1、1,您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱,欢迎,2,改变世界的物理学,刘 洋华北电力大学应用物理系,North China Electric Power University,3,第一篇 绪 论,通才教育与专才教育； 当前教育与社会需求、教育与人的全面发展的需求； 历史的必然、现实的选择； 当代科技加速发展和学科交叉整合的趋势； 具有创新精神和实践能力的高素质人才培养； 物理学已经渗透到文史、经管、法政、商学、医学等各个领域。,一、文科学生为什么要学习物理学？,4,学校的目标始终是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是一个专家。 发展独立思考和独立判断的一般能力，应当始终放在首位，
2、而不应该把专业知识放在首位。 如果一个人掌握了他的学科的基础理论，并且学会了独立思考和工作，他必定会找到自己的道路，而且比起那种主要以获得细节知识为其培养内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。爱因斯坦（18791955）,5,二、物理学的发展与人类文明的进步,从经典物理学到量子物理学 量子理论的发展 从宏观世界到微观世界和宇观世界 从简单系统到复杂系统,6,诺贝尔（18331896）,7,诺贝尔的一生,瑞典著名化学家。 研究过大炮和蒸汽机的设计。 发明了硝化甘油烈性炸药及引爆方法，意愿用于工业开发矿山、挖掘河道、修建铁路和隧道，为人类造福。 遗嘱设立了诺贝尔物理学、化学、生理医学、文学和人
3、类和平5大奖项。,8,历年诺贝尔物理学奖 年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1901 W.C.伦琴 德国 发现伦琴射线(X射线) 1902 H.A.洛伦兹 荷兰 塞曼效应的发现和研究 P.塞曼 荷兰 1903 H.A.贝克勒尔 法国 发现天然铀元素的放射性 P.居里 法国 放射性物质的研究，M.S.居里 法国 放射性元素钋与镭并发现 钍也有放射性 1904 L.瑞利 英国 在气体密度的研究中发现氩 1905 P.勒钠德 德国 阴极射线的研究,9,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1906 J.J汤姆孙 英国 通过气体电传导性的研究， 测出电子的电荷与质量的1907 A.A迈克耳
4、孙 美国 创造精密的光学仪器和用 以进行光谱学度量学的研 究，并精确测出光速 1908 G.里普曼 法国 发明应用干涉现象的天然 彩色摄影技术 1909 G.马可尼 意大利 发明无线电极及其对发展 C.F.布劳恩 德国 无线电通讯的贡献 1910 J.D.范德瓦耳斯 荷兰 对气体和液体状态方程的 研究,10,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1911 W.维恩 德国 热辐射定律的导出和研究1912 N.G.达伦 瑞典 发明点燃航标灯和浮标灯 的瓦斯自动调节器1913 H.K.昂尼斯 荷兰 在低温下研究物质的性质 并制成液态氦1914 M.V.劳厄 德国 发现伦琴射线通过晶体时 的衍射，
5、既用于决定X射 线的波长又证明了晶体的 原子点阵结构 1915 W.H.布拉格 英国 用伦琴射线分析晶体结构 W.L.布拉格 英国,11,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因 1917 C.G.巴克拉 英国 发现标识元素的次级伦琴 辐射 1918 M.V.普朗克 德国 研究辐射的量子理论，发 现基本量子，提出能量量 子化的假设，解释了电磁 辐射的经验定律 1919 J.斯塔克 德国 发现阴极射线中的多普勒 效应和原子光谱线在电场 中的分裂1920 C.E.吉洛姆 法国 发现镍钢合金的反常性以 及在精密仪器中的应用,12,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1921 A.爱因斯坦 德国
6、对现物理方面的贡献，特 别是阐明光电效应的定律 1922 N.玻尔 丹麦 研究原子结构和原子辐射， 提出他的原子结构模型 1923 R.A.密立根 美国 研究元电荷和光电效应， 通过油滴实验证明电荷有 最小单位 1924 K.M.G.西格班 瑞典 伦琴射线光谱学方面的发 现和研究1925 J.弗兰克 德国 发现电子撞击原子时出现 G.L.赫兹 德国 的规律性,13,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1926 J.B.佩林 法国 研究物质分裂结构，并发 现沉积作用的平衡1927 A.H.康普顿 美国 发现康普顿效应C.T.R.威尔孙 英国 发明用云雾室观察带电粒 子，使带电粒子的轧迹变 为
