束縛， 誰就能率先做出重大的貢獻(xiàn)， 愛因斯坦創(chuàng)立相對論時(shí)是這樣， 李、楊提出弱作用宇稱不守恒時(shí)也是這樣。,當(dāng)科學(xué)本身的矛盾已經(jīng)成熟甚至剛剛顯露時(shí)，,,科學(xué)研究貴在創(chuàng)新，創(chuàng)新是科學(xué)研究的靈魂，,2.創(chuàng)新,對基礎(chǔ)研究來說更是這樣。,30,（1）要有創(chuàng)新意識 ? 不墨守成規(guī)，不人云亦云。 總想探索新途徑，

24、 提出新觀念， 嘗試新方法， 導(dǎo)出新結(jié)論。 沒有想到創(chuàng)新的人決不會有新創(chuàng)造。,? 創(chuàng)新精神的三個(gè)要素：,31,? 不怕名人權(quán)威。 在新的事實(shí)面前 敢于懷疑舊理論，

25、 提出新問題。,（2）要有創(chuàng)新勇氣,“進(jìn)步道路上的絆腳石是， 也一向是， 不容許懷疑的傳統(tǒng) ” ? 吳健雄,32,?愛因斯坦、英菲爾德《物理學(xué)的進(jìn)化》,“提出一個(gè)問題往

26、往比解決一個(gè)問題更重要，,提出問題是對舊理論、舊觀念的懷疑和探討,是建立新觀念的起點(diǎn)。,從新的角度去看舊的問題，,卻需要有創(chuàng)造性,而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步 ”,因?yàn)榻鉀Q問題也許僅僅是數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的,一個(gè)技能而已。,而提出新的問題、新的可能性，,的想象力，,33,（3）敢于想象,法拉弟：電磁作用通過場來傳遞，需要時(shí)間。 德布羅意：微觀粒子同時(shí)又是一個(gè)波。 狄拉克：真空充滿了負(fù)能態(tài)的電子，其中的空穴就是正電子。

27、 人們幻想象鳥一樣在空中飛行才發(fā)明了飛機(jī)， 人們幻想到月球上旅行才實(shí)現(xiàn)了登月。 “想象力比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的， 而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步， 并且是知識進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說，想象力 是科學(xué)研究中的實(shí)在因素 ” ? 愛因斯坦,34,不是要知識很全才能創(chuàng)造。,在物理學(xué)發(fā)展中，做出重大創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的很多是年輕人： 牛頓（1642 ? 1727

28、） 萬有引力定律 24歲（1666） 麥克斯韋（1831 ? 1879） 電磁場理論的第一篇論文 24歲（1855） 愛因斯坦（1879 ? 1955） 光子理論，相對論 26歲（1905） 玻爾（l885 ? 1962） 原子結(jié)構(gòu)模型 28歲（1913

29、）,35,海森堡（1901 ? 1976）,創(chuàng)立矩陣力學(xué) 24歲（1925） 李政道（1926 ? ） 弱作用宇稱不守恒 30歲（1956） 楊振寧（1922 ? ） 弱作用宇稱不守恒 34歲（1956） 楊 ? 米爾斯場 32歲（1954） 約瑟夫

30、森（1940 ? ） 約瑟夫森效應(yīng)的理論預(yù)言 22歲（1962）,36,有些年輕人做出重大創(chuàng)造性貢獻(xiàn)的時(shí)候還,了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,和嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、一絲不茍的科學(xué)作風(fēng)結(jié)合起來，就一定能作出創(chuàng)造性的貢獻(xiàn)。,年輕人沒有負(fù)擔(dān)，框框少，想象力豐富，,只要方向?qū)︻^，敢想敢干，,又注意把創(chuàng)新精神,如德布羅意，,穆斯保爾，,約瑟夫森等，,他們的博士論文研究工作就獲得,是學(xué)生（研究生），,37,一定要有科學(xué)作風(fēng)。,但首先要強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造精神才可能

31、有創(chuàng)造。 楊振寧說：“中國的傳統(tǒng)觀念太傾向于崇拜權(quán)威， 而不鼓勵(lì)年輕人開創(chuàng)出新路子?！?今天我們就要反其道而行之， 多鼓勵(lì)年輕人去探索，去創(chuàng)造， 要敢于走新路。,38,祝愿年輕的朋友們：,努力學(xué)習(xí)， 勇于探索， 大膽創(chuàng)新， 為祖國的繁榮富