7、可见 1928 O.W.里查孙 英国 热离子现象的研究，并发 现里查孙定律 1929 L.V.德布罗意 法国 电子波动性的理论研究 1930 C.V.拉曼 印度 研究光的散射并发现拉曼效应,14,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1932 W.海森堡 德国 创立量子力学，并导致氢 的同素异形的发现 1933 E.薛定谔 奥地利 量子力学的广泛发展 P.A.M.狄立克 英国 量子力学的广泛发展，并 预言正电子的存在 1935 J.查德威克 英国 发现中子 1936 V.F赫斯 奥地利 发现宇宙射线 C.D.安德孙 美国 发现正电子,15,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1937 J
8、.P.汤姆孙 英国 通过实验发现受电子照射 的晶体中的干涉现象C.J.戴维孙 美国 通过实验发现晶体对电子 的衍射作用 1938 E.费米 意大利 发现新放射性元素和慢中 子引起的核反应 1939 F.O.劳伦斯 美国 研制回旋加速器以及利用 它所取得的成果，特别是 有关人工放射性元素的研究 1943 O.斯特恩 美国 测定质子磁矩 1944 I.I.拉比 美国 用共振方法测量原子核的磁性,16,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1945 W.泡利 奥地利 发现泡利不相容原理 1946 P.W.布里奇曼 美国 研制高压装置并创立了高 压物理 1947 E.V.阿普顿 英国 发现电离层中反
9、射无线电 波的阿普顿层 1948 P.M.S.布莱克特 英国 改进威尔孙云雾室及在核 物理和宇宙线方面的发现 1949 汤川秀树 日本 用数学方法预见介子的存在 1950 C.F.鲍威尔 英国 研究核过程的摄影法并发 现介子,17,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1951 J.D.科克罗夫特 英国 首先利用人工所加速的粒 子开展原子核 E.T.S.瓦尔顿 爱尔兰 蜕变的研究 1952 E.M.珀塞尔 美国 核磁精密测量新方法的发 F.布洛赫 美国 展及有关的发现 1953 F.塞尔尼克 荷兰 论证相衬法，特别是研制 相差显微镜 1954 M.玻恩 德国 对量子力学的基础研究， 特别是量
10、子力学中波函数 的统计解释 W.W.G.玻特 德国 符合法的提出及分析宇宙辐射,18,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1955 P.库什 美国 精密测定电子磁矩 W.E.拉姆 美国 发现氢光谱的精细结构 1956 W.肖克莱 美国 研究半导体并发明晶体管 W.H.布拉顿 美国 J.巴丁 美国 1957 李政道 美国 否定弱相互作用下宇称守 杨振宁 美国 恒定律，使基本粒子研究 获重大发现 1958 P.A.切连柯夫 前苏联 发现并解释切连柯夫效应 I.M.弗兰克 前苏联 (高速带电粒子在透明物质 I.Y.塔姆 前苏联 中传递时放出蓝光的现象),19,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原
11、 因1959 E.萨克雷 美国 发现反质子 O.张伯伦 美国 1960 D.A.格拉塞尔 美国 发明气泡室 1961 R.霍夫斯塔特 美国 由高能电子散射研究原子 核的结构 R.L.穆斯堡 德国 研究r射线的无反冲共振吸 收和发现穆斯堡效应 1962 L.D.朗道 前苏联 研究凝聚态物质的理论， 特别是液氦的研究,20,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1963 E.P.维格纳 美国 原子核和基本粒子理论的 研究，特别是发现和应用 对称性基本原理方面的贡献 M.G.迈耶 美国 发现原子核结构壳层模型 J.H.D.詹森 德国 理论，成功地解释原子核 的长周期和其它幻数性质 的问题 1964
12、 C.H.汤斯 美国 在量子电子学领域中的基 础研究导致了根据微波激 射器和激光器的原理构成 振荡器和放大器,21,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1964 N.G.巴索夫 前苏联 用于产生激光光束的振荡 器和放大器的研究工作 A.M.普洛霍罗夫 前苏联 在量子电子学中的研究工 作导致微波激射器和激光 器的制作 1965 R.P.费曼 美国 量子电动力学的研究，包 J.S.施温格 美国 括对基本粒子物理学的意 朝永振一郎 日本 义深远的结果 1966 A.卡斯特莱 法国 发现并发展光学方法以研 究原子的能级的贡献 1967 H.A.贝特 美国 恒星能量的产生方面的理论,22,年 份 获
13、 奖 者 国籍 获 奖 原 因1968 L.W.阿尔瓦雷斯 美国 对基本粒子物理学的决定 性的贡献，特别是通过发 展氢气泡室和数据分析技 术而发现许多共振态 1969 M.盖尔曼 美国 关于基本粒子的分类和相 互作用的发现，提出“夸克” 粒子理论 1970 H.O.G.阿尔文 瑞典 磁流体力学的基础研究和 L.E.F.尼尔 法国 发现并在等离子体物理中 找到广泛应用,23,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1980 J.W.克罗宁 美国 CP不对称性的发现V.L.菲奇 美国1981 N.布洛姆伯根 美国 激光光谱学与非线性光学 A.L.肖洛 美国 的研究K.M.瑟巴 瑞典 高分辨电子能谱
14、的研究1982 K.威尔孙 美国 关于相变的临界现象1983 S.钱德拉塞卡尔 美国 恒星结构和演化方面的理 论研究W.福勒 美国 宇宙间化学元素形成方面 的核反应的理论研究和实验,24,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1984 C.鲁比亚 意大利 由于他们的努力导致了中间 S.范德梅尔 荷兰 玻色子的发现1985 K.V.克利青 德国 量子霍耳效应1986 E.鲁斯卡 德国 电子物理领域的基础研究工 作，设计出世界上第一架电 子显微镜G.宾尼 瑞士 设计出扫描式隧道效应显微镜H.罗雷尔 瑞士1987 J.G.柏诺兹 美国 发现新的超导材料K.A.穆勒 美国,25,年 份 获 奖 者
15、国籍 获 奖 原 因1988 L.M.莱德曼 美国 从事中微子波束工作及通过 M.施瓦茨 美国 发现介子中微子从而对轻 J.斯坦伯格 英国 粒子对称结构进行论证1989 N.F.拉姆齐 美国 发明原子铯钟及提出氢微波 激射技术W.保罗 德国 创造捕集原子的方法以达到 H.G.德梅尔特 美国 能极其精确地研究一个电子 或离子1990 J.杰罗姆 美国 发现夸克存在的第一个实验 H.肯德尔 美国 证明R.泰勒 加拿大,26,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1991 P.G.德燃纳 法国 液晶基础研究1992 J.夏帕克 法国 对粒子探测器特别是多丝正 比室的发明和发展1993 J.泰勒 美
16、国 发现一对脉冲星，质量 L.赫尔斯 美国 为两个太阳的质量，而直径 仅10-30km，故引力场极强， 为引力波的存在提供了间接 证据1994 C.沙尔 美国 发展中子散射技术B.布罗克豪斯 加拿大,27,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1995 M.L.珀尔 美国 珀尔及其合作者发现了轻 F.雷恩斯 美国 子雷恩斯与C.考温首次成功 地观察到电子反中微子他们 在轻子研究方面的先驱性工 作，为建立轻子-夸克层次上 的物质结构图像作出了重大 贡献1996 戴维.李 美国 发现氦-3中的超流动性D.D.奥谢罗夫 美国 R.C.里查森 美国1997 朱棣文 美国 激光冷却和陷俘原子C.C.塔
17、诺季 法国 W.D.菲利浦斯 美国,28,年 份 获 奖 者 国籍 获 奖 原 因1998 R.B.劳克林 美国 分数量子霍尔效应的发现H.L.斯特默 美国 崔琦 美国 1999 H.霍夫特 荷兰 阐明物理学弱电相互作用中 M.韦尔特曼 的量子结构2000 泽罗斯.阿尔费罗夫 俄罗斯 为现代信息技术的所作出 赫伯特.克勒默 美国 的基础性贡献，特别是他们 杰克.S.基尔比 美国 发明的快速晶体管、激光二 极管和集成电路(芯片),29,物理学与工业革命,蒸气机、内燃机的发展和完善，使人类从农业社会进入工业社会第一次工业革命； 电力、石油和自动生产线第二次工业革命； 电脑、电信革命，信息时代、知识
18、经济时代第三次工业革命。,30,物理学与哲学,31,中国古代的物理成就我国古代的科学技术成就中，属于物理学或与物理学有关的，可以提出力学、光学和声学等三个方面作一简要介绍。 考工记 （公元前至年）：关于惯性的记载、滚动摩擦的论述、火箭的飞行与保持稳定，还记述了有关力的测量、斜面受力分析以及材料和施工中的一些软科学知识。 墨经（公元前至年），墨经战国时代以墨翟为首的墨家的代表作，分为“经”与“经说”两大部分。 前者的内容大多是一些定义性质的条文，后者则带有定律的性质的解释。,32,墨经中的软科学知识已不全是实际生产知识的总结和记述，而是对力学现象进行了粗浅的概括，并进行了一些推理论证。诸如，关于
19、时空观念、运动学知识、力的概念、力系平衡的论述，以及斜面、滑轮及其应用，等等。 侯风地动仪。这是东汉张衡（公元至年）所制的世界上第一台地震仪。后汉书张衡列传上有下面一段记载：“（顺帝）阳嘉元年（即公元年），复造侯风地动仪。 这是一种测定震源方向的仪器。张衡利用了力学上的惯性原理，同时他对地震波传播和方向性也一定有所了解。这些在当时来说都是十分了不起的。,33,记里鼓和指南车。这是三国时魏人马钧根据以前的记载模仿制成的两种利用各种齿轮的复合运动传动的自动机构。在刘仙洲教授著的中国机械工程发明史第一编第五章中有较详细的介绍。 关于光学知识的记载以墨经经下中的八条最为系统。 内容涉及影子生成的道理，
20、本影和半影，由物体与光源的相对位置确定影子的大小，光的直线传播实验，光的反射性和平面镜成像，凹面镜成像，凸面镜成像等。它已触及了几何光学很大一部分，从时间上看要比古希腊欧几里德注反射光学早一百多年。,34,声学方面：据文献记载和考古的发现，在周朝以前已经有了各种乐器，而且很早就制定了有科学根据的乐律，乐律说有丰富的物理声学内容，它的产生和发展，是物理声学史中重要的组成部分。 我国古籍中多次记载了物体的共振和声音的共鸣现象。 关于物质和运动的概念：物质观。关于物质的构成，中国古代有多种说法， 如 “ 五行说 ”，“八卦说”，“元气说”以及墨家提出的“原子论”。,35,我国原始五行说发展到了春秋时
21、代，又出现了五行相生相克的学说，即水生火，火生土，土生金，金生水，水生木；木克土，土克水，水克火，火克金，金克木。显然它是由实践经验抽象出来的。这种关系深刻地揭示了组成世界的五种基本物质元素在相互转化的复杂变换过程中，,36,运动观念。在我国古代，人们把运动理解为一般变化，其中包括产生和消灭，数量增减和性质变化，以及位置移动。,除去以上列举的力学、光学、声学和物质与运动等四个方面之外，在这一时代中，我国还有许多其它的物理学方面的成就，例如磁现象和静电现象、气象知识等等，不再一一加以介绍了。即使从以上的一个很不完整、很不系统的介绍，我们已经可以看到，我国古代确实有不少很有价值的物理学成就。 跟文
22、学、艺术、哲学等其它领域一样，比之其它文明古国毫无逊色，甚至可以说有过之而无不及。,37,物理学与物质世界,38,物质世界的美丽,简洁性 描述经验资料，具有最少量的定义和独立假设的模型最好的理论； “遥望”从整体上把握万物，星星繁多，却个个清晰，万里长城（单块石头）； 质点、刚体、黑体、谐振子、理想气体等，小到原子大到太阳可以有同一名称质点。,39,雄伟壮观的万里长城,40,对称性,对称、平衡、和谐是人类共同的审美心态； 古罗马的建筑、中国的宫殿、周易中的阴阳、八卦； 作用力与反作用力、正负电荷、S极N极、电流周围的磁场及变化磁场周围的电场、杨振宁和李政道的宇称守恒。,41,普遍性,“112”
23、数学抽象，“1头牛2头牛3头牛；1个原子2个原子3个原子” ； 0、1、2所包含的的哲学思想； 普朗克在瑞利和维恩定律后，为追求二者的统一，引出普朗克常数。,42,稳定感,人类审美心态的又一要素表现了对封闭、独立系统的向往； 联合国宪章规定了一百多个国家的边界不可侵犯；互不干涉内政也体现了这种心态； 整个宇宙（有限）中，质量(能量)守恒、电荷守恒； 二千多年前孔子望着川流不息的江河感慨：“逝者如斯夫，不舍昼夜” 。 人们渴望永恒，真空中的光速、普朗克常数、电子电荷、阿伏加德罗常数等等。,43,延伸性,“落霞与孤骛齐飞，秋水共长天一色”唐代王勃把视野引向无穷、无尽、无限和无数。 仿佛看到在一块无
24、限大平板上，放着一个刚球，伽利略一推，刚球保持初速直线前进，向前，向前，直到无边否定亚力斯多德的经验结论。,44,1993年3月，亚特兰大， “物理学对社会的重要贡献” 的决议”,物理学是一项智力探险活动，鼓舞着年轻人，扩展着我们关于大自然知识的疆界。 物理学发展着未来技术进步所需要的基本知识。 物理学为科学进步和发明的利用，提供所需训练有素的人才。 物理学在培养其它学科领域科学工作者的教育中，是一个重要组成部分。 物理学扩展和提高我们对其他科学的理解，诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科学，以及天文学和宇宙学这些学科对世界上所有民族都是至关重要的。 物理学提供发展应用于医学的新设备和
25、新技术所需的基本知识，如计算机层析技术（CT），磁共振成像，正电子发射层析技术，超声波成像和激光技术等，改善了我们生活的质量。,45,人类21世纪的文明要到两千年前中国的孔子和老子那里去找,两千年前，哲学家庄子 “判天地之美，析万物之理” 古训激励我们勇攀科学高峰！,46,您将一点一点地掀开物质世界的神奇的面纱,欢迎,47,1 物理学与物质世界 物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科是自然科学的基础,一.物质世界,研究的对象十分广泛 宇观 宏观 微观,为人们描绘出一副五彩缤纷的图画,48,空间尺度(相差10451046) 1026 m(约150亿光年)(宇宙)1020 m(夸克),时间尺度(
26、相差1045) 1018s 150亿年(宇宙年龄)-10-27s(硬 射线周期),速率范围 0(静止) - 3x108 m/s(光速),49,人们从自己向小尺度追问 以探索物质的组成 物理学上对应 粒子物理学 目前物理学界公认组成物质的最小单元是夸克 即认为quark没有内部结构但近来有消息称 quark 也可一分为二 说明认识无止境,50,粒子种类自由状态存在的: 452 种其中 规范玻色子 4 种轻子 12 种强子 436 种,基本相互作用 : 电磁 强 弱 引力,51,人们从自己向大尺度追问以探索宇宙的奥秘 物理学上对应 天体物理学,宇宙是怎样运动的呢？ 进行绝热膨胀 宇宙半径增大 宇宙
27、密度降低 温度降低,宇宙有限又无边!,有中心?无中心?,远离,52,仙女座大星云,53,54,三.物理学使人们深入认识世界 物质存在的基本形式 中学时已有 粒子和场 的认识,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,场与粒子是统一体的两种表现形式,55,演绎法 推理 演算 归纳法 假设 模型 定性和半定量,直觉 想象力 洞察力,2 物理学与科学思维,一.物理学的研究方法,56,物理学家的 1/3 激奋在于 建立理论 1/3 激奋在于 证实理论 1/3 激奋在于 突破理论 爱因斯坦是典范-最令人惊讶的是没有出现令人惊讶的事-,二.物理学家的科学态度,实验结果与已有理论不符合预示着重
28、大突破,令人兴奋,57,3 物理学与科学技术 物理学为其他学科创立技术和原理 重大新技术领域的创立总是经历长期的物理酝酿 如 微电子技术的发展 物理学满足人类所深刻认识到的最根本的程度上了解自然界的需要 (美国物理学评述委员会),58,卢瑟福 a 粒子散射实验(1909)核能利用(40年代以后) 爱因斯坦受激辐射理论(1917) 第一台激光器(1960)(物理) (技术) 信息技术的发生和发展的硬件部分以物理学成果为基础(技术) (物理) 量子力学 费米狄拉克统计 固体能带理论(20年代)(物理)晶体管诞生(1947) 集成电路(1962) 大规模集成电路(70年代后期)(技术)微结构物理(物
29、理),59,4 物理学与高素质人才,提高科学素质和能力以适应高新技术 市场经济的发展,现代工业技术工程师类型 工程科学家型 革新发明家型 现场工程专家型 管理规划专家型,要求良好的科学素质!,60,物理学的思想和观点 如 建理想化模型 从物理本质上提出和研究本专业问题 创新能力 在工程技术中引入物理学的新成果,物理素质的表现,重视提高科学素质 深厚的科学素养是发明创造的基础,61,如：扫描隧道显微镜 (STM)的发明说明：深厚的科学素质的重要性,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 S T M,得益于深厚的科学素养,1986年诺贝尔
30、物理学奖,62,经典量子,63,中国科学院化学研究所研制的CSTM-9000型扫描隧道显微镜“原子和分子的观察与操纵”,64,用AFM得到的癌细胞的表面图象“原子和分子的观察与操纵”,基于STM工作原理或扫描成像方法的派生显微镜系列 原子力(AFM) 磁力 分子力显微镜 等等,65,1994年中国科学院科学家“写”出的平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子的观察与操纵”,操纵原子不是梦“原子书法”,66,移动铁原子,67,文科物理课的任务,通过物理学的学习，把大学生领进各个领域的大门； 打开大门 并送一枚指南针； 使之能在物理学展示的五彩缤纷的世界中 汲取营养 茁壮成长 ； 为将来无论从事什么工作，打下坚实的基础。,68,不断地探索未知是物理学家一生的,追求,
